PWM-Wechselrichter: Optimal für vielfältige Lastanforderungen

PWM-Wechselrichter (Pulsweitenmodulierte Wechselrichter) dienten als Ersatz für ältere Wechselrichtertypen. Aus diesem Grund finden sie ein breites Spektrum an Echtzeitanwendungen. In den meisten Fällen werden sie in der Erstellung von Leistungselektronikschaltungen eingesetzt. PWM-Wechselrichter nutzen üblicherweise MOSFETs und werden daher häufig als PWM-MOSFET-Wechselrichter bezeichnet. Tatsächlich wenden die meisten Wechselrichter PWM-Technologie an, um AC-Ausgangsspannung für verschiedene Frequenzen und Amplituden zu erzeugen. In diesem Artikel besprechen wir die Funktionsweise eines PWM-Wechselrichters, die darin enthaltenen Schaltungen und erklären verschiedene PWM-Wechselrichtertypen.

Was ist ein PWM-Wechselrichter?

Kurz gesagt: Ein Wechselrichter, der Pulsweitenmodulationstechnologie nutzt. PWM-Wechselrichter können die Ausgangsspannung bei der Nenn-AC-Spannung halten, unabhängig von der angeschlossenen Last. Dies geschieht durch Veränderung der Pulsbreite der Ausgangsspannungsfrequenz.

Das Funktionsprinzip des PWM-Wechselrichters

Abb. 1: Ein industrieller Wechselrichter

Bei herkömmlichen Wechselrichtern ändert sich die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Laständerungen. Ein PWM-Spannungswechselrichter korrigiert die Ausgangsphasenspannung mithilfe des Wertes der am Ausgang angeschlossenen Last.

Er funktioniert, indem ein Teil der Ausgangssignale an den PWM-Controller-IC zurückgeführt wird. Der PWM-Controller nutzt die Rückkopplungsspannung, um die am Oszillator erzeugte Pulsbreite zu korrigieren.

Die Anpassung der Pulsbreite eliminiert mögliche Änderungen am Ausgangssignal. Somit bleibt die Ausgangsspannungswelle unabhängig von Lastschwankungen konstant.

Welche Schaltungen werden im PWM-Wechselrichter verwendet?

Abb. 2: Ein PWM-Wechselrichter Schaltbild

Betrachtet man ein PWM-Wechselrichter-Schaltbild, erkennt man mehrere Teilsysteme:

Batterieladestrom-Sensorschaltung

Diese Schaltung hält den zum Laden der Batterie verwendeten Stromfluss auf einem Nennwert und verhindert Schwankungen, die die Lebensdauer der Batterie verkürzen könnten.

Batteriespannungs-Sensorschaltung

Falls die Batterie erschöpft ist, erkennt diese Schaltung die für das Laden benötigte Wechselrichters pannung. Sie unterstützt auch das Erhaltungsladen (Trickle Charging), sobald die Batterie vollständig geladen ist.

Netzspannungs-Sensorschaltung (AC Mains Sensing)

Diese erkennt, ob die Netzspannung anliegt. Ist sie vorhanden, schaltet der Wechselrichter in den Lademodus. Fehlt sie, wechselt er in den Batteriebetrieb.

Sanftanlauf-Schaltung (Soft Start)

Diese verzögert das Laden um 8 bis 10 Sekunden nach Wiederherstellung der Stromversorgung. Sie schützt MOSFETs vor hohen AC-Leistungsspitzen.

Umschalt-Schaltung (Change Over)

Sie schaltet die Betriebsmodi des Wechselrichters um – entweder Lademodus oder Batteriemodus, basierend auf der Netzverfügbarkeit.

Abschalt-Schaltung (Shut Down)

Sie überwacht den Betrieb des Wechselrichters und schaltet ihn ab, falls Anomalien erkannt werden. Sie erhält Eingänge von mehreren Sensorschaltungen.

PWM-Controller-Schaltung

Hier steuert die Schaltung die Spannung am Ausgang des PWM-Spannungswechselrichters. Meist wird ein einzelner IC wie LM494 oder KA3535 verwendet. Alle für den PWM-Betrieb erforderlichen Schaltungen sind in diesen ICs integriert.

