Stromrichter

Stromrichter, auch Leistungsumwandler () oder leistungselektronische Energiewandler genannt, sind elektrische Bauelemente, Geräte oder Systeme, die eine eingespeiste elektrische Stromart – d. h. Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) – in die jeweils andere umwandeln oder die charakteristischen Parameter elektrische Spannung und Frequenz ändern. Dabei handelt es sich um ruhende elektrische Bauelemente oder Geräte, d. h. ohne bewegliche Teile. Sie sind jedoch nicht zwangsläufig stationär.

Es gibt verschiedene Schaltungen und Geräte von Stromrichtern für ein großes Spektrum an Anwendungsbereichen. Teilweise werden beide Prinzipien in Kombination angewendet. Beispielsweise wandelt ein PC-Schaltnetzteil die Netz-Wechselspannung von 230 Volt in verschiedene Gleichspannungen um, die zudem um ein Vielfaches niedriger sind und verschiedene Teile eines Computers wie Mainboard, Mikroprozessor (CPU) oder Grafikkarte (GPU) versorgen.

Die Geräteklasse der leistungselektronischen Energiewandler besitzt erhebliche technische und wirtschaftliche Bedeutung. So finden sich Stromrichter heutzutage in einem Großteil der mit Netzstrom betriebenen elektrischen Geräte, zudem sind sie ein wichtiger Bestandteil moderner Anlagen zur Stromerzeugung und -verteilung.

Das übergeordnete Fachgebiet, das sich mit Stromrichtern bzw. Leistungswandlern befasst, ist die Leistungselektronik (historisch: Stromrichtertechnik). Als Teil der Entwicklung findet auch die Modellierung und Simulation der Schaltungen und Systeme statt.

Dieser Artikel befasst sich mit Stromrichtern und verwandten elektrischen Technologien. Stromrichter sind nur eine Teilgruppe der leistungselektronischen Energiewandler, werden aber mitunter stellvertretend für die gesamte Gruppe genannt.

Definition Laut dem Glossar eines Berichts der International Electrotechnical Commission (IEC) sind Stromrichter oder Wechselrichter ein elektrisches Gerät, das den Fluss elektrischer Energie verarbeitet und steuert, indem es Spannungen und Ströme in einer Form bereitstellt, die optimal auf die Verbraucherlasten abgestimmt ist. Nach der Norm DIN/EN/IEC 60146-1-1 sind Stromrichter alle Geräte „zum Gleichrichten von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt“, d. h. sie stehen für alle Umwandlungsarten. Zum leichteren Verständnis können die Funktionalitäten der Stromrichter wie folgt aufgeteilt werden:

Gleichrichter () wandeln die Spannung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um Wechselrichter () wandeln die Spannung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um

Weitere Schaltungen (DC-DC und AC-AC) sind weiter unten aufgeführt.

Schaltungskonzept

Die Umwandlung elektrischer Energie bzw. Leistung geschieht heutzutage größtenteils mittels elektronischer Bauelemente auf der Basis von Halbleitermaterialien – den sogenannten Leistungshalbleitern. Man unterscheidet einzelne Bauelemente, Geräte, Systeme oder Anlagen für kleine, mittlere und hohe Spannungen bzw. Ströme.

Leistungshalbleiter werden von modernen Stromrichtern und Wechselrichtern als aktive Schalter genutzt. Des Weiteren dienen Kondensatoren und Induktivitäten (einschließlich gegenseitiger Induktivitäten oder Transformatoren) als passive (reaktive) Bauelemente zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie sowie zur Spannungs- und Stromfilterung.

In manchen Anwendungen enthalten Stromrichter zusätzlich auch einen Transformator, der aus Effizienzgründen bzw. zur besseren Leistungsübertragung oft mit Hochfrequenz (HF) betrieben wird. Aus schaltungstechnischer Sicht wird bei der Auslegung eine Optimierung der Energieeffizienz und der Leistungsdichte angestrebt. Als Benchmark oder Gütefaktor dienen beispielsweise die thermischen Grenzen der Bauteile beim Schalten.

Entwicklungsgeschichte mini|203x203px|Typischer Leistungs-MOSFET (AP03N70I-A) auf der Leistungsplatine eines Epson Stylus S22 Tintenstrahldruckers.In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden Vakuumröhren, Quecksilberdampfgleichrichter und Thyratrons eingesetzt.

Ab den 1970er Jahren folgte der zunehmende Einsatz der Leistungshalbleiter bzw. Bauelemente der Leistungselektronik wie die Leistungstransistoren. Dazu zählen die Silicium (Si)-basierten Bauelemente wie Dioden, Transistoren oder Thyristoren, dabei insbesondere MOSFETs (genauer: Leistungs-MOSFET), IGBTs und IGCTs.

Seit den 2010er Jahren kommen zu diesen konventionellen Bauelementen die Halbleiter mit breitem Bandabstand hinzu. Die neuen Materialien ermöglichen die Realisierung von Bauelementen für hohe Schaltfrequenzen und damit Leistungsdichten. Sie ergänzen oder übertreffen in manchen Anwendungen Si-basierte Bauelemente wie IGBTs.

