https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?action=history&feed=atom&title=UmrichterUmrichter - Versionsgeschichte2026-06-04T09:52:11ZVersionsgeschichte dieser Seite in Wikipedia (Deutsch) – Lokale KopieMediaWiki 1.43.8https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?title=Umrichter&diff=132298&oldid=previmported>Mamisc: Veralteter Link angepasst2025-12-25T12:24:15Z<p>Veralteter Link angepasst</p>
<p><b>Neue Seite</b></p><div>'''Umrichter''', auch als ''Wechselstrom-Umrichter'' und in Anlehnung an den englischen Begriff auch als ''AC/AC-Konverter'' bezeichnet, generieren aus einer [[Wechselspannung]] eine in [[Frequenz]] ''und'' [[Amplitude]] verschiedene neue Wechselspannung. Sie bilden neben [[Gleichrichter]]n, [[Wechselrichter]]n und [[Gleichspannungswandler]]n eine Untergruppe der [[Stromrichter]]. Nicht zu verwechseln sind Umrichter mit [[Transformator]]en, die nur die Amplitude, aber nicht die Frequenz der Wechselspannung verändern können.<br />
<br />
Dient die Umrichtung der direkten Versorgung einer [[Elektrische Maschine|elektrischen Maschine]] wie eines [[Drehstrommotor]]s im Rahmen der elektrischen Antriebstechnik und werden Frequenz und Amplitude vom Betriebszustand des Motors abgeleitet, so wird der Umrichter spezifisch als [[Frequenzumrichter]] bezeichnet. Er umfasst dann zusätzliche Funktionen zur Motorsteuerung wie beispielsweise [[Drehzahlmessung]] und Verfahren zur [[Kommutierung]], um das [[Drehfeld]] abhängig vom momentanen Zustand der Maschine anzupassen.<br />
<br />
Umrichter und Frequenzumrichter sind elektronische Geräte ohne mechanisch bewegte Komponenten. Im Gegensatz dazu ist ein [[Umformer]] eine Kombination aus rotierenden elektrischen Maschinen, üblicherweise einem [[Elektromotor|elektrischen Motor]] und einem [[Elektrischer Generator|elektrischen Generator]], die [[Elektromechanik|elektromechanisch]] eine Frequenzumsetzung ermöglicht.<br />
<br />
== Klassifizierung ==<br />
{{Stammbaum/Start |style=margin:1em;font-size:85%;}}<br />
{{Stammbaum | | | | | | | | | | | | | | | | | 000 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 000=AC/AC Converter}}<br />
{{Stammbaum | | | |,|-|-|-|-|-|-|-|v|-|-|-|-|-|^|-|-|-|-|-|.| | | | | | | | | | | | | }}<br />
{{Stammbaum | | | 001 | | | | | | 002 | | | | | | | | | | 003 | | | | | | | | | | | | | 001=Umrichter mit Gleichspannungs&shy;zwischenkreis<br />
| 002=Hybrid Matrix Converter<br />
| 003=Direktumrichter (Matrixumrichter)<br />
}}<br />
{{Stammbaum | |,|-|^|-|.| | | |,|-|^|-|.| | | |,|-|-|-|-|-|^|-|-|-|-|-|.| | | | | | | }}<br />
{{Stammbaum | 010 | | 012 | | 021 | | 022 | | 031 | | | | | | | | | | 032 | | | | | | | 010=[[Spannungszwischenkreisumrichter|Umrichter mit spannungsgeführtem Zwischenkreis]]<br />(U-BBC)<br />
| 012=[[Stromzwischenkreisumrichter|Umrichter mit stromgeführtem Zwischenkreis]]<br />(I-BBC)<br />
| 021=Hybrid Direct Matrix Converter (HDMC)<br />
| 022=Hybrid Indirect Matrix Converter (HIMC)<br />
| 031=Direct Matrix Converter<br />
| 032=Indirect Matrix Converter<br />
}}<br />
{{Stammbaum | | | | | | | | | | | | | | | |,|-|^|-|.| | | |,|-|-|-|v|-|^|-|v|-|-|-|.| }}<br />
{{Stammbaum | | | | | | | | | | | | | | | 311 | | 312 | | 321 | | 322 | | 323 | | 324 | 311=Conventional Matrix Converter (CMS)<br />
| 312=Full Bridge Matrix Converter (Open Motor&shy;windings)<br />
| 321=AC/DC-DC/AC Converter without DC-link Capacitor<br />
| 322=Indirect Matrix Converter (IMC)<br />
| 323=Sparse Matrix Converter (SMC) (VSMC) (USMC)<br />
| 324=Three-level Matrix Converter<br />
}}<br />
{{Stammbaum/Ende}}<br />
