Einschaltstrombegrenzer für kleine PV-Wechselrichter: Dreiphasiger 400-V-AC-Eingangsschutz für zuverlässigen Betrieb

Key Takeaways

• Die TPS-ICL-3P-Serie von TPS elektronik ist ein spezialisierter Einschaltstrombegrenzer (ICL) für Dreiphasensysteme mit 25 A Nennstrom, IP20-Schutz und einem breiten Betriebstemperaturbereich von −40 °C bis 70 °C.
• Durch die Umsetzung eines Zwei-Stufen-Konzepts „Strombegrenzung auf der Eingangsseite + Schutz auf der Ausgangsseite“ mit der TPS-ICL-3P-Serie lässt sich der Einschaltstrom wirksam begrenzen, was die Betriebsstabilität des Wechselrichters und das Verhalten beim Netzanschluss verbessern kann.
• Dank kompakter Bauform mit geringer Bauhöhe und schmaler Breite eignet sich die TPS-ICL-3P-Serie besonders für platzkritische Anwendungen in Steuerschränken von Freifeld-PV-Anlagen.
• Die Serie unterstützt hochverdichtete Installationen und den Einsatz in dicht belegten Schaltschränken, indem sie industrielle Zuverlässigkeit mit einer kleinen, platzsparenden Bauform für industrielle und gewerbliche Anwendungen kombiniert.
• Ein grundlegendes Verständnis von Einschaltstrom und der Funktionsweise von Einschaltstrombegrenzern ist entscheidend, um die Leistung und Lebensdauer von PV-Wechselrichtern in rauen Außenumgebungen zu optimieren.

Einleitung

Der globale Wandel hin zu erneuerbaren Energien beschleunigt die Verbreitung von Photovoltaik-Systemen. Kleinere Wechselrichter im Bereich von 10–30 kW bilden das Rückgrat vieler Wohn-, Gewerbe- und kleiner Industrieanwendungen. Sie wandeln den Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom um, der mit dem dreiphasigen 400-V-AC-Netz kompatibel ist.

Eine zentrale Herausforderung für den zuverlässigen Betrieb dieser Systeme ist jedoch der Einschaltstromstoß beim Start und Netzanschluss.

Was ist Einschaltstrom – und warum ist er ein Problem?

Einschaltstrom (oder Einschaltstromstoß) bezeichnet den kurzzeitigen, deutlich erhöhten Strom, der fließt, wenn ein elektrisches Gerät eingeschaltet oder an eine Spannungsquelle angeschlossen wird. In PV-Wechselrichtern wird dieses Phänomen vor allem durch das Laden großer Eingangskondensatoren im DC-Zwischenkreis verursacht.

Diese Kondensatoren stabilisieren die Zwischenkreisspannung. Beim Netzanschluss sind sie zunächst entladen und verhalten sich für einen kurzen Moment wie ein nahezu kurzgeschlossener Pfad. Beim Aufladen auf die Nennspannung fließt ein hoher Strom, bis ein stationärer Zustand erreicht ist. Bei 10–30-kW-Wechselrichtern kann dieser Einschaltstrom das 10- bis 20-Fache des Nennbetriebsstroms erreichen (z. B. 250–500 A bei einem 25-A-Wechselrichter) und dauert typischerweise von Mikrosekunden bis Millisekunden.

AC-Einschaltstrom in Dreiphasensystemen

In dreiphasigen 400-V-AC-Systemen ist das Verhalten komplexer als in einphasigen Anwendungen. Idealerweise wird der Strom gleichmäßig auf alle drei Phasen verteilt. In der Praxis führen jedoch Phasenunsymmetrien, Spannungstransienten oder eine asymmetrische Kondensatorladung zu unsymmetrischen Einschaltströmen.

Die Folgen können sein:

• überproportionale Belastung einzelner Phasen

• erhöhtes Risiko von Komponentenausfällen

• Fehlauslösungen von Schutzgeräten

• Störungen im Wechselrichterbetrieb und beim Netzanschluss

Folgen eines nicht begrenzten Einschaltstroms

Wird der Einschaltstrom nicht kontrolliert, treten typischerweise folgende Effekte auf:

• Häufige Neustarts
  Wechselrichter verfügen über einen Überstromschutz (OCP), der bei zu hohen Strömen abschaltet. Einschaltstromspitzen können diese Schutzfunktionen auslösen, was zu wiederholten Neustarts und verminderter Energieausbeute führt.

