Stromerzeuger für elektronische und induktive Stromverbraucher

28.03.2023

Die Auswahl eines passenden Notstromerzeugers soll gewissenhaft erfolgen, da ungeeigneter Stromerzeuger nicht nur das Einsatzziel gefährden, sondern auch die Betriebsmittel zerstören kann und auch selbst gefährdet ist.

Elektronische Stromverbraucher und Stromverbraucher mit elektronischer Steuerung unterschiedlicher Art haben öfter eine sich von der Spannung in der Form unterscheidende Stromaufnahme, was bei der Entwicklung der Notstromversorgung berücksichtigt werden muss.

Hier sind einige Beispiele der Spannung (Gelb) und der Stromabnahme (Grün) beim Betrieb vom öffentlichen Stromnetz:

LED-Beleuchtung

Ladegerät für Handys

Bluray-Receiver

Netzteil Laptop

Fernseher oder Monitor ohne PFC

Gerät mit gemischtem Netzteil

Alle die oben aufgeführteт elektronischeт Stromverbraucher haben keine eingebaute Leistungsfaktorkorrektur und verbrauchen nur ein Teil der Spannungswelle.

Das sind meistens Kleinstromverbraucher mit der Leistung bis 75W. Geräte mit der Leistung höher als 75W müssen schon eine eingebaute Leistungsfaktorkorrektur haben. So z.B. ein großer Fernseher hat im Standby-Modus eine spitzenartige Stromabnahme, nach dem Einschalten wird sein Netzteil komplett aktiv und die Stromabnahme so eines Fernsehers sieht ganz anders aus. Das Gleiche passiert bei einem PC.

Beispiele:

Großer Fernseher mit PFC

Fernseher mit teilweiser PFC

Computer mit unterschiedlicher Belastung des internen Netzteils je nach Aktivität

Zum Vergleich Stromabnahme einer Glühbirne und eines Seitenschleifers:

Ein Sonderfall sind Geräte mit elektronischer Leistungssteuerung (mit Leistungssteller):

ca. 50% Leistung

100% Leistung

Unterschied in der Form zwischen Spannung und Strom kann zu unerwünschten Effekten führen. Diese sind bei konventionellen Generatoren und Generatoren mit Inverter-Technologie zu unterscheiden.

Der Strom bei konventionellen Generatoren wird der Wicklung des Alternators abgenommen, die von sich aus eine Induktivität darstellt und wird zu einem Teil des Stromkreises sobald die Last angeschlossen ist:

Die Wicklung des Alternators ist nicht mit der sekundären Wicklung des Transformators zu vergleichen, da die beiden unterschiedlich erregt werden und die primäre Wicklung des Transformators ans Stromnetz mit einem niedrigen Innenwiderstand angeschlossen ist.

Zum Vergleich Spannung (Gelb) und Strom (Grün) beim Betrieb einer Bohrmaschine mit Leistungsregelung per Phasenschnittsteuerung vom öffentlichen Netz und vom konventionellen Generator ohne Inverter-Technologie:

Man sieht eine deutliche Verformung der Spannung im Falle mit dem konventionellen Benzin- oder Dieselgenerator. Der Spannungsregler regelt nur die Nennspannung, kontrolliert aber nicht die Spannungsform. So kann es an unbelasteten Teilen der Spannungswelle zu Überspannung kommen, obwohl der Effektivwert der Spannung im Rahmen bleibt.

Die Amplitude der Sinuswelle beim Effektivwert der Spannung von 230V steigt bis 325V (Scheitelwert). Im Falle einer ungleichmäßigen Belastung der Spannungswelle kann es zu Spannungsspitzen von 400V und mehr kommen, was die anderen sich im gleichen Stromkreis befindlichen Stromverbraucher beschädigen kann. So z.B. die im Stromkreis befindliche Elektronik, LED-Leuchtmittel usw. können zerstört werden.

Die Phasenschnittsteuerung wird nicht nur beim Werkzeug eingesetzt, sondern auch bei anderen Haushaltsgeräten wie Staubsauger, Waschmaschinen, Wärmepumpen, etc.

Die Phasenschnittsteuerung wird auch bei Sanftanlaufgeräten verwendet, die den Anlaufstrom der E-Motoren regeln.

Die Ausgangsspannung der Inverter-Generatoren wird punktweise elektronisch erzeugt. Die Energie wird erst in Kondensatoren gespeichert, die über einen steuerbaren Gleichrichter vom Alternator geladen werden. Die Gleichspannung der Kondensatoren wird durch B2-Brückenschaltung in die Wechselspannung umgewandelt:

Zum Vergleich Spannung (Gelb) und Strom (Grün) beim Betrieb einer Bohrmaschine mit Leistungsregelung per Phasenschnittsteuerung vom öffentlichen Netz und vom Generator mit Inverter-Technologie:

Man sieht dass der Inverter-Generator die Form der Spannung besser halten kann als ein konventioneller Stromerzeuger und die Amplitude innerhalb einer Spannungswelle bleibt im zugelassenen Bereich.

