Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Überspannungsschutz für Wechselrichterausgang


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von Tobias (Gast)


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Kurzform: Der Wechselrichter erzeugt nach dem Abschalten größerer Lasten 
kurz eine höhere Spannung. Diese Überspannung möchte ich mit einer der 
Schaltungen eliminieren.

Hallo,

ich habe ein Problem mit einem 230V Wechselrichter den ich für allerlei 
Dinge benutze. Wenn ich die 1500W Last abschalte dann steigt die 
Spannung ganz kurz an. Meist geht es nur für 100ms um 2V oder 3V hoch 
aber selten steigt es wohl auch auf bis zu 250V und das macht Probleme. 
Es ist nicht eine kurze Spannungsspitze die man mit einem Kondensator 
oder einer Drossel ausbügeln könnte, sondern die gesamte Sinuswelle ist 
über mehrere Phasen erhöht. Ich denke der Spannungsregler im 
Wechselrichter versucht die ganze Zeit die Spannung aufrecht zu erhalten 
und wenn die Last plötzlich wegfällt braucht er einen kurzen Moment um 
sich wieder einzuregeln.

Ich habe schon probiert die Kondensatoren im Inverter zu vergrößern. Ich 
habe die Kapazität verdreifacht, aber das hat nichts verändert. Bei 
Diesel- oder Benzingeneratoren löst man das Problem indem man eine 
Grundlast anschließt, wie Strahlern oder Heizgeräte. Das funktioniert 
aber auch nur mit einer relativ großen Last und das ist mir eine zu 
unsaubere Lösung für den Dauerbetrieb. Das ganze wird mit Solarstrom 
betrieben und der soll effizient genutzt werden.

Jetzt möchte ich die kurzen Überspannungen einfach in 
Hochlastwiderstände ableiten und dazu habe ich mir zwei Schaltungen 
überlegt. In der ersten nutze ich 4 8A 100V Dioden um die die Spannung 
gleichzurichten. Mit den Zenerdioden soll die Überspannung erkannt 
werden. Regulär erreicht die 230V Wechselspannung 325V in der Spitze. 
Die Zenerdioden würden ab 329V leiten. Dann würden 10V bei dem MOSFET 
anliegen und die Hochlastwiderstände aktivieren. Da der Strom nur ganz 
kurz fließen würde müssten Widerstände mit 50W ausreichen. Diese 
Schaltung würde ich zweimal aufbauen um einmal die positive Überspannung 
abzufangen und einmal die negative.

Die zweite Schaltung nutzt einfach nur bidirektionale Suppressordioden 
um bei 330V die Überspannung direkt abzuleiten. So habe ich mir das 
zumindest vorgestellt. Würde das so funktionieren? Ich bin mir auch 
nicht sicher wegen der Dimensionierung der Bauteile.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Die Problemursache ist, dass der Wechselrichter sich nicht schnell genug 
an wechselnde Lastströme anpassen kann.

Wenn du jetzt die "Überspannung" in Widerstände umleitest reduzierst du 
die Lastsprünge aus Sicht des Wechselrichters. Aber irgendwann willst du 
die Widerstände wieder abschalten und dann hast du doch wieder einen 
Lastsprung.

Letztendlich kann dieses Konstrukt zu üblen Schwingungen führen, wenn du 
Pech hast. Es wird eventuell nur klappen, wenn deine Schaltung sich auf 
erhebliche Überspannungen beschränkt, nur beschützt sie dann nichts 
mehr.

Deswegen sollte man das Problem besser an seiner Quelle beheben. Das das 
nicht einfach ist und eventuell mehr kostet als ein neuer 
Wechselrichter, ist mir klar. Ich will dich nur vorwarnen, bevor du viel 
Geld ohne Erfolg versenkst.

In deiner Schaltung fehlt auf jeden Fall ein Schmitt-Trigger. So wie du 
es gezeichnet hast, wird der Transistor im Übergangsbereich linear 
arbeiten (nicht schalten). Dafür bräuchtest du extrem große 
Transistoren, damit sie das überleben.

: Bearbeitet durch User
von Tobias (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Aber irgendwann willst du
> die Widerstände wieder abschalten und dann hast du doch wieder einen
> Lastsprung.