• Beschleunigter Komponentenverschleiß
  Wiederholte Stromstöße belasten Kondensatoren, Relais und Halbleiterbauteile (z. B. IGBTs) und verkürzen deren Lebensdauer. Dies kann höhere Wartungsaufwände nach sich ziehen.

• Netzanschlussprobleme
  Hohe Einschaltströme können Spannungseinbrüche oder Oberschwingungen im Netz verursachen. Das kann den Anschlussbedingungen des Netzbetreibers widersprechen und zu Beanstandungen oder Einschränkungen führen.

• Sicherheitsrisiken
  Extreme Stromspitzen können lokale Überhitzung verursachen, was in ungünstigen Fällen zu Isolationsschäden oder Brandgefahr in engen Schaltschränken führen kann.

Die Rolle von Einschaltstrombegrenzern (ICLs) in PV-Wechselrichtern

Ein Einschaltstrombegrenzer (ICL) – auch Anlaufstrombegrenzer genannt – ist eine spezielle Schutzeinrichtung, die transiente Einschaltströme beim Start begrenzt und so ein sicheres Erreichen des stationären Betriebszustands ermöglicht. In dreiphasigen Anwendungen wie PV-Wechselrichtern wird typischerweise ein dedizierter Dreiphasen-Einschaltstrombegrenzer eingesetzt, da Stromspitzen auf allen drei Phasen gleichzeitig beherrscht werden müssen.

Grenzen traditioneller Methoden

Klassische Methoden zur Begrenzung des Einschaltstroms umfassen:

• Reihenwiderstände
  Sie begrenzen den Einschaltstrom, wandeln dabei aber erhebliche Energie in Wärme um, was den Wirkungsgrad reduziert und oft den Einsatz großer Kühlkörper erfordert.

• NTC-Heißleiter
  Sie regulieren ihren Widerstand selbsttätig, reagieren aber vergleichsweise langsam, sind stark von der Umgebungstemperatur abhängig und altern mit der Zahl der Einschaltvorgänge. Für hochleistungsfähige Systeme, die mehrmals täglich starten und stoppen (z. B. bei Bewölkung oder Netzereignissen), sind sie daher nur eingeschränkt geeignet.

Moderne Einschaltstrombegrenzer

Moderne ICLs wie die TPS-ICL-3P-Serie von TPS elektronik sind so konzipiert, dass sie:

• eine wirksame Strombegrenzung während des Einschaltvorgangs bieten,

• die Verlustleistung im Dauerbetrieb minimieren und

• häufige Schaltzyklen unterstützen.

Vereinfacht ausgedrückt fügt ein ICL beim Einschalten eine kontrollierte Impedanz in den Stromkreis ein. Dadurch wird der Stromanstieg begrenzt. Sobald die Einschaltphase beendet ist, geht die Impedanz in einen sehr niedrigen Wert über, sodass der Nennstrom mit geringen Verlusten fließen kann.

Für dreiphasige 400-V-AC-PV-Wechselrichter sollte ein geeigneter ICL insbesondere:

• dreiphasenkompatibel sein und eine ausgeglichene Strombegrenzung auf allen Phasen ermöglichen,

• hohe Einschaltstromspitzen (typ. bis 500 A in dieser Leistungsklasse) beherrschbar machen,

• einen breiten Temperaturbereich für den Einsatz in Außenanlagen abdecken,

• eine kompakte Bauform für enge Steuerschränke bieten und

• die Einhaltung einschlägiger Normen für Überspannungs- und Netzanschlussanforderungen unterstützen.

TPS-ICL-3P-Serie: Dreiphasiger Einschaltstrombegrenzer für kompakte PV-Steuerschränke

TPS elektronik hat die TPS-ICL-3P-Serie speziell entwickelt, um die Einschaltstromherausforderungen von 10–30-kW-Dreiphasen-PV-Wechselrichtern zu adressieren. Die Serie kombiniert leistungsfähige Einschaltstrombegrenzung mit einer kompakten Bauform für platzkritische Steuerschränke.

