Ratgeber
Der Begriff Wechselrichter, Spannungswandler oder Inverter war selten zuvor so populär wie in der heutigen Zeit. Denn sie verwandeln den von Photovoltaikanlagen gelieferten Gleichstrom in sofort nutzbaren Wechselstrom. Und zwar überwiegend genau in der Form, wie er über herkömmliche 230-Volt-Steckdosen zur Verfügung steht. Nützlich sind Wechselrichter aber auch in Kraftfahrzeugen. Hier übernehmen sie die Energieversorgung von mobilen Geräten, die nur mit Netzstrom funktionieren, Elektrowerkzeuge zum Beispiel. Als Gleichstromquelle fungiert die Batterie. In diesem Ratgeber informieren wir Sie über die Funktion von Wechselrichtern und ihre Spezifizierung. Wir gegen Ihnen außerdem Tipps für Beschaffung und Anwendung.
Ein Wechselrichter ist ein elektronisches Gerät, das Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt. Er spielt eine wichtige Rolle bei der Nutzung von Gleichstromquellen wie Solarmodule, Batterien oder Windturbinen, um Haushalte, Unternehmen und Industrieanlagen mit Wechselstrom zu versorgen. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom in eine Wechselstromform um, die den elektrischen Anforderungen der angeschlossenen Lasten entspricht. In erster Linie handelt es sich dabei um eine sinusförmige Ausgangsspannung mit den erforderlichen Frequenz- und Spannungswerten. Die Eingangsgleichspannungen liegen üblicherweise zwischen 12 und 48 Volt, die Ausgangswechselstromspannung bei 230 Volt. Der Wirkungsgrad moderner Wechselrichter kann bei Nennlast über 99 Prozent erreichen.
Wechselrichter ermöglichen die effiziente Nutzung von Gleichstromquellen in Wechselstromsystemen. Sie spielen außerdem eine wichtige Rolle bei der Förderung erneuerbarer Energien und der Umstellung auf umweltfreundlichere Stromerzeugungsmethoden.
Ein Wechselrichter funktioniert im Allgemeinen durch den Einsatz von elektronischen Schaltkreisen, die den Gleichstrom in eine Wechselstromform umwandeln. Der Hauptunterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom liegt in der Art und Weise, wie sich die elektrische Ladung bewegt.
Gleichstrom ist ein Strom, bei dem die elektrische Ladung nur in eine Richtung fließt, der Strom besitzt daher eine konstante Polarität. In einem Gleichstromsystem bewegt sich die Ladung kontinuierlich, technisch wie in Schaltplänen vom positiven zum negativen Pol, physikalisch korrekt vom negativen zum positiven Pol.
Beim Wechselstrom ändert die elektrische Ladung dagegen periodisch ihre Richtung, der Strom wechselt seine Polarität. Der Richtungswechsel erfolgt dabei mit einer bestimmten Frequenz, in Europa zum Beispiel mit 50 Hertz. In den meisten Stromnetzen und elektrischen Geräten wird Wechselstrom verwendet, da er effizienter über weite Entfernungen übertragen werden kann. Gegenüber Gleichstrom bietet Wechselstrom noch andere Vorteile. Dazu gehören die Möglichkeit der Spannungsregelung sowie die einfache Anpassung der Spannung mit Hilfe von Transformatoren.
Ein einfacher digitaler Wechselrichter besteht aus einem Oszillator, der einen Transistor steuert. Dieser Halbleiter – im Allgemeinen ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode – unterbricht den eingehenden Gleichstrom in einem bestimmten Intervall und erzeugt eine Rechteckwelle.
Mit dem Rechtecksignal (Mitte) lässt sich eine Sinuswelle nachbilden. Im Gegensatz zum reinen Sinus (links, A repräsentiert eine komplette Schwingung) erfolgt der Zustandswechsel allerdings sprunghaft. Eine einfache Modifikation (rechts) ergänzt die Rechteckwelle um die fehlenden Signalteile unterhalb der Nulllinie. Diese rudimentäre Form wird heute in Wechselrichtern aber kaum noch angeboten.
Die Rechteckwelle wird in einen Transformator eingespeist, der im Zusammenspiel mit Filtern ihre Form glättet, so dass sie fast wie eine Sinuswelle aussieht und die gewünschte Ausgangsspannung bietet. Dazu wird in der Regel die sogenannte Pulsweitenmodulation – kurz PWM – verwendet. Dieses Verfahren steuert im Wesentlichen die Energiemenge, indem es die Ein- und Ausschaltphasen eines Signals schnell wechselt und die Breite der Ein-Phase oder des Tastverhältnisses variiert. Das Ergebnis ist eine Welle, die annähernd einer Sinuswelle entspricht und die von gängigen Elektrogeräten meist ohne Probleme akzeptiert wird.
