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Wechselrichter

Ein Wechselrichter (auch als Inverter bezeichnet) ist eine Art von Stromrichter, welcher aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung herstellen kann. Wenn ein Verbraucher an die erzeugte Wechselspannung angeschlossen wird, entsteht also Wechselstrom (oft auch Drehstrom) aus Gleichstrom. Die gegenteilige Funktion wäre die eines Gleichrichters.

Manchmal werden auch Geräte, die nur eine Gleichspannung auf ein anderes Niveau bringen, ungenau als Wechselrichter bezeichnet. Solche Geräte enthalten in der Regel einen Wechselrichter und zusätzlich einen Gleichrichter.

Häufig verwendet wird auch eine Kombination eines Gleichrichters, der zunächst eine Wechselspannung (ein- oder dreiphasig) gleichrichtet, mit einem Wechselrichter, um eine Wechselspannung mit anderer Frequenz zu erhalten. Als Ganzes gesehen ist das ein Frequenzumrichter.

Grundprinzip

Das Grundprinzip eines Wechselrichters besteht darin, dass mithilfe eines elektronisch gesteuerten Schalters die zur Verfügung stehende Gleichspannung in regelmäßiger Weise unterbrochen oder umgekehrt wird. Im einfachsten Fall (Zerhackerschaltung) erhält der Ausgang abwechselnd entweder die gleiche Spannung wie am Eingang oder die entgegengesetzte (quasi durch Vertauschung der beiden Leitungen). Damit entsteht eine etwa rechteckförmige Ausgangsspannung.

In der Praxis verwendet man meist aufwändigere Prinzipien, häufig auch mit Verwendung eines Transformators, wobei die Ausgangsspannung dann beispielsweise auch viel höher sein kann als die Eingangsspannung (bei entsprechend geringerer Stromstärke) und der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung annähernd sinusförmig werden kann. Moderne Leistungselektronik bietet hier sehr weitgehende Möglichkeiten. So ist es heute möglich, eine mit hoher Genauigkeit sinusförmige Ausgangsspannung zu erzeugen, und dies mit zusätzlichen Qualitäten wie guter Spannungskonstanz auch bei wechselnder Belastung und hohem Wirkungsgrad in einem weiten Bereich von Leistungen. Solche Technik steht für kleine Solarwechselrichter mit wenigen Kilowatt genauso zur Verfügung wie für Großanlagen mit Leistungen von hunderten von Megawatt oder mehr.

Selbstgeführte und fremdgeführte Wechselrichter

Man unterscheidet selbstgeführte und fremdgeführte Wechselrichter:

• Selbstgeführte Wechselrichter bestimmen selbst die Phase (also die genauen Zeiten der Spannungsmaxima und -minima) und die Amplitude der erzeugten Wechselspannung und sorgen mehr oder weniger genau für die gewünschte Netzfrequenz. Sie sind geeignet, um Inselnetze aufzubauen. Beispielsweise kann in einem Ferienhaus ohne Anschluss an das öffentliche Stromnetz ein Wechselrichter die für diverse Elektrogeräte benötigte Wechselspannung mit Hilfe von Energie aus einer Batterie herstellen. Ebenso ist ein selbstgeführter Wechselrichter notwendig in einer batteriebasierten Notstromversorgung.
• Fremdgeführte Wechselrichter können elektrische Energie in ein vorhandenes Wechselspannungsnetz einspeisen. Sie richten sich nach der vom Netz vorgegebenen Phase, arbeiten also netzsynchron, und passen sich genauso der vorhandenen Netzspannung an. Solche Wechselrichter werden beispielsweise benötigt, um Energie von einer Photovoltaik-Anlage (die eine Gleichspannung liefert) in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Auch eine Windenergieanlage benötigt einen Wechselrichter, wenn der Generator (wie gewöhnlich) nicht netzsynchron arbeitet, und sie dienen zur Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) in Elektrolokomotiven. Eine andere Anwendung sind Frequenzumrichter, bei denen eine Wechselspannung zunächst gleichgerichtet wird und damit dann ein Wechselrichter betrieben wird. Dies erlaubt die Kopplung von Wechselspannungsnetzen, die nicht synchron laufen oder gar unterschiedliche Frequenzen aufweisen.

