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Die Erfindung bezieht sich auf eine Umschaltvorrichtung zur wahlweisen Versorgung einer Last aus einem übergeordneten Verteilnetz oder aus einer lokalen Energieversorgungsanlage. Die lokale Energieversorgungsanlage umfasst einen Wechselrichter mit spannungsstellender Funktion, der befähigt ist ein lokales Inselnetz aufzubauen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Nachrüstsatz mit einer Umschaltvorrichtung für eine lokale Energieversorgungsanlage und ein Verfahren zur Umschaltung einer Energieversorgung einer Last.
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Insbesondere betrifft die Erfindung sogenannte Notstrom-, Ersatzstrom oder Backup-Systeme, die netzgekoppelte Energieversorgungsanlagen bei Netzausfall absichern, d.h. zumindest einen Teil der angeschlossenen Lasten, beispielsweise nach vorgegebenen Prioritäten, bei Netzausfall weiter versorgen zu können. Dazu sind eine Reihe an Schalthandlungen auszuführen, beispielsweise die Netztrennung, das Aufstarten eines Netzbildners und dessen Aufschaltung auf die Versorgungsleitungen. Des Weiteren muss der Zustand des Netzes überwacht werden, um beispielsweise bei Rückkehr des Netzes eine Synchronisation der lokalen Erzeuger einzuleiten und um die Anlage wieder mit dem Netz verbinden zu können. Diese und viele weitere Anforderungen sind zu erfüllen, wobei deren Erfüllung in verschiedenen Ländern in unterschiedlichsten Richtlinien, Normen und Standards reguliert ist.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung kleinere Ersatzstromanlagen, mit denen nur wenige Lasten versorgt werden sollen. Solche Ersatzstromanlagen kommen insbesondere in Netzen zum Einsatz, die eine hohe Stabilität besitzen, was bedeutet, dass sie zu mehr als 90% der Zeit störungsfrei die Versorgung der Lasten gewährleisten. Umgekehrt bedeutet dies, dass derart vorgehaltene Ersatzstromanlagen zwar dauernd betriebsbereit gehalten werden, aber nur sehr selten zum Einsatz kommen. Üblicherweise umfasst die Ersatzstromanlage, meist der enthaltene Wechselrichter, eine Steuerung, die sowohl den Zustand des Netzes überwacht als auch die Schalter zur Umschaltung von Netzbetrieb auf Ersatzstrombetrieb angesteuert.
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Zur Umschaltung können im Ruhezustand offene Schalter (sog. normal-geöffnete Schalter, engl. „normally-open“) oder im Ruhezustand geschlossene Schalter (sog. normal-geschlossene Schalter, engl. „normally-closed“) verwendet werden.
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Meist werden aus Sicherheitsgründen im Ruhezustand offene Schalter verwendet, oft integriert in den Wechselrichter wie in 1 dargestellt. Diese Lösung bringt aber den Nachteil mit sich, dass dieser Schalter in stabilen Netzen zu 98% oder mehr der Zeiten aktiv geschlossen gehalten werden muss, was einen erheblichen Energiebedarf verursacht. Zusätzlich muss der Schalter in dieser Konfiguration für die volle Stromtragfähigkeit aller angeschlossenen Lasten ausgelegt sein, wobei der Schalter auch für den Fall eines Kurzschlusses noch sicher funktionieren muss. Diese Anforderungen machen die in 1 gezeigte bekannte Konfiguration aufwändig und teuer. Dies wiegt umso schwerer bei kleinen Anlagen, wo beispielsweise nur ein Verbraucher für den Netzfehlerfall, der zudem nur extrem selten vorkommt, abgesichert werden soll.
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Daher besteht Bedarf nach Umschaltvorrichtungen für Ersatzstromanlagen, insbesondere in stabilen Netzen, die klein und kostengünstig ausgeführt werden können und auch im Bereitschaftsmodus (stand-by Betrieb) wenig Kosten verursachen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Umschaltvorrichtung aufzuzeigen, die kompakt und wenig aufwändig ausgeführt ist, kostengünstig im Unterhalt ist und die sich auch nachträglich noch in bestehende Installationen einfügen lässt.