Besonderheit der elektronischen Lasten oder Lasten mit elektronischer Steuerung der Leistung besteht darin, dass diese nur ein Teil der Spannungswelle verbrauchen.

Bei der Phasenschnittsteuerung werden Thyristoren verwendet, die erst bei beinahe 0V schließen und der Strom dadurch verfolgt die Spannung nachdem Thyristoren geöffnet sind. Dies verursacht unterschiedliche Verteilung der Energie innerhalb der Spannungswelle und bedingt die damit verbundenen Prozesse. Die Spannung bei dem unbelasteten Teil der Spannungswelle kann so hoch steigen, dass diese andere im Stromkreis vorhandene Stromverbraucher beschädigen kann.

Eine weitere Art wären die elektronischen Stromverbraucher mit Schaltnetzteilen ohne eingebaute Leistungsfaktorkorrektur.

Diese haben einen Gleichrichter und Kondensatoren, deren Energie wird nachgefüllt in dem Moment als die Amplitude der Spannungswelle den höheren Wert als die Spannung der Kondensatoren erreicht. Dies führt zu einer impulsartigen Stromabnahme.

Konventionelle Stromerzeuger (Induktivität als Stromquelle) und Stromerzeuger mit Inverter-Technologie (Kondensator als Stromquelle) haben unterschiedliches Verhalten bezüglich Stromverbraucher mit impulsartiger Stromaufnahme. Kondensator ist in der Lage die Stromstärke viel schneller steigen und sinken zu lassen als eine Spule (Induktivität). Die steigende Flanke des Stromimpulses kommt beim konventionellen Generator viel langsamer hoch und die sinkende Flanke verursacht die Übergangsprozesse, die durch in der Spule gespeicherte Energie (E=LI²/2) entstehen.

Diese Übergangsprozesse werden durch Freisetzen der in der Spule gespeicherten Energie bedingt und stellen von sich Oberschwingungen dar, die hohe Amplituden erreichen können falls die Stromabnahme seitens angeschlossener Stromverbraucher gegen Null kommt.

Die Impulsartige Stromabnahme ist üblich für elektronische Geräte mit Netzteilen ohne Leistungsfaktorkorrektur. Diese Geräte sind in der Lage Oberschwingungen zu verursachen, werden aber auch selber dadurch beeinträchtigt und in manchen Fällen auch zerstört.

Es gibt auch eine gewisse Verformung der Spannungswelle eines konventionellen Stromerzeugers, die durch unterschiedliche Belastung innerhalb der Welle verursacht ist.

Generatoren mit Inverter-Technologie haben andere Eigenschaften, da der Kondensator anders als eine Spule funktioniert und reagiert anders auf veränderbare Last und Stromschwankungen:

Die steigende Flanke des Stromimpulses sieht bei gleicher Last ganz anders aus und es gibt keine Übergangsprozesse nach dem Stromimpuls.

Stromerzeuger mit Inverter-Technologie sind dadurch für empfindliche elektronische Geräte viel besser geeignet als konventionelle Stromerzeuger (auch mit elektronischer Spannungsregelung AVR).

Stromerzeuger mit Inverter-Technologie produzieren in der Regel eine „saubere“ Sinuswelle der Spannung und sind in der Lage die Spannungsform viel besser einzuhalten.

Und was ist mit dem öffentlichen Netz?

So sieht die Stromaufnahme derselben elektronischen Last vom öffentlichen Netz aus:

Man sieht dass es im öffentlichen Netz die Maxima der Sinuswelle eine gewisse Verformung haben, die durch Vielzahl von elektronischen Stromverbrauchern verursacht ist.

Soll man die oben aufgeführte Messergebnisse so verstehen, dass konventionelle Generatoren für moderne Stromverbraucher überhaupt nicht geeignet? Die Antwort ist NEIN!

Konventionelle Stromerzeuger dürfen nach wie vor als Stromquelle eingesetzt werden, man muss aber deren Eigenschaften und Eigenschaften der zu versorgenden Stromverbrauchern bei der Planung der Stromversorgung beachten.

Die Lasten sind generell auf lineare (ohmsche) und nichtlineare zu unterteilen.

Die im Stromkreis vorhandene ohmsche Last ist in der Lage die Übergangsprozesse und damit verbundene Oberschwingungen so zu dämpfen, dass diese für empfindliche Elektronik nicht mehr gefährlich sind. Ohmsche Last belastet die von der Elektronik alleine unbelastete Teile der Spannungswelle, bietet der in der Spule durch Stromimpuls gespeicherten Energie einen Ausweg und dämpft dadurch die Oberwellen.

Elektronische Geräte mit einer impulsartigen Stromaufnahme ohne die Leistungsfaktorkorrektur sind in einem Wohnheim vor allem die Kleinstromverbraucher mit der Leistung von bis zu 75W. Gesamtleistung von solchen Geräten beträgt ca. 300-400W und eine ohmsche Last von ca. 100-200W (ein Paar Glühbirnen) ist in der Regel in der Lage deren Betrieb durch Dämpfung der Übergangsprozesse zu stabilisieren. Bei höheren Leistungen müssen gesonderte genau auf den jeweiligen Fall abgestimmte Lösungen gefunden werden.

