Wie funktioniert ein Wechselrichter
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Auf dieser Seite erklären wir, was ein Wechselrichter ist, welche Funktion er hat, woraus er besteht, wie sein Funktionsprinzip ist und welche Haupttypen von Wechselrichtern in den häufigsten Situationen und Anforderungen verwendet werden.
Mithilfe einfacher illustrierter Diagramme werden Sie zum Verständnis dieses wichtigen elektronischen Geräts geführt, das in vielen Anwendungsbereichen unverzichtbar ist. Dort finden Sie auch den Schaltplan für den Bau eines Rechteckwechselrichters und viele praktische Tipps, damit Sie einen sicheren, informierten und dauerhaften Kauf tätigen können.
Was ist ein Wechselrichter und welche Funktion hat er?
Ein Wechselrichter ist ein elektronisches Gerät, das in der Lage ist, einen Gleichstrom (DC) bei einer bestimmten Spannung und Frequenz in einen Wechselstrom (AC) umzuwandeln. Wenn wir beispielsweise ein Gerät mit 230 V Wechselstrom (50Hz Frequenz) betreiben müssen, aber nicht über den Wechselstrom des Netzes verfügen, können wir dies dank des Wechselrichters trotzdem tun. Wie? Durch die Nutzung einer Gleichstromquelle wie einer 12-Volt-Batterie (DC).
Seine Verwendung ist daher wichtig, um elektrische Geräte, die im Wechselstrom betrieben werden, über Gleichstrom zu versorgen. Die Wechselrichter werden in eigenständigen Photovoltaikanlagen (stand-alone) zur Stromversorgung elektrischer Geräte in isolierten Häusern, Berghütten, Wohnmobilen und Booten sowie in netzgekoppelten Photovoltaikanlagen (grid connected) eingesetzt, um Strom direkt in das nationale Stromnetz einzuspeisen (Solar-Wechselrichter).
Wechselrichter werden auch in vielen anderen Anwendungen eingesetzt, von unterbrechungsfreien Stromversorgungen bis hin zu Drehzahlreglern für Elektromotoren, von Schaltnetzteilen bis hin zu Beleuchtung.
Der Begriff Wechselrichter kann auch als "Gleichrichter-Wechselrichter" -Gruppe verstanden werden, die mit Wechselstrom betrieben wird und verwendet wird, um die Spannung und Frequenz des Wechselstromausgangs entsprechend dem Eingang zu variieren (zum Beispiel für die Stromversorgung bestimmter Betriebsmaschinen).
Es gibt hauptsächlich drei Arten von Wechselrichtern zur Versorgung von Wechselstromlasten:
• Rechteckwechselrichter
• modifizierter Sinus-Wechselrichter
• reiner Sinus-Wechselrichter
Rechteckwechselrichter eignen sich zur Versorgung rein ohmscher Lasten. Modifizierte Sinus-Wechselrichter sind für ohmsche und kapazitive Lasten geeignet, können jedoch bei induktiven Lasten Rauschen erzeugen. Schließlich sind reine Sinus-Wechselrichter für alle Arten von Lasten geeignet, da sie eine Sinuswelle originalgetreu wiedergeben, die der unseres Heimnetzes entspricht.
Wie funktioniert ein Wechselrichter?
Nun wollen wir dieses interessante Phänomen der Energieumwandlung erklären. Wir haben gesagt, dass ein Wechselrichter ausgehend von einem Gleichstrom einen Wechselstrom zurückgeben kann. Um dieses Phänomen zu verstehen, ist es gut, mit der Erklärung zu beginnen, was eine Lichtmaschine ist.
Die Lichtmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, die durch das natürliche Phänomen der elektromagnetischen Induktion mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt (ein Beispiel ist der Fahrrad-Generator). In seiner einfachsten Form besteht es aus einer Drahtspule mit einem rotierenden Magneten daneben. Sobald sich ein Pol des Magneten der Spule nähert, wird in der Spule ein induzierter Strom erzeugt, der entgegen der Drehung des Magneten fließt. Dann wird ein Wechselstrom erzeugt.
Nun wollen wir sehen, wie sich ein Transformator verhält. Ein Transformator erzeugt einen in der Spule induzierten Wechselstrom. Das sich ändernde Magnetfeld wird jedoch nicht von einem Magneten erzeugt, sondern von einer anderen Spule (Primärspule genannt), durch die ein Wechselstrom fließt.
Jede von einem elektrischen Wechselstrom gekreuzte Spule verhält sich wie ein Magnet und erzeugt ein Magnetfeld. Wenn sich die Richtung des Stroms ändert, ändert sich die Polarität des Magnetfelds.
Das Nützliche an einem Transformator ist, dass die in der Sekundärspule erzeugte Spannung nicht unbedingt die gleiche ist, die an die Primärspule angelegt wird.