In der Regel ist ein Wechselrichter nur für eine dieser Betriebsarten einsetzbar, je nach dem vorgesehenen Einsatzzweck. Jedoch ist es auch möglich, Wechselrichter herzustellen, die beide Betriebsarten beherrschen: etwa den fremdgeführten Betrieb am Netz im Normalfall und den selbstgeführten für einen Notstromversorgung bei Stromausfall im öffentlichen Netz.

Netzbildende Wechselrichter

Netzbildende Wechselrichter sind fremdgeführt, also vorgesehen für die Einspeisung in ein bereits bestehendes Netz. Im Gegensatz zu gewöhnlichen fremdgeführten Wechselrichtern übernehmen Sie aber ein Stück weit zusätzliche Funktionen zur Verbesserung bzw. Unterstützung der Netzstabilität. Insbesondere gibt es die folgenden Möglichkeiten:

• Sie können zur Spannungshaltung beitragen, indem sie gezielt (d. h. im Ausmaß abhängig von der momentanen Netzspannung) Blindleistung einspeisen.
• Sie können Netzstörungen erkennen und in besonderen Situationen ebenfalls Blindleistungen in einem dann angemessenen Maß erzeugen.
• Sie können Oberschwingungen im Netz dämpfen und dadurch die Spannungsqualität verbessern.
• Sie können mit geeigneten Regelverfahren eine Art von Trägheit erzeugen, wie man sie sonst von den Synchrongeneratoren in den Großkraftwerken kennt.

Solche Funktionen sind mit moderner Halbleitertechnik (Leistungshalbleiter und Mikroprozessoren) mit begrenztem Aufwand realisierbar. Sie sind insbesondere bei größeren Wechselrichtern von Interesse, die man bei größeren Photovoltaikanlagen und bei Windenergieanlagen einsetzt. Der Nutzen solcher Technik nimmt in dem Maße zu, wie der Anteil von Großkraftwerken an der Stromversorgung abnimmt, da letztere bislang im Wesentlichen die Netzstabilität garantiert haben.

Einphasige und mehrphasige Wechselrichter

Man unterscheidet ferner einphasige Wechselrichter, die nur eine einphasige Wechselspannung erzeugen können, von dreiphasigen Wechselrichtern, die Drehstrom erzeugen können. Dreiphasig symmetrische Wechselrichter speisen in jede der drei Phasen (Außenleiter) dieselbe Leistung ein, während dreiphasig unsymmetrische Geräte die Leistungen für die Phasen separat steuern können; beispielsweise kann ein solcher Wechselrichter die Leistung der Phasen dem jeweiligen Strombedarf von Geräten im Haushalt anpassen, auch wenn eine Schieflast auftritt. Damit wird vermieden, dass z. B. Energie über eine Phase bezogen wird, während über eine andere Phase Energie in das Netz eingespeist wird.

Weitere Aspekte

Wirkungsgrade und Standby-Verbrauch von Wechselrichtern

Hochwertige Wechselrichter, die z. B. bei Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommen (Solarwechselrichter, siehe unten), können einen sehr hohen Wirkungsgrad von über 98 % erreichen, zumindest in einem gewissen Bereich von Leistungen, und gleichzeitig eine hohe Spannungsqualität erzielen.

Eine gewisse Bedeutung für die Energieeffizienz kann auch der Standby-Verbrauch eines Wechselrichters haben. Beispielsweise hängt ein Solarwechselrichter üblicherweise auch nachts am Stromnetz, ohne Energie von den Solarmodulen zu erhalten. Er verursacht dann ständig einen gewissen Standby-Verbrauch. Bei modernen Geräten ist dieser allerdings so gering, dass die dadurch verursachten Energieverluste nicht bedeutsam sind im Vergleich zu denen durch den nicht perfekten Wirkungsgrad im Betrieb.

Maximale Leistung

Jeder Wechselrichter ist für eine bestimmte Maximalleistung ausgelegt. Kleingeräte mögen nur einige Watt liefern, während zur Kopplung von Netzen Wechselrichter mit Leistungen von hunderten von Megawatt im Einsatz sind. (Die dafür benötigte Leistungselektronik hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht.) Manche Geräte vertragen kurzzeitig eine wesentliche Überlast, beispielsweise wenn bestimmte Verbraucher (z. B. Elektromotoren) kurzzeitig einen hohen Anlaufstrom beziehen.

