Ratgeber
Die Sinuswelle ist sozusagen die reinste Form des Wechselstroms. Mit einer Frequenz von 50 Hertz wird sie von den örtlichen Stromversorgern zur Verfügung gestellt und eignet sich zum Betrieb der allermeisten elektrischen Geräte, vom leistungsfähigen Elektromotor bis zur exakt laufenden Zeitschaltuhr. Steht Netzstrom nicht zur Verfügung, lässt er sich erzeugen – mit einem Sinus-Wechselrichter, energetisch versorgt zum Beispiel durch eine Photovoltaikanlage oder Batterie. In diesem Ratgeber informieren wir Sie über die Funktion von Sinus-Wechselrichtern und ihre typischen Einsatzbereiche. Wir geben Ihnen außerdem Tipps für die Beschaffung.
Ein Wechselrichter – häufig auch als Spannungswandler, Stromwandler oder Inverter bezeichnet – wandelt Gleichstrom oder DC in Wechselstrom oder AC um. Er ist somit das genaue Gegenstück zu einem Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. In beiden Fällen dienen eingebaute Transformatoren und elektronische Schaltungen der Spannungsanpassung zwischen Eingang und Ausgang.
Im Prinzip schaltet ein Wechselrichter den Gleichstromausgang der Energiequelle ein und aus und verarbeitet das Ergebnis, um einen Wechselstromausgang zu erzeugen. Die Art und Weise, wie das Schalten und Verarbeiten erfolgt, ist bei Wechselrichtern unterschiedlich. Typischerweise werden zum Schalten Isolierschicht-Bipolartransistoren – IGBT – oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren – MOSFETs – verwendet. Diese Transistoren ermöglichten die Konstruktion wesentlich effizienterer Inverter im Vergleich zu als ältere analogen Schaltwechselrichtern. Der Wirkungsgrad liegt heute bei bis zu annähernd 100 Prozent.
Wechselrichter sind als netzgekoppelte oder nicht netzgekoppelte Geräte erhältlich. Netzgekoppelte Sinus-Inverter bieten die Möglichkeit, Strom aus dem Stromnetz zu nutzen oder Strom in das Netz einzuspeisen.
Netzgekoppelte Wechselrichter verarbeiten die geschaltete Wellenform und erzeugen eine verzerrungsarme Sinuswelle, die mit der Sinuswelle des Energieversorgers kompatibel ist.
Netzgekoppelte Wechselrichter müssen nicht nur eine Sinuswelle innerhalb akzeptabler Grenzen erzeugen, sie müssen auch mit dem Netz synchronisiert sein und über automatische Trennschalter verfügen, um die Sicherheit der Mitarbeiter des Energieversorgers im Falle eines Netzausfalls zu gewährleisten. Diese Spannungswandler verwenden Schaltkreise einschließlich Pulsweitenmodulation – PWM – zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.
Zusätzlich zu diesen Funktionen verfügen die meisten Wechselrichter über LCD-Anzeigen für Spannung und Leistung sowie über Kommunikationsanschlüsse, um die Leistungsmerkmale des Systems an einen Controller oder Computer zu melden. Darüber hinaus lassen sich einige Wechselrichter mit dem Internet verbinden.
So können sie einem entfernten Verwender Leistungsinformationen und Diagnosetools zur Verfügung stellen, als Fernbedienung dienen und im Fall eines Systemfehlers sogar eine E-Mail senden.
Schaltbild eines Vollbrücken-Wechselrichters
Nicht netzgekoppelte Wechselrichter oder Inselwechselrichter sind in der Regel darauf beschränkt, bestimmte Arten von Verbrauchern mit Strom zu versorgen, beispielsweise über Solarmodule auf einem Campingbus. Den von den Zellen gelieferten Gleichstrom wandelt der Inverter in die übliche 230-Volt-Wechselspannung um. Dessen Qualität hängt allerdings unmittelbar von der Wellenform der Spannung ab – denn neben reinen Sinuswellen lassen sich auch Rechteckwellen sowie modifizierte Sinuswellen erzeugen.
