Wechselrichterschaltungen – Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom

0. Inhalt dieses Artikels

• Halbbrücken- und Vollbrückentopologien zur Erzeugung von ein- und dreiphasigem Wechselstrom aus einem Gleichstromzwischenkreis.

• Wie sinusförmige und raumzeigerbasierte Pulsweitenmodulation (PWM) eine mittlere Spannung erzeugen.

• Steuerung, Verluste, Totzeit, elektromagnetische Störungen (EMI) und Schutz in Motoren, PV-Systemen und Elektrofahrzeugen.

1. Was ist ein Wechselrichter?

Ein Wechselrichter ist ein Leistungswandler, der eine Gleichstromquelle schnell schaltet und mithilfe von Filtern oder der Motorinduktivität Wechselstrom erzeugt. Ein idealer Schalter schaltet lediglich eine Spannung ein oder aus; er erzeugt keine direkte Sinuswelle. Pulsbreite, Schaltfrequenz und Phase werden so gesteuert, dass die Last die gewünschte Grundkomponente sieht.

2. Eingänge, Ausgänge und Topologien

Eingänge sind beispielsweise eine Batterie, ein Gleichrichter oder ein Photovoltaik-Gleichstromzwischenkreis (z. B. V_{dc}). Eine einphasige Vollbrücke verwendet vier Schalter; eine dreiphasige Zwei-Level-Brücke sechs. Das gleichzeitige Einschalten der oberen und unteren Geräte führt zu einem Kurzschluss des Zwischenkreises, wodurch eine Totzeit entsteht. NPC-, T-, Multilevel- und modulare Multilevel-Schaltungen verteilen die Spannung bei hohen Spannungen und Leistungen auf die Geräte.

3. PWM-Mathematik: Zuerst die Spannungsanschlüsse definieren

Bezogen auf die negative Gleichspannungsschiene schaltet eine ideale Halbbrücke im Mittelpunkt zwischen 0 und V_{dc}. Ist der obere Schalter für einen Bruchteil D der Periode T_s eingeschaltet, beträgt der Mittelwert \bar v_{a-}=D V_{dc}. Diese auf die Schiene bezogene Spannung unterscheidet sich von der Spannung an einer Wechselstromlast.

Eine einphasige Vollbrücke mit bipolarer PWM schaltet die Lastspannung zwischen +V_{dc} und -V_{dc}. Wenn der positive Zustand den Anteil D einnimmt,

ist der Mittelwert bei D=0.5 null, bei D>0.5 positiv und bei D<0.5 negativ. Die Wahl von D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2 ergibt einen Mittelwert von mV_{dc}\sin(\omega t) im linearen Bereich 0\le m\le1. Hierbei ist m der Modulationsindex und \omega die Grundkreisfrequenz.

Bei einer 48-V-Gleichspannung ergibt D=0.75 einen Periodenmittelwert von 24 V; D=0.25 ergibt −24 V. Die momentane Schaltspannung bleibt bei ±48 V. Dies sind beispielhafte Berechnungen mit einer Schaltfrequenz, die deutlich über der Grundfrequenz liegt.

In Dreiphasensystemen ist zwischen Phasenspannung und Strangspannung zu unterscheiden. Die Induktivität unterdrückt hochfrequente Stromwelligkeit, ohne abrupte Spannungsspitzen oder Gleichtaktströme zu eliminieren. Siehe die Schalt- und Modulationsdiagramme in Imperix's Single-Phase Inverter Note.

4. Grundlegende Architektur

Durchgezogene Pfeile führen Strom; gestrichelte Pfeile führen Messwerte und Gate-Befehle. Der PWM-Regler befindet sich nicht im Laststrompfad.

