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Wissenswertes Gleichrichter, Wechselrichter und andere Umformer

Mit Umformen kann ein Gleichrichter (aus Wechselspannung wird Gleichspannung), ein Wechselrichter (aus Gleichspannung wird Wechselspannung) oder ein Spannungswandler (aus Gleichspannung wird wieder eine Gleichspannung, jedoch mit einer anderen Voltzahl) gemeint sein.

Da in Picokraftwerken  auch Wechselstromgeneratoren verwendet werden können, kommt dem Gleichrichter eine wichtige Rolle zu. So können permanent erregte Generatoren ohne verschleissbehaftete Kohlenbürsten eingesetzt werden um z.B. Batterien  zu laden.

Grosse Bedeutung geniesst der Wechselrichter. Sobald die Leistung vom Picokraftwerk ins öffentliche Netz gespeist werden soll oder herkömmliche Wechselstromverbraucher angeschlossen werden sollen, ist ein Wechselrichter in den meisten Fällen unumgänglich.

Wechselrichter können nach ihrer Betriebsart oder nach ihrer Technologie eingeteilt werden. Es spielt z.B. eine Rolle, ob der Wechselrichter in einer Inselanlage oder im Verbund mit anderen Wechselrichtern und Netzen betrieben wird.

In der Technologie unterscheiden sich die Wechselrichter bezüglich Wellenform (schöner Sinus oder nur Recheck oder etwas dazwischen).

Gleichrichter

Der Gleichrichter ist eine recht einfache Einheit.  Das zentrale Bauelement ist die Diode, welche den Strom nur in eine Richtung leitet. Wie oben schon erwähnt macht er aus einer Wechselspannung ein Gleichspannung, oder besser gesagt, eine pulsierende Gleichspannung.

Mit dem Gleichrichter kann auf einfache Weise aus dem Wechselstromgenerator (AC-Generator) ein Gleichstromgenerator gemacht werden.

Meistens werden sog. Brückengleichrichter eingesetzt, welche bildlich gesprochen die negative Halbwelle der Wechselspannung hochklappen.

Um den Rippel der Gleichspannung zu verkleinern werden Filterelemente wie Kondensatoren und Drosselspulen dem Gleichrichter nachgeschaltet.

Gleichrichter haben die negative Eigenschaft, dass sie einen Pulsförmigen Strom verursachen.

Im Gegensatz zum Wechselrichter sind Gleichrichter sehr günstige Komponenten.

Wechselrichter (Inverter)

Bei den Wechselrichtern, auch Inverter oder oder Spannungswandler genannt, muss unbedingt unterschieden werden zwischen Inselwechselrichter und Netz-Wechselrichter (Grid-Inverter). Bei einer Verwechslung muss mit fatalen Folgen gerechnet werden.

Inselwechselrichter

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Inselwechselrichter werden dort eingesetzt, wo kein einfacher Anschluss ans öffentliche Stromnetz zur Verfügung steht. Eben wie auf einer einsamen Insel. Klassisches Beispiel in der Schweiz ist eine abgelegene Alphütte, ein Ferienhaus oder auch eine Schrebergartenhütte, welche fernab der Zivilisation den Komfort eines 230VAC-Netzes bieten will. Bei diesen Invertern wird oft die Batteriespannung angegeben, mit welchen sie betrieben werden können.

Als Energiequelle dient meistens ein Solarpanel, ein Windgenerator oder auch eine Wasserturbine. Da der Wind- wie auch die Wasserturbine meistens Wechselstromgeneratoren sind, muss der Strom gleichgerichtet werden. Der Strom soll in eine Batterie eingespiesen werden. Dazu ist ein Laderegler notwendig, damit die Batterie nicht überladen wird. In einigen Windgeneratoren ist der Gleichrichter und der Laderegler gleich eingebaut.

Der Inselwechselrichter bezieht die Energie dann aus der  Batterie. Somit ist die Eingangsspannung auch auf herkömmliche Batteriespannungen wie 12, 24 oder 48 VDC abgestimmt. Bei Bahnanwendungen kann auch 36V vorkommen.  Als Stromquelle kann auch die Autobatterie dienen, welche zusammen mit dem Wechselrichter für einige Zeit Unabhängigkeit bieten kann.

Die Ausgangsspannung ist 230VAC 50Hz. Es sind auch Wechselrichter erhältlich, welche dann zu einem 3 Phasennetz zusammengeschlossen werden können.

Der Inselwechselrichter ist so gesteuert, dass er nur gerade soviel Leistung an den AC-Verbraucher abgibt, wie dieser benötigt. Das bedeutet, dass seine Ausgangsspannung geregelt, und nicht lastabhängig ist.