Gängige Wechselrichter erzeugen entweder modifizierte Rechteckwellen oder reine Sinuswellen. Die Preise für reine Sinuswellen-Wechselrichter sind höher, dafür sind sie im Allgemeinen leistungsfähiger und effizienter. Diese Art von Wechselrichter erzeugt eine Sinuswelle mit der gleichen Stromqualität, wie sie von den großen Stromversorgern geliefert wird. Zu den Geräten, die in der Regel reine Sinus-Wechselrichter benötigen, gehören beispielsweise Audio- und Videogeräte und Satellitenanlagen sowie alle Installationen mit hohem Energiebedarf wie Mikrowellenherde, Klimaanlagen und Heizungen.
Die Pulsweitenmodulation oder PWM kommt der reinen Sinuswelle am nächsten. Dieses Verfahren wird meist als modifizierte Sinuswelle bezeichnet.
Der Markt bietet aktuell sehr verschiedene Typen und Bauformen von Wechselrichtern an, vom preisgünstigen einphasigen 150-Watt-Modell für den Betrieb über den Zigarettenanzünder im Auto, über Mittelklassemodelle zur Einspeisung von Photovoltaik-Spannung bis zum dreiphasigen High-End-Gerät mit 15.000 Watt für mehrere Tausend Euro.
Zu den wesentlichen Auswahlkriterien für einen Wechselrichter gehören folgende Eigenschaften:
Signal-Ausgangsform
Wie bereits erwähnt, ist eine Wechselspannung in reiner Sinusform die optimale Lösung, da sie für nahezu alle elektrischen Verbraucher geeignet ist. In manchen Fällen lässt sich aber auch die modifizierte Sinuswelle verwenden, zum Beispiel für 230-Volt-Ladegeräte mit wenigen Watt Ausgangsleistung, für Beleuchtungseinrichtungen oder kleine Elektromotoren.
Eingangsspannung
Zu den seit geraumer Zeit häufigsten Anwendungsbereichen für Wechselrichter zählt die Netzstromerzeugung über Photovoltaik-Anlagen. Die dazu notwendigen PV-Solarmodule liefern je nach Schaltungslayout unterschiedliche Spannungen und Ströme.
Bei einer einfach zu installierenden Reihenschaltung mit nur zwei Ableitungen addieren sich die von jedem Solarmodul gelieferten Spannungen, während der Strom konstant bleibt. Der Wirkungsgrad ist zwar recht hoch, ein Defekt an einem der Module kann aber zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen.
Bei der parallelen Schaltung der Solarmodule bleibt die Spannung gleich, nur der Strom erhöht sich. Eine Parallelschaltung ist technisch aufwendiger, da die beiden Pole jedes Moduls mit dem Wechselrichter zu verbinden sind. Ein Defekt an einem der Module hat keine großen Auswirkungen auf die Gesamtleistung der Photovoltaik-Installation, doch dafür ist der Wirkungsgrad der Anlage geringer.
Die Wahl des PV-Wechselrichters hängt somit vom Schaltungslayout der PV-Module und der damit verbundenen Spannungsabgabe ab. Die Bandbreite üblicher Spannungswandler umfasst 12, 24, 48 und 60 Volt.
Ausgangsspannung
Obwohl die weitaus meisten Wechselrichter für das Erzeugen von 230-Volt-Wechselspannung ausgelegt sind, bieten einige Modelle auch erheblich weniger Spannung. Es handelt sich dabei um Kombigeräte für den Betrieb über den Zigarettenanzünder im Auto. Sie verfügen neben einer normalen Schutzkontaktsteckdose mit 230 Volt auch über USB-Ausgänge mit standardisierter 5-Volt-Gleichspannung bei etwa 2000 Milliampere. Grundsätzlich verfügen Wechselrichter über eine galvanische Trennung der Ein- und Ausgänge, das heißt, beide Komponenten sind physisch nicht miteinander verbunden. Die Energieübertragung erfolgt durch Induktion.
Leistung
Die Leistung eines Wechselrichters gehört wohl mit zu den wichtigsten Eigenschaften, das betrifft besonders Anlagen der Photovoltaik. Die Skala reicht im unteren Bereich von 100 bis 250 Watt, der mittlere Bereich bietet 300 bis 800 Watt – zum Beispiel als Spannungswandler für sogenannte Balkon-Kraftwerke – und der obere 1000 bis 6000 Watt. Wechselrichter mit mehr als 8000 Watt benötigen allerdings erheblich leistungsfähigere Gleichspannungsquellen, oft mit 500 oder 850 Volt Spannung.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad bezieht sich auf die Effizienz eines Geräts bei der Umwandlung von elektrischer Energie. Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters gibt an, wie viel elektrische Energie der Last tatsächlich zugeführt werden kann, während der Rest als Verlust – in der Regel als Wärme – abgegeben wird. Moderne Wechselrichter verfügen bei Nennlast über sehr hohe Wirkungsgrade. Sie liegen selbst bei einfachen Geräten bei etwa 85 Prozent, höherwertige Wechselrichter erreichen 95 Prozent und Spitzengeräte sogar 99,5 Prozent.