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Wechselrichter und automatische Umschalter - immer elektrische Energie wie zu Hause
An Bord beziehen Sie Ihre elektrische Energie normalerweise aus den Batterien, Sie haben also ein 12V oder 24V Gleichstromnetz. Nur wenn Landstrom zur Verfügung steht haben Sie 230V Wechselstrom, also das was Sie auch zu Hause haben, zur Verfügung.
Damit können Sie aber sobald Sie abgelegt haben z.B. keine elektrischen Haushaltsgeräte, Ladegeräte für mobile Technik oder Elektrowerkzeuge, die mit 230V AC betrieben werden, verwenden.
Dank moderner Leistungselektronik ist es aber heutzutage kein Problem durch den Einsatz eines Wechselrichters, häufig auch nur Inverter oder DC-AC Konverter genannt, die Gleichspannung der Batterie in haushaltsübliche 230V Wechselspannung umzuwandeln.
Bevor Sie sich aber einen Wechselrichter anschaffen sollten Sie doch einige Punkte beachten, damit anschließend nicht die große Enttäuschung kommt. Hierfzu sollen die folgenden Informationen dienen:
Welche Arten von Wechselrichter gibt es?
Was bedeuten die Bezeichnungen Rechteck-, Trapez- und Sinuswechselrichter?
Welche Leistung benötige ich?
Was muß ich beim Einbau beachten?
Am Ende dieser Seite finden Sie unser Produktportfolio leistungsfähiger Wechselrichter.
Wechselrichter - Funktionsweise und Typen
Wie funktioniert ein Wechselrichter?
Vereinfacht erklärt wird die Gleichspannung, getaktet mit 50Hz ein- und ausgeschaltet und anschließend auf die gewünschte Spannungshöhe, also 230V transformiert(Niederfrequenzwechselrichter).
Da jedoch bei einer Frequenz von 50Hz der Transformator sehr groß und schwer ausfallen würde, werden heutzutage ausschließlich Wechselrichter die im hochfrequenten Bereich schalten angeboten. Bei diesen Geräten wird die niedrige Batteriespannung (12V, 24V oder 48V) hochfrequent (kHz-Bereich) in eine Rechteckwechselspannung gewandelt. Anschließend wird diese Spannung mit einem Trafo hochtransformiert.
Der Vorteil gegenüber der Niederfrequenzwechselrichter ist, daß auf Grund der hohen Frequenz der Spannung der Trafo jetzt wesentlich kleiner ausgeführt werden kann.
Die hochfrequente Hochspannung wird anschließend wiederum gleichgerichtet und danach über Leistungshalbleiter (MOSFET’s) in eine 50Hz Wechselspannung mit 230V gewandelt.
Die unterschiedlichen Wechselrichertypen
Es gibt nach der Ausgangsspannungsform betrachtet drei unterschiedliche Wechselrichtertypen:
Rechteckwechselrichter
Diese sehr einfach aufgebauten und auch sehr preiswerten Geräte, hier wird wirklich die hochtransformierte und anschließend gleichgerichtete Spannung nur mit 50Hz ein- und ausgeschaltet, sind der einfachste Wechselrichtertyp. Diese liefern eine reine Rechteckspannung. Hierbei entstehen jedoch durch den steilen Anstieg der Spannung tlws. sehr hohe Störemissionen, was sich z.B. im Funkverkehr, Rundfunkempfang aber auch bei Echolot und anderen Navigationsgeräten sehr negativ auswirken kann.
Problematisch ist der Betrieb aller Geräte an diesen Wechselrichtern, die nicht rein ohmsche Lasten wie z.B. Glühlampen oder Heizgeräte sind. Motoren werden wahrscheinlich überhaupt nicht oder nur sehr schlecht funktionieren. Im Extremfall können Verbraucher die ihre Leistung elektronisch steuern, bei Betrieb mit Rechteckwechelrichtern zerstört werden.
Rechteckwechselrichter gehören definitiv nicht an Bord!
Rechteckausgangsspannung
Trapezwechselrichter
Um die Problematik reiner Rechteckwechselrichter etwas zu verringern, jedoch nicht den hohen technischen Aufwand von Sinuswechselrichter zu leisten, wurde der sogenannte Trapezwechselrichter entwickelt. Hierbei wird zwischen den Schaltsignalen eine kurze Pause eingelegt, damit ist die Ausgangsspannung treppenförmig und ähnelt einem Trapez.