5. Regelkreise und Motoren

In einem Motorantrieb steuert ein äußerer Drehzahl- oder Positionsregelkreis den Strom in der q-Achse, und ein innerer Stromregelkreis aktualisiert das PWM-Tastverhältnis. Bei einem Oberflächen-PM-PMSM mit vernachlässigtem Reluktanzmoment ist p die Polpaarzahl, \psi_f der Permanentmagnetfluss und i_q der Strom in der q-Achse:

Das Drehmoment folgt daher i_q. Die Beziehung vernachlässigt Sättigung, Widerstandsabfall, Reluktanzdrehmoment und Stromgrenzen; sie kann allein das gemessene Maschinendrehmoment nicht garantieren. Bei hohen Drehzahlen reduziert die Feldschwächung die Gegen-EMK. Induktionsmotoren erfordern eine Fluss- und Schlupffrequenzschätzung. Sensorauflösung, Stromabtastzeitpunkt und Totzeitkompensation bestimmen die Drehmomentwelligkeit bei niedrigen Drehzahlen.

6. Verluste, Wärme und EMV

Unter der Annahme eines linearen Überlappungsübergangs werden Schalt- und Leitungsverluste näherungsweise durch folgende Gleichung beschrieben:

Die Schätzung muss unter Berücksichtigung der Schaltwellenformen der Bauelemente, der Dioden-Sperrverzögerung, der Temperatur und parasitärer Effekte korrigiert werden. Höhere f_s reduzieren die Filter- und Motorwelligkeit, erhöhen aber die Verluste, die Gate-Ansteuerleistung und die EMV. SiC und GaN ermöglichen hohe Drehzahlen, führen aber zu Überschwingen der parasitären Induktivität, Fehlzündungen und … Kriech- und Luftstrecken werden zu strengen Layoutvorgaben. T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc} ist eine erste Abschätzung; transiente thermische Impedanz, Kühlmitteltemperatur und kurzzeitige Überlastung müssen überprüft werden.

7. Topologievergleich

8. Schwierige Bedingungen und Schutz

Ein Kurzschluss kann einen Schalter in Mikrosekunden zerstören. Daher sind DESAT-Gate-Treiber-Erkennung, Stromsensoren, Sicherungen und Hardware-Abschaltung erforderlich. Mehrschichtig. Zu lange Totzeiten führen zu Spannungsfehlern und Drehmomentverzerrungen bei niedrigen Drehzahlen. Lange Motorkabel verursachen reflektierte Spannungsspitzen und Lagerströme. Der Netzanschluss erfordert zusätzlich Schutz vor Inselbetrieb, Phasenverriegelung, Oberschwingungen und Abschaltung bei Netzausfall. Ein vollständiges Design berücksichtigt außerdem Vorladung, Isolationsüberwachung und die Restenergie in den Zwischenkreiskondensatoren nach einer Abschaltung.

9. Praktische Entscheidungen

• Elektrofahrzeuge und Servomotoren: Dauer- und Spitzenstrom, Rückspeisungsspannung, Kühlung und Positionserfassung über den gesamten Betriebszyklus bewerten.

• Photovoltaik-System: MPPT-Bereich, Netzspannung, Leistungsfaktor/Blindleistung, Oberschwingungen und Schutz vor Inselbetrieb prüfen.

• USV: Umschaltzeit, Bypass, Einschaltstrom und Redundanz priorisieren.

• Hochfrequenz-Kompaktnetzteil: Layout, EMV und Isolationsprüfung haben Vorrang vor der Nutzung der GaN-Geschwindigkeit.

10. Dreileitungs-Zusammenfassung

Ein Wechselrichter berechnet den Mittelwert der Schaltzustände mittels PWM, um Wechselstrom aus Gleichstrom zu erzeugen. Motorantriebe schließen Strom-, Drehzahl- und Positionsregelkreise; Netzwechselrichter schließen Phasen-, Strom- und Inselnetzschutzregelkreise. Der Wirkungsgrad muss zusammen mit Totzeit, Wärmeentwicklung, elektromagnetischen Störungen (EMI), Kurzschlussunterbrechung und Isolation überprüft werden.

Referenzen

• IEEE Power Electronics Society
• IEC 61800 Ansteuerungssysteme mit einstellbarer Drehzahl
• NREL Power Electronics Research
• Wolfspeed SiC-Ressourcen