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2025-08-05T20:37:43Z

Mit Halbleitern

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[[Datei:Amsterdam RAI METS 2011 (135).JPG|mini|rechts|Wechselrichter von 24 V Gleichspannung auf 230 V 50 Hz Wechselspannung, ca. 3 kW, ca. 250 mm breit]]
[[Datei:Sindelfingen Haus & Energie 2018 by-RaBoe 041.jpg|mini|Wechselrichter]]
Ein '''Wechselrichter''' (auch '''Inverter''' oder '''Drehrichter''') ist ein elektrisches Gerät, das [[Gleichspannung]] in [[Wechselspannung]] umwandelt. Wechselrichter bilden neben [[Gleichrichter]]n, [[Gleichspannungswandler]]n und [[Umrichter]]n eine Untergruppe der [[Stromrichter]].

== Allgemeines ==
Je nach Anwendung erzeugen Wechselrichter entweder einen ein- oder mehrphasigen Ausgangsstrom bzw. eine ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung. Der Wirkungsgrad [[halbleiter]]<nowiki/>basierender Geräte kann bis zu 99 Prozent erreichen.<ref>Fraunhofer ISE (Hrsg.): ''[https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/presseinformationen/2009/presseinformation-fraunhofer-ise-verbessert-eigenen-weltrekord-im-pdf-format.pdf Fraunhofer ISE verbessert eigenen Weltrekord - Über 99 Prozent Wirkungsgrad bei Photovoltaik-Wechselrichtern ].'' 2009, 29. Juli 2009 (Presseinformation).</ref>

Eingesetzt werden Wechselrichter dort, wo elektrische Verbraucher Wechselspannung bzw. -strom zum Betrieb benötigen, aber nur eine Gleichspannungsquelle zur Verfügung steht. Wichtige Anwendungsgebiete sind unter anderem die Ansteuerung von [[Wechselstrommotor|Wechselstrommotoren]] oder in der [[Photovoltaik]] zur Umwandlung des von [[Solarmodul]]en gewonnenen Gleichstroms in einen Wechselstrom, zur Einspeisung in das öffentliche Stromversorgungsnetz oder den [[Eigenverbrauch (Solarstrom)|direkten Verbrauch]].

== Arten ==
Es gibt elektromechanische [[Zerhacker (Elektrotechnik)|Zerhacker]], [[Motorgenerator]]en und elektronische Wechselrichter mit Röhren oder [[Halbleiter]]n (Prinzip von [[Oszillator]] oder [[Multivibrator|astabiler Kippstufe/Multivibrator]]).

=== Steuerung ===
Man unterscheidet zwei Steuerungsarten von Wechselrichtern:

* Selbst geführte Wechselrichter, auch ''Inselwechselrichter'', verwenden [[Transistor]]en, zum Beispiel [[IGBT]]s. Sie dienen der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, als Nebenfall ist auch der umgekehrte Weg möglich. Da die Ventile mit einem vom Wechselrichter selbst erzeugten Takt an- und ausgeschaltet werden können, ist keine Referenz vom Netz nötig. Selbst geführte Wechselrichter können damit zur Erzeugung einer Wechselspannung unabhängig vom Stromnetz dienen und ein sogenanntes [[Inselanlage|Inselnetz]] aufbauen (führen – vgl. Netzführung).
* Fremd- oder [[Stromnetz|netzgeführte]] Wechselrichter verwenden meist ebenfalls [[Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode|IGBT]], aber auch [[Thyristor]]en oder [[Triac]]s. Sie benötigen zur Funktion eine feste Wechselspannung im Netz und beziehen sogenannte [[Blindleistung|Kommutierungsblindleistung]]. Sie dienen dazu, Energie von der Gleichspannungsseite in das Wechselstromnetz einzuspeisen, die umgekehrte Richtung ist oft ebenso möglich. Dieser Typ verfügt über eine Abschaltung der Anlage bei [[Netzstörung]]en. So wird Überspannung oder Spannung in abgeschalteten Netz-Abschnitten vermieden. Dies wird in der [[DIN-VDE-Normen Teil 1|VDE-Norm 0126]] geregelt, siehe [[Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen]].

