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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer an einem Wechselrichter angeschlos- senen Last sowie ein Lasterkennungssystem für einen Wechselrichter, insbesondere einen Insel- wechselrichter, wie dies in den Ansprüchen 1 und 16 beschrieben ist.
Aus der DE 43 17 297 A1 ist eine Stromversorgung für Normal- und Bereitschaftsbetrieb für Fernsehgeräte und dgl. beschrieben, wobei das Fernsehgerät direkt von einem öffentlichen Ver- sorgungsnetz, insbesondere mit einem 230 V Wechselspannungsnetz, versorgt wird. Die Strom- versorgung weist hierzu zwei unterschiedliche Versorgungskreise auf, wobei der erste Versor- gungskreis für den Betrieb des Fernsehgerätes zuständig ist und der zweite Versorgungskreis einen sogenannten Stand By - Betrieb, also eine Minimalversorgung einzelner Komponenten, durchführt. Die beiden Versorgungskreise werden bei aktivierten Fernsehgerät aufeinander abge- stimmt, so dass sich keine bzw. nur eine geringe Differenz der gebildeten Spannungen ergeben.
Aus der JP 11 069 806 A ist eine Gleichstromversorgungseinheit beschrieben, bei der auf der Primärseite eines Transformators ein Kontrollkreis für den Stromfluss über einen Transformator bzw. einem MOSFET zur Versorgung einer Last mit einer konstanten Ausgangsspannung ange- ordnet ist. Weiters ist auf der Sekundärseite des Transformators eine Detektorschaltung zur Er- zeugung eines Signals angeordnet, wobei über eine Regelvorrichtung eine konstante Versorgung der Last mit Energie unter Einbindung der intern erfassten Messgrössen durchgeführt wird.
Weiters ist aus der JP 09 034 561 A eine Stromquelle bekannt, bei der über einen Inverter eine Last mit Energie versorgt wird. Hierzu wird auf der Sekundärseite eine Messwerterfassung der Ausgangsspannung vorgenommen, wobei die erfasste Ausgangsspannung mit der Eingangsspan- nung primärseitig verglichen wird.
Aus der EP 0 334 319 A ist ein Versorgungssystem bekannt, bei dem von einem Wechsel- spannungsnetz eine geregelte Gleichspannung für die Versorgung beispielsweise eines Motors erzeugt wird. Hierbei ist am Eingang des Versorgungssystems eine Spannungserkennungsvorrich- tung zum Erkennen einer Eingangsspannung angeordnet, wobei für die Erfassung der Ausgangs- spannung an den Ausgängen eine Messvorrichtung bzw. eine Messschaltung angeordnet ist. Für die Regelung des Versorgungssystems werden die am Ausgang erfassten Messsignale einem Regel- kreis zugeführt, so dass dieser eine entsprechende Regelung des im Versorgungssystems ange- ordneten Inverters zur Bildung einer konstanten dauerhaften Ausgangsspannung durchführen kann.
In den zuvor genannten Dokumenten sind Versorgungssysteme zum dauerhaften Versorgen einer Last mit Energie aus einer Energiequelle beschrieben. Dabei werden für die Regelung der Ausgangsspannung Messvorrichtung zur Ermittlung von Messgrössen bzw. Messsignalen, insbeson- dere eines Stromes und einer Spannung, eingesetzt, die von einer Steuervorrichtung bzw. Regel- vorrichtung mit vorgegebenen Sollwerten vergleichen werden, wobei bei Auftreten einer Differenz diese ausgeregelt wird. Nachteilig ist bei diesen Versorgungssystemen, dass diese ständig Aktiviert sind, wodurch aufgrund der hohen Verlustleistungen der zahlreichen Bauelemente auch ohne angeschlossener Last sehr viel Energie verbraucht wird, so dass bei einer Verwendung bzw. einem Einsatz einer unabhängigen Energiequelle, wie beispielsweise einer Batterie, eine sehr schnelle Entladung dieser verursacht wird.
Es sind bereits Lasterkennungssysteme bekannt, bei denen an einem Wechselrichter an der Sekundärseite eines Transformators eine Last angeschlossen wird. Bei diesen erfolgt die Laster- kennung jedoch auf der Sekundärseite des Transformators in Form einer einfachen Strommes- sung. Nachteilig ist hierbei, dass aufgrund der galvanischen Trennung durch den Transformator die Steuersignale für eine Steuervorrichtung unter grossem Aufwand wiederum galvanisch getrennt auf die Primärseite des Transformators für eine Steuerung bzw. Regelung übertragen werden müssen und somit erhebliche Kosten entstehen bzw. durch den hohen elektronischen Aufwand derartige Wechselrichter sehr empfindlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Lasterkennungssystem zu schaffen, bei dem ohne zusätzlichen Aufwand für eine galvanischen Trennung eine Last erkannt werden kann.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die Massnahmen im Kennzeichenteil des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Lasterkennung auf der Primärseite des Transformators durchgeführt werden kann. Dadurch wird auch keine galvanisch getrennte Rückführung der Signa- le benötigt und es ist weiters möglich, dass auch geringe Lasten, wie beispielsweise eine 15 Watt
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Sparlampe, von der Auswerteschaltung ohne grossen Aufwand erkannt werden kann, da in einfa- cher Form die Empfindlichkeit für die Lasterkennung durch Verändern der Schwellwerte oder Re- ferenzwerte bzw. der prozentuellen Abweichung eingestellt bzw. verändert werden kann.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei einer derartigen Lasterkennung auch Lasten erkannt werden können, die nur geringfügige bzw. keine Amplitudenerhöhung der Belastungskurve der Energie- quelle hervorrufen, sondern nur eine Phasenverschiebung verursachen. Damit ist eine Nichterken- nung geringer Lasten ausgeschlossen. Ein wesentlicher Vorteil liegt auch darin, dass ein energie- einsparender Betrieb des Wechselrichters erreicht wird, da dieser im Leerlauf nur kurzzeitig für eine Lasterkennung aktiviert wird und somit die Leerlaufverluste ohne angeschlossener Last ver- ringert bzw. sehr klein gehalten werden. Damit wird ein energieeinsparender Betrieb des Wechsel- richters erreicht, sodass die Betriebsdauer für einen derartigen Inselwechselrichter, welcher mit einer Batterie betrieben wird, wesentlich erhöht wird.