Blindleistung

Selbstgeführte Wechselrichter müssen auch Blindleistung liefern können, wenn in ihrem Inselnetz entsprechende induktive oder kapazitive Lasten angeschlossen werden. Je nach Verbraucher können dies erhebliche Blindleistungen sein.

Bei fremdgeführten Wechselrichtern ist die Bereitstellung von Blindleistung nicht zwingend erforderlich, da diese auch aus dem Netz bezogen werden kann. Einfache fremdgeführte Wechselrichter beziehen überdies eine sogenannte Kommutierungsblindleistung aus dem Netz. Jedoch haben viele moderne fremdgeführte Wechselrichter – vor allem solche größerer Art – die Fähigkeit, Blindleistung gezielt zu erzeugen. Im Ideallfall kann die Erzeugung von Blindleistung durch den Netzbetreiber per Rundsteuerung optimiert werden, hauptsächlich als Beitrag zur Spannungshaltung im Netz. Bei kleineren Geräten werden hierbei oft vereinfachte Verfahren praktiziert, um den technischen Aufwand (auch für den Netzbetreiber) zu begrenzen; beispielsweise wird ein fester oder von der eingespeisten Leistung (aber nicht vom tatsächlichen Bedarf im Netz) abhängiger Betrag erzeugt. Alternativ kann dieser Betrag von der lokalen Netzspannung abhängig gemacht werden (Q(U)-Regelung), was für die Spannungshaltung nützlicher ist.

Solarwechselrichter

Speziell für den Einsatz mit Photovoltaik eingerichtete Wechselrichter werden als Solarwechselrichter bezeichnet. Eine Besonderheit ist hier nicht nur die im Betrieb wechselnde verfügbare Leistung von den angeschlossenen Solarmodulen, sondern auch deren Strom-Spannungs-Charakteristik, die für eine gute Energieeffizienz korrekt berücksichtigt werden muss (MPP-Tracking).

Umrichter

Durch Kombination eines Gleichrichters mit einem Wechselrichter erhält man einen Umrichter, der Leistung von einer Wechselspannung auf eine andere Wechselspannung mit anderer Frequenz oder Phasenlage übertragen kann. Damit ist beispielsweise der Energieaustausch zwischen Wechselstromnetzen möglich, die nicht synchron laufen. Ein anderes Beispiel sind drehzahlgeregelte Antriebe, wie sie z. B. bei Heizungs-Elektrowärmepumpen heute üblich sind: Die Ausgangs-Frequenz muss damit der variablen Drehzahl eines Elektromotors angepasst werden.

Störungen bei Wechselrichtern

Da Wechselrichter häufig erhebliche Leistungen umsetzen, werden sie in der Regel im Betrieb von einer Elektronik überwacht, die verschiedene Arten von Fehlern erkennen und das Gerät notfalls abschalten kann – oft auch vorsichtshalber, um mögliche Schäden zu verhindern. Mögliche Auslöser einer Störung (die oft auch als Inverter-Störung bezeichnet wird) sind vielfältig; einige Beispiele:

• Phasenfehler bedeuten beispielsweise eine fehlende Phase bei einem Drehstromsystem (etwa wegen einer ausgelösten Sicherung) oder eine falsche Phasenreihenfolge (durch falschen Anschluss).
• Über- oder Unterspannung und ähnliche andere Störungen im Stromnetz können einen Wechselrichter sicherheitshalber in einen Störungsmodus bringen, der oft manuell beendet werden muss, etwa durch einen Neustart.
• Überlastung durch einen angeschlossenen Verbraucher, evtl. auch nur kurzfristig löst meist eine Störung auf, da Leistungs-Halbleiter zu hohe Stromstärken oft nicht lange aushalten würden.
• Überhitzung ist möglich durch Überlastung oder unzureichende Kühlung.
• Komponentenausfall ist eine weitere mögliche Ursache, etwa Kurzschluss eines Halbleiter-Schaltelements. Auch Einflüsse von Feuchtigkeit oder Verschmutzung auf die Elektronik ist möglich bei unzureichendem Schutz davor.
• Schlechte elektrische Verbindungen, etwa durch lose oder korridierte Anschlüsse, führen zu Spannungs- und Stromschwankungen, die eine Störung auslösen können.

Siehe auch: Wechselstrom, Gleichstrom, Stromrichter, Umrichter, Gleichrichter, Solarwechselrichter