Das ist Wechselspannung. Die Dioden und der Mosfet sollten schnell genug 
reagieren, sodass die Widerstände innerhalb der Phase schon wieder 
abschalten. Wie bei einer PWM-Steuerung. In der nächsten Phase ist die 
Spannung dann hoffentlich etwas niedriger, wodurch der Widerstand dann 
etwas kürzer "an" ist. Im Idealfall würde die Last sanft runter gehen.

Mit den Schwingungen könnte es wirklich Probleme geben. Aber vielleicht 
reagiert der Wechselrichter auch nicht darauf wenn er so träge ist?

Bei den Werten für die Zener-Dioden bin ich mir auch unsicher. Könnte 
man den Schaltpunkt so genau einstellen oder würde vielleicht schon bei 
325V oder 326V etwas Strom fließen? Ich habe überhaupt keine Erfahrung 
mit Zener-Dioden und auch nicht mit Suppressordioden. Suppressordioden 
sind wohl nur für ultrakurze Ströme geeignet.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Tobias schrieb:
> Könnte man den Schaltpunkt so genau einstellen

Es ist kein Schaltpunkt, weder bei den Dioden noch beim Transistor. So 
bekommst du einen sanften Übergang in dem der Transistor eine Menge 
Abwärme abführen muss.

Wie gesagt: Du brauchst einen Schmitt-Trigger (typischerweise mit einem 
OP-Amp und einer Referenzquelle) damit das wie geplant funktioniert. 
Dann kannst du den Schaltpunkt auch genau einstellen.

: Bearbeitet durch User
von wok.er (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Letztendlich kann dieses Konstrukt zu üblen Schwingungen führen, wenn du
> Pech hast.

Du meinst das obere?

Ich verstehe die 8A-Schottkys nicht. Es soll damit doch wohl
nicht gleichgerichtet werden, weil es eh nur um die Speisung
von Schaltnetzteilen oder sonst etwas mit Netzgleichrichter
geht? Falls doch, würde ich (je nach internem Aufbau des WR
natürlich - kann sein, daß das so nicht geht) die WR-Stufe
aussetzen und stattdessen vom Zwischenkreis (der etwas höher
liegt als die Netzspitzenspannung) einen separaten Buck
speisen, oder sogar die WR-Stufe zu solch einem ummodeln. :)

Um welche Lasten (mit welchen Betriebsprofilen) geht es?
Geh doch darauf mal ein. Wer weiß, vielleicht übersiehst Du
sogar einen simplen Ansatz, nur weil er so simpel ist.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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wok.er schrieb:
> Du meinst das obere?

Ja das obere. Zur Schaltung mit den Suppressor-Dioden kann ich nichts 
sagen, davon habe ich keine Ahnung.

von Erich (Gast)


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Du kannst versuchen, ganz simpel einen VDR reinzuschalten.
Ohne weitere Widerstände.
Typ S10K275 oder S20K275.

Niedrigere Spannungen (S20K250) könnten "abrauchen",
bei Netzspannung 230V~ ist eben der Typ 275 üblich.

Eine 2 A Sicherung (träge) vor dem VDR schützt diesen optional.

Gruss

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Erich schrieb:
> Typ S20K275.

Der reagiert aber erst ab 350 Volt und verträgt nur 1 Watt.

Das bringt und zu der überaus wichtigen Frage, wie viel Energie dieser 
Überspannungsschutz eigentlich umsetzen muss. Kann man das überhaupt 
einschätzen, ohne vorher eine aufwändige Schaltung zu bauen?

von wok.er (Gast)


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Erich schrieb:
>

Hier geht es nicht um einen WR mit etwa 2A maximal,
ich vermute Du hast den "300W WR" aus dem Nachbar-
thread im Kopf.

Die Sicherung ist sowas von nicht optional, weil
Varistoren recht schnell degradieren und bei Defekt
dann einen Kurzschluß erzeugen.

von wok.er (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> ohne vorher eine aufwändige Schaltung zu bauen?

Den genauen Spannungsverlauf bei Abschaltung jener
größtmöglichen Last mit dem Speicheroszi festzuhalten,
würde reichen, bloß... Du kennst sicher die möglichen
Hindernisse/Probleme.

Antworten auf Rückfragen (und auch zwischen den Zeilen
gestellte) wären allmählich notwendig.

von Andre (Gast)


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Welche Lasten hast du dort angeschlossen?