Zusätzlich werden durch die primärseitige Lasterkennung die Leerlaufverluste reduziert, da ein einfacher Schaltungsaufbau mit wenigen Bau- elementen und somit mit geringen Leerlaufverlusten geschaffen wurde.
Weitere vorteilhafte Massnahmen sind in den Ansprüchen 2 bis 15 beschrieben. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind der Beschreibung zu entnehmen.
Weiters umfasst die Erfindung ein Lasterkennungssystem wie es im Anspruch 16 beschrieben ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird eigenständig auch durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruches 16 gelöst. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein derartiges Lasterkennungssystem für jeden aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichter eingesetzt werden bzw. bestehende Wech- selrichter umgerüstet oder nachgerüstet werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 17 bis 24 beschrieben. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind der Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird anschliessend durch Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltungsschema eines Wechselrichters mit dem erfindungsgemässen Laster- kennungssystem, in vereinfachter, schematischer Darstellung;
Fig. 2 eine Kennlinie der Ausgangsspannung des Wechselrichters nach Fig. 1, in verein- fachter, schematischer Darstellung;
Fig. 3 eine Kennlinie des Ausgangsstroms des Wechselrichters nach Fig. 1, in vereinfach- ter, schematischer Darstellung;
Fig. 4 eine Kennlinie der Eingangssignale des Wechselrichters nach Fig. 1, in vereinfachter, schematischer Darstellung;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schaltungsschemas eines Wechselrichters mit dem erfindungsgemässen Lasterkennungssystem, in vereinfachter, schematischer
Darstellung;
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel des Lasterkennungssystems für einen Wechselrichter nach
Fig. 1 oder 5, in vereinfachter, schematischer Darstellung;
Fig. 7 eine Kennlinie der Ausgangsspannung des Wechselrichters nach Fig. 1 oder 5, in vereinfachter, schematischer Darstellung;
Fig. 8 eine Kennlinie der Eingangssignale des Lasterkennungssystems nach Fig. 6, in ver- einfachter, schematischer Darstellung.
Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile der einzelnen Ausführungsbeispiele mit glei- chen Bezugszeichen versehen werden. Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen angegebenen Lageangaben sind bei einer Lageänderung sinngemäss auf die neue Lage zu übertragen.
In den Fig. 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters 1, insbesondere eines In- selwechselrichters, mit einem Lasterkennungssystem, sowie zeitlich verlaufenden Spannungs- und Stromsignalen dargestellt.
Der Wechselrichter 1 hat die Aufgabe eine aus einer Energiequelle 2 gelieferte Gleichspan- nung, beispielsweise eine Gleichspannung in der Höhe von 12V= oder 24V=, in eine Wechselspan- nung zum Versorgen einer Last 3, insbesondere einer Wechselspannungslast, mit einem Effektiv- wert von in etwa 230V-, umzuwandeln. Da eine derartige Versorgung der Last 3 mit einer Wech- selspannung von beispielsweise 230V- aus der Energiequelle 2, insbesondere einer Batterie 4 mit einer Gleichspannung von beispielsweise 12V=, dem Stand der Technik bereits bekannt ist, wird auf das Funktionsprinzip des Wechselrichters 1, insbesondere auf die Spannungserhöhung, nicht
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näher eingegangen.
Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wechselrichter 1 über Ein- gangsklemmen 5,6 und Versorgungsleitungen 7,8 mit der Energiequelle 2, insbesondere mit der Batterie 4, verbunden, wobei in die Versorgungsleitungen 7,8 schematisch ein Innenwiderstand 9 der Batterie 4 und ein Leitungswiderstand 10 der Versorgungsleitungen 7,8 eingezeichnet sind.
Beim Wechselrichter 1 sind der Einfachheit wegen nur die wichtigsten Komponenten darge- stellt. Der Wechselrichter 1 umfasst zur Übertragung von Energie einen Transformator 11, über welchen die sekundärseitige Last 3 galvanisch vom Primärstromkreis getrennt wird, und eine Brückenschaltung 12, insbesondere eine Vollbrücke, wobei in die Mittelpunkte der beiden Brücken- zweige eine Primärseite 13 des Transformators 11 geschaltet ist. Weiters ist in Serie zur Primär- wicklung bzw. Primärseite 13 des Transformators 11 eine Drossel angeordnet. An einer Sekundär- wicklung bzw. Sekundärseite 14 des Transformators 11 kann über Ausgangsklemmen 15,16 die Last 3 angeschlossen werden, wobei bei aktiviertem Wechselrichter 1 an den Ausgangsklemmen 15,16 eine Energieversorgung der Last 3 mit einer Wechselspannung von beispielsweise 230V- ermöglicht ist. Die Steuerung bzw.
Regelung des Wechselrichters 1, insbesondere der Brücken- schaltung 12, wird von einer Steuervorrichtung 17, insbesondere einer Mikroprozessorsteuerung, vorgenommen, wobei die Schaltelemente der Brückenschaltung 12 schematisch mit der Steuervor- richtung 17 verbunden sind. Die weiteren für ein derartiges System bzw. für einen derartigen Wechselrichter 1 benötigten Komponenten, wie beispielsweise Stützkondensatoren, Kurzschlusser- kennungsvorrichtungen usw., wurden nicht dargestellt.
