Einphasen-Wechselrichter

Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, das einen DC-Eingang bei einer ausgewählten Spannung und Frequenz in einen AC-Ausgang umwandelt, ein Prozess, der als DC-AC-Umwandlung bezeichnet wird. Wechselrichter werden beispielsweise häufig an der Schnittstelle zwischen Solarzellen und dem Stromnetz eingesetzt, wo der von der Solarzelle erzeugte Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden muss, um mit dem Netz kompatibel zu sein. Sie sind auch in unterbrechungsfreien Stromversorgungen unerlässlich, die Energie in einer Batterie speichern, aber 120 Volt 60 Hertz Strom für Computer erzeugen müssen. Ein Wechselrichter funktioniert, indem er seinen DC-Eingang in eine Reihe von Impulsen zerlegt, um eine oszillierende Welle zu erzeugen. Abhängig von der Menge der Filterung kann es sich bei dem Ausgang um eine Rechteckwelle, eine Pseudosinuswelle oder eine Sinuswelle handeln. In diesem Video werden die Grundprinzipien eines einfachen Wechselrichters vorgestellt und seine Funktionsweise in einer einfachen Schaltung demonstriert.

Der Eingang eines Wechselrichters ist eine konstante Gleichspannung. Eine Wechselrichterschaltung umfasst elektronische Schalter wie Metalloxid-Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren mit isoliertem Gate oder siliziumgesteuerte Gleichrichter, die von einem Taktgeber oder Frequenzgenerator gesteuert werden. Wenn das Taktsignal einen Schalter einschaltet, wird der DC-Eingang abgehackt oder seine Polarität vertauscht. Dieser Vorgang wird als Kommutierung bezeichnet. Durch wiederholtes Zerkleinern entsteht eine Reihe von Impulsen oder Rechteckwellen. Da die Taktperiode die Pulsfrequenz bestimmt, ändert sich durch Ändern der Steuerfrequenz des Wechselrichters die Ausgangsfrequenz entsprechend. Eine Art des Schaltens, die als Pulsweitenmodulation bezeichnet wird, erzeugt einen Strom von Impulsen mit unterschiedlichen Breiten, die gefiltert werden können, um sich einer Sinuswelle anzunähern. Die Pulsweitenmodulation ist wünschenswert, da Maschinen und elektrische Geräte oft Strom mit sinusförmig variierender Spannung benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Für die vielen Wechselrichter-Topologien, wie z.B. H-Brücken-, Drehstrom- und Multilevel-Wechselrichter, ist der Halbbrücken-Wechselrichter ein grundlegender Baustein. Der Halbbrückenwechselrichter in diesem vereinfachten Diagramm legt seine Gleichstromversorgung V über zwei identische Kondensatoren in Reihe an, die als Spannungsteiler fungieren. Da die Kondensatoren den gleichen Wert haben, haben sie die gleiche Spannung an ihren Anschlüssen und der Knoten zwischen ihnen befindet sich bei V in/2. Dieser Punkt ist die AC-Masse für die Last. Der Halbbrücken-Wechselrichter verwendet zwei in Reihe geschaltete Schalter und zwei nicht überlappende oder phasenverschobene Takte, um den Knoten zwischen ihnen abwechselnd mit V in und null Volt zu verbinden. Um einen Kurzschluss der Gleichstromversorgung zu vermeiden, muss ein Schalter ausgeschaltet werden, bevor sich der andere einschaltet. Die Last wird von dem Punkt zwischen den beiden Schaltern bis zum Punkt zwischen den beiden Kondensatoren verbunden. Wenn Schalter A eingeschaltet und Schalter B ausgeschaltet ist, ist die Last mit V in verbunden und hat eine positive Spannung von 1/2 V in relativ zur AC-Masse. Wenn Schalter A ausgeschaltet und Schalter B eingeschaltet ist, ist die Last mit null Volt verbunden und hat eine negative Spannung von 1/2 V relativ zur AC-Masse. Während sich dieser Schaltvorgang wiederholt, hat die Last abwechselnd eine positive und eine negative Spannung mit einer Amplitude von 1/2 V in. In diesem einfachen Fall handelt es sich bei der Wechselspannung um eine Rechteckwelle. Nachdem nun die Grundlagen eines einphasigen Wechselrichters erläutert wurden, demonstrieren wir das Gerät, indem wir einen Gleichstrom-Wechselstrom-Halbbrückenwechselrichter mit Rechteckschaltung bauen und dann seinen Betrieb beobachten.