Verbraucher, welche mit 230VAC, also mit einem Wechselrichter betrieben werden, beziehen meist eine recht grosse Leistung. Es ist deshalb darauf zu achten, dass der Wechselrichter über eine genügend grosse Ausgangsleistung verfügt. D.h. die Ausgangsleistung des Wechselrichters, gemessen in Watt [W] oder Kilo Watt [kW] muss grösser sein als die angeschlossenen Leistung des Verbrauchers. Manchmal wird die Ausgangsleistung des Wechselrichters auch in VA (Volt-Ampere) angegeben. Die Angabe ist im Wesentlichen der Angabe in Watt gleichzusetzen. Da die in der Batterie gespeicherte Energie nicht unendlich ist, muss die Batteriekapazität und die der Ladungszustand im Auge behalten werden.

Beim Betrieb eines Motors an einem Wechselrichter, muss unbedingt der hohe Anlaufstrom beachtet werden. Dieser kann 6 bis 10 mal grösser sein als der Nennstrom.
Auffällig sind in dieser Hinsicht vor allem Kühlschränke, welche mit dem Wechselrichter betrieben werden. Es empfiehlt sich deshalb, Kühlgeräte einzusetzen, welche einen geringen Verbrauch haben, und direkt an der Batteriespannung angeschlossen werden können. 

Sollen 230VAC Verbraucher dauernd am Wechselrichter angeschlossen und eingeschaltet bleiben, muss unbedingt eine Energiebilanz gemacht werden. D.h. die durchschnittliche Leistung, welche der Batterie zugefügt werden kann durch die Solarzellen oder das Picokraftwerk, muss um einiges (mind. 20%) grösser sein, als die durchschnittliche Leistung, welche die angeschlossenen Verbraucher benötigen. Ansonsten wird die Batterie 'ausgehungert'.

Es muss nicht unbedingt ein Picokraftwerk sein, wo ein Sinuswechselrichter eingesetzt wird. Überall wo das Bedürfnis nach einer 230VAC - Stromversorgung und eine geeignete Batterie vorhanden ist, werden Wechselrichter eingesetzt. Für längere Reisen im Auto kann es hilfreich sein wenn der Laptop oder das Ladegerät für die Digitalkamera von der Batterie her geladen werden kann. Deshalb wird der Wechselrichter Piccolo von asp  auch gleich mit einem Stecker geliefert, welcher in den Zigarettenanzünder passt. Bei Reiseferien mit dem Auto quer durch Südafrika oder Namibia hat sich ein kleiner Wechselrichter als sehr hilfreich erwiesen. So konnten die Akkus für den Photoapparat, MP3-Player und Natel unterwegs geladen werden.

Wechselrichter ist nicht gleich Wechselrichter, auf den Sinus kommt es an. Im Wesentlichen wird zwischen Rechteck-, modifiziertem Sinus- und dem Sinuswechselrichter unterschieden.

Rechteck-Wechselrichter

Die Ausgangsspannung dieses Inverters ist eine Rechteckspannung mit 50Hz. Dieser Wechselrichter ist nicht mehr oft anzutreffen.

Wechselrichter mit modifiziertem Sinus

Dieser Inverter ist meistens viel günstiger als der Sinuswechselrichter. Die Elektronik kann einiges einfacher gestaltet werden, da nur zwischen 3 Spannungspegeln geschaltet werden muss.

Je nach Gerät, welches angeschlossen werden soll, kann es zu grossen Verlusten kommen. Weiter kann auch nicht garantiert werden, dass jedes Gerät an einem solchen Inverter einwandfrei funktioniert. Wir empfehlen deshalb, nach Möglichkeit ein Sinuswechselrichter zu verwenden.

Sinuswechselrichter

Aus diesem Gerät kommt Strom, wie aus der Steckdose. Alle Geräte, welche am Netzanschluss funktionieren, können auch mit einem solchen Inverter einwandfrei betrieben werden (sofern die benötigte Leistung nicht zu hoch ist).

Da es nicht so einfach ist, aus einer Gleichspannung möglichst verlustfrei einen schönen Sinus zu generieren, sind diese Geräte einiges teuerer als ein Wechselrichter mit modifiziertem Sinus.

Transformatorwechselrichter oder Hochfrequenz-Wechselrichter?

Einige Wechselrichterhersteller preise die leichten Hochfrequenz-Wechselrichter als neuen Stand der Technik an. Zudem sind die Hochfrequenz-Wechselrichter oft noch günstiger als die herkömmlichen Wechselrichter mit Transformatoren und tiefer Frequenz. Der Vorteil der Hochfrequenz ist, dass der Transformator klein und damit günstiger und leichter

Der Nachteil der Hochfrequenz-Inverter sind die grossen Standby-Verluste und der schlechte Wirkungsgrad bei geringer Auslastung.