Zwischen den Eingangsklemmen 5,6, also im Energieversorgungskreis der Primärseite 13 des Transformators 11, ist nunmehr ein erfindungsgemässes Lasterkennungssystem 18 angeordnet Das Lasterkennungssystem 18 wird durch eine Messschaltung 19 und eine Auswerteschaltung 20 gebildet. Dabei ist es auch möglich, dass die Auswerteschaltung 20 direkt in der Steuervorrichtung 17 integriert ist. Die Funktion des Lasterkennungssystems 18 wird anschliessend anhand der dar- gestellten Kurvendiagramme der Fig. 2 bis 4 beschrieben. Hierzu ist im Diagramm nach Fig. 2 eine an den Ausgangsklemmen 15, 16 anliegende sinusförmige Ausgangsspannung 21 und in Fig. 3 ein zwischen den Ausgangsklemmen 15,16 fliessender sinusförmiger Ausgangsstrom 22 im Leerlauf- fall, also ohne angeschlossener Last 3, dargestellt.
In Fig. 4 ist eine Eingangsspannung 23 bzw. die Spannung an der Batterie 4 dargestellt, welche an den Eingangsklemmen 5,6 von der Mess- schaltung 19 erfasst wird.
Durch einen derartigen Aufbau eines Inselwechselrichters, insbesondere des Wechselrichters 1, wird eine Lasterkennung, also eine Unterscheidung zwischen Leerlaufzustand ohne ange- schlossener Last 3 und belastetem Zustand mit angeschlossener Last 3 auf der Primärseite 13 des Transformators 11realisiert. Dadurch wird erreicht, dass - nicht wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist - eine auf der Sekundärseite 14 des Transformators 11 durchgeführte Lasterkennung, beispielsweise durch eine Strommessung an den Ausgangsklemmen 15,16, verwirklicht wird, sondern dass diese direkt auf der Primärseite 13 erfolgt.
Das aus dem Stand der Technik bekannte System hat nämlich den grossen Nachteil, dass ähnlich der galvanischen Trennung durch den Transformator 11 die Messsignale der Strommessung für die Steuervorrichtung 17 unter grossem Aufwand ebenso galvanisch getrennt auf die Primärseite 13 des Transformators 11, also zur Steu- ervorrichtung 17, übertragen werden müssen und somit erhebliche Kosten entstehen bzw. durch den hohen elektronischen Aufwand derartige Wechselrichter sehr empfindlich sind.
Wird der Wechselrichter 1 in Betrieb genommen, also die Energiequelle 2, insbesondere die Batterie 4, über die entsprechend angesteuerten Schaltelemente der Vollbrücke mit dem Wechsel- richter 1 verbunden, so erfolgt bei einer angeschlossen Last 3 eine entsprechende Versorgung der Last 3 mit einer Wechselspannung. Dabei wird von der Steuervorrichtung 17 die Brückenschaltung 12 derart angesteuert, dass durch gegengleiches Öffnen bzw. Schliessen der Schaltelemente auf- einanderfolgend eine gegenpolige Spannung an die Primärwicklung des Transformators 11gelegt wird. Dadurch kommt eine Energieübertragung auf die Sekundärseite 14 des Transformators 11 zustande und kann somit die Last 3 mit Energie versorgt werden. Auf das Funktionsprinzip wird nicht näher eingegangen, da jedes beliebige Steuer- bzw.
Regelverfahren für einen Wechselrichter 1 und/oder für die Brückenschaltung 12 eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäss ist nunmehr vorgesehen, dass primärseitig zum Transformator 11eine Last- erkennung für die an der Sekundärseite 14 angeschlossene Last 3 durchgeführt wird, d. h., dass
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vom Lasterkennungssystem 18 überprüft wird, ob an den Ausgangsklemmen 15,16 eine Last 3 angeschlossen ist oder nicht. Dabei ist es möglich, dass die Last 3 beispielsweise durch eine Glüh- lampe, Sparlampe oder einen sonstigen Wechselspannungsverbraucher gebildet ist und entweder direkt mit den Ausgangsklemmen 15,16 verbunden ist oder unter Zwischenschaltung einer Schalt- vorrichtung, wie beispielsweise einem Lichtschalter wahlweise von einem Benutzer an den Wech- selrichter 1 geschaltet werden kann.
Um eine entsprechende primärseitige Lasterkennung durchführen zu können, wird periodisch von der Steuervorrichtung 17 der Wechselrichter 1, insbesondere die Brückenschaltung 12, akti- viert, d. h., dass nach dem Aktivieren des Wechselrichters 1 zuerst eine Lasterkennung durchgeführt wird, sodass festgestellt werden kann, ob ein entsprechender Stromfluss im Ausgangskreis, also über die Ausgangsklemmen 15,16, stattfindet oder nicht. Wurde dabei keine Last 3 erkannt, so werden die Brückenschaltung 12 und die weiteren Komponenten des Wechselrichters 1 wieder deaktiviert und nach Ablauf einer festgelegten, voreinstellbaren Zeitdauer wird eine neuerliche Lasterkennung durchgeführt.
Die Zeitabstände für die periodische Aktivierung der Brückenschal- tung 12 und der weiteren nicht dargestellten Komponenten können vom Benutzer voreingestellt werden bzw. sind diese vom Hersteller voreingestellt und liegen bevorzugt in einem derartigen Be- reich, dass der Benutzer eine Verzögerung bei der Anschaltung der Last 3 an den Wechselrichter 1 nicht bemerkt. Durch eine derartige periodische, kurzzeitige Aktivierung kann eine erhebliche Ener- gieeinsparung erreicht werden, wodurch eine längere Betriebsdauer mit derselben Batterie 4 mög- lich ist.
Wird von der Steuervorrichtung 17 und dem Lasterkennungssystem 18 eine Lasterkennung durchgeführt, so entsteht aufgrund der Aktivierung des Wechselrichters 1, insbesondere der Brü- ckenschaltung 12, ein Strom- und Spannungsfluss vom positiven Potential der Energiequelle 2 in abwechselnden Richtungen über die Primärseite 13 des Transformators 11 und die Drossel zum negativen Potential der Energiequelle 2, wobei auch die entsprechende sinusförmige Ausgangs- spannung 21 und der entsprechende Ausgangsstrom 22 entstehen.