Der Rechteck-Wechselrichter ist der einfachste und kostengünstigste, wird aber heute nur noch selten verwendet. Größter Nachteil von Rechteck- und modifizierten Sinus-Wechselrichtern: Sie erzeugen oft Oberwellen und damit Interferenzen, die bei elektronischen Geräten Störungen verursachen können. Reine Sinus-Spannungswandler bieten dagegen in der Regel eine harmonische Verzerrung von weniger als 3 Prozent, Störungen durch Oberwellen sind damit stark reduziert. So können mit den Geräten auch hochempfindliche Geräte wie Fernseher, Computer oder Audioanlagen absolut störungsfrei betrieben werden. Auch der hohe Einschaltstrom induktiver Lasten ist bei hochwertigen Spannungswandlern im Allgemeinen kein Problem.
Wechselrichter sind ein essenzieller Bestandteil jeder Photovoltaikanlage, von der Installation auf dem Dach eines Einfamilienhauses bis zum großflächigen Aufbau im Freien oder auf den Dächern von Betriebsgebäuden. Sie verwandeln den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom, im Allgemeinen sowohl für die unmittelbare Nutzung von Elektrogeräten als auch zur Speicherung in Batterien mit großer Kapazität. Möglich ist nach wie vor auch die Einspeisung des überschüssigen Wechselstroms in das Stromnetz des Versorgungsunternehmens. Je nach Leistung der Anlage lassen sich laut EEG 2023 die Stromkosten für den Eigenverbrauch um bis zu 20 Prozent reduzieren.
Schaltungskonzept einer Phototovoltaikanlage im Netzparallelbetrieb
1. PV-Generator | 2. PV-Abzweig | 3. Trennstelle vor dem Wechselrichter | 4. Wechselrichter | 5. Hausnetz | 6. EVU-Zähler | 7. Einspeisung | 8. Bezug
In Elektroautos kommt die Umwandlung von Wechsel- und Gleichströmen gleich mehrfach vor: Zum einen als Ladegerät für die Batterie mit Wechselstrom aus Steckdosen, Ladeboxen oder Ladesäulen, zum anderen dann, wenn die Antriebsmotoren als Wechselstrom-Generatoren laufen.
Letzteres wird als Rekuperation bezeichnet, also als Rückgewinnung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Das geschieht immer dann, wenn der Fuß vom Gaspedal genommen wird und der Wagen weiterrollt. Das Batteriemanagement-Modul schaltet den Batterieanschluss dann von Ausgang auf Eingang.
Der Wechselstrom aus den nun als Dynamo funktionierenden Antriebsmotoren wird über einen sogenannten AC/DC-Wandler direkt der Batterie zugeführt. Die Rekuperation sorgt je nach Fahrweise nicht nur für eine Vergrößerung der Batterie-Reichweite, sie schont auch die Bremsen.
1. Motor/Generator | 2. AC/DC Wandler | 3. DC/DC Wandler | 4. Inverter | 5. Modul für Batteriemanagement | 6. Batterie
Abhängig ist die Auswahl des Geräts naturgemäß vom geplanten Einsatzzweck. Die wichtigsten Leistungsmerkmale sind die Spannungen der Ein- und Ausgangsseite, die Leistung und der Wirkungsgrad bei Nennlast. Hinzu kommen die Anschlussformen, die von Schraubklemmen und Kabeln bis zu Steckdosen und USB-Ports reichen.
Gängige Wechselrichter mit reiner Sinuswelle sind anschließbar an Gleichstromquellen von 12V bis 850V, wobei als Standard die Spannungen 12, 24 und 48 Volt gelten können. Auf der Ausgangsseite der Wechselrichter stehen im Allgemeinen 230V oder 240V Sinus-Spannung zur Verfügung, wenngleich es auch Sinus-Wechselrichter mit Ausgangsspannungen von 5, 200 oder 220 Volt gibt.
Die Leistung der Spannungswandler wird meist in Watt angegeben, für induktive Lasten auch in Voltampere. Sie reicht von 100 Watt bis zu 12.000 Watt, die am häufigsten eingesetzten Geräte liefern 600 Watt bis 3000 Watt. Ein nicht zu unterschätzender Faktor bei der Auswahl eines Sinus-Wechselrichters ist der Wirkungsgrad. Einige wenige Typen begnügen sich mit 80 bis zu 88 Prozent, die Mehrzahl der zu Verfügung stehenden Geräte bietet einen Wirkungsgrad bei Nennlast von 90 Prozent. Manche Inverter schaffen sogar 99,5 Prozent.