<br />
Es gibt verschiedene Topologien von Umrichtern, wie in nebenstehendem Diagramm als Übersicht dargestellt.<ref name="Kolar1" /> Die wichtigsten Typen sind die indirekten Umrichter, die mit einem mit [[Gleichspannung]] betriebenen [[Zwischenkreis]] arbeiten und im Prinzip eine Kombination von [[Gleichrichter]] und [[Wechselrichter]] darstellen. Des Weiteren gibt es direkte Umrichter, auch als Matrix-Konverter bezeichnet, die ohne einen Gleichspannungszwischenkreis auskommen. Die Haupttopologien unterteilen sich in verschiedene Untergruppen für spezifische Anwendungsbereiche.<br />
<br />
Hinsichtlich Leistung unterscheidet man noch zwischen '''Teilumrichter''' und '''Vollumrichter'''. Ein Teilumrichter ist nur auf die zu regelnde Schlupfleistung (maximal bis zu 30 %) ausgelegt, ein Vollumrichter beherrscht die volle Leistung der Antriebsmaschine bzw. des Generators. Teilumrichter findet man häufig im Zusammenhang mit doppeltgespeisten [[Asynchrongenerator]]en an [[Windkraftanlage]]n.<ref>{{Internetquelle |autor=Ralf Lohde, Christian Wessels, Friedrich W. Fuchs |url=http://www.tf.uni-kiel.de/etit/LEA/dl-open/veroeff_2009/FT3_7.4_Fuchs.pdf |titel=Leistungselektronik Generatorsysteme in Windenergieanlagen und ihr Betriebsverhalten |hrsg=Christian-Albrechts-Universität Kiel |format=PDF; 620&nbsp;kB |offline=1 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20140410062451/http://www.tf.uni-kiel.de/etit/LEA/dl-open/veroeff_2009/FT3_7.4_Fuchs.pdf |archiv-datum=2014-04-10 |abruf=2013-07-09}}</ref><br />
<br />
Im Folgenden sind die wichtigsten [[Schaltplan|Schaltungsprinzipien]] von Umrichtern dargestellt.<br />
<div style="clear:both;"></div><br />
<br />
=== Indirekte Umrichter ===<br />
Indirekte Umrichter mit Gleichspannung im Zwischenkreis, {{enS|Voltage-Source-Inverter}} (VSI), bestehen aus einem [[Dreiphasengleichrichter]] (in den Abbildungen links), einem Gleichspannungskreis, in dem die Gleichspannung an dem [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensator]] ''C'' als Energiespeicher im Zwischenkreis annähernd konstant ist, und einem ausgangsseitigen Wechselrichter (in den Abbildungen rechts). Die für die Ansteuerung der elektronischen Schalter notwendige Steuerelektronik ist in den Abbildungen der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.<br />
<br />
Indirekte Umrichter mit Gleichstrom im Zwischenkreis, {{enS|Current-Source-Inverter}} (CSI) bestehen aus einem Dreiphasengleichrichter mit [[Phasenanschnittsteuerung]], einem Zwischenkreis mit einer [[Speicherdrossel]] ''L'' als Energiespeicher, durch die bei konstanter Last konstanter Gleichstrom fließt, und einem ausgangsseitigen Wechselrichter.<br />
<br />
Die in den vereinfachten Schaltbildern eingezeichneten [[Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode|Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode]] (IGBT) als elektronischer Schalter können je nach Anwendung auch durch andere elektronische Schalter wie [[Thyristor]]en ersetzt sein. Bei hohen Spannungen von einigen 100&nbsp;kV werden die Schalter in [[Reihenschaltung|Reihe]] geschaltet und zu sogenannten [[Thyristorturm|Thyristortürmen]] zusammengefasst. Üblich ist dies bei größeren Leistungen bis zu einigen 100&nbsp;MW bei [[Gleichstromkurzkupplung]]en, die eine Form von großen Umrichtern zwischen zwei Wechselspannungsnetzen mit unterschiedlicher [[Netzfrequenz]] darstellen.<br />
<br />
<gallery widths="400" caption="Topologien indirekter Umrichter" class="center"><br />
Three Phase AC AC voltage DC.jpg|Prinzipschaltung ''VSI'' mit Spannungszwischenkreis<ref name="Taka1" /><br />
