Wissenswertes über Wechselrichter, Gleichrichter und andere Umformer

Informationen und Wissenswertes über die korrekte Auslegung und den Betrieb von Wechselrichter in autarken Stromversorgungen.

Inselwechselrichter

Mehr Infos auch bei den einzelnen Produkten im Shop bei Studer Innotec, Victron Energy, Morningstar, IBS, oder asp-Fabrimex.

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, ein Rustico 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. Auch einer Unterbrechungsfreie Stromversorgung für 230VAC kommt ein Wechselrichter zum Einsatz, welcher bei Stromausfall wichtige Geräte weiter mit Wechselstrom versorgt.

Bei Off-Grid Anlagen (Inselanlagen) dient als Energiequelle 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 eingespeist werden. Dazu ist ein Laderegler notwendig, damit die Batterie nicht überladen wird. In einigen Windgeneratoren ist der Gleichrichter und der Laderegler gleich eingebaut.

Der Wechselrichter 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 zur Not auch die Autobatterie dienen, welche zusammen mit dem Wechselrichter für einige Zeit Unabhängigkeit bieten kann. Da eine Autobatterie (Starterbatterie) aber nicht auf tieferes Entladen ausgelegt ist, muss mit verkürzter Lebensdauer zu rechnen.

Weitere Informationen über Batterien finden Sie auch unter:  Wissenswertes über Batterien

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 wobei die Wirkleistung Watt meistes geringer ist als die Scheinleistung VA. Da die in der Batterie gespeicherte Energie nicht unendlich ist, muss die Batteriekapazität und die der Ladungszustand im Auge behalten werden.

Beim Betrieb eines Gerätes mit Motor 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. Da sollte man auf jeden fall mit der 10-fachen Nennleistung von Kühlgerät rechnen. Es empfiehlt sich deshalb, Kühlgeräte einzusetzen, direkt an der Batteriespannung angeschlossen werden können. So muss der Inverter nicht so hoch dimensioniert werden. Weitere Infos zu Kühlboxen oder Kühlschränke finden Sie auch unter Kühlgeräte.

Die meisten Wechselrichter haben einen Lüfter, welche die Verlustwärme aus dem Gehäuse blasen muss. Dies kann gerade in Wohnmobilen recht störend wirken. Deshalb darauf geachtet werden, dass der Wechselrichter den Ventilator erst einschaltet, wenn dieser auch benötigt wird. Bei lärm-kritischem Einsatz sollte ein Wechselrichter ausgewählt werden, welcher auf den Lüfter verzichten kann, wie z.B. die SureSine von Morningstar.
Weiter können Inverter zum Teil auch ein brummendes Geräusch abgeben. Deshalb ist generell darauf zu achten, das die Wechselrichter nicht gerade neben dem Kopfkissen platziert werden.

Sollen 230VAC Verbraucher dauernd am Sinus-Wechselrichter angeschlossen und eingeschaltet bleiben, sollten unbedingt die Leerlaufverluste vom Inverter beachtet werden.
Damit die Batterie nicht zu rasche leer ist, sollte ein Wechselrichter mit geringem Leerlaufverlust verwendet werden wie z.B. die Geräte von Studer Innotec.

Wechselrichter sind auch ein elementarer Bestandteil von Unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) für diverse Anwendungen.

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.

Wenn das Wechselrichter relativ leicht ist und auch erstaunlich preiswert, dann könnte es gut sein, dass es sich um einen Inverter mit modifiziertem Sinus handelt. Wir von Maurer Elektromaschinen GmbH bieten keine Wechselrichter mehr mit modifiziertem Sinus an.

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 teurer als ein Wechselrichter mit modifiziertem Sinus.

 

Transformatorwechselrichter oder Hochfrequenz-Wechselrichter?