Wenn es nur um wenige empfindliche Geräte geht und den restlichen 
Verbrauchern eine kurze Überspannung egal ist, würde ich eher versuchen 
diese Geräte zu schützen.
Es gibt im Bühnen/Audio Bereich Stabilisatoren für 230V, soweit ich das 
durchschaut habe sind das Spartrafos mit elektronischer Regelung. 
Anstatt zu verheizen was der Generator ins Netz schiebt, transformieren 
die ein paar Volt runter oder rauf. Einige line interactive USVs von APC 
können das auch, hatte ich selbst lange Zeit im Einsatz.

von Tobias (Gast)


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Konkret geht es um einen 4kW Wechselrichter mit dem ich mein E-Auto lade 
und ansonsten noch kleinere Verbraucher betreiben möchte. Der Ladestrom 
wird nach Solarertrag geregelt, mindestens sind es aber etwa 6A. Wenn es 
dunkler wird wird dann pausiert. Das Auto regelt leider nicht sanft 
runter. Bei diesem Abschalten kommt im Auto manchmal der Fehler wegen zu 
hoher Spannung wodurch der Ladevorgang komplett abgebrochen wird und nur 
manuell wieder gestartet werden kann. Mit Oszilloskop und Kamera habe 
ich das gefilmt und analysiert, aber man merkt auch dass Lampen flackern 
und ich mache mir Sorgen dass das ein oder andere Gerät Schaden nehmen 
kann.

von Tobias (Gast)


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wok.er schrieb:
> Ich verstehe die 8A-Schottkys nicht.

Die habe ich eingezeichnet damit die Schaltung nur positive Spannung 
bekommt. 4 Stück weil die jeweils nur 100V vertragen. Naja, der 
(Rück-)Strom durch die Zener-Dioden ist durch den 100K Widerstand 
begrenzt. Und der Mosfet hätte kein Problem mit negativer Spannung? Dann 
könnte man die Schottkys weglassen.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Was für ein Murks.

Wenn schon, dann nimmt man einen Brückengleichrichter am Eingang.

Zweitens hast Du danach das gleiche Problem wie der Wechselrichter - Du 
musst den Spannungsanstieg schnell genug erkennen, um Deine Hilfslast 
aufzuschalten und hinterher auch wieder abschalten, ohne daß der 
Wechselrichter wieder eine Spannungsspitze erzeugt.

Was ist denn das für ein Gerät? Scheint ja ziemlicher Billigschrott zu 
sein, der jetzt mit viel Aufwand verwendbar gemacht werden soll.

250Vac liegen übrigens im Bereich der Toleranz (230V +-10%). Damit 
sollte kein 230V-Gerät ein Problem haben.

von Der schreckliche Sven (Gast)


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Tobias schrieb:
> Mit den Zenerdioden soll die Überspannung erkannt
> werden.....

Dann kuck Dir mal in den diversen Datenblättern die Toleranzen von den 
Dingern GANZ GENAU an!! Du wirst diese Idee so schnell vergessen, wie 
sie Dir eingefallen ist.

Ben B. schrieb:
> 250Vac liegen übrigens im Bereich der Toleranz (230V +-10%). Damit
> sollte kein 230V-Gerät ein Problem haben.

Genau.

Und wenn Du mit dem manuellen Wiedereinschalten nicht klarkommst, mußt 
Du halt wieder zurück zum Benzin.

von Tobias (Gast)


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Der schreckliche Sven schrieb:
> Dann kuck Dir mal in den diversen Datenblättern die Toleranzen von den
> Dingern GANZ GENAU an!!

Ja die Toleranzen sind groß, da werde ich wohl selektieren müssen. Aber 
da es mehrere Dioden in Reihe sind kann es sich auch wieder ausgleichen. 
Da jetzt noch kein ganz grober Schnitzer in der Schaltung aufgefallen 
ist werde ich die obere Schaltung demnächst einfach mal aufbauen, 
zunächst mit großen Widerständen damit kein großer Strom fließen kann. 
Versuch macht klug.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Tobias schrieb:
> Da jetzt noch kein ganz grober Schnitzer in der Schaltung aufgefallen
> ist

Doch da ist ein grober Schnitzer:

Stefan ⛄ F. schrieb:
> In deiner Schaltung fehlt auf jeden Fall ein Schmitt-Trigger. So wie du
> es gezeichnet hast, wird der Transistor im Übergangsbereich linear
> arbeiten (nicht schalten). Dafür bräuchtest du extrem große
> Transistoren, damit sie das überleben.

von Tobias (Gast)


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Erich schrieb:
> Du kannst versuchen, ganz simpel einen VDR reinzuschalten.