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Eine erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung weist die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 auf. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung dient zur wahlweisen Versorgung mindestens einer Last aus einem Netz oder aus einem bidirektionalen Wechselrichter. An den bidirektionalen Wechselrichter kann beispielsweise eine Batterie oder auch eine Brennstoffzelle angeschlossen sein und er kann mit einer spannungsstellenden Funktion ausgestattet sein, d.h. er kann befähigt sein, ein lokales Inselnetz auszubauen.
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Die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung umfasst einen Eingang mit einem Netz-Neutralleiteranschluss und einem Netz-Außenleiteranschluss zum Anschluss an das Netz, einen ersten Ausgang mit einem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss und einem Wechselrichter-Außenleiteranschluss zum Anschluss des bidirektionalen Wechselrichters, sowie einen zweiten Ausgang mit einem Last-Neutralleiteranschluss und einem Last-Außenleiteranschluss zum Anschluss der Last. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung ein Schaltorgan, dessen Ansteuerung mit einem Ansteuerungseingang der Umschaltvorrichtung verbunden ist. Das Schaltorgan umfasst einen ersten und einen zweiten normal-geschlossenen Kontakt und einen normal-geöffneten Kontakt, wobei der erste normal-geschlossene Kontakt einen ersten netzseitigen Anschluss und einen ersten wechselrichterseitigen Anschluss aufweist und der zweite normal-geschlossene Kontakt einen zweiten netzseitigen Anschluss und einen ersten lastseitigen Anschluss aufweist und der normal-geöffnete Kontakt einen zweiten wechselrichterseigen Anschluss und einen zweiten lastseitigen Anschluss besitzt. Der Netz-Außenleiteranschluss ist mit dem ersten netzseitigen Anschluss und dem zweiten netzseitigen Anschluss verbunden, der Wechselrichter-Außenleiteranschluss ist mit dem ersten wechselrichterseitigen Anschluss und dem zweiten wechselrichterseitige Anschluss verbunden, und der Last-Außenleiteranschluss ist mit dem ersten lastseitigen Anschluss und dem zweiten lastseitigem Anschluss verbunden.
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Sofern eine allpolige Trennung im Netzfehlerfall nicht normativ vorgeschrieben ist, kann der Neutralleiteranschluss direkt mit dem Last-Neutralleiteranschluss und dem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss verbunden sein. In diesem Fall kommt die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung mit nur drei Kontakten aus, die in gebräuchlichen kostengünstigen Relais oder Schützen integriert erhältlich sind.
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Die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung mit den beiden normal-geschlossenen Kontakten und dem einen normal-geöffneten Kontakt benötigt in dem Falle, dass die Versorgung aus dem übergeordneten Verteilnetz erfolgen kann, keine Energieversorgung. Im unbestromten (nicht geschalteten) Grundzustand des Schaltorgans ist die Versorgung der Verbraucher aus dem Netz über den zweiten normal-geschlossenen Kontakt gewährleistet, und der Wechselrichter ist über den ersten normal-geschlossenen Kontakt an das Netz angeschlossen. Nur wenn das übergeordnete Netz ausfällt und die Versorgung der an die Umschaltvorrichtung angeschlossenen Verbraucher durch den ebenfalls an die Umschaltvorrichtung angeschlossenen Wechselrichter erfolgen soll, wird das Schaltorgan bestromt, so dass die normal-geschlossenen Kontakte geöffnet und der normal-geöffnete Kontakt geschlossen werden. Durch diese Schalthandlungen entsteht ein vom übergeordneten Netz abgetrenntes lokales Netz, in dem der Wechselrichter die angeschlossenen Lasten versorgen kann. Das bedeutet, dass die Umschalteinrichtung, beziehungsweise deren Schaltorgan, nur im seltenen Fall einer Netzstörung oder eines Netzausfalles Energie verbraucht. Damit ist die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung insgesamt energieeffizierter und kostengünstiger als bisher bekannte Umschaltvorrichtungen.