Konfigurieren Sie zunächst Generatoren mit zwei Funktionen, um 10-Kilohertz-Rechteckwellen zu erzeugen, die von 0 bis 10 Volt mit einer Einschaltdauer von 48 % oszillieren. Synchronisieren Sie die Ausgänge so, dass sie um 180 Grad phasenverschoben zueinander sind. Jeder Funktionsgenerator steuert unabhängig voneinander einen der beiden Feldeffekttransistor-Schalter des Halbbrücken-Wechselrichters. Die Rechteckwelle schaltet den Transistor ein, wenn der Ausgang hoch ist, und schaltet ihn aus, wenn der Ausgang niedrig oder null Volt ist. Da die Einschaltdauer 48 % beträgt, sind die restlichen 2 % der Periode Totzeit zwischen den Einschaltzuständen der beiden Transistoren. Während dieser Zeit sind die Ausgänge beider Signalgeneratoren niedrig, wodurch ein gleichzeitiges Leitverhalten der Transistoren verhindert und ein Kurzschluss der Gleichstromversorgung vermieden wird. Verbinden Sie einen Kanal eines Oszilloskops mit dem Ausgang jedes Funktionsgenerators. Bestätigen Sie dann, dass die Rechteckwellen die erwartete Amplitude, Frequenz und Einschaltdauer haben. Die beiden Rechteckwellen müssen auch entgegengesetzte Phasen haben, so dass eine hoch und die andere niedrig ist. Erfassen Sie den Bildschirm des Zielfernrohrs zum späteren Nachschlagen. Schalten Sie die Ausgänge der Funktionsgeneratoren aus, lassen Sie die Generatoren jedoch eingeschaltet. Stellen Sie abschließend die Gleichstromversorgung auf positive 15 Volt ein, schließen Sie sie jedoch nicht an eine Schaltung an und schalten Sie sie dann aus.

Bauen Sie die Halbbrücken-Wechselrichterschaltung auf und verwenden Sie einen 51-Ohm-Widerstand für den Lastwiderstand, R-Last. Verbinden Sie bei ausgeschalteter Gleichstromversorgung den Ausgang mit dem Wechselrichtereingang VDC. Schließen Sie eine Differenzialsonde über die R-Last an, um den V-Ausgang zu messen, und schließen Sie dann eine reguläre Oszilloskopsonde zwischen dem High-Out, dem siebten Pin, und Masse an. Legen Sie die Skalierung des Oszilloskops auf 10x und die Skalierung des Probes auf 20x fest. Skalieren Sie alle Messungen entsprechend. Zeichnen Sie die Skalierung von Tastkopf und Oszilloskop auf, um später fehlende Faktoren zu berücksichtigen. Verbinden Sie den Ausgang eines Funktionsgenerators mit dem High-In, Pin 10, und steuern Sie das Schalten des oberen Transistors. Verbinden Sie die Masse des Funktionsgenerators mit der gemeinsamen Masse der Schaltung. Verbinden Sie den Ausgang des anderen Funktionsgenerators mit dem Low-In-Ausgang, der Pin 12 ist, und steuern Sie das Schalten des unteren Transistors. Verbinden Sie die Masse des anderen Funktionsgenerators mit der gemeinsamen Masse der Schaltung. Erfassen Sie die Wellenformen bei High-Out und V-Out und messen Sie die Ausgangsspannung, Amplitude und Frequenz. Notieren Sie die Strom- und Spannungsmesswerte an der Gleichstromversorgung. Wiederholen Sie die Messungen mit einer Eingangsfrequenz von fünf Kilohertz und beobachten Sie die Differenz in der AC-Ausgangswellenform. Schalten Sie abschließend die Gleichstromversorgung aus und trennen Sie die Funktionsgeneratoren vom Stromkreis.

Die Ausgangsspannung dieses Halbbrücken-Wechselrichters ist eine Rechteckwelle mit einer Amplitude von 1/2 VDC und einer gewissen Totzeit, wodurch die Ausgangsspannung für etwa 4 % der Schaltzeit Null ist. Rechteck-Wechselrichter haben eine hohe harmonische Gesamtverzerrung und werden in realen Anwendungen nur selten eingesetzt. Sie sind jedoch die Bausteine vieler fortschrittlicherer Wechselrichter mit besseren Schaltschemata, wie z. B. der sinusförmigen Pulsweitenmodulation. Diese ausgefeilteren Methoden reduzieren nicht nur die gesamte harmonische Verzerrung, sondern erleichtern auch die Filteranforderungen für unerwünschte Oberschwingungen in der AC-Ausgangsspannung.

Wechselrichter werden häufig an der Schnittstelle zwischen verfügbarem Gleichstrom und Wechselstromanwendungen, Geräten und Maschinen eingesetzt. Große Strahlen von Solarzellen produzieren heute in vielen Gebieten Strom und tragen zum lokalen Stromnetz bei. Solarzellen erzeugen jedoch Gleichstrom, und Wechselrichter werden verwendet, um ihn in Wechselstrom mit der richtigen Spannung und Frequenz für das Netz umzuwandeln. Viele Geräte nutzen Wechselstrom, aber nicht mit der festen Frequenz von 120 Volt RMS und 60 Hertz der Hauptversorgung. Die Rotordrehzahl eines Induktionsmotors hängt beispielsweise von der Frequenz des Stroms ab, der ihn antreibt. Frequenzumrichter nutzen die AC/DC-Wandlung, um interne Gleichstromversorgung zu erzeugen. Wechselrichter wiederum nutzen diese Gleichstrom, um Wechselstrom mit einstellbarer Spannung und Frequenz zu erzeugen, der die Steuerung der Drehzahl und des Drehmoments des Induktionsmotors ermöglicht.

Sie haben gerade die Einführung von Jove in einphasige Wechselrichter gesehen. Sie sollten nun die Grundlagen der DC-AC-Wandlung verstehen und wissen, wie die Frequenz des AC-Ausgangs durch Ändern der Schaltfrequenz angepasst werden kann. Danke fürs Zuschauen.