Mit nachgeschalteten Filtergliedern wird der Anstieg der Flanken verringert und damit sehr grob einem Sinus angenähert. Dennoch entstehen weiterhin große Störsignale und es lassen sich auch hiermit nicht alle Verbraucher betrieben, z.B. reagieren moderne Kaffeemaschinen mit ihrer Steuerungselektronik sehr empfindlich hierauf.
Fazit, auch wenn einige Hersteller von einem modifizierten-Sinus sprechen, hat die Ausgangsspannung keine Sinusform und es bestehen die meisten Nachteile des Rechteckwandlers weiter.
Ein modifizierter Sinus hat keine Ähnlichkeit mit einem Sinus,
es handelt sich lediglich um einen etwas verbesserten Rechteckwechselrichter!
modifizierter Sinus
(Trapezwechselrichter)
Sinuswechselrichter
Der ideale Wechselrichter liefert eine reine Sinusspannung, die genau dem normalen Landstrom entspricht. Hiermit lassen sich dann alle Geräte problemlos betreiben. Leider ist jedoch der schaltungstechnische Aufwand um eine sinusförmige Ausgangsspannung zu erhalten um ein vielfaches Größer gegenüber den beiden oben aufgeführten Varianten.
Auch hier wird zuerst die Gleichspannung in eine hochfrequente Rechteckspannung gewandelt, dann hochtransformiert und wieder gleichgerichtet.
Anschließend wird jedoch diese Gleichspannung nicht einfach nur mit 50Hz ein- und ausgeschaltet, sondern das Schalten erfolgt über PWM (Pulsweitenmodulation), gesteuert von einem Microcontroller der eine Sinustabelle im Speicher hinterlegt hat.
Das Ergebnis sind unterschiedlich breite Impulse, aus denen mittels eines LC-Filters ein reines Sinussignal entsteht
Ein reiner Sinuswechselrichter ist zwar teurer aber die richtige Wahl!
An einem Sinuswechselrichter kann jedes Gerät problemlos betrieben werden
Sinusförmige Spannung
Welche Wechselricherleistung benötige ich?
Zur Beantwortung der Frage der benötigten Leistung des Wechselrichters ist wichtig zu wissen, was hierüber betrieben werden soll.
Falls ausschließlich Verbraucher wie Ladegeräte, PC, Beleuchtung oder auch der Kaffeeautomat oder Toaster hierüber betrieben werden soll reicht es aus, wenn die Nennleistung der Summe der Leistung aller gleichzeitig angeschlossenen 230V Verbraucher entspricht, bzw. geringfügig höher ist.
Anders sieht es aus, wenn über den Wechselrichter auch motorbetriebene Geräte wie Kühlschränke, Elektrowerkzeuge oder Staubsauger betrieben werden sollen, da diese z.T. hohe Anlaufströme benötigen.
Aber berücksichtigen Sie unbedingt das Verhältnis Wechselrichterleistung zur Batteriebankkapazität. Die Batterien müssen in der Lage sein die benötigte Leistung auch zur Verfügung stellen zu können, wobei auch hier häufig ein Denkfehler gemacht wird. Viele Geräte haben zwar eine hohe Anschlußleistung, die eigentliche Einschaltzeit ist jedoch gering und noch häufiger ist die Dauer, während der die volle Leistung abgerufen wird, sehr kurz in Bezug zur Einschaltzeit.