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Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich durch die Verwendung von normal-geschlossenen Kontakten zur Trennung vom übergeordneten Netz. Bei der im Stand der Technik geläufigen Lösung, wie in 1 skizziert, kann der normal-geöffnete Trennschalter im Falle einer Störung am Wechselrichter nicht weiter angesteuert werden und wird somit geöffnet. Dadurch werden auch bei korrekt funktionierendem Verteilnetz die Lasten nicht versorgt. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung kann zwar bei einer Störung am Wechselrichter bei Netzausfall keine Trennung erfolgen und selbstverständlich auch keine Notstromversorgung durch den Wechselrichter. Bei stabilem Netz können die Lasten aber weiter versorgt werden, da die normal-geschlossenen Kontakte keine Ansteuerung benötigen, um geschlossen zu bleiben.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Umschalten einer Energieversorgung einer Last mittels einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung ermittelt der angeschlossene bidirektionale Wechselrichter einen Netzzustand und stellt bei einem kritischem Netzzustand ein Ansteuersignal für den Ansteuerungseingang bereit, so dass das Schaltorgan betätigt wird und dadurch die normal-geschlossenen Kontakte geöffnet und der normal-geöffneten Kontakt geschlossen wird. Der angeschlossene bidirektionale Wechselrichter startet sodann auf und stellt an seinem Wechselrichter-Außenleiteranschluss eine Spannung bereit, die über den nun geschlossenen normal-geöffneten Kontakt an den Last-Außenleiteranschluss und an die angeschlossenen Lasten ausgegeben wird.
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Unter einem kritischen Netzzustand sollen hier alle Zustände verstanden werden, die keine korrekte Funktion der angeschlossenen Lasten erlauben.
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Das Schaltorgan kann beispielsweise als Relais ausgeführt sein, es kann sich aber auch um ein Schütz mit oder ohne Rückmeldekontakte handeln. Die Schaltkontakte können in einem Schaltorgan integriert sein oder auf mehrere einzeln ansteuerbare Schaltorgane aufgeteilt sein.
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Der Ansteuerungseingang der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung kann mit dem bidirektionalen Wechselrichter verbunden sein, so dass die Ansteuerung des Schaltorgans direkt von dem Wechselrichter ausgelöst werden kann. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn der angeschlossene Wechselrichter auch die Netzzustandsüberwachung übernimmt. Prinzipiell kann die Netzzustandsüberwachung auch von einer anderen externen Steuerung übernommen werden, die bei kritischem Netzzustand dann das Schaltorgan ansteuert und den angeschlossenen Wechselrichter zum Aufstarten und Bilden eines lokalen Inselnetzes anweist.
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Durch den kompakten Aufbau der Umschaltvorrichtung kann diese zum Einbau in einen Verteilerkasten einer Hausinstallation oder zum Einbau in ein Wechselrichtergehäuse ausgeführt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Umschaltvorrichtung ferner Energieversorgungsanschlüsse zum Anschluss einer weiteren Energiequelle auf. Bei der weiteren Energiequelle kann es sich bevorzugt um eine erneuerbare, lokale Energiequelle, wie eine vor Ort installierte Photovoltaikanlage handeln. Alternativ oder zusätzlich können andere lokale Energiequellen über die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung in die lokale Installation integriert werden und besonders vorteilhaft im Netzfehlerfall zusätzlich in das lokale Inselnetz einspeisen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Umschaltvorrichtung Teil eines Nachrüstsatzes, mit dem eine Anlage zur Versorgung einer Last im Falle eines kritischem Netzzustandes ertüchtigt werden kann. Die Anlage weist dabei Zuleitungen zu der zu versorgenden Last auf. Durch Zwischenschaltung der Umschaltvorrichtung in die Zuleitungen zu der Last und Anschluss eines bidirektionalen Wechselrichters mit spannungsstellender Funktion an die Umschaltvorrichtung kann auf einfache, kompakte und kostengünstige Weise nachträglich eine Notstromversorgung einer Last installiert werden. Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung erweist sich hier, dass durch eine Ausführung als kompakte, vom Wechselrichter getrennte Einheit die Dimensionierung der Stromtragfähigkeit der enthaltenen Schalter passend zu der Anlage bzw. der zu versorgenden Lasten gewählt werden kann und sogar nachträglich ohne großen Aufwand abgeändert werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Heranziehung von Zeichnungen beschrieben, aus denen sich, in Zusammenschau mit den Merkmalen der Ansprüche, weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer lokalen Energieversorgungsanlage nach dem Stand der Technik und
- 2 eine beispielhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit angeschlossenen Komponenten.