 Woher kommen denn die Verluste beim Wechselrichter?

Verluste entstehen vor allem in den elektronischen Bauteilen (Transistoren, FET, Gleichrichter).

Um nun eine hochfrequente Übertragung zu erhalten, muss die Batteriespannung zuerst zerhackt und nach dem Trafo wieder auf eine Zwischenspannung gleichgerichtet werden. Erst danach wird der Sinus erzeugt. 

Untenstehend der Vergleich der Wirkungsgrade.

Ob nun ein Trafo Wechselrichter oder ein HF-Wechselrichter eingesetzt werden soll hängt von der Anwendung ab.

Ein Hochfrequenz-Inverter macht durchaus Sinn, wenn mit der Energie nicht haushälterisch umgegangen werden muss oder der Wechselrichter im oberen Lastbereich betrieben wird. Z.B. als Stromquelle im Auto um Handys, Kameras, Laptop usw. zu laden.

In einem Ferienhaus, wo z.B. über eine Wasserturbine, Solarzellen oder Windturbine eine Batterie geladen wird, ist es sehr wichtig, dass der Wechselrichter im unteren Lastbereich einen guten Wirkungsgrad hat, damit nicht unnötig Energie verheizt wird.

Der Inverter wird normalerweise so ausgewählt, dass er die Spitzenleistung decken kann. Die meiste Zeit wird er jedoch im Unteren Leistungsbereich betrieben, z.B. Licht am Abend.

Untenstehend einen typischen Verlauf, wie die Leistung bezogen wird.

Kombigeräte mit Batterielader, Solarladeregler, Booster usw.

Viele Wechselrichter haben heute einiges mehr zu bieten als nur 230V am Ausgang. Bei einigen Invertern ist die Option Solarladeregler erhältlich. So kann man sich bei Solarzellen den Laderegler ersparen. Ein Nachfragen lohnt sich auf jeden Fall.

Wenn zwar eine 230V-Wechselspannung, sei es ein kleiner Benzingenerator oder ein schwacher Netzanschluss, zur Verfügung steht, aber manchmal mehr Leistung benötigt wird als der Anschluss hergibt, können Batteriegestützte Systeme helfen. Einige Wechselrichter bieten ein sog. Boost-Funktion an.

Solange der Leistungsbedarf aus der 230VAC-Versorgung ausreicht, wird diese einfach zu den Verbraucher durchgeschaltet.  Wenn noch etwas Leistung aus dem Anschluss zur Verfügung steht, wird damit die Batterie geladen.

Sobald nun die Verbraucher mehr Leistung benötigen, als das Netz hergibt, zieht der Wechselrichter die Leistung aus der Batterie.

Selbstverständlich lässt sich die Batterie auch über Solarzellen, Wind- oder Wasserturbinen laden. So kann mit solchen Wechselrichtern auch ein eigenes kleines Stromnetz aufgebaut werden. Ideal für Entwicklungsländer oder Berggebiete.

Was ist zu beachten beim Kauf eines Wechselrichters?

• Batteriespannung: Es muss geklärt werden, an welche Batterienennspannung der Wechselrichter angeschlossen werden soll. Oft ist die Batteriespannung schon durch den Erzeuger vorgegeben. In der Regel ist dies 12V oder 24V. Bei der Bahn kommt auch 36V vor und für Telekommunikationsanlagen wird auch öfters 48V verwendet. Weitere Informationen zur Batterie finden Sie auch unter: http://www.maurelma.ch/batterien.htm

• Wirkungsgrad: Da es meistens aufwendig ist, die Energie zu erzeugen, sollte diese auch nicht nutzlos im Wechselrichter verheizt werden. Es empfiehlt sich deshalb auf einen guten Wirkungsgrad zu achten.

• Verbrauch Stand-by: Damit wird ausgedrückt, wie viel Leistung (oder Strom) der Inverter verbraucht, auch wenn kein Verbrauchter angeschaltet ist. Gerade in Ferienhäuser bleibt der Wechselrichter oft  an der Batterie angeschlossen, auch wenn das Haus nicht belegt ist. Damit die Batterie nun nicht unnötig belastet wird, sollte auch der Verbrauch im Stand-by gering sein.

• Abschaltspannung: Die meisten Wechselrichter schalten ab, wenn die Batterie eine gewisse Spannung unterschritten hat. Dies um die Batterie zu schützen, denn diese leiden sehr stark bei Tiefentladung. Die untere Spannungsschwelle der Eingangsspannung sollte deshalb nicht zu tief sein.

Grid-Wechselrichter