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Ratgeber

Autarke Energieversorgung mit Wechselrichtern



Wofür wird ein Wechselrichter benötigt?

Wer mobil unterwegs ist und dabei nicht auf die heimische Elektronik beispielsweise für Entertainment, SMART-Geräte oder Notebooks verzichten will, hat mit einem Wechselrichter die Möglichkeit diese zu betreiben.

Dabei transformiert beispielsweise ein Spannungswandler 12 Volt aus dem
Gleichstrom einer Batterie in 230 Volt Wechselspannung mit dem die heimischen Elektronik betrieben werden kann.



Arten der Wechselrichter

Es gibt einer Reihe von typischen Merkmalen, mit denen ein Wechselrichter ausgestattet ist. Bei der Auslegung der Betriebsgrößen ist es notwendig die Anforderung der Leistungsaufnahme zu ermitteln, welche die angeschlossenen Geräte benötigen, die maximal gleichzeitig betrieben werden sollen. Die von Wechselrichtern erzeugten sinusartigen Wellen können dabei in zwei Kategorien eingeteilt werden.

Reiner Sinus Wechselrichter

Die reine Sinuswelle ist für alle Geräte in der gängigen Leistungsklasse nutzbar und auch für die mit der Zeit zunehmend empfindlicher werdende Elektronik eine langfristig sichere Investition.

Modifizierter Wechselrichter

Der modifizierte Sinus ist eine aus Rechtecksignalen nachgebildete Form der Sinuswelle. Das Signal ist nicht kurvenförmig, sondern hat harte Flanken. Verschiedene Netzteile reagieren darauf mit einer erhöhten Betriebstemperatur, es sollte auf die Gerätefreigabe des Herstellers geachtet 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 Ueff ist abgeleitet von dem momentanen Zeitwert der Amplitude û und wird mit Hilfe der folgenden Formel berechnet:

Ueff  = û / √2



Rechtecksignal

Das Rechtecksignal ist das einfachste Signal, um eine Sinuswelle nachzubilden. Im Gegensatz zum reinen Sinus verfügt er über einen sprunghaften Zustandswechsel. Dadurch eignet sich diese Spannung vorwiegend für robuste Elektrotechnik wie Glühlampen, Toaster oder Radiatoren.



Pulsweitenmodulation

Durch definiert gepulste Rechteckspannungen wird im zeitlichen Verlauf eine Wechselspannung gebildet, deren Effektivwert im zeitlichen Verlauf annähernd einer reinen Sinus-Spannung entspricht. Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist für solide Haushaltsgeräte beispielsweise Radio, Laptop, oder Kühlschränke geeignet.

Je näher das Ausgangssignal einem reinen Sinus ähnelt, desto hochwertiger ist das Gerät.



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.

A: 1. Schwingung



Mit welchen Daten wähle ich einen Wechselrichter aus?

Als erstes werden die Typenschilder der anzuschließenden Geräte betrachtet. Qualitative und modernen Schaltnetzteile können in Netzen von 100 V bis 240 Volt, bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz bis 60 Hertz betrieben werden. Um nun den Energiebedarf, also die Watt als Anforderung an den Wechselrichter zu ermitteln gibt es mehrere Möglichkeiten.

Smart ist die Lösungsmöglichkeit über Wi-Fi Steckdosen mit integrierter Messfunktion, den Energieverbrauch zu tracken und die Daten der einzelnen Geräte dann zusammenzufassen.



Dauerenergiebedarf

Es gibt auch die Möglichkeit den Energiebedarf zu ermitteln, ohne sich ein zusätzliches Gerät anschaffen zu müssen.
Dazu ist eine weitere Betrachtung des Typenschilds notwendig.
Auf Geräten beispielsweise Fön oder Mixer ist eine Wattangabe vorhanden. Die kann einfach zusammengezählt werden. 
Netzteile, sind oft mit Angaben zur Ausgangsleistung gekennzeichnet.


Um den tatsächlichen Energiebedarf zu ermitteln, muss man den Wirkungsgrad dabei einbinden:

Pin = U ∙ I / ƞ

Netzteil Links Rechts
Output P(out) 5 V ⦁ 1,2 A = 6 W 5 V ⦁ 2 A = 10 W
Wirkungsgrad ƞ Ca. 80 % Ca. 80 %

Eingangsleistung P(in)

6 W / 0,8 = 7,5 W 10 W / 0,8 = 12,5 W


Spitzenenergiebedarf

Geräte, die beispielsweise über einen Motor verfügen, benötigen beim Zuschalten ins Netz einen hohen Anlauf-Strom. Dieser wird dafür genutzt, um Kondensatoren zu laden oder induktive Lasten zu bewegen. Hochwertige Technik verfügt über eine elektronische Einschaltstrombegrenzung. Das kann im Einzelfall in der Bedienungsanleitung nachgelesen werden.