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1 zeigt eine lokale Energieversorgungsanlage mit einem Wechselrichter 29 und daran angeschlossene Batterie 26, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. An einen Netz-Außenleiteranschluss 6 ist ein Außenleiter eines übergeordneten Netzes 4 angeschlossen. In den Wechselrichter 29 ist ein Schalter 27 integriert, der zur Trennung des Außenleiters dient. Im Falle einer Netzstörung wird der Schalter 27 geöffnet und die Lasten 3, eine lokale Energiequelle 24 / 25 und der Wechselrichter 29 mit angeschlossener Batterie 26 sind vom Netz 4 getrennt. Der Wechselrichter 29 kann ein lokales Netz aufbauen und die Lasten 3 versorgen. Die lokale Energiequelle bestehend aus einem Generator 25 mit Wechselrichter 24 kann sich zuschalten und Energie in das das lokale Netz 28 einspeisen.
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Der Schalter 27 ist als normal-geöffneter Schalter ausgeführt, was bedeutet, dass für das geschlossen-Halten dieses Schalters 27 zu allen Zeiten, in denen das Netz 4 störungsfrei verfügbar ist, Energie aufgewendet werden muss. Auch in Fällen, in denen das Netz 4 störungsfrei verfügbar ist, der Wechselrichter 29aber nicht funktionsfähig wäre, wird der Schalters 27 geöffnet und damit die Lasten 3 nicht versorgt. Dies ist nachteilig, insbesondere in sehr stabilen Netzen 4.
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Zudem fließt der gesamte Strom vom Netz in die Batterie 26 und umgekehrt, vom Photovoltaikgenerator 25 zum Netz 4 und vom Netz 4 zu den Lasten 3 über den Schalter 27, der daher für den maximal möglichen Strom ausgelegt sein muss. Dies kann dazu führen, dass hier sehr leistungsfähige und damit teure Schalter eingesetzt werden müssen.
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2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 1. Das Energieversorgungsnetz 4 ist als dreiphasiges Netz mit Außenleiter L1, L2, L3 und Neutralleiter N ausgeführt. Beispielhaft ist nur der Außenleiter L1 und der Neutralleiter N an den Eingang der Umschaltvorrichtung 1 an einem Netz-Außenleiteranschluss 6 und einem Netz-Neutralleiteranschluss 5 angeschlossen. An die Außenleiter L2, L3 können weitere Lasten 21 angeschlossen sein, die im Falle eines Netzausfalles jedoch zumindest nicht von über die Umschaltvorrichtung 1 versorgt werden.
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An einem ersten Ausgang der Umschaltvorrichtung 1 ist ein bidirektionaler Wechselrichter 2 an einen Wechselrichter-Neutralleiteranschluss 7 und einen Wechselrichter-Außenleiteranschluss 8 angeschlossen. An den bidirektionalen Wechselrichter 2 ist eine Batterie 26 angeschlossen. Die Batterie 26 kann aus dem Netz 4 und/oder aus einer lokalen Energiequelle, hier einem Photovoltaikgenerator 25, geladen werden.
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An einen zweiten Ausgang der Umschaltvorrichtung 1 ist eine Last 3 an einen Last-Neutralleiteranschluss 9 und einen Last-Außenleiteranschluss 10 angeschlossen. Die Last 3 kann mehrere Teilasten, z.B. einzelne Verbraucher umfassen und soll im Falle einer Netzstörung oder eines Netzausfalles weiter versorgt werden.
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Im Beispiel ist an einen PV-Außenleiteranschluss 22 und einen PV-Neutralleiteranschluss 23 eine weitere Energiequelle angeschlossen, die einen PV-Wechselrichter 24 und einen Photovoltaikgenerator 25 umfasst.
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Die Umschaltvorrichtung 1 weist ein Schaltorgan 11 mit zwei normal-geschlossenen Kontakten 11a, 11b und einem normal-geöffneten Kontakt 11c auf. Der erste normal-geschlossene Kontakt 11a weist einen ersten netzseitigen Anschluss 12 und einen ersten wechselrichterseitigen Anschluss 14 auf, der zweite normal-geschlossene Kontakt 11b weist einen zweiten netzseitigen Anschluss 13 und einen ersten lastseitigen Anschluss 15 auf und der normal-geöffnete Kontakt 11c weist einen zweiten wechselrichterseitigen Anschluss 16 und einen zweiten lastseitigen Anschluss 17 auf. Der Außenleiteranschluss 6 ist mit dem ersten netzseitigen Anschluss 12 und dem zweiten netzseitigen Anschluss 13 verbunden, der Wechselrichter-Außenleiteranschluss 8 ist mit dem ersten wechselrichterseitigen Anschluss 14 und dem zweiten wechselrichterseitigen Anschluss 16 verbunden und der Last-Außenleiteranschluss 10 ist mit dem ersten lastseitigen Anschluss 15 und dem zweiten lastseitigen Anschluss 17 verbunden. Der Neutralleiteranschluss 5 ist direkt mit dem Last-Neutralleiteranschluss 9, dem Wechselrichter-Neutralleiteranschluss 7 und dem PV-Neutralleiteranschluss 23 verbunden, was in vielen Ländern, die keine allpolige Trennung vom Netz 4 normativ fordern, eine mögliche und besonders wenig aufwändige Ausführungsform darstellt. Hierdurch benötigt das Schaltorgan 11 nur drei Kontakte.
