Für diese Schaltungen, die auch als Spannungs-Wechselrichter oder kurz U-Wechselrichter - international auch Voltage Source Inverter (VSJ) - bezeichnet werden, kommen als Quellen Batterien oder netzgeführte Gleichrichter vor. Die Kombination eines Gleichrichters und eines Wechselrichtern stellt einen Zwischenkreis-Umrichter dar. Eine möglichst starre Eingangsspannung wird schaltungstechnisch durch eine der Quelle parallel geschaltete Kapazität erreicht.

Der selbstgeführte Wechselrichter (Umrichter) mit eingeprägter Spannung ist eine besonders vorteilhafte Schaltungsvariante, weil folgende Eigenschaften für diese Variante typisch sind:

• geeignet für alle Drehstrommaschinen (synchron, asynchron),
• Ein- und Mehrmotorenantrieb sind problemlos möglich,
• großer Frequenzbereich kann realisiert werden,
• Drehfeld- und Energieflusswechsel sind möglich,
• maximales Drehmoment kann im gesamten Drehzahlbereich gesichert werden,
• geeignet für die Generierung eines Inselnetzes (USV-Anwendung) bzw. für den Einsatz in regenerativen Energiesystemen (Brennstoffzelle, Wind, Photovoltaik, Biomasse usw.).

Der Umrichter soll aus einer Gleichspannung (konstant, gegebenenfalls auch variabel) ein „neues" Versorgungsnetz (ein- oder dreiphasig), dass in der Spannung und der Frequenz variabel (z.B. für Speisung von ASM) oder auch konstant (Netzeinspeisung aus regenerativen Ressourcen) ist, erzeugen bzw. speisen.

Das Prinzipbild eines dreiphasigen, Selbstgefühlen Wechselrichters zeigt Bild 3.1

Bild 3.1- Dreiphasiger spannungsgeführter Wechselrichter (Sl ... S6 "elektrische Schalter" wie GTO, IGCT, IGBT, Power MOSFET; Dl…D6 Dioden für cos φ = 1 und aktiv er Rückspeisung)

Der dreiphasige spannungsgeführte Wechselrichter benötigt 6 abschaltbare Halbleiter und 6 dazu antiparallel geschaltete Dioden.

Besondere Beachtung beim Entwurf von U-Wechselrichtern (-Umrichtern) ist auf folgende Probleme zu legen:

• zwei Hauptventile liegen im WR in Serie, so dass im Fehlerfall (beide Ventile werden ungewollt eingeschaltet!) der Zwischenkreiskondensator kurzgeschlossen wird,
• beim Einschalten des Umrichters (z.B. in einem Antriebssystem) muss der zunächst ungeladene Zwischenkreiskondensator geladen werden, was bei einem ungesteuerten Gleichrichter am Eingang des Umrichters zusätzliche Maßnahmen erfordert.

Bei diesen Schaltungen wird durch eine große Zwischenkreis-Kapazität dem Wechselrichter eine lastunabhängige Gleichspannung eingeprägt. Dabei kann sich der Laststrom frei einstellen.

Wird dagegen ein Pulswechselrichter verwendet, so kann die Zwischenkreisspannung konstant sein. Dabei kann man den Vorteil ausnutzen, mehrere Wechselrichter an einer gemeinsamen Gleichstrom-Sammelschiene zu betreiben und außerdem Pufferbatterien zur Überbrückung von Netzausfällen vorzusehen. Sie halten im Unterschied zu Zwischenkreis-Kondensatoren bei Störungen die Zwischenkreisspannung auch über längere Zeit aufrecht.

Wenn über Zwischenkreis-Umrichter gespeiste Antriebe elektrisch gebremst werden, arbeitet der maschinenseitige Stromrichter als selbstgeführter Gleichrichter und speist die Bremsenergie in den Zwischenkreis ein. Falls sie in das Wechsel-Stromnetz zurückgeliefert werden soll, ist der netzseitige Stromrichter entsprechend dem Bild 3.2 für die zweite Stromrichtung zum Umkehrstromrichter zu erweitern. Der dazu nötige zusätzliche Stromrichter wird dem Gleichrichter gegenparallel geschaltet und muss steuerbar sein

Bild 3.2 – Wechselstrom-Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis für elektrisches Bremsen; Energierückspeisung ins Netz (Nutzbremsen)

Wenn die Energieflussrichtung sich kurzzeitig umkehrt, ist es im Zwischenkreis einem pulsgesteuerter Wiederstand anzuordnen, in dem die Bremsenergie umgesetzt wird.

Die dynamischen Eigenschaften von Wechselrichtern können im Vergleich zu der zuvor behandelten Schaltungsart wesentlich verbessert werden, wenn bei konstanter Eingangsspannung die Ausgangsspannung durch Pulssteuerung verstellt wird. Dieses auch als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnete Verfahren benutzt zur Steuerung eine gegenüber der geforderten Ausgangsfrequenz erhöhte Pulsfrequenz, mit der die Hauptzweige mehrmals innerhalb einer Periode der Ausgangsspannung gezündet und gelöscht werden. Dadurch ist es möglich, die Ausgangsgrößen nicht nur auf vorgegebene Effektivwerte einzustellen, sondern sie auch in ihrem zeitlichen Verlauf einem ~ beispielsweise sinusförmigen - Sollwert nachzuführen. Durch Wahl einer möglichst hohen Pulsfrequenz gelingt es, die außer der Grundschwingung auftretenden Oberschwingungen auf höhere Ordnungszahlen und geringe Amplituden zu begrenzen. Die gegenüber Block-Wechselrichtern wesentlich verbesserten dynamischen Eigenschaften der Pulswechselrichter beruhen darauf, dass ein Steuereingriff bereits beim nächstfolgenden Puls, also innerhalb eines Bruchteils der Grundschwingungsperiode, wirksam wird.

Eine wichtige Erweiterung der Zwischenkreis-Umrichter kann ihr Netzverhalten ganz wesentlich verbessern: Durch netzseitige Stromrichter mit abschaltbaren Bauelementen, können zusätzlich zu den bereits genannten Funktionen die Rückwirkungen der Umrichter auf das speisende Netz verringert werden. Mittels Pulssteuerung sind sowohl Kurvenform als auch Phasenlage des Netzstroms so steuerbar, dass nur Oberschwingungen höherer Ordnungszahl auftreten und der Leistungsfaktor nahe 1 liegt. Solche Schaltungen werden nach ihrer Funktion der netzseitigen aktiven Einspeisung auch als „Active Infeed Converter" bezeichnet. Im allgemeinsten Fall kann zwischen dem speisenden Netz und dem Zwischenkreis des (U- oder I-)Umrichters Wirk- und/oder Blindleistung in beiden Richtungen übertragen werden, wobei durch die Pulssteuerung auch der netzseitige Oberschwingungsgehalt und/oder der Leistungsfaktor steuer- bzw. regelbar ist. Die Grenzen der Stellbereiche ergeben sich dabei aus dem Speicherinhalt der Zwischenkreis-Energiespeicher.

Die Schaltung des Aktive Infeed Converters ist im Bild 3.3 dargestellt.

Bild 3.3 – Die Schaltung des Aktive Infeed Converters