Spannungswandler

Was ist ein Spannungswandler

SpannungswandlerEin Spannungswandler wird ebenfalls als Wechselrichter bezeichnet und ist ein Gerät, welches aus einer definierten Eingangsspannung eine Ausgangsspannung herstellt. Oftmals erzeugen diese Inverter außerdem aus Gleichstrom den Wechselstrom und umgekehrt. Bekannt sind Wechselrichter, welche 12V Gleichstrom von einem Akkumulator in 230 Volt Wechselstrom wandeln.

Wenn ein Wechselrichter Wechselstrom produziert, kann dies in einer sinusähnlichen oder in der modifizierten Sinuswelle passieren. Dies wird durch einige Sekundär- und Primärwindungen erreicht, durch welche der Strom fließt. Durch einen Primärwandler fließt dabei der Eingangsstrom, welcher dann über die sekundäre Seite zum betreibenden Elektrogerät geleitet wird.

Mit dem Spannungswandler mit 12V sind die Anwender in der Lage, unabhängig von der Steckdose die elektrischen Geräte mit Energie zu versorgen. Dies macht den Wechselrichter zum optimalen Begleiter im Gartenhäuschen, für den Urlaub, auf dem Campingplatz oder im Auto, um zum Beispiel Ladegeräte, Fernseher, Laptops, Kaffeemaschinen oder Kühlschränke an Stellen ohne Stromanschluss zu betreiben. Damit ist ein hoher Komfort sichergestellt.

Die meisten Spannungswandler erzeugen aus der Gleichspannung von 12V eine passende Wechselspannung von 230V, welche gebraucht wird, um die Haushaltsgeräte zu betreiben. Daher wird auch Wechselrichter bzw. Inverter gesprochen.

Eine wichtige Voraussetzung für ihre Verwendung ist daher das Vorhandensein der passenden Spannungsquelle von 12V, wie zum Beispiel die Autobatterie eines Wagens oder eines Wohnmobils. Bei einer kleinen Leistung können einige auch direkt an den Zigarettenanzünder angeschlossen sein.

Im Handel haben die Anwender eine Auswahl an unterschiedlichen Modellen. Die Wahl des passenden Wechselrichters ist vor allem von seinem Einsatzzweck in abhängig.
Bei einem Wechselrichter handelt sich um ein Gerät, welches die Spannung der Stromquelle so verändert, dass diese bestimmte Geräte damit betreiben können.

Dieser eignet sich zum Beispiel für 230V Wechselstrom-Geräte an 12V Gleichstrom-Batterien oder dem Generator. Am meisten kommen Spannungswandler mit 12 Volt zum Einsatz, um Geräte mit einem Netzstecker an der Batterie zu betreiben.


Die Funktion des Wechselrichters

SpannungswandlerDie wichtigste Aufgabe von Spannungswandler ist eine Umwandlung des von einer Photovoltaikanlage produzierten Gleichstroms in den Wechselstrom.

Dabei ist der Gleichstrom der Strom, dessen Polarität von der Zeit her konstant ist. Der Wechselstrom dagegen wechselt die Polarität regelmäßig und stetig.

Umfassend ist eine Wechselstromfrequenz in der Höhe von 50 Hertz. Dies bedeutet, der Strom wechselt je Sekunde 50 Mal die eigene Polarität.

Eine solche Umwandlung ist nötig, da die Stromnetze und ebenfalls die hausinternen Leitungen mit diesem Wechselstrom arbeiten. Eine solche Umwandlung erfolgt daher, um den Strom der Photovoltaikanlage “kompatibel” zu machen.

Nach einer Erneuerung im Spannungswandler kann der Strom aus einer Photovoltaikanlage direkt in das Netz eingespeist und damit im Haus verwendet werden.

Außer der Hauptaufgabe des Spannungswandlers, der Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom, übernehmen diese Geräte heute noch viele weitere Aufgaben. Dazu gehört auch die Optimierung der Leistung.

Jede Photovoltaikanlage besitzt einen Maximum Power Point (MPP). An jenem Punkt ist die Verbindung aus Spannungswerten und Strom optimal, sodass eine gute Leistung erhalten werden kann. Ein Wechselrichter schafft es, durch die genaue Veränderung des Innenwiderstands, die Solarmodule fortwährend im MPP zu halten.

Daher kann die Photovoltaikanlage die optimale Leistung kontinuierlich erbringen. In einigen Fällen kann es sein, dass ein Wechselrichter für kurze Zeit den MPP verlassen muss. Ein Beispiel dazu ist die Kühlung eines Wechselrichters bei zu hohen Temperaturen innerhalb des Gehäuses.

Wichtig ist ebenfalls die Netzkontrolle. Das Stromnetz ist generell ein sensibles System. Um den Netzzusammenbruch, oder lediglich die Netzüberlastung, zu verhindern, müssen verschiedene Netzparameter eingehalten werden.

Wichtig ist dabei eine konstante Frequenz von circa 50 Hertz für die Stabilität des Stromnetzes. Deshalb ist der Wechselrichter verpflichtet regelmäßig die Frequenz, Impedanz und die Spannung im Netz zu überwachen.

Wenn diese Werte über einen gewissen Grenzwert steigen, dann besitzt der Wechselrichter eine sogenannte Trennvorrichtung, die das Gerät vom Stromnetz automatisch trennt.

