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Wechselstrom selbst gemacht


Motorboot Magazin - epaper ⋅ Ausgabe 10/2019 vom 18.09.2019

Steht kein Landanschluss zur Verfügung, kann mit einem Wechselrichter/Inverter aus der Bord Gleichspannung 230Volt Wechselspannung (AC) erzeugt werden. Burkhard Linke stellt Wechselrichter neuester Technologie vor, die allen Anforderungen an Bord gerecht werden und erläutert, worauf bei der Installation zu achten ist.


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Bildquelle: Motorboot Magazin, Ausgabe 10/2019

Je nach Aufwand lassen sich auch Steckdosen an Bord verbauen, die an den Wechselrichter angeschlossen sind


Funktionsweise von Wechselrichtern

Um Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuformen, ist es notwendig, die Gleichspannung mit hoher Frequenz aus-und wieder einzuschalten, dadurch ...

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Um Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuformen, ist es notwendig, die Gleichspannung mit hoher Frequenz aus-und wieder einzuschalten, dadurch kann die pulsierende Spannung von einem Transformator übertragen werden.
Noch vor 30 Jahren waren lieferbare Wechselrichter ausnahmslos sogenannte Trapezwechselrichter, bei denen Halbleiter das Schalten der Gleichspannung übernahmen, um einem eingebauten Transformator die schnell geschaltete Gleichspannung zuzuführen. Dieser Transformator hat durch ein passendes Übersetzungsverhältnis von der Primär-zur Sekundärwicklung auf 230 Volt (AC) umgewandelt. Trapezwechselrichter erzeugen eine trapez-bzw.rechteckförmige Ausgangsspannung, das heißt, die Spannung steigt mehr oder weniger steilflankig an und wieder ab. Zwischen der positiven und negativen Amplitude wird dabei im Nulldurchgang meist eine kurze Pause gemacht. Schon bei diesen Wechselrichtern war es möglich, die erforderliche Netzfrequenz von 50 Hz (Europa) stabilisiert einzuhalten. Für den Bordgebrauch sind Wechselrichter mit dieser Technologie meist ungeeignet.

Entwicklungsgeschichte

• Trapezwechselrichter:

Die Ausgangsspannungsform eines billigen Trapezwechselrichters stellt mit dessen steilen Spannungs-und Stromanstiegen ein Problem für Transformatoren und die Eingangselektronik in den angeschlossenen Geräten dar. Die Transformatoren werden deutlich wärmer, als wenn sie mit sinusförmiger Spannung betrieben werden. Der technische Aufwand, der zur Unterdrückung entstehender Störimpulse zurück ins Gleichstromnetz notwendig ist, ist hoch und das Ergebnis nicht immer zufriedenstellend. Besonders stark bemerkbar machen sich diese als Funkwellen emittierten Störungen beim Betrieb von Funkgeräten. Angeschlossene Fernsehgeräte können je nach Netzteilschaltung erhebliche Bildstörungen zeigen.
Die häufig verwendeten Bezeichnungen Quasi-Sinuswechselrichter oder auch modifizierter Sinus-Wechselrichter wirken irreführend, da diese Wechselrichter keine netzkonforme Sinusspannung zur Verfügung stellen. Ohmsche Lasten, wie Glühbirnen oder Werkzeuggeräte ohne Drehzahlregelung, können an Trapezwechselrichtern problemlos betrieben werden. Trapezwechselrichter sind heute noch erhältlich, also Vorsicht beim Kauf preiswerter Wechselrichter, die keine reine Sinus-Spannung am Ausgang liefern.

