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Ratgeber



Überblick: Elektromobilität, Wechselrichter und Sinus-Wechselrichter

Die Themen erneuerbare Energie und Elektromobilität wachsen in einer modernen technologischen Gesellschaft zunehmend zusammen. Ein wichtiges Bindeglied ist elektrotechnisch der Transformator. Dieser ist in der Lage, die Spannung des elektrischen Stroms für den Verbraucher gerecht anzupassen und aufbereitet in ein Stromnetz einzuspeisen. Da dieser den Strom umstellt, wird er häufig auch als Inverter oder Spannungswandler bezeichnet. Der Sinus-Wechselrichter kann in einem Netz auch als aktiver Leistungsfilter eingesetzt werden.

Wechselrichter können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Zum einen die Inselwechselrichter, diese machen die Energie aus Photovoltaik in der Anlage nutzbar zur Versorgung von handelsüblichen Geräten mit Wechselstrom. Diese sind selbstgesteuert. Das bedeutet, dass der Takt zur Sperrung und Freigabe des Stromdurchlasses durch Transistoren des Wechselrichters selbst getriggert wird. Diese werden oft in Campern oder Caravans eingesetzt. Da diese als netzunabhängigen Systeme agieren, benötigen sie keine Synchronisation mit einer anderen Frequenz.

1. Motor/Generator / 2. AC/DC Wandler / 3. DC/DC Wandler / 4. Inverter / 5. Modul für Batteriemanagement / 6. Batterie

Zum anderen gibt es den netzgekoppelten Sinus-Wechselrichter. Dieser speist die Energie aus der Anlage als reine Sinuswelle synchronisiert, ins Netz ein. Fremdgesteuerte, auch Netzgeführte Wechselrichter steuern auch den Takt sowohl mit Transistoren als auch mit Thyristoren oder Triacs (Bidirektionaler Thyristor). Diese Sinus-Wechselrichter werden zum Einspeisen einer Spannung von der Anlage in ein aktives Wechselstrom-Netz genutzt. Ferngesteuerte Wechselrichter werden auch bei Windkraftanlagen und in der Elektro-Mobilität eingesetzt. Diese Inverter gleichen eine Eigenspannung an und können ihre Polarität ändern. So können angeschlossene Aktoren sowohl als Motor, als auch als Generator betrieben werden. Beim Bremsen eines Elektroautos wird die Bremskraft nicht durch Bremsbeläge ausgeübt, sondern der Motor selbst wirkt als verschleißfreie Bremse und speist die früher durch die Reibung verloren gegangene Energie, als Generator wieder in das System zurück und kann diese auch in der Batterie speichern. Das verschleißfreie System ist ein Meilenstein in der Automotive-Branche und ein gutes Argument, was für die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens spricht.



Der Sinus-Wechselrichter innerhalb einer Photovoltaik-Anlage 

Scheint die Sonne auf die Solarmodule, dann gelangt gesammelte Energie über einen Überspannungsschutz, mit der Mindestanforderung an Typ 2, zum Wechselrichter.

Von den Solarzellen aus gelangt die Energie optional zu einem Energiespeicher. Arbeiten an Wechselrichtern sollten durch eine qualifizierte Elektrofachkraft durchgeführt, geprüft und dokumentiert werden.

1. PV-Generator
2. PV-Abzweig
3. Trennstelle vor Wechselrichter
4. Wechselrichter
5. Hausnetz
6. EVU-Zähler
7. Einspeisung
8. Bezug

Schaltungskonzept einer Phototovoltaikanlage im Netparallelbetrieb



Wie funktioniert ein Sinus-Wechselrichter? 

Im Gegensatz zum Gleichrichter, welcher eine Wechselspannung gleichrichtet, dient der Wechselrichter dazu, um einen Gleichstrom zu einer wechselnden Spannungswelle zu richten. Die Funktionsart ist dabei der Vollbrücken-Wechselrichter.

Damit der Inverter die Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom vollziehen kann, wird der Strom über MOSFET, Transistoren und Thyristoren automatisiert im Wechsel geschaltet.



Wie wird ein Photovoltaiksystem ausgelegt?

Der Stromverbrauch richtet sich nach den Verbrauchern, die am System angeschlossen sind. Circa 10 Prozent Strom sollte zu den 230 Volt Verbrauchern dazu addiert werden, wenn das System ausgelegt wird.  Zunächst ist es notwendig die gegebenen Rahmenbedingungen zu kennen. Zur Verfügung stehende Betriebsfläche, Sonnenlage und Sonnenstunden im Jahresschnitt 5 am Tag. Mit der Fläche kann die Anzahl der Solarmodule bestimmt werden. Als Beispiel nehmen wir 4 Module mit je 250 Watt Ausgangsleistung. Jeweils 2 Strings in Serie macht eine Eingangsleistung von 1.000 W. Erforderlich ist hier also ein Sinus-Wechselrichter, dessen Nennleistung mindestens 1.000 Watt beträgt und der den Strom für das Netz aufbereitet.

Neben der Ausgangsleistung spielt der Wirkungsgrad beim Kauf eine besondere Rolle. Dieser legt einen normierten Wert zwischen Eingangs- und Ausgangs-Leistung fest und liegt bei aktuellen Systemen zwischen 75 und 95 Prozent. Für Gelegenheitsnutzer, die beispielsweise mit einem Camper auf Reise wollen hat dieser eine geringere Priorität als für Dauernutzer, da dieser sich indirekt durch höhere Betriebskosten monetär auswirkt.

Im Beispiel ist eine Glühbirne, die eine Effizienz mit dem Wirkungsgrad von 5 Prozent hat, die restlichen 95 Prozent werden in thermische Energie umgewandelt und in Form von Wärme abgestrahlt. Ein Wechselrichter hat glücklicherweise einen besseren Wirkungsgrad. Mit einem Verlust von ca. 5 Prozent strahlt dieser im Vergleich zu einer Glühbirne wenig thermische Energie ab.

Regenerative Energien werden in vielen Bundesländern subventioniert. Je nach Region werden ganze Systeme oder in einigen Ländern die passenden Energiespeicher mit den Spitzenlasten gespeichert werden können, subventioniert.

ƞ = P(Nutzen) / P(Aufwand) ≈ 5 %



Reine Sinusschwingung

Ein reiner Sinuswandler erzeugt eine Schwingung, die vergleichbar mit der aus der heimischen Steckdose ist. An ihr können alle gängigen Elektrogeräte in der entsprechenden Leistungsklasse betrieben werden.

Es gibt Spannungswandler in unterschiedlichen Qualitätsstufen. Je empfindlicher die Elektronik, desto höher die Anforderungen an das Eingangssignal. Im Folgenden betrachten wir das Rechtecksignal, die Pulsweitenmodulation und die reine Sinuswelle. Dabei wird unterschieden zwischen dem momentanen Amplitudenwert und dem Effektivwert.

Der Effektivwert U(eff) ist abgeleitet von dem momentanen Zeitwert der Amplitude û und wird mit Hilfe der folgenden Formel berechnet:

U(eff)  = û / √2 

Die reine Sinusspannung ist notwendig, um angeschlossene Elektronikgeräte vor einer Beschädigung zu schützen. Trotz der korrekten Betriebsspannung können Geräte beispielsweise durch eine erhöhte Betriebstemperatur schaden nehmen.  Dies kann bei Wechselrichtern, die mit einer modifizierten Sinuswelle arbeiten durch die harten Signalflanken des Rechtecksignals geschehen.

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