Wechselrichter: Umwandlung von DC in AC-Strom

Wechselrichter sind wesentliche Komponenten in Solarenergiesystemen, die Gleichstrom (DC) von Solarpanels oder Batterien in Wechselstrom (AC) umwandeln, der mit Haushaltsgeräten und dem Stromnetz kompatibel ist. Diese Umwandlung ist entscheidend, da die meisten Haushaltsgeräte und Netze mit AC-Strom betrieben werden.

DC vs. AC: Die Grundlagen

Gleichstrom (DC) ist durch eine konstante Spannung und einen konstanten Strom gekennzeichnet, der in eine Richtung fließt. DC-Strom wird häufig in Elektronik wie Batterien, Sensoren und Motoren verwendet, wo eine stabile Stromversorgung erforderlich ist.

Wechselstrom (AC) hingegen schwankt über die Zeit und folgt einer sinusförmigen Welle, die durch eine grüne Linie in einem Diagramm dargestellt wird. In den meisten Ländern arbeitet der Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz, was bedeutet, dass er 50 oder 60 Zyklen pro Sekunde vollendet. Wechselstrom ist der Standard für Haushaltsgeräte und Stromnetze, da er leicht in verschiedene Spannungen und Leistungsstufen mittels Transformatoren und Wechselrichtern umgewandelt werden kann.

Reine vs. Modifizierte Sinuswelle

Vergleichsdiagramm, das den Unterschied zwischen den Ausgaben einer reinen Sinuswelle und einer modifizierten Sinuswelle zeigt und die gleichmäßigere und stabilere Energie von reinen Sinuswellenwechselrichtern im Vergleich zur stufigeren Ausgabe modifizierter Sinuswellenwechselrichter veranschaulicht

Bei Wechselrichtern ist die Ausgangswellenform ein entscheidender Faktor. Reine Sinuswellenwechselrichter erzeugen eine glatte, periodische Welle, die der von der Stromversorgung gelieferten AC-Energie sehr ähnlich ist. Diese Art von Wechselrichter ist ideal für empfindliche Elektronik und Geräte wie Kühlschränke, Klimaanlagen und Computer. Diese Geräte sind darauf ausgelegt, mit einer reinen Sinuswelle zu arbeiten, was eine optimale Leistung und Langlebigkeit gewährleistet.

Diagramm c) zeigt eine reine (saubere, präzise) Sinuswelle. Eine reine Sinuswelle ist ein Signal, das mathematisch durch die Sinusfunktion beschrieben wird und eine glatte periodische Form hat. Ihr Diagramm ähnelt einer Welle, die sich kontinuierlich mit der gleichen Periode, Amplitude und Phase wiederholt.

Modifizierte Sinuswellenwechselrichter hingegen erzeugen eine Welle, die nicht so glatt ist und Probleme mit bestimmten Geräten verursachen kann. Während sie mit einfacheren Geräten wie LED-Lichtern, Telefonladegeräten und elektrischen Kochfeldern verwendet werden können, werden sie nicht für Geräte mit induktiven Lasten oder Motoren empfohlen, da dies zu Fehlfunktionen, erhöhtem Geräuschpegel und potenziellen Schäden im Laufe der Zeit führen kann.

Die Diagramme a) und b) zeigen modifizierte Sinuswellen, die unterschiedliche Abweichungen im Vergleich zu einer reinen Sinuswelle aufweisen. Eine modifizierte Sinuswelle ist eine Art von Strom, die einer Sinuswelle ähnelt, jedoch weniger präzise ist und ungleichmäßige Übergänge zwischen den Spitzen und Nullpunkten hat. Sie kann mithilfe einer Reihe von rechteckigen Signalen produziert werden, die aus unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden bestehen.

Was sind die Parameter des lokalen Stromnetzes und der Haushaltsgeräte?

Lokale Netze und Haushaltsgeräte sind seit Jahrzehnten darauf ausgelegt, mit reinen Sinuswellen zu arbeiten, daher ist es wichtig, einen Wechselrichter zu kaufen, der eine reine Sinuswelle bereitstellt.

Was passiert, wenn ein Haushaltsgerät an einen Wechselrichter mit einer modifizierten Sinuswelle angeschlossen wird? Die meisten Geräte mit induktiven Lasten und Motoren (Gasthermen, Kühlschränke, Klimaanlagen, Pumpen, Computer) funktionieren nicht richtig und können ungewöhnliche Geräusche erzeugen, was letztendlich zu einem Ausfall führen kann.

Geräte, die mit einer modifizierten Sinuswelle betrieben werden können, sind LED-Lampen, Telefonladegeräte und elektrische Kochfelder, die mit einer modifizierten Sinuswelle gut funktionieren können.

Die meisten Haushaltsgeräte sind so konzipiert, dass sie mit einer reinen Sinuswelle arbeiten, was es entscheidend macht, einen Wechselrichter auszuwählen, der den Spezifikationen des elektrischen Netzes Ihres Hauses entspricht.

Typen von Wechselrichtern mit reiner Sinuswelle

Da Haushaltsgeräte typischerweise eine reine Sinuswelle benötigen, konzentrieren wir uns nur auf Wechselrichter, die dies bereitstellen.