• Sinuswechselrichter

Die Qualität der Spannungsform, die von Sinus-Wechselrichtern geliefert wird, ist meist besser als die aus der Steckdose zu Hause. In der Regel gibt es keine Spannungsschwankungen wie im Landnetz üblich. Sofern die Leistung passt, können ausnahmslos alle 230-V-Verbraucher an Sinus-Wechselrichtern betrieben werden, auch Staubsauger und größere Werkzeugmaschinen. In Sinus-Wechselrichtern installierte Mikroprozessortechnik und moderne, leistungsfähige Halbleiter, wie Thyristoren, Triacs und MOSFE Ts ermögli-chen ein zuverlässiges Arbeiten bei hohem Wirkungsgrad. Wie schon bei den Trapezwechselrichtern, wird durch ein Switch-Mode-Verfahren die am Eingang anliegende Gleichspannung mit einer Frequenz von etwa 20 bis 50 KHz einund ausgeschaltet.

Votronic Inverter mit Transferschalter (Netzvorrangschaltung). Das Bedienpanel kann auch als Fernbedienung genutzt werden.


Wechselrichter, die mit geringer Schaltfrequenz von ca. 20KHz arbeiten, verwenden größere und schwerere Transformatoren zur Spannungsübertragung als Wechselrichter, die mit ca. 50KHz Switch-Mode-Frequenz arbeiten. Die Sinus-Wellenform 50Hz wird von Halbleitern aus sehr kleinen rechteckigen Impulsen von ca. 20.000 Hertz zusammengesetzt und der Eingangswicklung des Transformators zugeführt. Am Ausgang des Trafos liegt dann eine noch nicht 100-prozentig saubere 230-V-Sinusspannung an, nachgeschaltete AC-Filter sorgen für eine saubere Sinuswellenform. Die ausgegebene Sinusspannung wird durch Puls-Weiten-Modulation, auch bei sich verändernden Lasten am Ausgang, in der Höhe konstant gehalten. Das geschieht durch ein zeitliches Verlängern oder Verkürzen (Puls-Weiten-Modulation) der Switch-Mode-Impulse. Gesteuert und kontrolliert durch einen Mikroprozessor ist die erzeugte 230-V-Spannung und die übliche 50-Hz-Netzfrequenz sehr stabil.
Durch die Fähigkeit eines größeren und schwereren Trafos, hohe Anlaufströme (z.B. eines Staubsaugers) abzufangen, ist der notwendige elektronische Aufwand bei diesen Sinus-Wechselrichtern geringer. Problemlos können auch Kleinverbraucher, wie Energiesparleuchten oder LED-Leuchten, betrieben werden.
Bei Wechselrichtern mit höherer Schaltfrequenz (ca. 50 KHz) können deutlich kleinere und dadurch leichtere Ringkern-Transformatoren verwendet werden. Das stellt aber hohe Anforderungen an die eingebauten Halbleiter. Mit höherer Betriebsfrequenz steigt die übertragbare Leistung eines Transformators, was der Grund für das geringere Gewicht und die geringeren Abmessungen ist. Auch bei diesen Wechselrichtern wird die Ausgangsspannung bei konstanter Frequenz von einem Mikroprozessor überwacht und stabil gehalten. Im Vergleich zu Sinus-Wechselrichtern mit schwerem 50-Hz-Trafo, können hohe Anlaufströme, für Motoren, nur durch erheblich größeren elektronischen Aufwand sichergestellt werden.
Bei beiden Versionen ist für die notwendige galvanische Trennung gesorgt, bei der keine leitende Verbindung zwischen dem Gleichstrom Eingang und dem Wechselstrom Ausgang besteht, auch nicht bei internem Kurzschluss. Schaut man sich die Quartz-stabilisierte 50-Hz-Sinus-Wechselspannung beider Versionen mit einem Oszilloskop an, unterscheidet sich die Wellenform nicht von der Form der Netzspannung.

• Handhabung / Bedienung

Auf jeden Fall sollte ein Wechselrichter, wenn er nicht benötigt wird, mit dem Hauptschalter ausgeschaltet werden. Immerhin werden von den meisten Wechselrichtern im Standby etwas sechs Amperestunen pro Tag aus der Batterie verbraucht. Steht eine Fernbedienung zur Verfügung, ist das Ein-Ausschalten bequemer als am häufig schwer zugänglichen Einbauort des Wechselrichters.

