Auf jedem Boot gibt es immer mehr elektronische Geräte, die nicht zur Bordausrüstung gehören. Während sich das Handy oder der Kameraakku noch leicht über 12V laden lassen, beginnen bei dem Betrieb eines Laptops oder sogar nur eines Tablets oft schon die Probleme. Auf LOTTE läuft zwar alles konsequent auf 12V oder wird per USB geladen, dennoch gab es in letzter Zeit häufiger die Frage: Wie bekomme ich beim Segeln oder vor Anker 220V ?

Allgemeines

Auf einem Boot (gleiches gilt aber auch für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil oder manche Gartenlauben) hat man fast immer eine Spannungsversorgung in Form einer 12 (oder 24) Volt Gleichspannungsquelle. Über die verschiedenen Arten von Akkumulatoren gibt es ja bereits einen Artikel in diesem Blog.

Benötigt ein elektrischer Verbraucher nun Wechselspannung zum Betrieb, wird ein Wechselrichter (oder Inverter) benötigt. Dieser kann, je nach Schaltung, für die Erzeugung von einphasigem oder dreiphasigem Wechselstrom benutzt werden.

Der Wechselrichter

Man unterscheidet zwei Arten von Wechselrichtern:

1. selbstgeführte Wechselrichter
2. netz- oder fremdgeführte Wechselrichter

Selbstgeführte Wechselrichter dienen der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, ohne dass ein Referenz-Takt vom Netz nötig ist. Sie können damit zur Erzeugung einer Wechselspannung unabhängig vom Stromnetz dienen. Solche Inverter kommen zum Beispiel in Berghütten, mobilen Geräten, Entwicklungsländern oder eben auf Booten zum Einsatz .

Im Gegensatz dazu benötigen netz- oder fremdgeführte Wechselrichter eine feste Referenz-Wechselspannung im Netz. Sie dienen unter anderem dazu, Energie von einer Gleichspannungsseite in das Wechselstromnetz einzuspeisen – das beste Beispiel hierfür sind (netzgekoppelte) Photovoltaik- oder Windkraftanlagen.

Da es auf einem Boot sicher keine Referenzspannung gibt, kommen nur Inverter der ersten Art in Frage.

Jetzt wissen wir, welche Art von Inverter wir benötigen; aber wir sollten uns noch einmal mit dem zu erzeugenden Wechselstrom beschäftigen:

Wechselstrom bezeichnet elektrischen Strom, der seine Richtung (Polung) in regelmäßiger Frequenz ändert und bei dem sich positive und negative Augenblickswerte so ergänzen, dass der Strom im zeitlichen Mittel null ist. Abzugrenzen ist der Wechselstrom von Gleichstrom, der sich (im Prinzip) zeitlich nicht ändert. Nachdem es in der Frühzeit der Elektrifizierung auch Versuche mit Gleichstrom gab, wird die elektrische Energieversorgung heute weltweit am häufigsten mit sinusförmigem Wechselstrom vorgenommen. Der Grund dafür sind neben der einfachen Erzeugung vor allem die einfache Transformation der Wechselspannung.

Die nächste Unterscheidung von Wechselrichtern kommt aus der Form der Wechselgröße (und ist direkt am Preis zu erkennen):

1. Spannungswandler die eine modifizierte Sinus-Welle erzeugen.
2. Spannungswandler die eine echte Sinus-Welle erzeugen.

Welche Geräte sollen betrieben werden?

Inverter mit modifizierter Sinus-Welle

Die preiswerteste und auch in weiten Bereichen einsetzbare Lösung ist die Entscheidung für einen Spannungswandler mit modifizierter Sinus-Welle. Diese sind weit verbreitet und oft zu (fragwürdig) günstigen Preisen zu erhalten, da hier auf die aufwendige Pulsweitenmodulation, die im Sinuswechselrichter vorhanden ist, verzichtet wird. Aber Vorsicht! Die Qualität eines jeden Wandlers zeigt sich oft erst nach dem Kauf. Leichte Geräte sind im Inneren auch leicht bestückt. Die Lebenszeit eines Billigwandlers ist in der Regel deutlich kürzer als die eines guten, durchdacht konzipierten Gerätes. Die rechteckige Ausgangsspannung ist für manche Geräte, die damit betrieben werden, problematisch, da sie stark von der sinusmodulierten Spannung abweicht. Transformatoren, Motoren und Heizgeräte können zwar mit rechteckförmiger Spannung betrieben werden, die steilen Spannungsanstiege verursachen jedoch Stör-Emissionen. Während also ohmsche Geräte eher unpromblematisch sind, funktionieren Geräte, die ihre Leistung durch Triacs steuern (z.B. Staubsauger) eingeschränkt oder gar nicht.

Inverter mit echter Sinus-Welle

Die merklich teurere Alternative zur modifizierten Sinus-Welle sind Wandler, die mit echter Sinus-Welle arbeiten. Sie sind präziser und sehr nah an jenem Strom, den wir von zu Hause her, aus der Steckdose, kennen. Solche Wandler sind für den professionellen Einsatz entwickelt, aber viele fortgeschrittene Nutzer von Spannungswandlern steigen auf Wandler mit echter Sinus-Welle um, da sie einschlägige Erfahrung gesammelt haben und nun den "echten" Strom haben wollen. Sinuswechselrichter eignen sich für alle Geräte, auch solche mit kapazitivem Verhalten wie LED-Lampen, Kompaktleuchtstofflampen oder Schaltnetzteile. Zwar erzeugen auch Sinuswechselrichter Störungen, diese sind jedoch sehr gering. Leider haben diese Spannungswandler aber auch einen gewissen Energie-Eigenbedarf, sie können somit auch nicht 100% der Nominal-Leistung ausgeben.

