- Veröffentlicht am 22. Feb. 2024
- Zuletzt bearbeitet am 15. März 2024
- 7 min
Die Funktion des Wechselrichters
Wenn man von Solarenergie spricht, denkt man verständlicherweise zuerst an Solarmodule. Die Solartechnologie umfasst jedoch mehr, als man auf den ersten Blick sieht: Dieser Leitfaden erklärt, welche Rolle der Wechselrichter in einer Solaranlage spielt.
Die traditionelle Erzeugung elektrischer Energie erfolgt durch elektromechanische Maschinen, bei denen es sich um „umkehrbare“ Motoren handelt, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Aufgrund der Bauart dieser elektrischen Maschinen wird Strom in Form von Wechselstrom erzeugt. Darüber hinaus ist die Übertragung und Verteilung von Wechselstrom wesentlich einfacher als bei Gleichstrom. Aus diesem Grund basieren alle elektrischen Systeme (mit seltenen Ausnahmen) auf Wechselstrom und fast alle elektrischen Geräte, die Energie verbrauchen (Geräte, Elektronik, Beleuchtung, Telekommunikation usw.), sind für den direkten Anschluss an Wechselstrom vorgesehen.
Wechselrichter sind deshalb wichtig, weil sie Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandeln. Bei der Erzeugung von Solarenergie zum Beispiel ist ein Wechselrichter notwendig, da die Paneele nur Gleichstrom erzeugen können, dieser aber weder von Geräten gebraucht noch ins Netz eingespeist werden kann.
Rolle und Struktur der Stromrichter
Ein Stromrichter wandelt Energie von einer Form in eine andere um (Gleichstrom in Wechselstrom oder Wechselstrom in Gleichstrom). Er wird eingesetzt, um Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonnenkollektoren oder Windturbinen so umzuwandeln, dass diese in das Stromnetz oder in speziell angefertigte Solarbatterien eingespeist werden kann. Bei Bedarf können Stromrichter auch die Frequenz, die Wellenform oder die Höhe der Ausgangsspannung verändern.
Leistungswandler bestehen aus einem Transistor, der von einem Oszillator gesteuert wird. Hier wird das Eingangssignal unterbrochen und in eine Rechteckwelle umgewandelt, die dann in eine weichere, sinusförmige Welle umgewandelt wird, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen. Je nach den Anforderungen der Anwendung gibt es Stromrichter mit einer unterschiedlichen Anzahl von Transformatoren, Transistoren und Dioden.
Stromrichter ermöglichen auch die Steuerung von Leistung, Spannung und Frequenz der gelieferten Energie und verbessern so die Qualität und Effizienz des Systems. In dieser Funktion sind sie für Anwendungen wie Computernetzteile oder Frequenzumrichter für Elektromotoren von entscheidender Bedeutung.
Gleichrichter
Ein Gleichrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um, was für elektronische Anwendungen wichtig ist, bei denen Gleichstrom zur Versorgung von Geräten benötigt wird.
Ein Gleichrichter besteht aus Halbleiterbauelementen wie Dioden und Thyristoren, die den Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Zusätzlich kann ein Transformator verwendet werden, um die Eingangsspannung anzupassen.
Gleichrichter werden in der Regel in Einweggleichrichter (mit einer einzigen Diode zur Umwandlung nur einer Hälfte der Wechselstromwellenform in Gleichstrom) und Vollwellengleichrichter (mit vier Dioden oder zwei Dioden und einem Transformator zur Umwandlung beider Hälften der Wechselstromwellenform in Gleichstrom) unterteilt.
Der Ausgang eines Gleichrichters ist eine gepulste Gleichstromwellenform, die mit einem Kondensator geglättet werden kann, um einen stabilen und gleichmäßigen Gleichstrom zu erzeugen.
Umrichter
Frequenzumrichter werden in industriellen Steuerungssystemen eingesetzt, um Wechselspannung mit fester Frequenz in Wechselspannung mit variabler Frequenz umzuwandeln. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der industriellen Automatisierung und ermöglichen eine präzise Steuerung der Geschwindigkeit und des Drehmoments von Elektromotoren. Ein typisches Beispiel für ihre Rolle ist ein Förderband in einer Fabrik. Der Umrichter steuert die Geschwindigkeit des Förderbandmotors, so dass sich das Band mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen kann, z. B. zu Kontrollzwecken. Der Frequenzumrichter ändert einfach die Frequenz des elektrischen Stroms, der dem Motor zugeführt wird. Je höher die Frequenz, desto höher die Geschwindigkeit und umgekehrt.
Frequenzumrichter werden hier der Vollständigkeit halber aufgeführt, bei Solarmodulen spielen sie keine Rolle.
Gleichspannungswandler
Auch DC-DC-Wandler genannt, sind Gleichspannungswandler in mehreren elektronischen Geräten unerlässlich. Sie spielen die entscheidende Rolle bei der Änderung der Gleichspannung von einem Niveau auf ein anderes. Je nach Bedarf können diese Wandler die Eingangsspannung erhöhen, reduzieren oder umkehren.
Sie werden auch Chopper genannt und sind Wandler, die Gleichstrom empfangen und einen weiteren Gleichstrom mit größerer oder kleinerer Amplitude abgeben. Sie können als Äquivalent eines Wechselstromtransformators mit stufenlos variablem Windungsverhältnis betrachtet werden. Sie werden häufig zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren, Batterieladegeräten, Fahrzeuganwendungen, alternativen Energien usw. verwendet.