Arten von Energiewandlern

AC zu DC Stromrichter für die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) heißen Gleichrichter (). Typische Geräte sind: Gleichrichter Schaltnetzteile Umformer

DC zu AC Wechselrichter ( oder ) wandeln Gleich- (DC) in Wechselstrom (AC) um. Typische Geräte sind: Wechselrichter Schaltnetzteil Frequenzumrichter

AC zu AC Für die Umwandlung einer Wechselstromart in eine andere werden Umrichter () eingesetzt; so dient beispielsweise der Frequenzumrichter der Änderung einer Wechselstromfrequenz. Weitere Geräte: Cycloinverter Frequenzumrichter Spartransformator

DC zu DC Gleichspannungswandler () (auch: Schaltregler) wandeln eine Eingangs- in eine Ausgangs-Gleichspannung um, die höher, niedriger oder invertiert sein kann. Abwärtswandler (Buck-Wandler) Aufwärtswandler (Boost-Wandler) Ćuk-Wandler Eintaktflusswandler (Forward-Wandler) Gegentaktflusswandler (Push-Pull-Wandler) Gleichrichter Inverswandler (Buck-Boost-Wandler) Ladungspumpe Schaltnetzteil Single-ended primary-inductance converter (SEPIC) Spannungsregler (auch Linearregler) Sperrwandler (Flyback-Wandler)

Historisch Einankerumformer (DC zu AC und umgekehrt)

Abgrenzung zu anderen Technologien Man bezeichnet dagegen rotierende Anlagen, in denen die Umwandlung durch Generatoren erfolgt, die von Elektromotoren angetrieben werden, als Umformer. Bei modernen Anlagen sind diese inzwischen von den Stromrichtern verdrängt worden.

Ähnlich wie ein Transformator formt ein Stromrichter elektrische Energie um, gilt aber im Gegensatz zu jenem per Definition nicht als elektrische Maschine – weil ein Stromrichter im Allgemeinen keinen magnetischen Kreis als zentrales Element aufweist bzw. dieser, falls vorhanden, für das Zusammenspiel mit der Halbleiter-Schaltung ausgelegt ist.

Stromwandler und Spannungswandler sind Geräte mit Anwendung aus der Energie- und Messtechnik. Sie wandeln hohe Ströme bzw. Spannungen aus einem Mess- bzw. Netzbereich in geeignete, normierte Werte für Mess- und Schutzzwecke um. Anwendungsbeispiele Antriebstechnik mini|Das Steuergerät (oben) der Frontachse des Audi E-Tron Quattro wurde auf der Paris Motor Show 2018 präsentiert. Stromrichter werden in der elektrischen Antriebstechnik für die Steuerung und Regelung von drehzahlveränderlichen Elektromotoren verwendet. Dabei kommen häufig sogenannte Vierquadrantensteller als Ansteuerung zum Einsatz. Der wichtigste Anwendungsfall in diesem Zusammenhang ist der Einsatz in elektrisch angetriebenen Schienen- und Straßenfahrzeugen wie Hochgeschwindigkeitszügen, Elektrolokomotiven, Straßenbahnen, Oberleitungsbussen sowie Elektro- und Hybrid-Autos. Weitere Anwendungsfälle betreffen Pumpen, Lüfter und Werkzeugmaschinen. Bei letzteren dienen als Regelgrößen meist die Drehzahl, die Drehlage oder das abzugebende Drehmoment. Die so von einer Regelelektronik gesteuerten Motoren werden teils als Servomotor bezeichnet.

Hochspannungs-Energieübertragung Auch bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung erfolgen das Gleich- und Wechselrichten des elektrischen Stroms durch Stromrichter. Die Umwandlung von Drehstrom in Gleichstrom und umgekehrt findet dabei in einer Stromrichterstation statt. Diese beinhaltet neben dem Stromrichter auch Stromrichtertransformatoren, die dem Stromrichter an der Drehstromseite vor- oder nachgeschaltet sind. Die Stromrichtertransformatoren dienen nicht nur der Anpassung der Spannung des Drehstromnetzes an die der HGÜ, sondern auch der Elimination zahlreicher Oberschwingungen.

Industrielle Hochstrom-Anwendungen Als weiteren Anwendungsfall von Stromrichtern sind Elektrolyse- und Schmelzprozesse in der Metallindustrie zu nennen. Hier wird durch einen Transformator eine Wechselspannung von wenigen Volt erzeugt, die durch Hochstromgleichrichter in die erforderliche Gleichspannung mit niedriger Spannung (im Bereich weniger Volt) bei sehr hohen Strömen (im Bereich von mehreren tausend Ampere) umgewandelt wird.

Power Management Integrated Circuits mini|221x221px|Maxim Integrated Power Management IC (PMIC) für das Samsung Galaxy S III. Aufnahme von 2021.Werden Leistungswandler monolithisch integriert, spricht man auch von den Power Management Integrated Circuit (PMIC), wortwörtlich übersetzt „integrierte Energieverwaltungsschaltung“ und fungieren bzw. werden als eine Leistungscontroller eingesetzt. PMICs vereinen verschiedene DC-DC-Schaltungen, bieten Schutz- und Steuerfunktionen, und sind Produkte/Chip-Designs aus der Mikro- und Leistungselektronik. Die Bausteine werden von Halbleiterherstellern entwickelt und angeboten. Diese Systeme liefern Spannungen und Strom in einer Vielzahl von Geräten der Unterhaltungselektronik, beispielsweise Mobiltelefone bzw. Smartphones und vielen weiteren Geräten.

Stromversorgung Eine der häufigsten Anwendungen von Stromrichtern sind elektrische Netzteile in der Form von Schaltnetzteilen. Diese haben die früher üblichen Netzteile mit Transformatoren fast vollständig verdrängt und sind heute in fast jedem elektronischen Gerät zu finden, insbesondere in Personal Computern (PC), Geräten der Unterhaltungselektronik. Häufig werden die Geräte eingangsseitig meist mit Netz-Wechselspannung versorgt, am Ausgang liefert das Netzteil eine Gleichspannung mit festem oder einstellbarem Spannungswert, bei PCs auch mit mehreren unterschiedlichen Spannungswerten. Eine einfachere Bauform stellt das Kondensatornetzteil dar.

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Kategorie:Leistungselektronik