'''Anwendungsbeispiele für selbst geführte Wechselrichter'''
* Berghütten, Wetterstationen ohne Netzanbindung, mobile Geräte, Wechselrichter in Wohnmobilen und auf Booten
* [[Unterbrechungsfreie Stromversorgung]]en in Krankenhäusern, Kraftwerken und Rechenzentren

'''Anwendungsbeispiele für fremd geführte Wechselrichter'''
* an einspeisefähigen (netzgekoppelten) [[Photovoltaikanlage]]n und [[Brennstoffzelle]]n
* zur Netzkopplung von [[Windkraftanlage]]n mit variabler Drehzahl und Gleichspannungszwischenkreis
* zur Energierückgewinnung ([[Elektromotorische Bremse|Bremsenergienutzung]]) an 2-Quadranten-[[Frequenzumrichter]]n

=== Form der Ausgangsspannung selbst geführter Wechselrichter ===
[[Datei:Ausgangsspanung Trapezwechselrichter.JPG|mini|Nicht sinusförmige Ausgangsspannung eines Wechselrichters]]

Die Ausgangsspannungsform von selbst geführten Wechselrichtern kann von der Sinusform abweichen.

* Der [[Effektivwert]] von Rechteck- und Trapez-Wechselrichtern (im Handel auch als modifizierter Sinus- oder Quasi-Sinuswechselrichter bezeichnet) gleicht der Netzspannung, die Kurvenform ist jedoch rechteckig mit mehr oder weniger steilen Flanken. Rechteck- und Trapezwechselrichter lassen sich kostengünstiger herstellen als Sinuswechselrichter, da hier auf die aufwändige [[Pulsdauermodulation]], die im Sinuswechselrichter vorhanden ist, verzichtet wird. Die rechteckige Ausgangsspannung ist für manche Geräte, die damit betrieben werden, problematisch. Transformatoren, Motoren und Heizgeräte können zwar mit rechteckförmiger Spannung betrieben werden, die steilen Spannungsanstiege verursachen jedoch Störemissionen. Solche Wechselrichter sind unproblematisch für ohmsche Verbraucher (z. B. Glühlampen, Heizgeräte). Problematisch an Trapezwechselrichtern sind Geräte, die ihre Leistung durch Triacs steuern (Staubsauger, manche Kaffeemaschinen) – sie funktionieren eingeschränkt oder gar nicht.
* Sinuswechselrichter erzeugen aus einer Gleichspannung eine Sinuswechselspannung. Sie eignen sich für alle Geräte, auch solche mit kapazitivem Verhalten (LED-Lampen, Kompaktleuchtstofflampen, Schaltnetzteile). Auch Sinuswechselrichter erzeugen Störungen, diese sind jedoch gering. Die Störungen rühren daher, dass die Sinusform mittels einer pulsweitenmodulierten Rechteckspannung, meist im zweistelligen kHz-Bereich, [[Synthese|synthetisiert]] wird.

Bei Motoren, Kompressor-Kühlschränken und vielen Werkzeugen muss aufgrund des Anlaufstromes die Spitzenleistung des Wechselrichters höher als die angegebene Dauerleistung sein.

== Anwendungen ==

=== Photovoltaik ===
{{Hauptartikel|Solarwechselrichter}}
[[Datei:Müllberg Speyer - 2.JPG|mini|rechts|[[Solarwechselrichter]]]]

Ein Solarwechselrichter ist Teil einer [[Solaranlage]]. Auf der Eingangsseite befinden sich üblicherweise ein oder mehrere [[Gleichstromsteller]] mit [[Maximum Power Point|Maximum-Power-Point]]-Tracker, den ein Mikroprozessor steuert und den [[Zwischenkreis]] speist. Auf der Ausgangsseite befindet sich ein ein- bis [[Dreiphasenwechselstrom|dreiphasiger]] Wechselrichter, der sich automatisch mit dem Stromnetz synchronisiert.

=== Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) ===
{{Hauptartikel|Unterbrechungsfreie Stromversorgung}}

Eine [[USV]] enthält einen Wechselrichter, der bei Stromausfall im einfachsten Fall mit einem [[Relais]] statt des Netzes an die Verbraucher geschaltet wird. Die kurze Umschaltpause von einigen Millisekunden wird von den meisten Verbrauchern toleriert.

Der Wechselrichter wird aus einem Akkumulator (üblicherweise ein spezieller [[Bleiakkumulator]]) gespeist, der bei vorhandenem Netz mit einer Ladeschaltung geladen und auf der Ladeschlussspannung gehalten wird.