Nehmen wir als Beispiel eine Siebträgerkaffeemaschine, die uns den Kaffee zum Frühstück produziert und eine Servicebatteriebank mit 300Ah. (alle Berechnungen der Einfachheit halber unter idealen Bedingungen an, d.h. die Verluste im Wechselrichter werden nicht berücksichtigt und die Batteriespannung auf 12V gesetzt)
Die Anschlußleistung der Kaffeemaschine beträgt 1.200W, damit beträgt der Strom aus der Batterie
Anschlußleistung P / Netzspannung UAC = Strom IAC 1.200W / 230V = 5,22A
Dies ist der Strom im 230V AC-Netz, den wir jetzt auf das 12V Bordnetz umrechnen müssen:
Netzspannung UAC / Batteriespannung UDC x Strom IAC = Strom IBatt 230V / 12V x 5,22A = 100,05A
Das hört sich extrem an, nur müssen wir jetzt die Einschaltzeit berücksichtigen. Nehmen wir für die Dauer unseres Beispielfrühstücks 30 Minuten an
Strom IBatt x 30 Minuten / 60 Minuten = Strom IBatt30 100,05A x 30min / 60min = 50,025A
Nur heizt die Maschine nicht die kompletten 30 Minuten, sondern eine wesentlich kürzere Zeit. Die Aufheizzeit liegt in der Praxis bei ca. 3 Minuten
Strom IBatt30 x 3 Minuten / 30 Minuten = Strom IBattStart 50,025A x3min / 30min = 5,00A
Es werden in unserem Beispiel während der 30 Minuten Einschaltzeit 6 Tassen Kaffee produziert, d.h. die Maschine wird 6x Nachheizen, Dauer der Nachheizzeit jeweils 30 Sekunden
Strom IBatt30 X 0,5 Minuten / 30 Minuten x 6 = INachheiz 50,025A x 0,5min / 30min x 6 = 5,00A
Damit reduziert sich die 100A, die sich durch die Leistungsaufnahme der Kaffeemaschine zuerst ergaben, auf lediglich:
Strom IBattStart + Strom INachheiz = Strom IGesamt 5,0A + 5,0A = 10,0A
und hiermit auf einen völlig unkritischen Wert in Bezug auf die zur Verfügung stehende Batteriekapazität.
Dennoch muß der Wechselrichter in der Lage sein die 1,2kW Leistung zu erbringen, auch wenn sie nur für sehr kurze Zeit abgerufen wird.
Die von uns angebotenen Wechselrichter sind grundsätzlich in der Lage auch die hohen Anlaufströme für Elektromotoren bereit zu stellen. Sie können also bei diesen Geräten die Nennleistung Ihrer Verbraucher ansetzen.
Welche Punkte sind unbedingt bei der Installtion zu beachten?
1.) Der Einbauort soll gut belüftet sein, damit die Wärme, die auf Grund der Verluste bei der Umwandlung entsteht, gut abgeführt werden kann.
Als Beispiel sind bei dem Phoenix C12/200, der mit einem Wirkungsgrad von 92% arbeitet bei Vollast von 2.000W als Wärmeverlust 160W abzuführen.
2.) Der Einbauort muß trocken sein. Die Geräte sind bedingt durch die aktive Kühlung (Lüfterbetrieb) im Regelfall nur nach Schutzart IP20 oder IP21 ausgelegt,
also nicht spritzwassergeschützt
3.) Die Zuleitungen auf der Niederspannungsseite sind mit ausreichendem Querschnitt zu dimensionieren. Wieder unser Beispiel Pheonix C12/2000: bei
Volllast fließen auf der 12V Seite 180A Strom. Damit muß die Zuleitung mindestens 50mm² Querschnitt besitzen
4.) Die Zuleitung von den Batterien sollte so kurz wie möglich sein, damit der Spannungsabfall auf der Leitung so gring wie möglich bleibt.
Bei unserem Beispiel Phoenix C12/2000 und Vollast beträgt der Spannungsabfall beim gewählten Mindestkabelquerschnitt 50mm² und einer Leitungslänge
von 4m bereits 0,51V oder 4,25%. (Als Leitungslänge sind immer Hin- und Rückleiter zu berücksichtigen, d.h. bei 2m Entfernung von der Batterie beträgt
die Kabellänge 4m). Dies ist insbesondere auf Grund der Unterspannungsabschaltung der Wechselrichter zu berücksichtigen.
5.) Die Zuleitung muß unbedingt mit einer richtig dimensionierten Sicherung abgesichert werden.
6.) Der Wechselrichter sollte mit einer Fernbedienung vom Panel bei Nichtbenutzung abschaltbar sein. Die Leerlaufleistungsaufnahme beträgt wieder bei
unserem Beispielswechselrichter 9W. Hiermit werden die Batterien auch während der Nichtbenutzung entladen..