Wichtige Merkmale und Spezifikationen

• Nennstrom: 25 A – passend zu vielen 10–30-kW-Wechselrichter-Eingängen

• Einschaltstrombegrenzung: Begrenzung von Einschaltstromspitzen auf bis zu ≤ 100 A (abhängig von der Konfiguration), sodass die Ströme im sicheren Bereich der Wechselrichterkomponenten bleiben

• Betriebstemperaturbereich: −40 °C bis 70 °C für den Einsatz in sehr kalten und sehr warmen Umgebungen

• Schutzart: IP20 – Fingerschutz gegen feste Fremdkörper ≥ 12 mm bei gleichzeitiger Luftzirkulation zur Kühlung

• Schnelle Reaktion: Ansprechzeit < 1 ms während Einschaltereignissen

Die TPS-ICL-3P-Serie verfügt über ein kompaktes Gehäuse mit geringer Bauhöhe, schmaler Breite und geringer Einbautiefe. Sie ist damit besonders geeignet für:

• platzkritische Anwendungen,

• dicht belegte Steuerschränke und

• hochverdichtete Installationen in PV-Kraftwerken.

Langlebigkeit und Lebensdauer

Die Serie wird aus Materialien und Komponenten gefertigt, die gegen:

• thermische Zyklen,

• Vibrationen und

• Feuchtigkeit

ausgelegt sind. Die Verwendung von Halbleiterbauteilen ohne bewegliche Teile reduziert mechanischen Verschleiß und unterstützt eine lange Servicelebensdauer, die auf die typischen Lebensdauern von PV-Systemen ausgerichtet ist.

Zwei-Stufen-Schutzkonzept: Eingangsseitige Begrenzung + nachgeschalteter Schutz

Ein hochwertiger Einschaltstrombegrenzer ist ein zentraler Baustein, aber optimaler Schutz für PV-Wechselrichter wird durch ein ganzheitliches Zwei-Stufen-Konzept erreicht:

Stufe 1 – Eingangsseitige Strombegrenzung mit TPS-ICL-3P

Stufe 2 – Nachgeschalteter Schutz für Reststöße und Langzeitbelastungen

Stufe 1: Einschaltstrombegrenzung am 3-Phasen-400-V-AC-Eingang

Die TPS-ICL-3P-Serie wird am 3-Phasen-400-V-AC-Eingang des Wechselrichters installiert, üblicherweise direkt nach dem Haupttrennschalter.

Funktionsprinzip:

1. Startphase
   Beim Einschalten erkennt die TPS-ICL-3P den schnellen Stromanstieg und schaltet eine kontrollierte Impedanz zu. Dadurch wird der Einschaltstrom auf ein definiertes Niveau (z. B. 2–3-facher Nennstrom) begrenzt und der Ladevorgang der Kondensatoren verlangsamt.

2. Übergang in den Dauerbetrieb
   Sobald die Kondensatoren geladen sind (innerhalb von Millisekunden), geht die Impedanz in einen sehr niedrigen Wert über. So kann der volle Nennstrom mit geringen Verlusten (typ. ≤ 0,5 W pro Phase) fließen.

3. Dreiphasen-Ausgleich
   Die Auslegung unterstützt eine gleichmäßige Stromverteilung auf alle drei Phasen, was besonders bei leicht unsymmetrischen Netzbedingungen vorteilhaft ist.

Die Begrenzung des Einschaltstroms reduziert das Risiko, dass der OCP des Wechselrichters bereits beim Start anspricht, und verringert die elektrische Belastung von Eingangskondensatoren, Relais und Halbleiterbauteilen.

Stufe 2: Nachgeschalteter Schutz

Nach der TPS-ICL-3P-Serie übernehmen zusätzliche Komponenten den Schutz vor Reststößen und langfristigen Effekten:

• Überspannungsableiter (SPD) – begrenzen Spannungstransienten (z. B. durch Blitz oder Schalthandlungen im Netz)

• Thermische Überlastrelais – bieten Rückfallebene bei anhaltenden Überströmen

• EMV-Filter – reduzieren elektromagnetische Störungen und unterstützen die Einhaltung einschlägiger EMV-Normen (z. B. EN 61000-6-3)

Die Kombination aus eingangsseitiger Strombegrenzung und nachgeschaltetem Überspannungs- und Überstromschutz ergibt ein abgestuftes Schutzkonzept für den Wechselrichter.

