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Umrichter


Ein Umrichter, auch als Wechselstrom-Umrichter und in Anlehnung an den englischen Begriff auch als AC/AC-Konverter bezeichnet, ist ein Stromrichter, der aus einer Wechselspannung eine in der Frequenz und Amplitude unterschiedliche Wechselspannung generiert. Nicht zu verwechseln sind Umrichter mit Transformatoren, die nur die Amplitude, aber nicht die Frequenz der Spannung verändern können.

Dient die Umrichtung der direkten Versorgung einer elektrischen Maschine wie eines Drehstrommotors im Rahmen der elektrischen Antriebstechnik und wird die Frequenz vom Zustand des Motors abgeleitet, so wird der Umrichter spezifisch als Frequenzumrichter bezeichnet. Er umfasst dann zusätzliche Funktionen zur Motorsteuerung, wie beispielsweise eine Drehzahlmessung und Verfahren zur Kommutierung, um das Drehfeld abhängig vom momentanen Zustand der Maschine anzupassen.

Umrichter und Frequenzumrichter sind elektronische Geräte ohne mechanisch bewegte Komponenten. Im Gegensatz dazu ist ein Umformer eine Kombination aus rotierenden elektrischen Maschinen, üblicherweise einem elektrischen Motor und einem elektrischen Generator, die elektromechanisch eine Frequenzumsetzung ermöglicht.

Klassifizierung

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AC/AC Converter
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis
 
 
 
 
 
Hybrid Matrix Converter
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Direktumrichter (Matrixumrichter)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AC/DC-DC/AC Converter with Voltage DC-link (U-BBC)
 
AC/DC-DC/AC Converter with Current DC-link (I-BBC)
 
Hybrid Direct Matrix Converter (HDMC)
 
Hybrid Indirect Matrix Converter (HIMC)
 
 
Direct Matrix Converter
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Indirect Matrix Converter
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Conventional Matrix Converter (CMS)
 
Full Bridge Matrix Converter (Open Motor­windings)
 
AC/DC-DC/AC Converter without DC-link Capacitor
 
Indirect Matrix Converter (IMC)
 
Sparse Matrix Converter (SMC) (VSMC) (USMC)
 
Three-level Matrix Converter

Es gibt verschiedene Topologien von Umrichtern, wie in nebenstehender Diagramm als Übersicht dargestellt.[1] 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.

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 Asynchrongeneratoren an Windkraftanlagen[2].

Im Folgenden sind die wichtigsten Schaltungsprinzipien von Umrichtern dargestellt.

Indirekte Umrichter

Indirekte Umrichter mit Gleichspannung im Zwischenkreis, englisch Voltage-Source-Inverter (VSI), bestehen aus einem Dreiphasengleichrichter (in den Abbildungen links), einem Gleichspannungskreis, in dem die Gleichspannung an dem 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.

Indirekte Umrichter mit Gleichstrom im Zwischenkreis, englisch 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.

Die in den vereinfachten Schaltbildern eingezeichneten Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) als elektronischer Schalter können je nach Anwendung auch durch andere elektronische Schalter wie Thyristoren ersetzt sein. Bei hohen Spannungen von einigen 100 kV werden die Schalter in Reihe geschaltet und zu sogenannten Thyristortürmen zusammengefasst. Üblich ist dies bei größeren Leistungen bis zu einigen 100 MW bei Gleichstromkurzkupplungen, die eine Form von großen Umrichtern zwischen zwei Wechselspannungsnetzen mit unterschiedlicher Netzfrequenz darstellen.

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.

Direkte Umrichter

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.

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 Oberschwingungen, die durch zusätzliche Oberschwingungsfilter gedämpft werden.

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.

Mischtopologien

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.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.[3]

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. J. W. Kolar, T. Friedli, F. Krismer, S. D. Round: The Essence of Three-Phase AC/AC Converter Systems. Proceedings of the 13th Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEM), Poznan, Polen 1. bis 3. September 2008, S. 27–42.
  2. Ralf Lohde, Christian Wessels, Friedrich W. Fuchs: Leistungselektronik Generatorsysteme in Windenergieanlagen und ihr Betriebsverhalten. Christian-Albrechts-Universität Kiel, abgerufen am 9. Juli 2013 (PDF; 620 kB).
  3. Mahesh Swamy, Kume, Tsuneo: Present State and Futuristic Vision of Motor Drive Technology. In: www.powertransmission.com (Hrsg.): Power Transmission Engineering. 16. Dezember 2010.

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Literatur

  • Joachim Specovius: Grundkurs Leistungselektronik. 4. Auflage. Vieweg + Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-1307-7.

Kategorien: Leistungselektronik

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