• Standby-Funktion

In Standby geschaltete Wechselrichter schicken kurze Impulse auf den 230-V-Ausgang, um angeschlossene Verbraucher zu erkennen. Ist der Verbraucher eingeschaltet, geht der Wechselrichter nach kurzer Verzögerung (< 1Sek.) automatisch in Betrieb.

• Fernbedienung:

Für die meisten Wechselrichter ist eine Fernbedienung erhältlich, oder das Bedienpanel am Wechselrichter kann ohne Mehrkosten auch als Fernbedienung verwendet werden.
Über einen dort eingebauten Schalter kann der Inverser, wie erwähnt, ein-bzw.ausgeschaltet werden. LED-Balkenanzeigen oder ein beleuchtbares LCD-Display informieren auch im Dunkeln u.a.über die Batteriespannung und den aktuell fließenden Strom. Außerdem informieren LEDs über zu hohe Temperatur und Überlastung.

• Kühlung

Steigt die Temperatur des Wechselrichters, beispielsweise durch hohe Dauerlast, schalten thermisch gesteuerte Lüfter ein, die nach dem Herunterkühlen wieder abschalten.

Geräuschentwicklung

Abgesehen vom möglichen Geräusch des thermisch gesteuerten Lüfters laufen moderne Wechselrichter nahezu geräuschlos, Inverser mit drehzahlgesteuerten Lüftern sind die leisesten. Verwendete Ringkern-Transformatoren sind tauchgelackt oder so konstruiert, dass keine Geräusche oder 50-Hz-Netzbrummen zu hören sind.

• Dimensionierung

Macht man sich klar, dass die vom Wechselrichter zur Verfügung gestellte Leistung in der Batterie vorgehalten werden muss, wird schnell deutlich, dass der Strom eben nicht unbegrenzt wie zu Hause aus der Steckdose kommt.
Sollen nur Kleinverbraucher betrieben werden, reicht in der Regel schon ein 200-Wat-Sinus-Wechselrichter. Denn je leistungsfähiger ein Wechselrichter ist, desto höher ist auch sein Eigenverbrauch. Wird an die Nutzung von Werkzeugmaschinen oder eines Staubsaugers gedacht, sind mindestens 1.000 Watt Nennleistung notwendig. Die Dauerleistung der vorgestellten Sinus-Wechselrichter von ca. 1KW ist in der Regel ausreichend, um alle möglichen 230-V-Geräte aus dem Bordnetz zu betreiben. Für den hohen Anlaufstrom induktiver Verbraucher (Motoren), wie beispielsweisen Staubsaugern oder Werkzeugmaschinen, muss der Wechselrichter ausreichend dimensioniert sein. Der für Millisekunden fließende Anlaufstrom kann bis zum Achtfachen über dem Strom liegen, der während des Betriebs kontinuierlich fließt.

• Batteriedimensionierung

In der Praxis zeigt sich immer wieder, dass die an Bord installierte Batteriekapazität im Verhältnis zur gewählten Wechselrichter-Leistung zu klein ist. Die Mindest-Batteriekapazität für Wechselrichter mit einer Nennleistung von 1.000 Watt sollte mindestens 200 Amperestunden betragen. Auch wenn einige Wechselrichter-Hersteller Batterie-Kapazitäten von 90 Ah zum Anschluss eines 1-KW-Wechselrichters für ausreichend halten, sollte bedacht werden, dass eine halbe Stunde Betrieb einer Kaffeemaschine eine 90Ah Batterie um etwa ein Drittel entleert. Die Lebensdauer einer Batterie verkürzt sich enorm, wenn die Entladetiefe (pro Zyklus) hoch ist. AGM-Batterien sind besonders hochstromfähig und eignen sich für den Betrieb in Verbindung mit einem Wechselrichter gut.
Sinkt die Spannung der Batterie, während der Wechselrichter eingeschaltet ist, unter 10,5 Volt, schalten alle in der Tabelle vorgestellten Wechselrichter automatisch aus. Besonders gealterte oder zu klein dimensionierte Batterien können die Spannung nicht lange über der Abschaltschwelle halten. Wie schon beim Laden, steigt auch beim Entladen die Batterie-Temperatur. Besonders kleine Batteriekapazitäten erwärmen sich bei hohen Strömen stark.