Platzeffizienz: Lösung für knapp bemessene Steuerschränke

Steuerschränke für Freifeld-PV-Anlagen sind oft kompakt und dicht bestückt – mit Wechselrichtern, Schutzgeräten, Zählern und Kommunikationsmodulen. Platzeffizienz ist daher ein zentrales Auswahlkriterium.

Die TPS-ICL-3P-Serie wurde mit Blick auf diese Anforderungen entwickelt:

• geringe Bauhöhe (typisch ≤ 30 mm),

• schmale Baubreite pro Phase (≤ 45 mm) und

• geringe Einbautiefe (≤ 60 mm) für flache Schränke.

Typische Einsatzszenarien:

• Schränke mit strengen Platzbegrenzungen, in denen jeder Millimeter zählt

• hochverdichtete Installationen mit vielen Komponenten auf engem Raum

• Nachrüstung bestehender PV-Anlagen mit bereits gut gefüllten Schaltschränken

Die Hutschienen-/DIN-Schienen-Montage ermöglicht eine schnelle, werkzeugarme Installation in unterschiedlichen Ausrichtungen und erleichtert die Integration in neue und bestehende Layouts.

Im Vergleich zu klassischen Lösungen mit großen Kühlkörpern oder separaten Gehäusen kann die TPS-ICL-3P-Serie den benötigten Bauraum für den Einschaltstromschutz deutlich reduzieren.

Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen

PV-Wechselrichter werden in sehr unterschiedlichen Klimazonen eingesetzt – von kalten Regionen bis hin zu heißen Wüstenstandorten. Die TPS-ICL-3P-Serie ist für diese Bedingungen ausgelegt.

Wesentliche Aspekte:

• Breiter Betriebstemperaturbereich (−40 °C bis 70 °C)
  Hochtemperaturbeständige Kunststoffe und Metalllegierungen behalten ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften über den gesamten Bereich. Komponenten sind für wiederholte thermische Zyklen dimensioniert, um z. B. Lötstellenermüdung zu minimieren.

• IP20-Schutz
  Auch in wettergeschützten Außenschränken kann es zu Kondensation oder Staubablagerungen kommen. IP20 hilft, berührbare leitfähige Teile vor größeren Fremdkörpern zu schützen und gleichzeitig eine ausreichende Luftzirkulation für die Wärmeabfuhr zu ermöglichen.

• Vibrationsbeständigkeit
  Auf Masten, Dächern oder bodenmontierten Gestellen installierte Schränke sind oft windbedingten Vibrationen ausgesetzt. Die TPS-ICL-3P-Serie wird nach relevanten Normen (z. B. IEC 60068-2-6) auf Vibrationsbeständigkeit geprüft.

Das robuste Design mit Halbleiterkomponenten ohne bewegliche Teile reduziert Verschleiß und unterstützt eine hohe Zyklenzahl über die geplante Lebensdauer des Systems.

Einhaltung von Normen und Netzanschlussanforderungen

Netzanschluss- und Sicherheitsstandards legen Grenzwerte für Einschaltströme, Überspannungen und Schutzmaßnahmen fest. Die TPS-ICL-3P-Serie ist so ausgelegt, dass sie die Einhaltung zentraler Normen unterstützt, zum Beispiel:

• IEC 61000-4-5 – Störfestigkeit gegen Stoßspannungen

• IEEE 1547 – Anschluss dezentraler Erzeugungsanlagen an das Stromnetz (DER)

• EN 62109 – Sicherheit von Stromrichtern für PV-Energiesysteme

Je nach Systemdesign und Zielmarkt kann die TPS-ICL-3P-Serie in Anlagen eingesetzt werden, die von Prüfstellen wie TÜV, UL und im Rahmen der CE-Konformität bewertet werden. Dies erleichtert die Zulassung im Gesamtsystem und kann die Time-to-Market für Hersteller und Systemintegratoren verkürzen.

Hinweis: Die konkrete Zertifizierungssituation der jeweiligen Produktvariante sollte stets aktuell geprüft werden, bevor verbindliche Aussagen in Datenblättern oder Marketingunterlagen getroffen werden.