Wechselrichter werden in folgende Typen kategorisiert:

  1. Interaktive OFF-line unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV): Diese umfasst einen Wechselrichter, manchmal einen Spannungsstabilisator für das Netz (AVR), ein “Eingangskabel” vom Netz (AC in), eine “Ausgangsbuchse” für die Last (AC out), Batterieeingangskabel für die USV mit einer externen Batterie und ein Ladegerät vom Netz. Bild einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), die zur Bereitstellung von Backup-Strom und zum Schutz elektronischer Geräte vor Stromstößen und Ausfällen verwendet wird

    • OFF-line vs. ON-line USV: Neben der OFF-line USV gibt es auch ON-line USV oder Doppelkonversions-USV. Der Unterschied besteht darin, dass die OFF-line USV innerhalb von 20 ms auf den Batteriebetrieb umschaltet, wenn das Netz ausfällt, während die ON-line USV in 0 ms umschaltet, was für einige empfindliche Geräte entscheidend ist.
    • Kleinleistungs-USV: Diese sind oft mit einer integrierten Batterie ausgestattet, die über genügend Kapazität verfügt, um die Last für 5-15 Minuten mit Strom zu versorgen, sodass genügend Zeit bleibt, um einen Computer, eine Maschine oder Ähnliches ordnungsgemäß herunterzufahren. Solche USV haben typischerweise eine modifizierte Sinuswelle, daher werden wir sie nicht im Detail behandeln.

  2. Autonomer OFF-line Solarwechselrichter (USV für Solarpanels): Dies besteht aus einem Wechselrichter, einem Ladegerät vom Netz, einem PWM- oder MPPT-Solarladeregler (ein oder mehrere Eingänge), Batterieeingang, Netzspannungseingang AC in (ein oder mehrere), Lastausgang AC out (ein oder mehrere) und verschiedenen Kommunikationsanschlüssen. Es gibt auch ON-line-Versionen solcher Wechselrichter, obwohl die Technologie oft pseudo-online ist. Bild eines OFF-line Solarwechselrichters, eines Geräts, das Gleichstrom von Solarpanels in Wechselstrom für den Hausgebrauch umwandelt, typischerweise in Systemen verwendet wird, bei denen das Netz die Hauptstromquelle ist und Solarenergie ergänzend genutzt wird

  3. Netzgekoppelter Wechselrichter (online): Dieser umfasst einen Wechselrichter, einen MPPT-Solarladeregler (ein oder mehrere) und eine Synchronisationseinheit mit dem Netz. Ein Akku kann an diese Art von Wechselrichter nicht angeschlossen werden.

    • Anwendungen:

      • Energieerzeugung für den Verkauf an das Netz.
      • Wenn er an einen speziellen Generatorbegrenzer angeschlossen wird, können die meisten Modelle Haushaltsverbraucher mit Strom versorgen, wenn das Netz verfügbar ist.
      • Für Unternehmen mit hohen Tarifen reduziert er die Stromkosten, wenn er an einen Generatorbegrenzer angeschlossen ist.
      • Kann die Energieerzeugung für den Eigenverbrauch erhöhen, wenn die Netzstromversorgung begrenzt ist (erfordert einen Generatorbegrenzer).

    • Nachteile: Der Hauptnachteil dieses Wechselrichters ist, dass er bei einem Netzausfall nicht funktioniert und keine Batterie angeschlossen werden kann.

    • Mikrowechselrichter: Diese sind eine Unterkategorie der netzgekoppelten Wechselrichter, jedoch verbinden sie sich mit ein oder zwei Solarpanels anstatt mit einem großen Array.

  4. Hybrid-Wechselrichter (netzgekoppelt + offline): Dieser kombiniert alle anderen Arten von Wechselrichtern und hat die Fähigkeit, Energie für das Netz zu erzeugen. Er umfasst einen Wechselrichter, einen MPPT-Solarladeregler (ein oder mehrere), Batterieeingang, eine Synchronisationseinheit mit dem Netz, Netz-Eingang AC in (ein oder mehrere), Last-Ausgang AC out (ein oder mehrere) und verschiedene Kommunikationsports.

    • Wichtig: Einige Verkäufer bezeichnen fälschlicherweise jeden Wechselrichter mit Solareingang als Hybrid-Wechselrichter, aber das ist nicht korrekt.
    • Anwendungen:
      • Energieerzeugung für den Verkauf an das Netz.
      • Einsparung von Energie für Haushalte oder Unternehmen durch teilweise oder vollständige Nutzung von Solarenergie.
    • Vorteile: Kombiniert alle anderen Arten von Wechselrichtern, funktioniert sowohl bei verfügbarem Netz als auch ohne Netz und einige Modelle können ohne Batterie arbeiten, indem sie nur Solarpanels verwenden.
    • Nachteile: Der Hauptnachteil ist, dass diese Wechselrichter teurer sind als andere Typen.

Abschließend lässt sich sagen, dass für jede Aufgabe ein spezifischer Wechselrichter geeignet ist, oder ein universeller Hybrid-Wechselrichter kann jede Art von Wechselrichter zu einem etwas höheren Preis ersetzen.

Fazit

Die Auswahl des richtigen Wechselrichters für Ihr Zuhause oder Unternehmen ist entscheidend für die Effizienz und Lebensdauer Ihres Solarenergiesystems. Während Wechselrichter mit modifizierter Sinuskurve günstiger sein können, sind sie nicht für alle Anwendungen geeignet. Wechselrichter mit reinem Sinus sind die bessere Wahl für die meisten Haushaltsgeräte, insbesondere für solche mit Motoren oder empfindlicher Elektronik. Für die beste Leistung und Zuverlässigkeit sollten Sie Ihre spezifischen Energiebedürfnisse und die Arten von Geräten berücksichtigen, die Sie betreiben möchten, wenn Sie sich für einen Wechselrichter entscheiden.