Manche USV arbeiten mit einem netzfrequenten Transistor-[[Zerhacker (Elektrotechnik)|Zerhacker]] und einem nachfolgenden netzfrequenten Transformator, andere Geräte benutzen höherfrequente [[Pulsdauermodulation|PDM]]-Wechselrichter und sind daher leichter.

=== Frequenzumrichter und Netzrückspeisung ===
{{Hauptartikel|Frequenzumrichter}}

Eine weitere Anwendung findet der Wechselrichter als Komponente eines Frequenzumrichters. Hier wird aus einer Wechselspannung nach Gleichrichtung ([[Zwischenkreis]]) eine Wechselspannung anderer Frequenz erzeugt. Damit kann beispielsweise ein [[Asynchronmotor]] in der Drehzahl geregelt werden. Die Energie beim Abbremsen des Motors, er arbeitet dann als Generator, wird bei einfachen Frequenzumrichtern in einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt. Um diese Energie stattdessen ins Netz rückspeisen zu können, kann am Zwischenkreis ein netzgeführter Wechselrichter angeschlossen werden. Es entsteht ein 4-Quadranten-Umrichter. Solche Umrichter können auch ohne Gleichrichter und Zwischenkreis realisiert werden (Matrix-Umrichter).

An drehzahlveränderlichen Wasser- oder Windkraftanlagen ist ebenfalls ein 4-Quadranten-Umrichter erforderlich.

=== Wechselrichter in Kraftfahrzeugen ===
[[Datei:Inverter CJC01.jpg|mini|Wechselrichter für den Anschluss an den Zigarettenanzünder]]

Wechselrichter für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sind für den Anschluss an die [[Bordspannungssteckdose]] ([[Zigarettenanzünder]]-Steckdose) oder für Festanschluss ([[Wohnmobil]]e, Busse, LKW) ausgelegt. Es gibt sie für 12 Volt (PKW) und 24 Volt (LKW, Busse).

Für manche PKW-Modelle sind als Sonderausstattung eingebaute Wechselrichter mit einer [[Steckdose]] für [[Eurostecker]] oder einer Schutzkontaktsteckdose lieferbar.

Beim Betrieb von Wechselrichtern über die üblicherweise mit 15 A abgesicherte 12-Volt-Zigarettenanzünder-Buchse ist die Leistung auf etwa 100 bis 150 Watt begrenzt. Die Entladung führt zu einem höheren [[Innenwiderstand]] der Bordbatterie, weshalb das Starten des Motors beeinträchtigt werden kann. Starterbatterien haben überdies geringe Zyklenlebensdauern.

Im Betrieb bei laufendem Motor kann zwar die [[Lichtmaschine]] beträchtlichen Strom liefern, dies ist jedoch ökonomisch und ökologisch ungünstig.

Wechselrichter, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, müssen eine [[E-Kennzeichnung]] (ECE-Bauartgenehmigung) haben.

Bei [[Elektroauto]]s dient der Wechselrichter der Ansteuerung der [[Elektromotor]]en.<ref>{{Internetquelle |autor=Antoine Dubois, Erik Santiago |url=https://www.all-electronics.de/e-mobility/wechselrichter-fuer-antriebsmotoren-in-e-fahrzeugen-sicher-steuern-529.html|titel=Wechselrichter für Antriebsmotoren in E-Fahrzeugen sicher steuern|werk=all-electronics.de |datum=2023-03-08 |abruf=2025-02-01}}</ref>

=== Beleuchtung ===
[[Datei:ESLtopb.jpg|mini|Inverter aus dem Sockel einer [[Kompaktleuchtstofflampe]]]]

Anwendung findet der Inverter, hier in Form eines [[Resonanzwandler]]s, bei Leistungen im Bereich von einigen 10 W als [[Vorschaltgerät|elektronisches Vorschaltgerät]] in [[Leuchtstofflampe]]n.

Ein weiteres großes Anwendungsgebiet dieser Inverter ist die Stromversorgung von [[Leuchtröhre]]n (CCFL), die häufig als [[Hintergrundbeleuchtung]] für [[Flüssigkristallanzeige|TFT-Flachbildschirme]] verwendet werden.