Die Messschaltung 19 überwacht dabei ständig bzw. kontinuierlich die Eingangsspannung 23 an den Eingangsklemmen 5,6, bzw. die Batteriespannung, wobei bei nicht aktivierter Brücken- schaltung 12 eine Ruhespannung 24, wie strichliert dargestellt, ohne wesentliche Störsignale bzw.
Spannungseinbrüche erfasst wird. Aufgrund einer induktiven Belastung des Wechselrichters 1 bzw. des Transformators 11 oder einer mit strichlierten Linien angedeuteten kapazitiven Belastung durch einen Kondensator entsteht bei aktivierter Brückenschaltung 12 ein entsprechender Span- nungsabfall an der Energiequelle 2. Weiters wird durch die induktive oder kapazitive Belastung eine Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom am Ausgang um in etwa 90 hervorgerufen, wie dies zu Zeitpunkten 25 bis 29 zwischen der Ausgangsspannung und dem Aus- gangsstrom ersichtlich ist. Demnach tritt bei der maximalen Spannungsamplitude gleichzeitig ein Stromnulldurchgang auf.
Durch den zusätzlichen ohmschen Innenwiderstand 9 der Batterie 4 und den Leitungswider- stand 10 der Versorgungsleitungen 7,8 auf der Primärseite 13 des Transformators 11 entsteht auch ein ohmscher Spannungsabfall an der Batterie 4, infolge einer Belastung derselben durch den Wechselrichter 1. Dabei ist es beispielsweise auch möglich, dass im Primärversorgungskreis des Transformators 11ein Vorwiderstand angeordnet wird, wodurch eine definierte Mindestbelas- tung erzielt werden kann. Insbesondere wird eine sinusähnliche Veränderung der Klemmenspan- nung bzw. eine sinusähnliche Ausgangskurve, insbesondere eine Leerlaufspannung 30, an der Batterie 4 bzw. an den Eingangsklemmen 5,6 bewirkt und gemessen, wobei diese eine zur er- zeugten Ausgangsspannung 21 doppelte Frequenz, beispielsweise von 100 Hz, aufweist.
Diese sinusähnlich schwankende Batteriespannung wird von der Messschaltung 19 an den Eingangs- klemmen 5,6 erfasst und an die Auswerteschaltung 20 weitergeleitet. Dazu ist es möglich, dass die Messschaltung 12 beispielsweise durch eine Widerstandsbrücke gebildet wird.
Der lastbedingte Spannungsabfall ist in Fig. 4 anhand der in vollen Linien dargestellten Leer- laufspannung 30 gegenüber der konstanten Ruhespannung 24 erkennbar. Durch die erfolgte Änderung von der Ruhespannung 24 auf die schwankende Leerlaufspannung 30 kann die Auswer- teschaltung 20 erkennen, dass eine Lasterkennung durchgeführt werden soll. Die Auswerteschal- tung 20 wertet nunmehr die entstehende Spannungsschwankung der Energiequelle 2 an den Eingangsklemmen 5,6 des Wechselrichters 11aus und zwar derart, dass zumindest zwei Span-
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nungswerte zu zumindest zwei unterschiedlichen Zeitpunkten 25 bis 29 bzw. Messpunkten, insbe- sondere zu den Zeitpunkten 26 und 27, ermittelt werden, worauf ein Vergleich mit hinterlegten Referenzwerten bzw. Sollwerten durchgeführt wird.
Dabei werden die Zeitpunkte 26 und 27 für die Ermittlung der Spannungswerte an die doppelte Frequenz zur Ausgangsspannung 21 abgestimmt, wodurch erreicht wird, dass aufgrund der gebildeten Leerlaufspannung 30 mit der doppelten Fre- quenz zur Ausgangsspannung 21 immer sichergestellt ist, dass zwei unterschiedliche Spannungs- werte ermittelt werden können und somit eine Sprungbewertung, also eine Minimum/Maximum Auswertung der Spannungsbelastung, durchgeführt werden kann. Selbstverständlich ist es mög- lich, dass zu mehreren Zeitpunkten 25 bis 29 eine Erfassung der Eingangsspannung, insbesondere der Spannungswerte der Batterie, durchgeführt wird.
Insbesondere beträgt die Messfrequenz zwischen aufeinanderfolgenden Messungen zur Ermitt- lung des Spannungsabfalles ein Vierfaches der Frequenz der Ausgangsspannung 21 des Wech- selrichters 1. Bevorzugt werden zwei aufeinanderfolgende Spannungsmessungen z. B. zu den Zeit- punkten 26 und 27 im Abstand von Pi/2 der Periodendauer der Ausgangsspannung 21 des Wech- selrichters durchgeführt, d. h. aufeinanderfolgende Spannungsmessungen werden innerhalb eine Zeitspanne, welche ein Viertel der Periodendauer der Ausgangsspannung 21 beträgt, vorgenom- men. Zudem wird auf eine Synchronisation der Messzeitpunkte mit den Nulldurchgängen oder den Scheitelwerten der Ausgangsspannung 21 oder auch des Ausgangsstromes 22 geachtet, um die Maximalwerte der Spannungseinbrüche der Batterie 4 ermitteln zu können.
Die Ermittlung der Eingangsspannungs-Istwerte, insbesondere der Spannungswerte, für den Vergleich mit den Referenzwerten kann derart erfolgen, dass ein Differenzwert, insbesondere eine Differenzspannung 31, der ermittelten Spannungswerte zu den festgelegten Messpunkten bzw. zu den Zeitpunkten 26,27 errechnet wird, welcher anschliessend von der Auswerteschaltung 20 mit einem festgelegten Referenzwert verglichen wird. Überschreitet nunmehr dieses Ergebnis einen vorgegebenen Schwellwert bzw. Referenzwert, so erkennt die Auswerteschaltung 20, dass eine Last 3 am Wechselrichter 1 angeschlossen ist und aktiviert den Wechselrichter 1 dauerhaft.