3PAC current DC.jpg|Prinzipschaltung ''CSI'' mit Stromzwischenkreis<ref name="bier1" /><br />
</gallery><br />
<br />
Der Vorteil der indirekten Umrichter besteht in einer weitgehenden Entkopplung des Ausganges vom Eingang über den Zwischenkreis und dessen Energiespeicher. Der Energiespeicher, insbesondere bei VSI-Umrichtern mit Kondensator, weist je nach Leistung ein vergleichsweise hohes Volumen auf. Bei höheren Leistungen werden indirekte Umrichter als CSI mit einer Spule als Energiespeicher ausgeführt. Im Vergleich zu direkten Umrichtern haben indirekte Umrichter eine geringere Energiedichte.<br />
<br />
=== Direkte Umrichter ===<br />
[[Datei:Direct matrix converter.jpg|mini|Prinzipschaltung eines direkten Umrichters<ref name="popw1" />]]<br />
Bei Anforderungen an hohe Energiedichten wie bei kompakter Gestaltung des Umrichters, finden direkte Umrichtertopologien, auch als ''Matrix-Konverter'' bezeichnet, Anwendung. Die Matrix-Konverter lassen sich in ihrem Aufbau nicht in einzelne Module wie Gleichrichter oder Wechselrichter aufspalten und führen die Spannungs- und Frequenzumrichtung in einer Stufe, einer Matrix, durch.<br />
<br />
Die Matrix besteht im Dreiphasensystem, wie bei dem vereinfachten Schaltbild rechts dargestellt, aus jeweils drei Pfaden pro Phase, womit es möglich ist, jede Ausgangsphase, bezeichnet mit den Großbuchstaben ''A'', ''B'' und ''C'' wahlweise mit einer der Eingangsphasen ''a'', ''b'' oder ''c'' zu verbinden. Die Reihenschaltung zweier IGBTs pro Pfad ist notwendig, um sowohl positive als auch negative Halbschwingungen schalten zu können. Durch die hier der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte Ansteuerschaltung werden bei diesem Umrichter bestimmte Zeitabschnitte der Eingangsspannungen so an den Ausgang geschaltet, dass sich eine geänderte Frequenz ergibt. Die dabei unstetigen Übergänge im Bereich der Umschaltzeitpunkte äußern sich in [[Oberschwingung]]en, die durch zusätzliche [[Oberschwingungsfilter]] gedämpft werden.<br />
<br />
Eine weitere Schaltungsvariante eines direkten Umrichters, die insbesondere als Frequenzumrichter zur Steuerung von größeren Drehstrommotoren Anwendung findet, ist der [[Cyclo-Konverter]]. Als Besonderheit ist beim Cyclo-Konverter die Ausgangsfrequenz immer kleiner als die Eingangsfrequenz, wenn als Schaltelemente Thyristoren verwendet werden, die zwar zu beliebigen Zeitpunkten eingeschaltet, aber nur bei einem [[Nulldurchgang]] ausgeschaltet werden können.<br />
<br />
{{Absatz}}<br />
<br />
=== Mischtopologien ===<br />
[[Datei:Very sparse matrix.jpg|mini|Sparse-Matrix-Konverter]]<br />
<br />
Eine Mischform zwischen direktem und indirektem Umrichter stellen die indirekten Matrix-Konverter oder auch [[Sparse-Matrix-Konverter]] dar. Diese weisen einen Zwischenkreis auf, aber ohne Energiespeicher. D.&nbsp;h. die Spannung bzw. Strom ist nicht zeitlich konstant und ändert ihren Wert zyklisch. Der Vorteil ist das Entfallen der bei höheren Leistungen voluminös ausfallenden Energiespeicher. Nachteilig sind der größere schaltungstechnische Aufwand und die komplexere Steuerlogik. Wie die Cyclo-Konverter finden auch die Sparse-Matrix-Konverter primär im Bereich der Frequenzumrichter zur Steuerung von Elektromotoren Anwendung.<ref name="Swamy1" /><br />
<br />
{{Absatz}}<br />
<br />
== Anwendungen ==<br />
<br />
Zunehmend werden motorbetriebene „rotierende“ Umformer durch auf Halbleiter basierende „statische“ Umrichter ersetzt.<br />
<br />
