Notstromgeneratoren und elektronische Stromverbraucher

14.10.2022

Die Auswahl eines passenden Notstromerzeugers soll gewissenhaft erfolgen, da ungeeigneter Generator 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 Stromabnahme, 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:

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

Die Spannung in den Maxima der Sinuswelle steigt bis 325V bei der Wirkspannung von 230V. Im Falle einer ungleichmäßigen Belastung der Spannungswelle kann es zu Spannungsspitzen mit 400V und mehr kommen, was die anderen sich im gleichen Stromkreis befindliche 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.

Der Strom bei Generatoren mit Inverter-Technologie wird 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 Generator und die maximale Amplitude der Spannung 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 Generatoren (Induktivität als Stromquelle) und Generatoren mit Inverter-Technologie (Kondensator als Stromquelle) haben unterschiedliches Verhalten bezüglich Stromverbraucher mit impulsartiger Stromabnahme. Kondensator ist in der Lage den Strom viel schneller steigen und sinken zu lassen als eine Spule (Induktivität). Die steigende Flanke des Stromimpulses kommt beim konventionellen Generator viel langsamer hoch und 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, 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.

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

Die vom Inverter-Generator produzierte Spannungswelle ist in der Lage auch die Spannungsform besser einzuhalten.

Und was ist mit dem öffentlichen Netz?

So sieht Die Stromabnahme bei 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 die konventionellen Generatoren überhaupt nicht geeignet für moderne Technik? Die Antwort ist NEIN!

Konventionelle Generatoren 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 Stromabnahme 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 von Übergangsprozessen 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 Generatoren haben aber eine niedrigere Leistung und sind anfälliger bezüglich Rückspeisung und Induktionsströme seitens angeschlossener Stromverbraucher.

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

Hier ist ein Beispiel der Stromabnahme 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 Generator 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 das ganze System.

Hier ist die Stromabnahme des 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 Generators 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 Infos 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 Normen und Vorschriften ausgeführt werden. Wir übernehmen keine Verantwortung für die falschen Installationen und deren Folgen.