Generatoren mit Inverter-Technologie erfordern diese Maßnahmen in der Regel nicht und sind somit eine bessere Notstromquelle für empfindliche Stromverbraucher. Solche Stromerzeuger haben aber eine niedrigere Leistung und sind anfälliger bezüglich Rückspeisung und Induktionsströme seitens angeschlossener Stromverbraucher.

Induktive Stromverbraucher mit Motoren haben in der Regel einen Anlaufstrom, der je nach Konstruktion 3 bis 6-mal höher als der Nennstrom sein kann:

Schleifmaschine ohne elektronische Steuerung (Anlauf und Normalbetrieb)

Im Falle der Stromversorgung von einem Stromerzeuger mit Inverter-Technologie kann es zum Zusammenbruch der Ausgangsspannung kommen, da diese einen elektronischen Überlastschutz haben, der auf den Momentanwert der Stromstärke reagieren kann:

Die Spannung bricht zusammen während die Stromstärke durch die angeschlossene Last den maximal zulässigen Wert erreicht. Die in der induktiven Last gespeicherte Energie (E=LI²/2) verursacht die Selbstinduktion, die das Inverter-Modul des Generators unter Umständen auch beschädigen kann.

Es ist sehr wichtig beim Betrieb der Stromverbraucher mit Motoren von einem Inverter-Generator, dass die benötigte Anlaufleistung nicht die Höchstleistung des Generators übersteigt, da sonst sein Inverter-Modul beschädigt werden kann.

Eine in dem Stromkreis vorhandene ohmsche Last könnte in so einem Fall die Rücklaufströme zum Teil ableiten und dadurch den Stromerzeuger gewissermaßen schützen. Soll die induktive Last im Stromkreis alleine sein, können die durch Selbstinduktion entstandenen Spannungsspitzen einen zu hohen Wert erreichen und die Elektronik des Generators beschädigen.

Die Stromabnahme eines Hauses hat in der Regel einen komplizierten Charakter, da jedes aktive Gerät zur gesamten Stromaufnahme beibringt.

Hier ist ein Beispiel der Stromaufnahme eines Hauses mit laufenden LED-Beleuchtung, Computer, Monitor, Telefonanlage, Satelliten-Anlage, Kühlschrank usw. 

Hier kommt noch ein Sonderfall dazu, die Waschmaschine mit dem laufenden Motor, deren Drehzahl durch Phasenschnittsteuerung geregelt wird:

Man sieht das noch ein Teil dazu kommt mit einem deutlichen induktiven Verhalten.

Mehrere aktive Stromverbraucher können einander einigermaßen ausgleichen indem sie unterschiedliche Teile der Spannungswelle belasten und „gefährlichen“ Fall mit unbelasteten Teilen vermeiden.

Maßgebend für das ganze System ist der Leistungsfaktor. Dieser beträgt bei einem normalen Haushalt ca. 0,7 - 0,8 und ist schwer von einem Normalverbraucher einzuschätzen. Der Stromerzeuger muss nicht nur die Wirkleistung, sondern die gesamte Scheinleistung decken und dadurch kommt die Empfehlung den Generator mit nicht mehr als 80% seiner Nennleistung zu betreiben.

Die im Stromkreis vorhandene ohmsche Stromverbraucher und Stromverbraucher mit eingebauter Leistungsfaktorkorrektur spielen eine wichtige Rolle und stabilisieren den Stromkreis.

Hier ist die Stromaufnahme vom gleichen Haushalt mit eingeschaltetem Wasserkocher (links) und mit der Waschmaschine (rechts) während in dieser das Wasser erwärmt wird:

Der Generator als Stromquelle und die zu versorgenden Stromverbraucher bilden ein geschlossenes System, deren Elemente eine Auswirkung auf einander haben und es ist bei der Auswahl eines passenden Generators enorm wichtig die zu versorgende Stromverbraucher zu analysieren.

Die Auswahl eines passenden Stromerzeugers soll gewissenhaft erfolgen, da ungeeigneter Generator nicht nur das Einsatzziel gefährden, sondern auch die Betriebsmittel zerstören kann und auch selbst gefährdet ist.

Wir geben unsere Empfehlungen bezüglich Verwendung von unseren Stromerzeugern. Analyse von bestehenden Stromversorgungsanlagen und Entwicklung von personenbezogenen Notstromlösungen sind eine separate Leistung, die nicht zum technischen Support eines Generators gehört, wir hoffen aber dass die oben aufgeführte Informationen Ihnen behilflich sein können.

Haftungsausschluss:

Diese Anleitung kann nur als eine Empfehlung wahrgenommen werden, ist anschaulich und muss bei der Installation an die genaue Umstände und Bedingungen vor Ort angepasst werden. Die Installation selber soll unter Beachtung von allen vor Ort geltenden Normen und Vorschriften ausgeführt werden. Wir übernehmen keine Verantwortung für die falschen Installationen und deren Folgen.