== Aufbau früher und heute ==

=== Mechanisch ===
Wechselrichter können elektromechanisch als Zerhacker oder [[Motorgenerator]] oder elektronisch mit [[Elektronenröhre|Röhren]] oder [[Halbleiter]]n realisiert werden. Bei den früher üblichen [[Zerhacker (Elektrotechnik)|Zerhackern]] (Kontaktwechselrichter) polt ein mechanischer Kontakt periodisch die zugeführte Gleichspannung mit einem [[Wagnerscher Hammer|Wagnerschen Hammer]] um. Den dabei auftretenden Kontaktverschleiß verringerte der [[Turbowechselrichter]]. Bei ihm sind die periodisch schaltenden Kontakte durch einen Quecksilberstrahl ersetzt, der sich in einer geschlossenen Kammer von einem Motor betrieben im Kreis dreht.

=== Mit Elektronenröhren ===
Mit [[Elektronenröhre|Vakuumröhren]] realisierte Wechselrichter sind nur für kleinere Leistungen geeignet, sind mechanisch empfindlich und wurden kaum gebaut. Wechselrichter größerer Leistung wurden mit steuerbaren [[Quecksilberdampfgleichrichter]]n realisiert. Später verwendete man für diesen Zweck [[Thyristor]]en (mit Löschthyristor oder [[GTO-Thyristor|GTO]]).

=== Mit Halbleitern ===
Alle diese Frequenzumrichter arbeiteten im Takt der Frequenz der zu erzeugenden Wechselspannung und konnten keine Sinus-Ausgangsspannung erzeugen. Diese Wechselrichter sind in der [[Schaltfrequenz]] daher auf wenige hundert [[Hertz (Einheit)|Hertz]] begrenzt, meist arbeiteten sie mit 50 Hz. Leistungstransistoren ([[Bipolartransistor]]en, [[MOSFET]], [[Insulated Gate Bipolar Transistor|IGBT]]) können das Zerhacken der Gleichspannung mit hoher Effizienz und ohne Verschleiß bewerkstelligen, sie arbeiteten u. a. in USV im Rechteckbetrieb mit 50 Hz und speisten wie auch früher die Zerhacker einen 50-Hz-Transformator. Eine solche Schaltung wäre z. B. ein [[Vierquadrantensteller]].

Transistoren ermöglichen jedoch auch Schaltfrequenzen von bis zu einigen 10 kHz und arbeiten dann im [[Chopper-Steuerung|Chopperbetrieb]]. Dies wird auch als [[Unterschwingungsverfahren]] bezeichnet: Mit den als Schaltelemente verwendeten Transistoren (meist [[IGBT]]) wird durch [[Pulsdauermodulation]] (PDM) im Chopperbetrieb eine Sinus-Wechselspannung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz (einige bis über 20 kHz) nachgebildet (Sinuswechselrichter). Die Transistoren polen, wie auch früher die Zerhacker, die Gleichspannung periodisch um, jedoch mit höherer Frequenz. Der Mittelwert der hochfrequenten, pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz ist die Ausgangswechselspannung. Man setzt also die Ausgangswechselspannung aus kleinen, unterschiedlich breiten [[Impuls]]en zusammen und nähert so den netzüblichen sinusförmigen Spannungsverlauf an. Zur Glättung der PDM dienen Drosseln, die jedoch viel kleiner sind als solche, die für die Glättung der Ausgangswechselspannung früherer Wechselrichter erforderlich waren. Bei Motoren kann auf eine Drossel ganz verzichtet werden. Die Grundschaltungen sind in [[Schaltnetzteil]]en zu finden. Der Unterschied besteht in der modulierten Referenzspannung zur Steuerung der Ausgangsspannung.

== Siehe auch ==
* [[Netzfilter]]
* [[Raumzeigermodulation]]

== Literatur ==
* Klaus Bystron: ''Leistungselektronik. Technische Elektronik Band II.'' Hanser, München/Wien 1979, ISBN 3-446-12131-5.
* Gert Hagmann: ''Leistungselektronik.'' 4. Auflage, Aula, Wiebelsheim 2009, ISBN 978-3-89104-732-3.
* Peter Bastian u. a.: ''Fachkunde Elektrotechnik.'' 28. Auflage, Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 1996, ISBN 978-3-8085-3189-1.
* Wolf-Günter Gfrörer, ''Wechselrichter für Solaranlagen. Leistungselektronik zur Erzeugung von 230V-Wechselspannung aus der Solarbatterie.'' Franzis, Poing 1998, ISBN 3-7723-4952-8.

== Weblinks ==
{{Commonscat|DC/AC inverters|Wechselrichter}}
{{Wiktionary}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4189334-7}}

[[Kategorie:Leistungselektronik]]
[[Kategorie:Spannungswandler]]

Wechselrichter - Versionsgeschichte

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