Selbst- verständlich ist es möglich, dass die Auswertung in Form von prozentuellen Abweichungen von einem Referenzwert durchgeführt wird, d. h., dass bei Überschreiten oder Erreichen einer festgeleg- ten prozentuellen Abweichung der Spannungseinbrüche an der Batterie 4 oder aber auch bei Über- bzw. Unterschreitung eines oberen und/oder oberen Schwellwertes wiederum eine Last 3 erkannt wird.
Es wird nunmehr angenommen, dass kein Verbraucher bzw. keine Last 3 am Wechselrichter 1 angeschlossen ist, wie auch die Bezeichnung Leerlaufspannung 30 aussagt, sodass von der Aus- werteschaltung 20 keine Abweichung bzw. nur eine geringfügige Abweichung, welche beispiels- weise aufgrund einer Widerstandsänderung der Batterie 4 oder von Streuverlusten des Transfor- mators 11 zustande kommt, vorhanden ist und somit keine Überschreitung des festgelegten Schwellwertes bzw. der prozentuellen Abweichung vorliegt. Die Auswerteschaltung 20 übersendet daraufhin ein Signal an die Steuervorrichtung 17, mit welchem dieser mitgeteilt wird, dass keine Last 3 an den Ausgangsklemmen 15,16 angeschlossen ist.
Die Steuervorrichtung 17 deaktiviert daraufhin die Brückenschaltung 20, wodurch eine unnötige Belastung der Batterie 4 vermieden und somit eine erhebliche Energieeinsparung erzielt wird.
Aktiviert ein Benutzer einen Verbraucher bzw. wird eine Last 3 an die Ausgangsklemmen 15, 16 angeschlossen, so erfolgt nach Ablauf der Stand-by-Phase des Wechselrichters 1 eine neuerli- che Lasterkennung, bei der nunmehr diese Last 3 von der Auswerteschaltung 20 erkannt wird Dies erfolgt derart, dass wie zuvor beschrieben, der Lasterkennungszyklus ausgeführt wird.
Aufgrund des sich nunmehr über die Last 3 ausbildenden Stromflusses, wird im Gesamtsystem des Wechselrichters 1 eine stärkere Strombelastung der Batterie 4 hervorgerufen. Dieser zusätzli- che Stromfluss tritt deshalb auf, da jeder Verbraucher bzw. jede Last 3 einen ohmschen oder induk- tiven oder kapazitiven Widerstand bzw. Wechselstromwiderstand aufweist, der zu einem entspre- chenden Stromfluss führt, der den Stromfluss im Vergleich zum Leerlaufzustand übersteigt. Das Anschliessen der Last 3 an den Ausgangsklemmen führt auch zu einem erhöhten Spannungsabfall an der Energiequelle 2. Dadurch wird eine höhere Belastung der Energiequelle 2, insbesondere der Batterie 4, erkannt, da ein stärkerer sinusähnlicher Einbruch der Eingangsspannung 23 an den Eingangsklemmen 5,6 auftritt. Diese Einbrüche sind in Fig. 4 in Form einer Lastspannung 32 verdeutlicht.
Die Auswerteschaltung 20 wertet wiederum zu den Zeitpunkten 26,27 die auftreten-
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den Spannungswerte aus und bildet wiederum eine Differenzspannung 33, insbesondere einen Differenzwert, welcher mit dem Soll- bzw. Referenz- oder Maximalwert verglichen wird.
Durch die Erhöhung der Gesamtbelastung und die damit einhergehende Steigerung des Diffe- renzwertes erfolgt eine Überschreitung dieses Differenzwertes über einen festgelegten Referenz- wert oder Schwellwert oder einer vorbestimmten prozentuellen Maximalabweichung, wodurch die Auswerteschaltung 20 die Last 3 am Ausgang des Wechselrichters 1 erkennt. Dieses Auswer- tungsergebnis wird über ein entsprechendes Signal an die Steuervorrichtung 17 weitergeleitet, worauf von der Steuervorrichtung 17 ein sogenannter Dauerbetrieb des Wechselrichters 1 einge- stellt wird, d. h., dass sämtliche Komponenten, insbesondere die Brückenschaltung 12, weiterhin aktiviert bleiben und somit eine Energieversorgung der Last 3 sichergestellt ist.
Durch ein derartiges Verfahren ist es nunmehr möglich, dass eine Lasterkennung auf der Pri- märseite 13 des Transformators 11 durchgeführt werden kann. Dadurch wird auch keine galva- nisch getrennte Rückführung der Signale bzw. der Messsignale an die Steuervorrichtung 17 benö- tigt und es ist weiters möglich, dass auch geringe Lasten 3 wie beispielsweise eine 15 Watt Spar- lampe von der Auswerteschaltung 20 erkannt werden können, da die Empfindlichkeit der Laster- kennung durch Verändern der Schwellwerte bzw. der prozentuellen, maximalen Abweichung eingestellt bzw. verändert werden kann.
Weiters hat sich in vorteilhafter Weise gezeigt, dass zur Inbetriebnahme des Wechselrichters 1 oder nach längerer Verwendung der gleichen Energiequelle 2, insbesondere der Batterie 4, ein Ab- gleichzyklus für die Ermittlung des Gesamtwiderstandes und somit der Referenzwert bzw. Sollwer- te oder Schwellwerte durchgeführt werden kann. Dieser Abgleichzyklus wird noch genauer erläu- tert.
Damit auch eine Deaktivierung des Verbrauchers bzw. eine Trennung der Last 3 erkannt wird, wird von der Auswerteschaltung 20 eine kontinuierliche Überwachung der Eingangsspannung 23 durchgeführt, d. h., dass beispielsweise in gewissen voreinstellbaren Zeitabständen eine neuerliche Auswertung der Differenzspannung 33, insbesondere des Differenzwertes, und ein anschliessender Vergleich mit dem Sollwert durchgeführt wird, sodass bei Unterschreiten des Referenzwertes bzw. der prozentuellen Abweichung erkannt werden kann, dass die Last 3 deaktiviert wurde und somit von der Steuervorrichtung 17 durch ein Signal von der Auswerteschaltung 20 der Dauerbetrieb wieder aufgehoben wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 wurde ein sogenannter Niederfrequenz - Wechselrichter 1 mit einer Frequenz der Ausgangsspannung von beispielsweise 50 Hz beschrie- ben.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters 1 gezeigt, bei dem nun- mehr ein Hochfrequenz - Wechselrichter 1 dargestellt ist, wobei für die gleichen Teile bzw. Bau- elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Die Funktion für die primärseitige Last- erkennung entspricht dabei der Funktionsbeschreibung zu den Fig. 1 bis 4. Das Lasterkennungs- system 18 ist wiederum mit den Eingangsklemmen 5,6 des Wechselrichters 1 verbunden.