Batterielade-Schaltung

Diese steuert den Batterieladevorgang im Wechselrichter. Sie empfängt Eingänge von der Netzspannungs-Sensorschaltung und den Batteriesensor-Schaltungen.

Oszillator-Schaltung

Diese erzeugt die Schaltfrequenz. Sie ist meist in den PWM-IC integriert.

Treiber-Schaltung (Driver Circuit)

Diese steuert den Ausgang basierend auf dem Wechselrichters chaltignal. Sie ähnelt einer Vorverstärkerschaltung.

PWM-Wechselrichter Typen

Kurz gesagt: Ein PWM-Wechselrichter arbeitet mit zwei Signalen – dem Referenzsignal und dem Trägersignal. Durch Vergleich dieser Signale wird der für das Umschalten des Wechselrichters benötigte Puls erzeugt. Es gibt verschiedene PWM-Techniken:

Einzelpuls-Pulsweitenmodulation (SPWM)

Abb. 3: Graph der SPWM

Hier wird ein einzelner Puls pro Halbwelle zur Regelung verwendet. Als Trägersignal dient eine Dreiecksspannung, als Referenzsignal eine Rechteckspannung.

Der erzeugte Gategleichrichterpuls ergibt sich aus dem Vergleich dieser Signale. Dies verursacht jedoch höhere Harmonische.

Mehrfachpuls-Pulsweitenmodulation (MPWM)

Abb. 4: DC Motor PWM Geschwindigkeitsregler

Diese Technik verhindert Probleme, die durch SPWM entstehen können. Mehrere Pulse ersetzen den einzelnen Puls in jeder Halbwelle der Ausgangsspannung. Entwickler regeln die Ausgangsfrequenz durch Steuerung der Trägerfrequenz während der Montage.

MPWM-Technologie wird hauptsächlich von Wechselrichtern eingesetzt, die Motorsteuerungssysteme mit variabler Frequenz antreiben. Dies ermöglicht viele Anpassungen von Ausgangsfrequenz und -spannung. Generell verbessert diese Technologie die Wellenformqualität.

Sinusoidale Pulsweitenmodulation

Abb. 5: Einfache Sinuswelle

Hier ersetzt eine Sinuswelle die Rechteckwelle als Referenzsignal. Der Träger bleibt eine Dreiecksspannung. Die Ausgabe sind sinusförmige Wellenformen. Der Modulationsindex steuert den RMS-Spannungswert.

Die sinusförmige PWM hat jedoch zwei Hauptnachteile: Erstens kann sie keine Ausgangsspannung erzeugen, die so hoch ist wie die Netzspannung. Zweitens, wenn die Ausgabe vollständig sinusförmig sein muss, ist es wichtig, kleine Pulse einzufügen. Dies tun Hersteller, wenn die Spitzenmodulationswelle fast das gleiche Niveau wie die Spitzen-Trägerspannung erreicht.

Das Hinzufügen kleiner Pulse kann aufgrund der zum Ein- und Ausschalten der Bauelemente benötigten Zeit fast unmöglich sein. Daher eliminieren die meisten Industrien die kleinen Pulse aus Effizienzgründen.

Modifizierte sinusförmige Pulsweitenmodulation

Hier wird das Trägersignal in den initialen und finalen 60°-Intervallen jedes Halbzyklus eingeschaltet. Diese Modifikation verbessert die harmonischen Eigenschaften des Ausgangs. Das Schalten reduziert Verluste und erhöht die Grundkomponente.

Fazit

Zusammenfassend nutzen Pulsweiten-Wechselrichter PWM-Technologie, um den Ausgang bei Nennwert zu regeln, unabhängig von der Last. Aufgrund ihrer Effizienz haben sie viele industrielle Anwendungen, z. B. in DC-Motor-PWM-Geschwindigkeitsreglern. Hier steuert die Frequenzvariation der angewendeten Spannung die Antriebsgeschwindigkeit.

Dies war unser Überblick über die Funktionsweise des PWM-Wechselrichters.

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