Wechselrichter Ratgeber & Vergleich 2021

Wechselrichter Ratgeber

Abbildung: Spannungswandler 12V von solartronics

Die primäre Funktion eines Wechselrichters, auch Inverter genannt, besteht in der Umwandlung von Gleichspannung in, meistens sinusförmige, Wechselspannung. Manche Geräte transformieren dabei auch noch zusätzlich die Eingangsspannung nach oben. So ist damit z. B. die Nutzung von 12 oder 24 Volt Gleichspannung einer Autobatterie zum Betrieb eines für 220 Volt Wechselspannung ausgelegten Gerätes möglich. Schaltungsabhängig kann ein Wechselrichter einphasige oder dreiphasige (Drehstrom) Wechselspannung erzeugen. Modelle die auf Halbleitertechnologie basieren erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent (Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsleistung). Der Einsatz eines Wechselrichters ist jedoch nicht nur darauf beschränkt, an Orten, an denen nur Gleichspannung zur Verfügung steht, elektrische Geräte zu betreiben, die für Wechselspannung ausgelegt sind. Vielmehr liegt heute auch ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet in der Einspeisung von Gleichstrom, etwa von Photovoltaik-Anlagen, in ein Wechsel- oder Drehstromnetz.

Zerhacker oder Oszillator - die Technologien der Wechselrichter

Zerhacker auf elektromechanischer Basis liefern eine rechteckförmige Ausgangsspannung, die dann transformiert wird. Diese Geräte kann man als den Ursprung der Wechselrichter-Technologie betrachten. Sie sind allerdings störanfällig und kommen heute fast nicht mehr zum Einsatz. Bei Motorgeneratoren wird mit der Gleichspannung ein Elektromotor betrieben, der einen Generator antreibt. Letzterer liefert die Ausgangsspannung des Wechselrichters als Wechselspannung. Die heute gebräuchlichsten Wechselrichter sind elektronische Geräte, die auf Halbleitertechnologie basieren und nach dem Prinzip von Oszillatoren (schwingende Systeme) oder astabilen Kippstufen bzw. Multivibratoren (Systeme, die selbstständig oder fremdgesteuert zwischen zwei Zuständen zyklisch umschalten) arbeiten.

Selbst- oder fremdgeführt - die Steuerung aktueller Wechselrichter

Selbstgesteuerte (auch selbstgeführte) Wechselrichter steuern mit Transistoren. Sie werden auch Inselwechselrichter genannt. Bei diesen Modellen wird durch ein vom Gerät selbst erzeugter Takt das Sperren und Freigeben des Stromdurchlasses getriggert. Referenzimpulse vom Stromnetz sind also bei dieser Variante der Wechselrichter nicht erforderlich und die Geräte bestimmen selbst die Phasenlage der Ausgangs-Wechselspannung. Auf diese Art kann ein sogenanntes Inselnetz errichtet werden. Dabei handelt es sich um lokal begrenzte Netze zum Betrieb von elektrischen Geräten ohne Anschluss an ein öffentliches Stromnetz. Die Versorgungsspannung wird bei Inselnetzen von einem Akku geliefert. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Auch Notstromversorgungen funktionieren häufig nach diesem Prinzip.

Fremd- bzw. netzgeführte Wechselrichter steuern meist ebenfalls mit Halbleitern, wobei neben Transistoren auch Thyristoren (Halbleiter zum Schalten höherer Leistungen in eine Richtung) oder Triacs (bidirektional schaltende Thyristoren) verwendet werden. Ein Hauptanwendungsgebiet der fremdgeführten Wechselrichter besteht im Einspeisen elektrischer Energie in ein bereits existierendes Wechselspannungsnetz. Damit dies netzsynchron erfolgt, steuert das vorhandene Netz die Phasenlage der Wechselrichter-Ausgangsspannung. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Einspeisung von elektrischer Energie aus einer Photovoltaik-Anlage. Ein weiteres Hauptanwendungsgebiet fremdgeführter Wechselrichter sind sogenannte Frequenzumrichter (oft auch einfach als Umrichter bezeichnet). Bei diesen Geräten ist die Eingangsspannung eine Wechselspannung, die gleichgerichtet wird und dann einen Wechselrichter betreibt. Damit können Wechselspannungsnetze gekoppelt werden, die nicht synchronisiert sind oder gar mit unterschiedlichen Netzfrequenzen betrieben werden. Ein Weiteres Anwendungsgebiet sind Windkraftanlagen mit variabler Generatorspannung (durch sich ändernde Drehzahlen) und einem Gleichspannungszwischenkreis. 2-Quadranten-Frequenzumrichter dienen bei der Nutzung von Bremsenergie zur Energierückgewinnung.

Die unterschiedlichen Charakteristika der Ausgangsspannung

Je nach Form der Ausgangsspannung werden Wechselrichter in entsprechende Kategorien eingeteilt. Sinuswechselrichter eignen sich für alle gängigen Geräte, wie z. B. Schaltnetzteile, Kompaktleuchtstofflampen, LED-Lampen, TV, HiFi-Anlagen und Elektro-Kleingeräte. In der Regel handelt es sich dabei um sinusähnliche Spannungen mit geringen Störanteilen, die bei diesen Anwendungen allerdings unproblematisch sind. Reine Sinusspannungen für hoch empfindliche Geräte können allerdings auch von entsprechend hochwertigen Wechselrichtern erzeugt werden. Der Betrieb von Rechteck- und Trapezwechselrichtern kann bei vielen elektrischen Geräten zu Problemen führen, besonders bei Haushaltsgeräten, die intern mit Triacs gesteuert sind, wie z. B. manche modernen Staubsauger oder Kaffeemaschinen. Sie fünktionieren beim Betrieb mit rechteck- oder trapezförmiger Wechselspannung nur bedingt oder oft auch gar nicht. Generell gilt: Wechselrichter können je nach Bauform einphasige oder dreiphasige (Drehstrom) Ausgangsspannung erzeugen.

Wirkungsgrad und Leistung

Der hohe Wirkungsgrad hochwertiger Wechselrichter ist abhängig von der Leistung. Wenn diese relativ klein ist (z. B. bei Photovoltaik-Anlagen und trüben Wetter) kann er bei herkömmlichen Wechselrichtern deutlich sinken. Spezielle Solar-Wechselrichter sind allerdings so optimiert, dass sie in einem weiten Leistungs-Spektrum hoch effizient arbeiten.