Hochfrequenz-Ringkerntrafo im Votronic Inverser


Fernbedienung (Victron)


• Wirkungsgrad

Wechselrichter mit neuesten Hochleistungs-Halbleitern erreichen bei der Umrichtung von Gleich-zu Wechselstrom Wirkungsgrade von max. 98%. Die Wirkungsgrade der in der Tabelle vorgestellten Sinus-Wechselrichter liegen zwischen 90 und 93 Prozent. Etwa zehn Prozent der der Batterie entnommenen Leistung gehen also im Wechselrichter verloren, wofür Transmissionsverluste verantwortlich sind, die sich in erster Linie in Form von Abwärme auswirken. Bei Geräten mit großen Trafos und solchen mit höherer Schaltfreqenz (kleinere Trafos) gleichen sich die Verluste des Trafos bzw.des höheren elektronischen Aufwands aus. Der vom Hersteller angegebene Wirkungsgrad bezieht sich immer auf die Nennleistung. Der Wirkungsgrad verschlechtert sich auf bis zu 80%, wenn weniger als die Nennleistung abgefordert wird.

Spannungsüberwachung

Um die Elektronik vor unzulässigen Betriebsparametern zu schützen, verfügen alle vorgestellten Wechselrichter über einen Unter-bzw. Überspannungsschutz.

• Unterspannung:

Wechselrichter schalten bei Unterschreiten der Batteriespannung von ca. 10,5Volt Batteriespannung aus Sicherheitsgründen automatisch ab.
Dies geschieht nicht nur, um die Batterie vor Lebenszeit verkürzender Tiefentladung zu schützen, sondern auch, um die Halbleiter im Wechselrichter im Rahmen der zulässigen Betriebsparameter zu betreiben.

• Überspannung:

Auch schädliche Überspannungen an der Batterie oberhalb von circa 15 Volt führen automatisch aus gleichem Grund zur Abschaltung des Wechselrichters. Quittiert wird das durch ein akustisches Warnsignal und/oder eine LED-bzw. LCD-Anzeige.

• Elektrische Installation

Soll ein kleiner Wechselrichter „fliegend“ ohne feste Installation betrieben werden, darf dieser nur bis zu einer Leistung von etwa 100 Watt an einer DC-Steckdose angeschlossen werden.
Um 100 Watt Wechselstrom am Ausgang zur Verfügung zu stellen, muss bedacht werden, dass hierfür auf der Gleichstromseite schon ca. 10 Amp.fließen. Ab zehn Ampere Dauerstrom machen 12-Volt-Steckverbindungen meist thermische Probleme, hervorgerufen durch Spannungsabfälle an den Kontakt-und Verbindungsstellen.

• Sicherheit

Da ein Sinus-Wechselrichter lebensgefährliche 230-V-Spannung generiert, muss der Einbau entsprechend den VDE-Bestimmungen (VDE 0100) durchgeführt werden. Also unbedingt vorher die Installationsanleitung lesen oder gleich einen Fachmann mit dem Einbau beauftragen!