Bei dem dargestellten Hochfrequenz - Wechselrichters 1 handelt es sich um einen aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichter 1, wodurch auf das Funktionsprinzip dieses Wechsel- richters 1 nicht näher eingegangen wird. Selbstverständlich ist es möglich, dass jeder beliebige Hochfrequenz- oder Niederfrequenz - Wechselrichter 1 mit dem erfindungsgemässen primärseitigen Lasterkennungssystem 18 ausgestattet werden kann.
Diesem Wechselrichter 1 ist wiederum eine Energiequelle 2, insbesondere eine Batterie 4 zu- geordnet, wobei diese nunmehr mit einem Hochfrequenz - Transformator 11, beispielsweise für eine Frequenz zwischen 20 bis 40 kHz, und einem Schaltelement 34 verbunden ist. Das Schalt- element 34 zerhackt die gelieferte Gleichspannung in eine hochfrequente Spannung, welche über den Transformator 11 auf die Sekundärseite 14 übertragen wird. Nachfolgend wird diese hochfre- quente Spannung gleichgerichtet und einer Brückenschaltung 12, insbesondere einer Vollbrücke, zugeführt. Die Ansteuerung des Schaltelementes 34 erfolgt in einer Art und Weise, dass die Span- nung im Zwischenkreis, also am Eingang der Brückenschaltung 12 möglichst konstant gehalten wird.
Von der Brückenschaltung 12 wird die gelieferte Spannung durch taktweises Öffnen und Schliessen zweier Schaltelemente an die in den Mittelpunkten des linken und rechten Brückenzwei- ges über die Ausgangsklemmen 15,16 angeschlossene Last 3 in Form einer Wechselspannung
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angelegt. Dabei ist es möglich, dass entsprechende Drosseln vorgeschaltet werden. Zwischen die beiden Ausgangsklemmen 15,16 wird nunmehr ein kapazitives Bauelement, insbesondere ein Kondensator 35, geschaltet, wodurch eine annähernd sinusförmige Wechselspannung am Aus- gang bzw. an die Last 3 angelegt bzw. übergeben werden kann.
Durch dieses kapazitive Bauele- ment, insbesondere durch den Kondensator 35, wird auch eine Phasenverschiebung, bevorzugt von ca. 90 , zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung erzeugt, sodass das ent- sprechende Steuer- und/oder Regelverfahren, wie es in den Fig. 1 bis 4 beschrieben ist, für das primärseitige Lasterkennungssystem 18 eingesetzt werden kann.
In den Fig. 6 bis 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemässe primärseiti- ge Lasterkennung dargestellt, wobei für die gleichen Teile bzw. Bauelemente gleiche Bezugszei- chen verwendet werden.
Dabei ist in Fig. 6 lediglich ein Ersatzschaltbild in Form eines Blockschaltbildes des Lasterken- nungssystems 18 gezeigt, welches mit den Eingangsklemmen 5,6 eines Wechselrichters 1 ver- bunden ist. In Fig. 7 ist ein Signalverlauf einer Ausgangsspannung 21 für eine Last 3 und in Fig. 8 ist ein Signalverlauf eines Messsignals, welches am Eingang der Auswerteschaltung 20 des Laster- kennungssystems 18 auftritt, dargestellt.
Das Lasterkennungssystem 18 weist wiederum die Messschaltung 19 auf, die nunmehr mit einem Verstärker 37, insbesondere einem Umkehrverstärker mit einem Hochpass, verbunden ist.
Der Verstärker 37 hat die Aufgabe, das von der Messschaltung 19 ausgewertete Eingangssignal, insbesondere die Eingangsspannung, wie in den zuvor beschriebenen Figuren, um einen festge- legten Wert zu verstärken und gleichzeitig mittels dem Hochpass den Gleichspannungsanteil auszu- filtern. Dadurch wird erreicht, dass die Auswerteschaltung 20 nur mehr die sinusähnliche Belas- tungskurve - gemäss Fig. 8 - auswerten muss.
Für die Lasterkennung an der Primärseite 13 des Wechselrichters 1 ist es wiederum möglich, dass, wie bereits in den zuvor beschriebenen Fig. 1 bis 5, an zumindest zwei Messpunkten, die durch relativ zur Ausgangsspannung 21 fixierte Zeitpunkte 25 bis 29 fixiert sind und insbesondere durch die Zeitpunkte 26,27 gebildet werden, das Eingangssignal gemessen bzw. die Ein- gangsspannungs-Istwerte ermittelt werden und über den Verstärker 37 verstärkt der Auswerte- schaltung 20 zugeführt werden. Die Auswerteschaltung 20 bildet einen Differenzwert der beiden gemessenen Spannungswerte und vergleicht diesen mit hinterlegten Referenzwerten oder einer prozentuellen Abweichung von einem festgelegten Wert oder einem Referenzwert und stellt da- durch fest, ob eine Last 3 am Ausgang des Wechselrichters 1 angeschlossen ist.
Insbesondere ist bei einem Überschreiten der Vergleichswerte bzw. des Referenzwertes eine Last 3 angeschlossen und wird somit ein Betrieb des Wechselrichters 1 eingeleitet oder bei gegenteiligem Ergebnis der aktive Betrieb beendet.