* Im Bereich Schweißen waren in den 1960er Jahren rotierende Umformer, erkennbar am zylindrischen Gehäuse und Geräusch des Motors, üblich. Um 1980 kamen Schweiß„gleichrichter“ mit Transformatoren auf, deren Eisenkern typisch über eine oben herausragende Kurbel mechanisch zu verstellen war, um den Schweißstrom zu begrenzen. Wesentlich leichter und effizienter sind moderne Schweiß„inverter“: Ein Gerät für 150 A Schweißstrom wiegt etwa 4&nbsp;kg und kann mit einem Schulterriemen getragen werden. Große Geräte wurden um 2010 koppelbar, kommunizieren also in ihrer Steuerung, um ihre Schweißströme zu addieren, etwa zum groben Schweißen an Straßenbahnschienen.<br />
<br />
* In [[Datteln]] wurde im April 2014 die mit 413 Megawatt Leistung weltgrößte Umrichteranlage für [[Bahnstrom]] errichtet. Sie bereitet etwa 25 % des Bahnstroms der DB in Deutschland mit hoher Effizienz. Die Anlage mit 4 Blöcken in [[IGC-Thyristor|IGCT]] (Integrated Gate Commutated Thyristor)-Technik wurde bei ABB Schweiz in [[Turgi]] (AG) entwickelt.<ref>[https://www.abb-kundenmagazin.ch/infrastruktur/leistungsstaerkster-bahnumrichter-der-welt/ Leistungsstärkster Bahnumrichter der Welt] abb-kundenmagazin.ch, 22. Oktober 2014, abgerufen am 25. Dezember 2025.</ref><br />
<br />
== Literatur ==<br />
* {{Literatur<br />
|Autor=Joachim Specovius<br />
|Titel=Grundkurs Leistungselektronik<br />
|Auflage=4.<br />
|Verlag=Vieweg + Teubner<br />
|ISBN=978-3-8348-1307-7<br />
|Datum=2010}}<br />
<br />
== Einzelnachweise ==<br />
<references><br />
<ref name="Kolar1"><br />
{{Literatur<br />
|Autor=J. W. Kolar, T. Friedli, F. Krismer, S. D. Round<br />
|Titel=The Essence of Three-Phase AC/AC Converter Systems<br />
|Verlag=Proceedings of the 13th Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEM), 1. bis 3. September 2008<br />
|Ort=Poznań<br />
|Datum=2008<br />
|Online=https://www.ams-publications.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethpublications/MatrixConverter_Final_NEW_VERSION_PDFexpressGen.pdf<br />
|Abruf=2025-08-26<br />
|Seiten=27–42}}<br />
</ref><br />
<ref name="Taka1"><br />
{{Literatur<br />
|Autor=I. Takahashi, Y. Itoh<br />
|Titel=Electrolytic Capacitor-Less PWM Inverter<br />
|Verlag=Proceedings of the IPEC’90, Tokyo, 2.–6. April 1990<br />
|Datum=<br />
|Seiten=131–138}}<br />
</ref><br />
<ref name="bier1"><br />
{{Literatur<br />
|Autor=M. H. Bierhoff, F. W. Fuchs<br />
|Titel=Pulse Width Modulation for Current Source Converters – A Detailed Concept<br />
|Verlag=Proceedings of the 32nd IEEE IECON, 7. bis 10. November 2006<br />
|Ort=Paris<br />
|Datum=2006}}<br />
</ref><br />
<ref name="popw1"><br />
{{Literatur<br />
|Autor=W. I. Popow<br />
|Titel=Der zwangskommutierte Direktumrichter mit sinusförmiger Ausgangsspannung<br />
|Sammelwerk=Elektrie<br />
|Band=28<br />
|Nummer=4<br />
|Datum=1974<br />
|Seiten=194–196}}<br />
</ref><br />
<ref name="Swamy1"><br />
{{cite journal|last=Swamy|first=Mahesh|coauthors=Kume, Tsuneo|title=Present State and Futuristic Vision of Motor Drive Technology|journal=Power Transmission Engineering|date=2010-12-16|url=http://www.powertransmission.com/issues/1210/swamy.pdf|publisher=powertransmission.com|archivebot=2023-02-02 02:49:43 InternetArchiveBot|accessdate=2012-05-22|archiveurl=https://web.archive.org/web/20201205173040/http://www.powertransmission.com/issues/1210/swamy.pdf|archivedate=2020-12-05|offline=yes|language=en}}<br />
</ref><br />
</references><br />
<br />
{{Normdaten|TYP=s|GND=4186778-6}}<br />
<br />
[[Kategorie:Leistungselektronik]]<br />
[[Kategorie:Umspann- oder Schaltanlage]]<br />
[[Kategorie:Elektronisches Gerät]]</div>imported>Mamisc