Einige Wechselrichterhersteller preisen 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 sind. So haben auch die portablen Energieboxen (auch Powerstation genannt) einen Hochfrequenz-Wechselrichter integriert.
Informationen zu Energieboxen finden Sie auch unter Energieboxen und Powerstations

Der Nachteil der Hochfrequenz-Inverter sind die grossen Standby-Verluste und der schlechte Wirkungsgrad bei geringer Auslastung.
Damit der Trafo eine höhere Leistung übertragen kann, muss eine höhere Frequenz angelegt werden. Das bedeutet, dass die Leistungshalbleiter mehr Schaltungen pro Sekunde durchführen müssen. Bei jeder Schaltung entstehen Umschaltverluste. Deshalb, je leichter der Wechselrichter desto kleiner der Trafo, desto höher die Frequenz, desto höher die Verluste.

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.

Ein Hochfrequenz-Wechselrichter macht dann Sinn, wenn das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, wie z.B. Fahrzeugen oder in mobilen Energieboxen.

Untenstehend einen typischen Verlauf, wie die Leistung bezogen wird.

Multifunktionale Geräte mit Batterieladegerät, Transfer-Schaltung und Solarladeregler in einem

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 beim Einsatz mit Solarmodulen den Laderegler ersparen. Dabei handelt es sich meistens um einen sog. PWM-Laderegler an welchem nur auf die Batteriespannung abgestimmte Solarmodule angeschlossen werden können.

Multifunktional Wechselrichter (Multis)

Von Multis spricht man, wenn das Gerät aus Ladegerät, Wechselrichter und Transfer-Relais besteht.
Bei Victron Energy heissen dies Geräte MultiPlus.
Studer Innotec nennt diese Geräte XTender

Die multifunktionalen Wechselrichter findet man nicht nur in Alphütten, Maiensäss oder Rusticos, auch in Wohnmobilen sind diese Inverter beliebt. In der Standardausführung sind die Multis so ausgelegt, dass ohne Eingangsspannung am 230V-Eingang der Ausgang vom Wechselrichter her gespeist wird. Sobald eine akzeptable 230VAC Spannung am Eingang anliegt, wird die Batterie geladen und die Spannung durch geschaltet.

Transfer-Relais
Legt man Eingang des Multis 230VAC and, schaltet das interne Relais diese Spannung direkt auf den Ausgang. Dies ist nicht ganz so einfach wie es tönt denn auch der Erdleiter muss beachtet werden.

Ladegerät
Die meisten Multis haben ein sehr leistungsstarkes Ladegerät integriert. In ortsfesten Offgrid-Anlagen wird das interne Ladegerät oft dazu verwendet, um die Batterie mit einem Benzingenerator nachzuladen wenn die Solarmodule zu wenig Ertrag brachten. Damit nun der Generator möglichst kurz laufen muss, ist der Ladestrom recht hoch.

Eingangsstrom-Begrenzung / Boost-Funktion
Mit der passenden Fernbedienung kann bei vielen Multis der 230VAC-Eingangsstrom begrenzt werden. Der Multi bezieht dann keinen grösseren Strom als eingestellt. Wenn die Verbraucher am 230VAC-Ausgang einen grösseren Strom verlangen, nimmt der interne Wechselrichter die zusätzlich benötigte aus der Batterie (Boost-Funktion).
Gerade in Campern setzt man das ein, weil auf den Plätzen oft nur Steckdosen mit geringem Strom zur Verfügung stehen.

 

Solarstromspeicher mit multifunktionalen Wechselrichtern

MultiPlus II nennen sich die Multis von Victron Energy, mit welchen auch Strom ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Damit können Sie vielfältige Solarstrom-Speicher Lösungen realisieren. Das Zauberwort bei Victron Energy heisst ESS, EnergieSpeicherSystem. Eine Anleitung dazu finden Sie unter ESS-Konstruktions- und Installationshandbuch.