Weiters wird nunmehr ein weiteres Steuer- bzw. Regelverfahren für das Lasterkennungssys- tem 18 beschrieben, wobei hierzu die entsprechenden Signalverlaufe in Fig. 8 eingetragen sind.
Dieses Steuer- bzw. Regelverfahren eignet sich bevorzugt zum Erkennen von kleinen Lasten 3, wie beispielsweise einer sogenannten "Sparlampe" auf Leuchtstoffbasis.
Dazu wird nach dem Verstärker 37 oder direkt in den Verstärker 37 ein Tiefpass, welcher nicht dargestellt ist, angeordnet. Der Tiefpass bewirkt eine bestimmte Phasenverschiebung der gemes- senen Leerlaufspannung 30 bzw. der an den Eingangsklemmen 5,6 abgenommenen Spannung relativ zur Ausgangsspannung 21. Die Messpunkte, insbesondere die Zeitpunkte 26,27 für die Ermittlung der Istwerte der Spannung bzw. der Eingangsspannungs-Istwerte des verstärkten Ein- gangsignals werden jedoch beibehalten und sind auf die Ausgangsspannung 21, nämlich auf deren Extremwerte Null und Maximum, abgestimmt. Dadurch wird nun erreicht, dass sich eine geringere Differenzspannung 31 einstellt, sodass eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit der Laster- kennung erreicht wird.
Wird eine Last 3 an den Wechselrichter 1 angeschlossen, so tritt bei einer geringen Stromauf- nahme der Last 3 eine weitere Phasenverschiebung ein, wobei dazu eine Lastspannung 32 mit vollen Linien in Fig. 8 eingetragen ist. Diese Lastspannung 32 bewirkt dabei eine kaum messbare Spannungsbelastung an der Energiequelle 2, jedoch eine Phasenverschiebung zur Leerlaufspan- nung 30. Dies wirkt sich bevorzugt bei Lasten 3 aus, die kleine ohmsche Lasten 3 darstellen oder in ihrem Schaltkreis einen Gleichrichter aufweisen.
Zur Auswertung wird von der Auswertevorrichtung 20 wiederum zu den fix festgelegten Zeit-
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punkten 26,27, welche mit der Ausgangsspannung 21 synchronisiert bzw. abgestimmt sind, eine
Differenzspannung 33 ermittelt. Wie nun aus Fig. 8 deutlich ersichtlich, ist die ermittelte Differenz- spannung 33 der Lastspannung 32 zu den Zeitpunkten 26,27 wesentlich grösser als die Differenz- spannung 31 der Leerlaufspannung 30, so dass durch Vergleichen der beiden aufeinanderfolgend gemessenen Differenzspannungen 31,33 eine Lasterkennung möglich ist. Dazu kann wiederum eine prozentuelle Abweichung oder ein Referenzwertvergleich von der Auswerteschaltung 20 durchgeführt werden. Bevorzugt wird jedoch bei diesem Steuer- bzw. Regelverfahren ein Vergleich zweier aufeinanderfolgender Differenzwerte bzw.
Differenzspannungen 31 und 33 durchgeführt, sodass aufgrund einer entsprechenden Veränderung des Differenzwertes bzw. der Differenzspan- nung eine Lasterkennung festgestellt werden kann.
Der wesentlich Vorteil eines derartigen Steuer- bzw. Regelverfahren liegt darin, dass auch Las- ten 3 erkannt werden können, die nur eine geringfügige bzw. keine Amplitudenerhöhung der Belas- tungskurve der Energiequelle 2 hervorrufen, sondern nur eine Phasenverschiebung verursachen.
Damit ist eine Nichterkennung geringer Lasten 3 ausgeschlossen. Selbstverständlich ist es mög- lich, dass die beschriebenen Steuer- bzw. Regelverfahren gemäss den Fig. 1 bis 8 untereinander kombiniert werden können.
Damit eine primärseitige Lasterkennung einer Last 3 auf der Sekundärseite 14 eines Transfor- mators 11sichergestellt ist, kann vor der Inbetriebnahme des Wechselrichters 1 oder nach länge- rem Betrieb des Wechselrichters 1 oder längerer Einsatzdauer der Batterie 4 ein Abgleichverfahren durchgeführt werden. Dieses Abgleichverfahren hat die Aufgabe, die einzelnen Sollwerte bzw.
Referenzwerte für den Vergleich mit den gemessenen bzw. ermittelten Istwerten für die Auswerte- schaltung 20 anzupassen, wobei dazu der Wechselrichter 1 im Leerlauf, also ohne angeschlosse- ner Last 3 an der Sekundärseite 14 des Transformators 11, betrieben wird.
Der Vorteil des Abgleichverfahrens liegt darin, dass auf die einzelnen Zustände der Komponen- ten, insbesondere den Innenwiderstand 9 der Batterie 4 und den Leitungswiderstand 10 der Ver- sorgungsleitungen 7,8 sowie auf andere auf das Lasterkennungssystem 18 einwirkende ohmsche Widerstände Rücksicht genommen wird und somit eine sichere Erkennung auch bei kleinen Lasten 3 möglich ist. Es liegt nämlich in der Natur der Dinge, dass sich gewisse ohmsche Widerstände, wie beispielsweise der Innenwiderstand 9 der Batterie 4, nach längerem Einsatz verändern, sodass durch einen neuerlichen Abgleich des Wechselrichters 1 auf die neuen Zustände wiederum eine zuverlässige Lasterkennung möglich ist.
Hierzu kann beispielsweise der Benutzer durch Aktivieren eines am Gehäuse des Wechselrich- ters 1 ausgeführten Schaltelements jederzeit das Abgleichverfahren starten bzw. wird bei der Erst- inbetriebnahme des Wechselrichters 1 automatisch dieses Abgleichverfahren durchgeführt. Es muss nur sichergestellt werden, dass während dem Abgleichverfahren keine Last 3 am Wechselrich- ter 1 angeschlossen ist.