Die richtige Leistung des Spannungswandlers

Vor dem Kauf eines Spannungswandlers sollten wir uns aber nicht nur nach der Art der elektrischen Geräte fragen, die mit dem Spannwandler betrieben werden sollen, sondern auch nach deren Leistung. Das ist wichtig,

1. weil Spannungswandler oft zu klein bemessen gekauft werden.
2. weil nur das richtige, abgestimmte Zusammenwirken zwischen Stromquelle und Spannungswandler ein gutes Ergebnis zulassen.
3. weil der Spannungswandler Leistungsreseven haben muss (um z.B. auch Anlaufstöme abzufangen).

Bevor wir uns beim Kauf also durch die Vielzahl von Angeboten irritieren lassen, planen wir alles vor dem Kauf. Spannungswandler werden so konstruiert, dass sie einen gewissen Anlaufstrom abfangen können. Im Wandler wird für sehr kurze Zeit ( ca. 0,1 sec.) der meist doppelte Wert seiner Dauerleistung aufgebaut. Das ist die maximale oder Peak-Leistung. Weil diese aber nur für einen kleinen Moment zur Verfügung steht – nämlich beim Einschalten des Anschlußgerätes – hat diese Leistung im Dauerbetrieb keine weitere Relevanz. Beim Kauf müssen wir also auf die der Dauer- und nicht der Peak-Leistung achten.

Beispiele

• Wollen wir zum Beispiel einen elektrischen Motor betreiben, so benötigt er einen gewissen Anlaufstrom. Dieser ist um ein Vielfaches höher, als die Leistung des Geräts selber. Ferner hat jeder Spannungswandler einen Eigenbedarf an Energie. Daher kann der Wandler nicht 100% jener Leistung ausgeben die er umwandeln kann. In der Regel gehen, je nach Inverter, ca. 10% – 15% Leistung verloren; auch der Transportweg, die Kabelverbindung, ist verlustbehaftet. So könnte eine Überlegung wie folgt aussehen:

Anschlussgerät mit Motor (z.B. eine Säge)

( 800W + 15% + 3% Verlust ) x 2,5 = 2.963W

( Geräteleistung + Verluste ) x fiktiver Faktor Anlaufstrom = Wandler-Dauerleistung in Watt

Es sollte also ein Wandler gewählt werden der wenigstens 3.000W Dauerleistung hat.

• Wenn wir ein Gerät mit ohmscher Last haben, also z.B. Glühlampen, Heizstrahler, Kochplatten oder andere Anschlussgeräte die lediglich Wärme und/oder Licht erzeugen, benötigen wir in der Regel keinen zusätzlichen Leistungspuffer. Trotzdem muss auch beim Einsatz solcher Geräte mit einem Spannungswandler klar sein, dass die auf dem Wandler angegebene Dauerleistung nicht mit der tatsächlichen Leistung übereinstimmt. Hier könnte eine Überlegung wie folgt aussehen:

Anschlussgerät ohne Motor (z.B. eine einfache Kaffeemaschine)

1000W + 15%+ 3% Verlust = 1.185W

Geräteleistung + Verluste = Wandler-Dauerleistung in Watt

Wir sollten also einen Wandler mit wenigstens 1200W, besser 1500W, Dauerleistung wählen.

Spannungswandler und Stromquelle

Ganz entscheidend für ein gutes Ergebnis ist, wie schon erwähnt, die Abstimmung zwischen Spannungswandler und der richtigen Stromquelle – vor allem der Batteriekapazität in Amperestunden.Da ein Inverter nur den Eingangsstrom umwandeln kann, der ihn erreicht, benötigen wir eine gute, voll geladene und leistungsfähige Batterie. Hier gilt die einfache Regel:  Je größer der Spannungswandler, desto größer muss die Batteriekapazität sein – Faustformel: Dauerleistung des Spannungswandlers in Watt geteilt durch den Betrag der Batteriespannung entspricht der Mindestkapazität der anzuschließenden Batterie.

Beispiel

Um unsere einfache Kaffeemaschine von oben (mit einem Wandler von wenigstens 1200W Dauerleistung) an unserem 12V Bordnetz zu betreiben, sollten wir eine Batterie mit wenigstens 100Ah Kapazität haben. (1200W : 12 => 100Ah)

Zusammenfassung

Vor dem Kauf ist es also wichtig, sich einen genauen Plan über die anzuschließenden Geräte zu machen – welcher Art sind die Verbraucher (ohmsch? kapazitiv?), habe ich hohe Anlaufströme zu erwarten, passt meine Batteriekapazität und brauche ich evtl. noch Reserven für weitere Geräte in der Zukunft? Erst danach kommt der Blick auf den Preis…

Wem das alles zu umständlich, unsicher oder teuer ist, der kann unter Umständen auch andere Wege beschreiten – es ist (wie am Anfang erwähnt) oft sehr viel einfacher ein Gerät direkt mit der Bordspannung zu betreiben. Wenn ich zum Beispiel mein Handy per USB (5V) an unserem 12V Netz aufladen will, dann muss ich nicht erst den Weg über 220V machen…