Neben dem MultiPlus-II und der Batterie wird mindestens noch ein GX-Gerät, z.B. das Ekrano GX – Control Display benötigt mit welchem Sie dann auch die Strategie festlegen. Bei den Batterien empfehlen wir wärmstens, Li-Ion Batterien oder andere hoch zyklenfeste Akkus zu verwenden. Weiter ist es auch sinnvoll, wenn Sie ein 48V-Batteriesystem aufbauen. Dabei muss beachtet werden, dass nicht alle 12V-Lithium-Batterien in Serie zu 48V verschaltet werden dürfen.
Weitere Infos dazu finden Sie auch auf der Seite Lithium-Ionen-Akku.

Dem MultiPlus-II müssen Sie mittels PC/Laptop und dem Interface MK3-USB den länderspezifischen Grid-Code einstellen und das Gerät auf ESS konfigurieren. Je nach Anwendung und Konfiguration sollte auch der Strom beim Hausanschluss gemessen werden, z.B. mit einem Energie Messer EM540 im 3-Phasen Betrieb oder  mit einem Stromtransformator, wenn nur einphasig eingespeist wird.

Mit 3 Stück MultiPlus-II können Sie auch 3-phasig ins Netz einspeisen. Auch lassen sich etliche MultiPlus auch zur Leistungserhöhung parallel schalten.

 

Insel-Wechselrichter und LED-Beleuchtung

Am Sinus-Wechselrichter können auch Beleuchtungskörper mit LED verwendet werden, da ein guter Wechselrichter eine Spannung wie aus der Steckdose produziert.
Bei Wechselrichtern mit Standby-Funktion kann jedoch die kleine Leistung der LED-Lampe zu Problemen führen. Es kann schon vorkommen, dass sogar die LED-Lampe zerstört wird.
In der Stanby-Funktion gibt der Wechselrichter immer wieder kurzzeitig eine Spannung auf den Ausgang um zu detektieren, ob ein Verbraucher zugeschaltet wurde. Da LEDs nur einen sehr kleinen Strom benötigen, werden diese nicht als Last erkannt.

Deshalb empfehlen wir, LED-Lampen über einen Unterspannungsabschalter direkt ab der Batterie zu speisen.

Grid-Wechselrichter (Netz-Wechselrichter)

Dieser Wechselrichter, auch Netzverbundwechselrichter genannt, speist die Leistung ins öffentliche Strom-Netz, eben ins Grid, wie man im Englischen so schön sagt. Er wurde für die Solarenergie entwickelt und hat auch dort seine häufigste Anwendung.

Der Grid-Wechselrichter benötigt den Anschluss ans öffentliche Stromnetz, damit er funktioniert. Sobald die externe Netzspannung wegfällt, schaltet auch der Wechselrichter seinen Ausgang weg. Nur Wechselrichter, welche mit dieser Funktion ausgestattet sind, und auch den geltenden Normen entsprechen, dürfen ans öffentliche Stromnetz angeschaltet werden. Diese Auflage besteht aus Gründen des Personenschutzes. Es darf kein Strom in das öffentliche Netz eingespeist werden, wenn die Hauptleitung des entsprechenden Feldes abgetrennt wurde.

Solarwechselrichter

Die bekannten Grid-Wechselrichter sind für Solaranlagen optimiert. Sie verfügen über eine Leistungsanpassung (MPP-Tracking) welche bewirkt, dass die Solarzellen immer so betrieben werden, dass sie die maximal mögliche Leistung erbringen. Dies passt in den meisten Fällen nicht auf die Kennwerte der Generatoren eines Picokraftwerkes mit Wasser oder Windturbinen. Es kann deshalb nicht ohne weiteres ein herkömmlicher Netzverbundwechselrichter (aus dem Solarbereich) zwischen Generator und Wechselstromnetz geschaltet werden. Es muss schon ein Wechselrichter sein, bei welchem das Tracking ausgeschaltet werden kann. Dafür sollte sich die Eingangskennlinie (Leistung in Funktion der Eingangsspannung) einstellen lassen.