Beim Abgleichprozess wird von der Steuervorrichtung 17 oder der Auswerteschaltung 20 durch Start eines Abfragezykluses bzw. durch einen Messvorgang zum Erkennen einer Last 3, also durch Aktivieren der Brückenschaltung 12, ein Leerlaufwert, insbesondere die Differenzspannung 31, ermittelt. Diese bzw. deren Wert wird anschliessend in einem nicht flüchtigen Speicher hinterlegt, sodass die Auswerteschaltung 20 jederzeit diesen Wert für einen Vergleich mit einem ermittelten Eingangsspannungs-Istwert heranziehen kann, d. h., dass nunmehr dieser Leerlaufwert als Refe- renzwert bzw. Sollwert abgespeichert wird und entsprechend den eingesetzten Verfahren für den Vergleich mit einem Istwert die Berechnung aufgrund dieses ermittelten Sollwertes durchgeführt wird.
In den zuvor beschriebenen Fig. 1 bis 8 sind für den Abgleich der Auswerteschaltung 20 unterschiedliche Methoden, wie ein Schwellwertvergleich, eine prozentuelle Abweichung, eine Phasenverschiebung und ein einfache Soll-Istvergleich, beschrieben worden, wobei grundsätzlich erwähnt wird, dass diesen Methoden ein entsprechender Ausgangswert zugrunde liegt, der nun durch diesen ermittelten Leerlaufwert gebildet wird.
Dieses Abgleichverfahren hat weiters den Vorteil, dass die unterschiedlichsten Energiequellen 2, insbesondere Batterien 4 mit unterschiedlichen Innenwiderständen 9 berücksichtigt werden können. Eine werksmässige Festlegung des Referenzwertes oder Sollwertes bzw. der Einschalt- schwelle ist nämlich aufgrund verschiedener Innenwiderstände der Batterien 4 nicht sinnvoll. Es ist jedoch möglich, dass vom Hersteller für die unterschiedlichsten Batterien 4 unterschiedliche Refe- renzwerte festgelegten werden und der Benutzer bei der Inbetriebnahme des Wechselrichters 1 die
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entsprechende Batterietype einstellen muss und dann die Auswerteschaltung 20 auf den richtigen Referenzwert zugreifen kann.
Es ist auch möglich, dass die Auswerteschaltung 20 immer den zuletzt ermittelten Wert, insbesondere die Differenzspannung 31,33, speichert, worauf bei einem neuerlichen Erkennungszyklus von der Auswerteschaltung 20 dieser Wert für den Vergleich herangezogen wird, sodass bei entsprechender Abweichung eine Last 3 erkannt werden kann. Dazu ist es jedoch erforderlich, dass der Wechselrichter 1 im Leerlauf aktiviert wird bzw. das Abgleichverfahren am Beginn durchgeführt wird, um einen definierten Ausgangswert zu erhalten.
Es kann festgehalten werden, dass das Verhältnis zwischen der Differenzspannung 31 im Leerlauf und der Differenzspannung 33 mit einer Last 3 unabhängig von der angeschlossenen Energiequelle 2, insbesondere der Batterie 4, ist und damit auch eine primärseitige Lasterkennung ohne diesen Komponenten durchgeführt werden kann. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass durch die Einbeziehung der ohmschen Widerstände der Energiequelle 2 und der Versorgungsleitungen 7,8 eine exaktere Auswertung durchgeführt werden kann, d. h., dass dadurch auch Lasten 3 mit geringem elektrischen Leistungsbedarf sicher erkannt werden können. Das zuvor beschriebene Abgleichverfahren kann für jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden.
Abschliessend sei darauf hingewiesen, dass in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die einzelnen Teile bzw. Bauelemente oder Baugruppen schematisch bzw. vereinfacht dargestellt sind. Des weiteren können einzelne Merkmale der zuvor beschriebenen Merkmalskombinationen der einzelnen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit anderen Einzelmerkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen eigenständige, erfindungsgemässe Lösungen bilden.
Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1, 2,3, 4 ; 5 ; 6,7, 8 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen erfindungsgemässen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen erfindungsgemässen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
Bezugszeichenaufstellung
1 Wechselrichter
2 Energiequelle
3 Last
4 Batterie
5 Eingangsklemme
6 Eingangsklemme
7 Versorgungsleitung
8 Versorgungsleitung
9 Innenwiderstand
10 Leitungswiderstand
11 Transformator
12 Brückenschaltung
13 Primärseite
14 Sekundärseite
15 Ausgangsklemme
16 Ausgangsklemme
17 Steuervorrichtung
18 Lasterkennungssystem
19 Messschaltung
20 Auswerteschaltung
21 Ausgangsspannung
22 Ausgangsspannung
23 Eingangsspannung
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24 Ruhespannung 25 Zeitpunkt 26 Zeitpunkt 27 Zeitpunkt 28 Zeitpunkt 29 Zeitpunkt 30 Leerlaufspannung 31 Differenzspannung 32 Lastspannung 33 Differenzspannung 34 Schaltelement 35 Kondensator 36 Messsignal 37 Verstärker
PATENTANSPRÜCHE: 1.
Verfahren zum Erkennen einer an einen Wechselrichter bedarfsweise anschaltbaren Last, wobei der Wechselrichter von einer Energiequelle, insbesondere von einer Batterie, mit
Energie, insbesondere mit einer Gleichspannung, versorgt wird und vom Wechselrichter über eine Brückenschaltung und einen Transformator eine Umformung der zugeführten
Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Versorgen der an der Sekundärseite des
Transformators anschaltbaren Last vorgenommen wird, wobei für die Erfassung von Mess- signalen zumindest eine Messschaltung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Lasterkennungssystem eine an Eingangsklemmen des Wechselrichters entstehen- de Spannungsschwankung bzw. Belastung der Energiequelle erfasst bzw. ermittelt wird, wobei zu zumindest zwei festgelegten Zeitpunkten bzw.
Messpunkten jeweils ein Istwert der Eingangsspannung ermittelt und anschliessend ein Differenzwert gebildet wird, der mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten oder Unter- schreiten des Referenzwertes der Wechselrichter aktiviert oder deaktiviert wird.