Praktische Anwendungen: Fallstudien

Die folgenden Beispiele sind Projekterfahrungen; tatsächliche Werte hängen immer vom konkreten Systemdesign und den Randbedingungen ab.

Fallstudie 1: 20-kW-Gewerbeanlage in Südeuropa

Eine 20-kW-Gewerbeanlage in Spanien verzeichnete häufige Wechselrichter-Neustarts – teilweise bis zu fünf Mal täglich während der Spitzenstunden. Die Anlage nutzte zunächst einen dreiphasigen 400-V-AC-Wechselrichter ohne dedizierten Einschaltstromschutz. Gemessene Einschaltstromspitzen lagen bei etwa 350 A und lösten regelmäßig den Überstromschutz des Wechselrichters aus, was die Energieausbeute spürbar reduzierte.

Nach der Integration der TPS-ICL-3P-Serie als Teil eines Zwei-Stufen-Schutzkonzepts wurden die Einschaltstromspitzen in diesem Projekt auf rund 80 A reduziert, also deutlich unterhalb des OCP-Schwellwerts. Die Anzahl der Neustarts ging deutlich zurück, und der Betreiber berichtete über eine höhere effektive Energieausbeute. Der kompakte Footprint ermöglichte die Nachrüstung im vorhandenen Steuerschrank ohne größere mechanische Anpassungen.

Fallstudie 2: 30-kW-Industrieanlage in Nordeuropa

Eine 30-kW-Industrie-PV-Anlage in Schweden erfüllte zunächst nicht die Vorgaben des lokalen Netzbetreibers, da der Einschaltstrom die Grenze von 120 A für 25-A-Geräte überschritt. Die tiefen Wintertemperaturen (bis −25 °C) verstärkten zudem die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Komponenten.

Nach dem Einbau der TPS-ICL-3P-Serie wurden in diesem System Einschaltstromspitzen von etwa 95 A gemessen und die Anlage erfüllte die Vorgaben des Netzbetreibers. Die breite Temperaturklassifizierung unterstützte den zuverlässigen Betrieb während der Wintermonate. Die geringe Bauhöhe der Geräte erleichterte die Integration in einen bereits dicht belegten Schaltschrank mit Mess- und Kommunikationstechnik.

Auswahl des richtigen Einschaltstrombegrenzers: Wichtige Kriterien

Bei der Auswahl eines Einschaltstrombegrenzers für dreiphasige PV-Wechselrichter sollten insbesondere folgende Punkte geprüft werden:

• Phasenkompatibilität
  Einsatz eines dedizierten Dreiphasen-Einschaltstrombegrenzers statt adaptierter Einphasenlösungen. Die TPS-ICL-3P-Serie ist für den dreiphasigen Betrieb ausgelegt.

• Nennstrom
  Anpassung des Nennstroms an den Betriebsstrom des Wechselrichters (z. B. 25 A für viele 10–30-kW-Geräte). Eine Überdimensionierung kann den Schutz abschwächen, eine Unterdimensionierung zu Überlastung führen.

• Einschaltstromtragfähigkeit
  Die Fähigkeit des Begrenzers, den erwarteten Spitzeneinschaltstrom (oft 10–20 × Nennstrom) zu beherrschen. Die TPS-ICL-3P-Serie ist für Spitzenströme bis zu 500 A (abhängig von der Variante) ausgelegt.

• Temperaturbereich
  Der zulässige Betriebstemperaturbereich sollte die zu erwartenden Schranktemperaturen vor Ort abdecken. Der Bereich von −40 °C bis 70 °C der TPS-ICL-3P-Serie deckt die meisten Klimazonen ab.

• Platzverhältnisse
  Kompakte Bauformen mit niedriger Bauhöhe und schmaler Breite sind für enge Steuerschränke von Vorteil. Die kleine Grundfläche der TPS-ICL-3P-Serie eignet sich besonders für dicht belegte Schränke.

• Normen und Zertifizierungen
  Unterstützung der relevanten regionalen und internationalen Normen und die Einbindung in zertifizierte Gesamtsysteme (z. B. TÜV in Europa, UL in Nordamerika).