• Einbauort und Verkabelung

Der Einbauort MUSS gut belüftet sein (nicht im Motorraum), die geforderte Einbaulage muss beachtet werden, auch wenn thermisch gesteuerte Lüfter für Kühlung sorgen. Aufgrund der sehr hohen möglichen Gleichströme sollte der Wechselrichter, um Spannungsverluste auf dem Kabel zu vermeiden, in der Nähe der Batterie montiert werden. Wichtig ist, alle Kabel rüttelfest zu verlegen, Kabelbinder zur Fixierung sind hilfreich.

• Elektrischer Anschluss

Vor dem elektrischen Anschluss muss sichergestellt sein, dass der Wechselrichter am Hauptschalter ausgeschaltet ist. Werden die DC-Kabel angeklemmt, kann es auch bei ausgeschaltetem Hauptschalter zu Funkenbildung an den DC-Kabelkontaktstellen kommen. Nicht erschrecken, eingebaute Kondensatoren mit großer Kapazität laden sich im Kontaktmoment auf, was einen kleinen Funken verursacht.

ACHTUNG: wird der Hauptschalter ausgeschaltet, führen die DC-Anschlussklemmen am Wechselrichter weiter Spannung.

• AC-Anschluss

Soll der Wechselstrom-Ausgang zu mehreren Verbrauchern unterverteilt werden, ist ein sogenannter FI-Personenschutzschalter (wenn nicht schon vorhanden) anzuschließen.
Die Masseklemme (PE/GND) des Wechselrichters MUSS mit dem Potentialausgleich des Bootes verbunden werden. Der empfohlene Querschnitt, auch der AC-Kabel, darf nicht unterschritten werden. Bis zum Verbrauch von 10 Ampére/230 Volt ist in bootsüblichen Längen 1,5qmm Kabel-Querschnitt ausreichend. Hinweis: Die AC-Verkabelung an Bord darf nicht gemeinsam in einem Kabelstrang oder Kabelkanal mit der DC-Verkabelung erfolgen. Soll der Wechselrichter in das schon vorhandene 230-Volt-Netz an Bord einspeisen, ist ein zweipoliger Umschalter zu installieren. Entweder kann so der Landstrom durchgeleitet werden oder man schaltet um auf Wechselrichterversorgung.
Der Schalter muss beim Umschalten die alte Schaltstellung trennen. Da die Phasenlage von Landstrom und Wechselrichter nicht synchron sind, dürfen beide Spannungsquel len nicht parallel betrieben werden.

* Die Ziffern der IP-Schutzklasse bedeuten: Erste Ziffer 2 = Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern > 12,5 mm, Erste Ziffer 3 = Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern > 2,5 mm, Zweite Ziffer 0 = nicht geschützt, Zweite Ziffer 1 = Schutz vor senkrecht tropfendes Wasser, Zweite Ziffer 3 = Schutz vor Sprühwasser (schräg bis 60°)


Der gelb/grüne Schutzleiter PE darf nicht schaltbar über den Umschalter geführt werden und muss permanent mit dem Potenzialausgleich (Sammelschiene) verbunden sein.

ACHTUNG: Das 230-V-Ladegerät muss so am AC-Netz angeschlossen sein, dass ein Laden der Batterien nicht über den aktiven Wechselrichter möglich ist.

Transferschalter

Wechselrichter mit integriertem Transferschalter machen eine quasi unterbrechungsfreie Stromversorgung möglich. Bei diesen Wechselrichtern ist ein automatischer Umschalter eingebaut, der, solange Landstrom zur Verfügung steht, diesen ins Bordnetz durchleitet. Fällt dieser aus, wird in ca. 20 Millisekunden – quasi unterbrechungsfrei – auf Wechselrichterbetrieb umgeschaltet. Durch die kurze Umschaltpause laufen eingeschaltete Verbraucher in der Regel störungsfrei weiter. Diese Netzvorrangschaltung (NVS) schaltet den Wechselrichter bei anliegendem Landstrom komplett ab, sodass dieser keinen Strom mehr verbraucht. Wird Wert auf eine automatische Netzvorrangschaltung gelegt, und der Wechselrichter ist mit dieser Option nicht lieferbar, besteht auch die Möglichkeit, externe Transferschalter nachzurüsten.