Danke für die Anregung. Nach einer so schön einfachen Lösung habe ich 
gesucht. Allerdings habe ich Zweifel wegen der Belastbarkeit. Ich werde 
einfach mal ein paar vom Typ S20K275 und S20K250 als Plan B bestellen. 
Wenn ich mehrere davon parallel schalte und evtl. Hochlastwiderstände 
davor dann wäre die Belastung begrenzt.

von Tobias (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Doch da ist ein grober Schnitzer:
>
> Stefan ⛄ F. schrieb:
>> In deiner Schaltung fehlt auf jeden Fall ein Schmitt-Trigger. So wie du
>> es gezeichnet hast, wird der Transistor im Übergangsbereich linear
>> arbeiten (nicht schalten). Dafür bräuchtest du extrem große
>> Transistoren, damit sie das überleben.

Der Übergangsbereich sollte nur ganz kurz andauern. Von Nulldurchgang zu 
Nulldurchgang dauert es 10ms und dazwischen spielt sich alles ab. Man 
kann hier also nicht nach den Werten im Datenblatt gehen die für 
Dauerbelastungen angegeben sind. Aber ich habe da keine Erfahrung.

Würdest du den Schmitt-Trigger mit einem Komparator realisieren? Der 
bräuchte dann eine eigene Spannugsversorgung. An den einen Eingang würde 
ich eine fixe Spannung anlegen und an den anderen, über einen großen 
Spannungsteiler, den gleichgerichteten Wechselstrom.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Tobias schrieb:
> Der Übergangsbereich sollte nur ganz kurz andauern. Von Nulldurchgang zu
> Nulldurchgang dauert es 10ms und dazwischen spielt sich alles ab.

10ms sind für Halbleiter eine Ewigkeit.

> Man kann hier also nicht nach den Werten im Datenblatt gehen die für
> Dauerbelastungen angegeben sind.

Schau dir das Diagramm an, da liegt das Limit für 10ms direkt neben dem 
Limit für DC (Dauerstrom). Bei 300V verträgt er gerade mal 0,1 Ampere. 
Deine Widerstände werden nicht einmal warm, bevor der Transistor 
einschmilzt.

Deswegen halte ich hier einen Schmitt-Trigger für unverzichtbar.

> Würdest du den Schmitt-Trigger mit einem Komparator realisieren?

Nein

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Du brauchst einen Schmitt-Trigger (typischerweise mit einem
> OP-Amp und einer Referenzquelle)

> An den einen Eingang (des Komparators) würde ich eine fixe Spannung
> anlegen und an den anderen, über einen großen
> Spannungsteiler, den gleichgerichteten Wechselstrom.

Das wäre kein Schmitt Trigger. Nur ein Schmitt Trigger garantiert dir, 
dass der MOSFET digital geschaltet wird, anstatt linear zu arbeiten.

Siehe https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209241.htm

: Bearbeitet durch User
von Tobias (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> Schau dir das Diagramm an, da liegt das Limit für 10ms direkt neben dem
> Limit für DC (Dauerstrom). Bei 300V verträgt er gerade mal 0,1 Ampere.
> Deine Widerstände werden nicht einmal warm, bevor der Transistor
> einschmilzt.
>
> Deswegen halte ich hier einen Schmitt-Trigger für unverzichtbar.

An solch eine Limitierung habe ich überhaupt nicht gedacht. Dann ist 
doch dieser MOSFET völlig ungeeignet, unabhängig vom Schmitt-Trigger. 
Richtig?

von Tobias (Gast)


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Nein, wenn der Transistor voll durchschaltet (dank Schmitt-Trigger), 
dann liegt eine viel kleinere Spannung an, weil der Spannungsabfall über 
die Widerstande stattfindet.
Danke

von Der schreckliche Sven (Gast)


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Nimm IRF450 oder IRF460 von einem seriösen Distributor.
Die sind für Linearbetrieb geeignet, und können einiges wegstecken.

von Chris (Gast)


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Wenn du von Ladereglern sprichst, diese haben generell einen 
Eingangsspannungsbereich von 100-240V.
In diesem Falle wäre es vorteilhafter die AasgangsspAnnung zu 
reduzieren, zb 215 V.

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