Leider gibt es bei den Grid-Wechselrichter für Generatoren keine grosse Auswahl.  Die Firma SolarInvert GmbH in Deutschland produziert auch Wechselrichter für Windturbinen.

Was ist zu beachten beim Kauf eines Insel-Wechselrichters?

Kurvenform

Sinus oder modifizierter Sinus: Wechselrichter mit modifiziertem Sinus sind bedeutend preiswerter als Sinus-Geräte. Es kann jedoch nicht garantiert werden, dass alle Geräte mit modifiziertem Sinus funktionieren. Wenn zum vornherein fest steht, welches Gerät betrieben werden soll und der Wirkungsgrad nicht so entscheidend ist, kann schon mal ein Wechselrichter mit modifiziertem Sinus eingesetzt werden. Wenn der Verbraucher rein ohmsch ist wir z.B. eine Heizung ohne Elektronik, können Sie auch ein Inverter mit modifiziertem Sinus verwenden

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 wie z.B. im Wohnmobil oder 24V wie z.B. im Lastwagen. Bei der Bahn kommt auch 36V vor und für Telekommunikationsanlagen wird auch öfters 48V verwendet. Entscheidend ist auch, ob schon Gleichstrom-Verbraucher vorhanden sind, welche direkt mit der Batteriespannung gespeist werden.
Wenn Sie die Batteriespannung ohne Einschränkung frei wählen können empfehlen wir: Je höher die Leistung vom Wechselrichter, desto grösser die Batteriespannung.
Weitere Informationen zur Batterie finden Sie auch unter: https://www.hoeisi.ch/batterien-akkus.

Ausgangsleistung

Überlegen Sie sich gut vor dem Kauf, welche Geräte als Verbraucher an den Wechselrichter angeschlossen und gleichzeitig betrieben werden sollen. Zählen Sie dann die Leistung der Geräte welche gleichzeitig laufen sollen zusammen. Der Wechselrichter muss dann mindestens diese Leistung bringen aber:
!ACHTUNG! Einige Geräte haben einen grossen Anlaufstrom, welcher berücksichtigt werden muss. Bei Motoren rechnet man mit der 6-fachen Nennleistung. Bei Kühlkompressoren rechen wir sogar mit Faktor 10.

Wirkungsgrad und Verbrauch im Standby

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. Gerade bei Solaranwendungen spielt diese Grösse eine entscheidende Rolle. Da lohnt sich der Einsatz eines hochwertigen Produktes wie z.B. Wechselrichter von Studer. Wird das Gerät dort eingesetzt, wo die Energie nahezu unbeschränkt zur Verfügung steht (Auto während der Fahrt), kann auch ein preisgünstiger Wechselrichter eingesetzt werden oder ein leichter Hochfrequenz-Inverter.

Unterspannungsabschaltung

Achten Sie darauf, dass der Wechselrichter selbständig abschalten kann, wenn die Batterie nahezu leer ist und eine entsprechenden Spannung unterscheidet.
Schalten Sie keinen Batteriewächter zwischen Batterie und Wechselrichter. Der hohe Einschalt-Spitzenstrom beim Anschliessen des Wechselrichters kann den Batteriewächter beschädigen oder ausser Tritt bringen.

Batteriekapazität: Da Wechselrichter die Batterie mit einem pulsierenden Gleichstrom belasten, sollte die Kapazität der Batterie genügend gross sein. Die Wechselrichterhersteller empfehlen eine Kapazität welche dem 5-fachen Nennstrom des Wechselrichters entspricht. Z.B. bei einem 1000W Wechselrichter an 12V sollte die Kapazität 416Ah betragen (5×1000/12).

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.

Da die meisten Generatoren einen 3-phasen Wechselstrom (Drehstrom) erzeugen, werden bei Picokraftwerken sehr oft auch 3-phasen Gleichrichter verwendet.

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

Da bei Windräder oder Wasserturbinen 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.