DC-Anschluss am Mastervolt Inverter. Ausreichend dimensionierte Anschlussterminals, an denen die Gleichstromkabel mit Quetschkabelverbindern angeschlossen sind. Zwischen dem DC-Anschluss ist der Lüfter zu erkennen


DC-Anschluss

Kann der Wechselrichter nicht in Batterienähe (< 1,5 Meter) installiert werden, müssen zur Entfernung passende, größere Kabelquerschnitte für die DC-Anschlusskabel verwendet werden. Ein Kabel-Querschnitt von 35qmm ist dann nicht mehr ausreichend.
In keinem Fall dürfen die DC-Kabel beim Anschließen am Wechselrichter verpolt werden. Dass führt zu irreversiblen Schäden. Wird der Wechselrichter über Schraubklemmen angeschlossen, muss das Kabel sauber abisoliert werden, damit einzelne abstehende Adern keinen Kurzschluss verursachen.
Alle Schraub-oder Quetschverbindungen, besonders auf der DC-Seite, müssen kontaktsicher sein, da bei 1000Watt Stromverbrauch auf der AC-Seite immerhin ein Gleichstrom von über 90 Ampére in den Wechselrichter fließt. Werden Quetschkabelschuhe verwendet, muss mit einer geeigneten Quetschzange gearbeitet werden. Achten Sie beim Abgriff der Versorgungsspannung auch auf eventuell vorhandene Messwiderstände (Shunts) eines Batteriemonitors. Um Messfehler bei der Ampérestundenbilanzierung zu vermeiden, müssen alle Verbraucher oder Ladequellen auf der von der Batterie abgewandten Seite des Messwiderstandes angeschlossen werden.

• Absicherung

In der positiven Leitung MUSS in Batterienähe eine ausreichend dimensionierte Sicherung (träge) installiert sein.

• Störimpulse ins Bordnetz

Der elektronische Aufwand im Wechselrichter, die Switch-Mode-Impulse vom Ausgang fernzuhalten, ist hoch. Bei allen in der Tabelle vorgestellten Sinus-Wechselrichtern treten keine für den Bordeinsatz relevanten Störungen rückwärts in das Gleichstromnetz auf. Aufwendige AC-Filter in der Ausgangsstufe der Sinusinverter sorgen für eine saubere Ausgangsspannung. Auch HF-Störungen, beispielsweise ins UKW-Funknetz oder den Kurzwell-Transceiver sind ausgeschlossen.

• Wartung

Moderne Sinus-Wechselrichter arbeiten sehr zuverlässig und verschleißfrei, weshalb kaum Wartungsaufwand nötig ist. Durch hohe DC-Ströme die während des Betriebs fließen, können sich die Kontakt-und Verbindungsstellen erwärmen. Wegen an diesen Stellen auftretenden Temperaturschwankungen sollten die Verbindungen nach einiger Zeit auf festen Sitz und guten Kontakt zu prüfen.
Je nach Staubbelastung am Einbauort kann es nötig sein, die Ventilatorschlitze zu säubern, bzw.die Ventilatorfunktion zu prüfen, um die Kühlleistung nicht zu verschlechtern.

• DC-Wandler

Sollen am Bordnetz Kleinverbraucher wie Smartphones oder andere Akku-Geräte betrieben werden, ist es sinnvoll, nicht über den Umweg 230Volt zu gehen. Die Summe der Verluste durch zwischengeschaltete Wechselrichter und Lade-Netzteile sind nicht unerheblich. Da mit jeder gespeicherten Ampérestunde in der Batterie sorgsam umgegangen werden sollte, kann mithilfe eines DC-DC-Wandlers ein deutlich besserer Gesamtwirkungsgrad bei der Umwandlung in eine andere Gleichspannung erzielt werden.