Wenn man sicher gehen will, dass bei Bedarfsspitzen eine kontinuierliche Energieversorgung gewährleistet ist, dann legt man die Spitzenleistung des Wechselrichters fünfmal so hoch, wie den Dauerbedarf aus.

Bei 400 Watt Dauerenergiebedarf wird so ein Wechselrichter mit 2.000 Watt empfohlen.

Ein PKW bis 3,5 Tonnen zulässiges Gesamtgewicht verfügt meist über eine Batterie mit einer Bordnetzspannung von 12 Volt Gleichstrom. LKW und Sonderfahrzeuge mit hohem Energiebedarf gegebenenfalls auch 24 Volt.

12 Volt Wechselrichter sind mit einen einstellbaren Über- oder Unter-Spannungsschutz verfügbar. Der Überspannungsschutz gewährleistet dabei den sicheren Betrieb der Elektrogeräte durch Netzseitige Einflüsse, der Unterspannungsschutz schützt die sich im Betrieb befindliche Batterie vor zu hoher Entladung.

Im Folgenden ist exemplarisch der Energiebedarf für einen Camper ermittelt:

Gerät Dauerbedarf Watt Maximaler Bedarf Watt pro Sekunde
Ladegerät 1  15 W
18,6 W / 0,05 sec
Ladegerät 2  60 W 75 W / 0,01 sec
Notebook  80 W 108,75 W / 0,1 sec
Tablet  50 W 75 W / 0,1 sec
Entertainment  10 W 12,5 W / 0,08 sec
Hygiene  5 W 7,5 W / 0,05 sec
Gesamtbedarf  220 W 295,55 W / 0,1 sec

Die Daten variieren nach Nutzungsverhalten, beziehungsweise Nutzungsdauer und können mit einem bewussten Einschaltverhalten auch niedriger ausgelegt werden.

Nun liegt die Nennleistung im Dauerbetrieb bei 220 Watt. Es sind 100 Watt mehr als im Bordnetz verfügbar. Dieses ist mit 10 Ampere abgesichert, ein Zigarettenanzünder hat erwartungsgemäß auch nicht den besten Wirkungsgrad. Darüber hinaus werden Wechselrichter fest installiert und in die KFZ-Elektronik integriert.



Batterieversorgung und Systembelastung

Der Energie-Bedarf ist ermittelt, und der Wechselrichter dimensioniert. Als nächstes muss das System des Fahrzeuges, diesen Bedarf auch decken können. Wir nehmen als Beispiel den Camper, mit zwei Batterien mit je 42 Amperestunden effektiver Kapazität besitzt.

Dazu wird folgende Beispielrechnung aufgestellt, ohne Zugewinn durch regenerative Energien:

Nennleistung Wechselrichter 350 W
Wirkungsgrad Wechselrichter 90%
Eingangsleistung Wechselrichter P(in) = P(out) / 0,9
P(in) = 350 W / 0,9 = 390 W
Bordnetzspannung Camper 12 Volt
Eingangsstrom Wechselrichter I = P(in) / U
I = 390 W / 12 V =32,5 A
   
Eingangsstrom Wechselrichter 32,5 A
Kapazität der Batterie bei 32,5 A (Datenblatt) 70 Ah
Effektive Kapazität bei 60 % Entladung 70 Ah ⦁ 0,6 = 42 Ah
   
Entladung  Zeit
Eine Batterie 42 Ah / 32,5 A = 1,29 h
Zwei Batterien 1,29 h ⦁ 2 = 2,58 h

Ohne Zugewinn kann das System mit zwei Batterien die Energieversorgung für rund 2,5 Stunden aufrechterhalten.

Praxistipp:

Beim Einsatz von USB-Ladefähigen Geräten empfehlen wir den Einsatz von USB-Adaptern für die KFZ-Steckdose, da diese Ladeströme unter 10 Ampere nur einmal gewandelt werden müssen. Dadurch ist ein höherer Wirkungsgrad möglich, weil weniger Energie durch Thermische Wandlung verloren geht.

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