Bei einem geringen Anstieg der Frequenz muss dieser die Leistung dagegen lediglich stufenlos vermindern und unterstützt auf diese Weise die Netzregelung.
Zudem verfügt ein Wechselrichter über die sogenannte Kommunikationsschnittstelle zu der Photovoltaikanlage.

Dabei werden die Stromstärke, die Spannung sowie die aktuelle Leistung der Anlage kontrolliert. Die Störungen können deshalb schnell identifiziert werden. Zudem ist es möglich, die Ertragsdaten an die Energiemanagementsysteme oder die Online-Dienste weiterzuleiten. Diese helfen den Besitzern der Anlage, mehr von dem eigenen Strom zu nutzen.


Der Wechselrichter im Solarbereich

Auf dem Markt ist eine große Zahl an Solar-Wechselrichtern erhältlich – diese Spannungswandler lassen sich jedoch anhand wichtiger Eigenschaften unterteilen. Dies sind die Leistung, die Schaltungstopologie und die DC-seitigen Auslegung.

Dabei beginnt die verfügbare Leistung bei zwei Kilowatt und reicht bis in den Megawattbereich. Charakteristische Leistungen sind 5 kW für die Hausdachanlagen, 10–20 kW für Anlagen im Gewerbebereich (zum Beispiel Hallen- und Scheunendächer) sowie 500–800 kW für die Nutzung in Solar-Kraftwerken.

Bei einer DC-seitigen Auslegung geht es um die Verschaltung der Module in der Solaranlage mit dem Wechselrichter. Dabei wird zwischen Multistring-, Zentral- und String-Wechselrichtern unterschieden, wobei der Begriff des „Strings“ für einen Strang von in Reihe geschalteten Module steht.

Die Multistring-Wechselrichter besitzen zwei oder mehr Eingänge mit einem separaten MPP-Tracker (Maximum Power Point). Diese sind besonders dann zweckmäßig, wenn der Solar-Generator aus verschiedenartig ausgerichteten Teilflächen besteht oder teils verschattet wird.

Hierbei haben die Zentral-Wechselrichter trotz der größeren Leistung nur einen MPP-Tracker. Diese eignen sich sehr gut für Großanlagen mit einem homogenen Generator.
Bei der Schaltungstopologie wird zwischen einem ein- und dreiphasige Wechselrichter unterschieden sowie zwischen Geräten ohne und mit einem Transformator.

Während in kleineren Anlagen meistens einphasige Wechselrichter zur Anwendung kommen, müssen in großen Solaranlagen entweder ein Verband aus verschiedenen einphasigen Wechselrichtern oder dreiphasige Spannungswandler Anlagen eingesetzt werden.

Der Transformator dagegen dient einer galvanischen Trennung, welche in manchen Ländern vorgeschrieben sind und ermöglicht die Erdung der Module. Wenn es möglich ist, dann werden generell transformatorlose Wechselrichter verwendet.

Diese sind ein wenig leichter und kleiner als die Trafogeräte und besitzen über einen höheren Wirkungsgrad. Eine der bedeutendsten Eigenschaften des Wechselrichters ist dessen Umwandlungswirkungsgrad.

Dieser erklärt, welcher Anteil der in Form des Gleichstroms zugeführten Energie als Wechselstrom am Ende herauskommt. Die modernen Geräte erreichen dabei Wirkungsgrade von etwa 98 Prozent.

Die Leistungskennlinie der Module ist sehr von der Modultemperatur und der Einstrahlungsstärke abhängig und damit von Werten, welche sich im Tagesverlauf stetig ändern.

Ein Wechselrichter muss aus diesem Grund den besten Arbeitspunkt auf der Kennlinie auffinden und diesen kontinuierlich halten, um die höchste Leistung aus den Modulen in jeder Situation „herauszuholen“.

Der beste Arbeitspunkt wird Maximum Power Point (MPP) genannt, die Nachführung und die Suche des MPP heißt MPP-Tracking und ist für den Ertrag der Energie der Solaranlage besonders wichtig.

Ein Spannungswandler überwacht vor allem den Energieertrag einer PV-Anlage und kann auch eventuelle Störungen anzeigen. Zugleich übernimmt er ebenfalls die Kontrolle des Versorgungsnetzes, an welches er angeschlossen ist.

Daher muss er die Anlage bei möglichen Störungen des Stromnetzes unverzüglich aus Sicherheitsgründen vom Netz getrennt oder muss zur Unterstützung des Netzes beitragen – je nach Anforderungen des örtlichen Netzbetreibers.

Außerdem besitzt dieser meistens eine Vorrichtung, welche den Stromfluss von den Modulen unterbrechen kann. Die Solar-Module stehen bei Einfall es Lichtes generell unter Spannung und lassen sich deshalb nicht abschalten.

Wird die Kabelverbindung zum Wechselrichter während des Betriebes getrennt, so können sich gefährliche Lichtbögen bilden, die wegen des Gleichstroms nicht erlöschen. Wenn die Trennvorrichtung in den Wechselrichter direkt integriert ist, vermindert dies den Verkabelungs- und den Installationsaufwand deutlich.

Die Kommunikationsschnittstellen an einem Wechselrichter gestatten die Überwachung und die Kontrolle der Parameter, Erträge und der Betriebsdaten.

 

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