Wechselrichter

Wechselrichter wandeln eine Gleichspannung in eine Wechselspannung um. Sie arbeiten wie eine 4QS. Mit der PWM werden im zeitlichen Mittel sinusförmige Spannungen statt Gleichspannungen erzeugt.

Sinus-Generator

Ein Sinus weist positive und negative Werte auf. Mit einer PWM können wir nur positive Werte zwischen 0% und 100% (also zwischen 0 und 1) erzeugen. Deshalb heben wir den Mittelwert des Sinus im ersten Schritt auf 50% der Eingangs-Gleichspannung an. Dann halbieren wir die Werte, damit der verschobene Sinus in den Wertebereich der PWM von [0 … 1] passt.

Um eine Sinus-Spannung aus einer PWM zu erzeugen brauchen wir einen über der Zeit veränderten Duty-Cycle. Wenn der Sinus sein Maximum nahe 1 erreicht, ist der Duty-Cycle maximal. Erreicht der Sinus sein Minimum nahe 0, ist der Duty-Cycle minimal. Wenn der Sinus seinen „Nulldurchgang“ bei 0,5 erreicht, ist der Duty-Cycle auf 50%.

In rot sind die PWM-Signale eingezeichnet, die zu bestimmten Zeitpunkten das Sinus-Signal erzeugen. Die zugehörigen Zeitpunkte sind mit roten Punkten markiert. In der Kurzzeit-Betrachtung kann die PWM nur Werte von 0 und 1 annehmen. Nur die zeitlichen Mittelwerte in einem längeren Zeitbereich können Zwischenwerte annehmen.

Die Duty-Cycle-Werte werden üblicherweise aus einem Vergleich zwischen einem Sinus und einem Dreieck ermittelt. Dafür betrachten wir nur einen kleinen Ausschnitt der Sinus-Funktion.

In der oberen Abbildung ist in blau der fallende Teil der Sinus-Funktion über der Zeit dargestellt. In rot ist ein Dreiecksverlauf zu sehen. Wenn der Sinus größer als das Dreieck ist, gibt die PWM in der unteren Abbildung einen HIGH-Pegel aus. Wenn der Sinus kleiner das das Dreieck ist, gibt die PWM einen LOW-Pegel aus. Wenn der Sinus also hohe Werte annehmen soll (ganz links), ist er längere Zeit größer als das Dreieck. Also ist der Duty-Cycle hoch. Wenn der Sinus klein sein soll (ganz rechts), ist die blaue Sinus-Kurve nur sehr kurz größer als das Dreieck (rot). Dann ist der Duty-Cycle klein.

1P4QS

Die PWM wird üblicherweise von einem Mikrocontroller berechnet. Mit dieser PWM steuern wir jetzt die Schalter einer 4QS an. Ist die PWM auf HIGH, schließen die Schalter S1 und S4. Ist sie auf LOW, schließen die Schalter S2 und S3.

Links von der Last erzeugen wir mit der PWM einen Sinus. Rechts von der Last erzeugen wir den invertierten Sinus. Damit stellt sich im zeitlichen Mittel eine sinusförmige Spannung an der Last ein.

3P4QS

Wechselspannungen werden in vielen Anwendungen dreiphasig benötigt. Das gilt insbesondere bei elektrischen Maschinen oder bei Anwendungen, bei denen ins Netz eingespeist wird (z. B. PV-Anlage). Die Maschine ist entweder im Stern oder im Dreieck verschaltet. Also gibt es drei Anschlüsse der Maschine. Wenn Sie also eine elektrische Maschine ansteuern, brauchen Sie drei Sinus-Spannungen. Das Modell einer PMSM in Sternschaltung sieht z. B. folgendermaßen aus:

Die PMSM wird als Reihenschaltung aus Spule und Spannungsquelle modelliert. Die Spannungsquellen im Maschinenmodell erzeugen eine drehzahlabhängige Wechselspannung. Der Strom durch die Spulen erzeugt ein Moment. Das Ziel bei der Maschinenansteuerung ist zumeist, einen sinusförmigen Strom bestimmter Amplitude und Phase einzuprägen. Die drehzahlabhängige Spannungsquelle muss dabei berücksichtigt werden. Näheres dazu finden Sie im Tutorial Antriebstechnik oder in der Vorlesung EMA I. Wir schließen eine 3P4QS als Wechselrichter an die PMSM an:

In der Vorlesung werden wir simulieren, wie eine 3P4QS als Wechselrichter funktioniert.

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