Die Funktionsgrundlage von DC-DC-Wandlern ist die Energiespeicherung und -übertragung. Im Allgemeinen verwenden diese Geräte Induktivitäten und Kondensatoren als Energiespeicherelemente. Während einer Phase des Betriebszyklus wird Energie in einer dieser Komponenten gespeichert und in der nächsten Phase an die Last abgegeben. Beispielsweise wird während der „Ein“-Phase Energie im Induktor gespeichert, während der Schalter geschlossen ist. In der „Aus“-Phase wird diese Energie bei geöffnetem Schalter auf die Last und den Ausgangskondensator übertragen.
Stromwandler
Der Stromwandler wird zur Messung des Stroms in einem Stromkreis verwendet, ohne den Stromfluss zu unterbrechen. Gleichzeitig unterstützt er die Mess- und Schutzgeräte, damit diese ordnungsgemäß und sicher arbeiten können, ohne dass der Nennstrom mit dem für den Betrieb der Last erforderlichen Strom übereinstimmen muss. Stromwandler bestehen aus einer Drahtspule, die um einen Magnetkern gewickelt ist, und einem elektrischen Strom, der durch die Spule fließt und ein Magnetfeld erzeugt.
Am häufigsten werden Stromwandler mit Nennstrom verwendet, deren Primärwicklungen eine geringere Anzahl von Windungen aufweisen, während sie in der Sekundärwicklung eine größere Anzahl von Windungen, aber dünnere Drähte haben.
In Solaranlagen werden sie eingesetzt, um die Leistungsabgabe der Photovoltaikmodule zu überwachen und sie an das Netz oder das Batteriespeichersystem anzuschließen. Außerdem dienen sie dem Schutz und der Isolierung der Wechselrichter und anderer Geräte im Solarkraftwerk.
Wechselrichter
Ein Wechselrichter ist ein elektronisches Gerät, das eine Gleichstrom-Eingangsspannung in eine Wechselstrom-Ausgangsspannung mit der vom Benutzer gewünschten Größe und Frequenz umwandelt. Wechselrichter werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. in Photovoltaikanlagen, Elektrofahrzeugen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen usw.
Ein Wechselrichter besteht aus Bauteilen wie Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Induktoren und Transformatoren, die eine Schaltung bilden, die den Strom- und Spannungsfluss zwischen Eingang und Ausgang steuern kann. Es gibt verschiedene Arten von Wechselrichtern, z. B. netzunabhängige Wechselrichter, netzgekoppelte Wechselrichter oder String-Wechselrichter, Micro-Wechselrichter und Hybrid-Wechselrichter, die jeweils ihre eigenen Merkmale und Vor- und Nachteile haben.
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Einsatzmöglichkeiten für Wechselrichter
Was ein Wechselrichter im Einzelnen tut, hängt vom Typ und der Konfiguration des Wechselrichters ab, aber im Wesentlichen erfüllt er die folgenden Funktionen:
- wandelt die Gleichstrom-Eingangsspannung in eine Wechselstrom-Ausgangsspannung
- steuert die Höhe und Frequenz der Ausgangsspannung entsprechend den Spezifikationen
- schützt vor Überspannung, Unterspannung, Überstrom, Kurzschluss, Überhitzung und anderen Fehlern
- kommuniziert mit anderen Geräten, wie z. B. Photovoltaikanlagen, Batterien, Zählern, Reglern u. a.
Solarenergie-Wechselrichter
Solarwechselrichter sind unverzichtbare Geräte in Photovoltaikanlagen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die von Solarmodulen erzeugte Energie in Form von Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Sie verbessern jedoch auch die Energieerzeugung-Effizienz von Solarmodulen und schützen die Integrität des Systems, da sie die Stromerzeugung im Falle von Überlastungen oder Anomalien stoppen. Sie fungieren auch als Systemleistungs-Indikatoren und helfen, Ausfälle zu vermeiden.
Nicht alle Solarwechselrichter sind gleich, da sie so entwickelt wurden, dass sie sich an die spezifischen Bedürfnisse jeder Photovoltaikanlage anpassen. Der Hauptunterschied besteht zwischen denen, die in autonomen Systemen oder mit Batterien betrieben werden (Off-Grid), und denen, die in Anlagen betrieben werden, die an das Verteilungsnetz angeschlossen sind (On-Grid).
Wenn Solarpaneele an das Stromnetz angeschlossen sind, kann das Gebäude je nach Verbrauchsbedarf zwei Stromquellen nutzen: Reichen die Solarpaneele nicht aus, werden sie mit Energie aus dem Netz ergänzt, bei Energieüberschuss dagegen sind sie in das Raster für die Netzeinspeisung integriert.
Solarwechselrichter mit Batterien gibt es in Systemen mit Batterien oder Energiespeichern. Solche Systeme sind in abgelegenen Gebieten oder in Wohnmobilen üblich, wo es keine anderen Optionen gibt, aber es ist auch möglich, sie in Räumen zu finden, die an das Stromnetz angeschlossen sind, um eine maximale Energieautonomie zu erreichen.
Solaranlagen benötigen eine Vielzahl von Komponenten, um saubere Energie in einer vorhersehbaren, sicheren und konstanten Weise zu liefern. Eine dieser kritischen Komponenten ist der Wechselrichter, der nicht nur Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, damit der erzeugte Strom tatsächlich genutzt werden kann, sondern auch die Anlage vor einer Reihe von Gefahren schützt.
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