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Eine Ansteuerung 19 des Schaltorganes 11 ist es mit einem Ansteuerungseingang 18 der Umschaltvorrichtung 1 verbunden. An den Ansteuereingang kann ein Ansteuersignal angelegt werden, so dass das Schaltorganes 11 anzieht, d.h. die normal-geschlossenen Kontakte geöffnet und der normal-geöffneten Kontakt geschlossen werden. Eine Steuerung (nicht gezeigt), die sich im angeschlossenen Wechselrichter 2 befinden kann, ermittelt mittels einer beispielsweise am Außenleiteranschluss 6 angebrachten Sensorik (nicht gezeigt) einen Netzzustand und stellt bei einem kritischem Netzzustand das Ansteuersignal für den Ansteuerungseingang 18 bereit. Dadurch werden die normal-geschlossenen Kontakte 11a, 11b geöffnet und die Verbindung des Außenleiteranschlusses 6 mit den Außenleiteranschlüssen 8, 9 und 22 wird unterbrochen. Gleichzeitig oder leicht verzögert danach schließt der normal-geöffnete Kontakt 11c, so dass der Wechselrichter-Außenleiteranschluss 8 mit dem Last-Außenleiteranschluss 10 verbunden wird. Der Wechselrichter 2 startet im spannungsstellenden Betrieb auf und stellt ein lokales Netz 28, das zur Versorgung der Last 3 geeignet ist. Der PV-Wechselrichter 24 ist über seinen Außenleiteranschluss 22 ebenfalls mit dem zweiten lastseitigen Anschluss 17 verbunden, erkennt nun das wiederkehrende (vom Wechselrichter 2 gestellte) Netz, synchronisiert sich damit und kann anschließend in das lokale Netz 28 einspeisen. Mit dieser zusätzlichen Energie können sowohl angeschlossene Lasten 3 versorgt werden als auch in die Batterie 26 eingespeist werden.
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Vorteilhaft kann die Umschaltvorrichtung 1 auch Energiezähler (nicht gezeigt) enthalten, die an den Außenleiteranschlüssen 6, 8, 9 und 22 die jeweiligen Energieflüsse erfassen und an eine Steuerung (nicht gezeigt) weiterleiten, die diese Daten verarbeitet und /oder ebenfalls weiterleitet.
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Besonders vorteilhaft kann die Umschaltvorrichtung 1 in Zuleitungen L1 und N einer bestehenden Installation zu einer Last 3 eingesetzt werden, indem die Zuleitungen aufgetrennt und an den Außenleiteranschlüssen 5, 6 und 9, 10 der Umschaltvorrichtung 1 angeschlossen werden. So ist es möglich, eine bestehende Installation um eine Backup- oder Notstrom-Funktion zu erweitern. Da die Umschaltvorrichtung 1 klein und kompakt ausgeführt werden kann, kann sie beispielsweise in einen Hausverteilerkasten integriert werden. Nur zum Anschluss des Wechselrichters 2 müssen gegebenenfalls neue Leitungen verlegt werden. Auch die Nachrüstung mit einer lokalen Energiequelle 25 ist leicht möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umschaltvorrichtung
- 2,29
- Wechselrichter
- 3
- Last
- 4
- Netz
- 5 -10, 12- 18, 22, 23
- Anschluss
- 11
- Schaltorgan
- 11a, 11b, 11c
- Kontakte
- 19
- Ansteuerung
- 21
- Lasten
- 24
- Wechselrichter
- 25
- Photovoltaikgenerator
- 26
- Batterie
- 27
- Schalter
- 28
- lokales Netz