Wer diese Kriterien berücksichtigt, kann einen Einschaltstrombegrenzer auswählen, der den Wechselrichter wirksam schützt und sich zugleich gut in das Gesamtsystem integrieren lässt.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Was ist Einschaltstrom und warum ist er ein Problem in PV-Wechselrichtern?
Einschaltstrom ist eine kurzzeitige Stromspitze, die beim Einschalten eines Geräts auftritt. In PV-Wechselrichtern wird er vor allem durch das schnelle Laden von Kondensatoren verursacht und kann das Vielfache des Nennstroms erreichen. Unbegrenzter Einschaltstrom kann Schutzfunktionen auslösen, Komponenten belasten und das Netzanschlussverhalten beeinträchtigen.

Was ist ein Einschaltstrombegrenzer (ICL) und wie funktioniert er?
Ein ICL ist eine Schutzeinrichtung, die beim Start eine definierte Impedanz in den Stromkreis einfügt, um den Einschaltstrom zu begrenzen. Nach der Einschaltphase wird diese Impedanz auf einen sehr niedrigen Wert reduziert, sodass der Nennstrom mit geringen Verlusten fließen kann.

Warum ist ein Dreiphasen-Einschaltstrombegrenzer für PV-Wechselrichter notwendig?
Dreiphasige PV-Wechselrichter ziehen Einschaltstrom über alle drei Leiter. Ein dedizierter Dreiphasen-ICL ist so ausgelegt, dass er die Ströme auf allen Phasen begrenzt und damit phasenspezifische Überlastungen reduziert und die Einhaltung von Netzanschlussanforderungen unterstützt.

Wie passt die TPS-ICL-3P-Serie in platzkritische Anwendungen?
Die TPS-ICL-3P-Serie besitzt eine kompakte Bauform mit geringer Bauhöhe, schmaler Breite und geringer Tiefe. Dadurch eignet sie sich sehr gut für hochverdichtete Installationen und PV-Steuerschränke mit begrenztem Bauraum.

Kann die TPS-ICL-3P-Serie bei extremen Temperaturen betrieben werden?
Ja. Die TPS-ICL-3P-Serie ist für einen Betriebstemperaturbereich von −40 °C bis 70 °C ausgelegt und wird für den Einsatz in rauen Außenumgebungen getestet – von kalten Wintern bis zu heißen Sommern, sofern die Montage entsprechend den Herstellerangaben erfolgt.

Fazit: TPS-ICL-3P – Eine praxisorientierte Lösung für kleine dreiphasige PV-Wechselrichter

Der Markt für kleine PV-Wechselrichter im Bereich von 10–30 kW verlangt robuste, platzsparende Lösungen, um Einschaltstromstöße an dreiphasigen 400-V-AC-Eingängen zu beherrschen. Die TPS-ICL-3P-Serie von TPS elektronik bietet hierfür einen praxisorientierten Ansatz, indem sie leistungsfähige dreiphasige Einschaltstrombegrenzung mit einer kompakten Bauform für enge Steuerschränke kombiniert.

Mit dem Zwei-Stufen-Konzept „Strombegrenzung auf der Eingangsseite + Schutz auf der Ausgangsseite“ können PV-Systemdesigner unnötige Neustarts deutlich reduzieren, die Bauteilbelastung verringern und die Einhaltung relevanter Normen und Anschlussbedingungen unterstützen. Der Nennstrom von 25 A, IP20-Schutz und der Betriebstemperaturbereich von −40 °C bis 70 °C machen die TPS-ICL-3P-Serie für viele Umgebungen geeignet; die kompakte Bauform erleichtert die Integration in dicht belegte Steuerschränke.

Während der Ausbau erneuerbarer Energien weiter voranschreitet, bleibt die Zuverlässigkeit von PV-Wechselrichtern ein entscheidender Faktor für den Projekterfolg. Die TPS-ICL-3P-Serie stellt eine technisch fundierte und bauraumoptimierte Lösung für den Einschaltstromschutz kleiner dreiphasiger PV-Wechselrichter dar – und unterstützt Systemintegratoren, Hersteller und Betreiber dabei, Verfügbarkeit zu erhöhen und Stillstandszeiten zu verringern, ohne wertvollen Schaltschrankplatz zu vergeuden.