Wenn die Sekundärspule aus einer Doppelwicklung besteht (sie hat die doppelte Windungszahl) als die Primärspule, ist die Sekundärspannung doppelt so hoch wie die an die Primärspule angelegte Spannung. Wir können tatsächlich jede gewünschte Spannung erzeugen, indem wir die Größe der Spulen variieren.
Wenn wir anstelle von Wechselstrom den Gleichstrom einer Batterie in der Primärspule fließen lassen, wird in der Sekundärspule kein induzierter Strom gebildet, da sich das Magnetfeld nicht ändert. Wenn wir jedoch die Stromrichtung kontinuierlich und schnell ändern, haben wir bereits einen sehr einfachen und funktionalen Wechselrichter hergestellt. Dieser Wechselrichter erzeugt einen Rechteckwellenausgang, dessen Frequenz von der Zeit abhängt, in der wir die Richtung des in der Primärspule zirkulierenden Gleichstroms ändern..
Wie können diese kontinuierlichen und schnellen Änderungen automatisch ermöglicht werden? Verwendung einer Transistorschaltung oder noch besser über MOSFETs oder Thyristoren oder IGBTs, die effizienter sind.
Unten finden Sie den Schaltplan zum Aufbau eines sehr einfachen Rechteckwechselrichters mit einer astabilen Multivibratorschaltung zum Ansteuern der Primärspule. Natürlich ist dieser Wechselrichtertyp reich an Oberschwingungen und daher weder für die Stromversorgung kapazitiver noch für induktive Lasten geeignet. Mit diesem Wechselrichtertyp können nur rein ohmsche Lasten wie Glühlampen oder elektrische Heizungen mit Strom versorgt werden.
Schaltplan eines Rechteck-Wechselrichters
Die Transistoren Q1 und Q2 sowie der Transformator T1 bestimmen, wie viel Leistung der Wechselrichter liefern kann. Q1 und Q2 sind 2N3055-Transistoren und T1 ist ein Transformator mit einem maximalen Strom von 15A. In diesem Fall kann der Wechselrichter etwa 300 Watt liefern.
Denken Sie daran, dass dieser Wechselrichter bei Betrieb mit hohen Strömen erhebliche Mengen an Strom aus der Batterie aufnimmt und die Batterie in kurzer Zeit ernsthaft beschädigt werden kann. Es ist daher ratsam, einen Sensor für die automatische Unterbrechung des Wechselrichterbetriebs vorzubereiten, sobald die Batterie eine bestimmte Spannungsschwelle "unterschreitet". Es ist auch eine gute Idee, eine Schutzsicherung einzusetzen, bevor Sie den Stromkreis starten.
Reiner Sinus-Wechselrichter
Um einen sinusförmigen Wechselstrom am Ausgang unseres Transformators zu erhalten, müssen wir einen sinusförmigen Strom an den Eingang anlegen. Um eine Sinuswelle am Eingang der Primärspule zu erzeugen, benötigen wir einen Oszillator. Einer der einfachsten Oszillatoren, die wir herstellen können, ist sicherlich der Wien-Brücken-Oszillator mit FET-Transistoren. Der Ausgang wird dank des Feedbacks stabil gemacht.
In den meisten Schwingkreisen ist der Ausgangsstrom von geringer Intensität oder in jedem Fall nicht ausreichend, um die Hauptspule anzutreiben. Dieser Strom muss dann durch einen leistungsstarken Audioverstärker verstärkt werden, um einen hohen Strom für die Primärspule des Transformators zu erzeugen.
Der Transformator ist zwar sehr nützlich, tut aber nichts für nichts. Mit zunehmender Spannung nimmt der Strom ab und die Leistung (Spannung x Strom) bleibt gleich (Vernachlässigung der internen Transformatorverluste). Mit anderen Worten, um 1kW Wechselstrom am Ausgang zu erhalten, müssen wir am Eingang 1kW Gleichstrom liefern.
Die besten und teuersten Wechselrichter werden von einem Mikrocontroller verwaltet und basieren auf Pulsweitenmodulation (PWM). Mit Rückkopplung kann das System eine stabile Ausgangsspannung bereitstellen, wenn sich die Eingangsspannung ändert. Für beide Modulationsarten wird die Qualität des Signals durch die Anzahl der verwendeten Bits bestimmt. Sie reicht von mindestens 3 Bit bis maximal 12 Bit und kann die Sinuskurve mit hervorragender Näherung beschreiben.
Grid-Tie-Wechselrichter
Ein Grid-Tie-Wechselrichter hat dagegen eine andere Funktion als der bisher beschriebene Wechselrichter. Tatsächlich wandelt es nicht nur einen Gleichstrom in Wechselstrom um, sondern kann diesen Strom auch in das nationale Stromnetz einspeisen. Um diese Funktion auszuführen, muss der Grid-Tie-Wechselrichter die Netzspannung abtasten und für die Übertragung synchronisieren.
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