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EIN Wandler (ebenfalls Konverter oder Wandler bezeichnet als) ist eine elektronische Schaltung, die DC Umsatz in Wechselstrom (daher oft als DC/AC definiertKonverter) und dies, je nach Einstellung, in jeder gewünschten Spannungsform, Stromstärke, Pulszählung und PulsFrequenz.
Hintergrund
Der moderne Wechselrichter ist ein halb- oder vollgesteuerter Brückenmutatorschaltung bestehend aus passenden Halbleiterbauelemente wenn MOSFET, IGBT, Thyristor und Gate-Abschalt-Thyristor. Diese nicht invertierenden Wechselrichter-Umrichter stellen die Energie für das ein- oder dreiphasige Netz mit einer leistungsgeregelten Wandlung von Gleichspannung zu Wechselstrom Spannung in einem festen Stromspannung/Frequenz/Impuls-Verhältnis.
Folgende Bedingung muss erfüllt sein: der MutatorHalbleiter (wie Thyristoren und IGBTs) muss bei negativer Netzspannung gezündet werden. Thyristoren in einem Mutator können nur in eine Richtung positiven Strom durchlassen (wie in den Diagrammen mit dem dreieckigen Halbleitersymbol: dem Thyristorpfeil dargestellt). Netzspannung und Netzstrom haben dann – bedingt durch leitfähige Thyristoren – entgegengesetzte Vorzeichen (SieNein < 0 gegen ichNein > 0), was die Leistung angibt (abgeleitet von P = U × I), dass das Nettoangebot negativ ist, also pNein < 0. Dies bedeutet, dass das Stromnetz Energie aus diesem (derzeit liefernden) Gleichspannungsverbraucher aufnimmt, der beispielsweise von einer mechanisch antreibenden Stromquelle oder einem Solarzellensystem gespeist wird.
Anwendungen
Gleichstromversorgung für Wechselstromgeräte
Ein Wechselrichter wandelt Gleichspannung (die in der Regel von Batterien und Akkus geliefert wird) in Wechselspannung um. Dadurch können Geräte, die normalerweise mit der Wechselspannung des Netz auch an DC-Stromversorgung anschließbar, z. B. in a Wagen, Boot oder Wohnwagen.
PV-Panels oder Photovoltaik-Zellen
Photovoltaik-Zellen (Solarzellen) und Brennstoffzellen Gleichstrom liefern. Diese Gleichspannung wird mit Hilfe von Wechselrichtern in Wechselspannung umgewandelt. Werden Solarzellen an das Stromnetz angeschlossen, wie es immer bei privaten Anlagen der Fall ist, muss die erzeugte Spannung der Netzspannung 230 V in Europa entsprechen und die Phase zustimmen. Ein solcher Wechselrichter funktioniert in der Regel nicht, wenn die Netzversorgung ausfällt.
Notstromanschlüsse
Manchmal a Notstromversorgung Batterien zum Speichern von Strom. Bei Stromausfall können diese (DC-)Batterien über einen Wechselrichter Wechselstrom liefern. Wenn das Stromnetz wieder funktioniert, werden die Akkus mit Hilfe eines Gleichrichter berechnet.
Induktionsheizung
Wechselrichter werden hauptsächlich verwendet, um Netzstrom mit niedriger Frequenz (zB 50 Hz in den Niederlanden) in Strom mit höherer Frequenz umzuwandeln, der bei der Induktionserwärmung verwendet wird. Dazu muss der Wechselstrom zunächst mit einem Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt werden. In diesen Wechselrichtern wird dann der Gleichstrom in Wechselstrom mit der höheren Frequenz umgewandelt.
Hochspannung DC
Für den Transport von Hochspannungs-Gleichstrom Wechselstrom wird zunächst in Gleichstrom umgewandelt. Nach dem Transport durch Hochspannungskabel wird der Gleichstrom auf ein Trafostation in Wechselstrom umgewandelt. Dazu werden Wechselrichter verwendet. Das NorNed-Kabel zwischen Norwegen und den Niederlanden ist ein Beispiel für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung.
Frequenzumrichter mit variabler Frequenz
EIN Frequenzumwandler steuert die Drehzahl eines Wechselstrommotors durch Steuerung der Frequenz und Spannung der Stromversorgung des Motors. Der Wechselrichter liefert somit elektrischen Strom mit den gewünschten Eigenschaften. Da der Wechselrichter einen DC-Eingang benötigt, wird oft ein Gleichrichter zwischen Netz und Wechselrichter geschaltet. Da der Wechselrichter der wichtigste Teil des Geräts ist, wird er manchmal zu einem Umrichterantrieb oder Wandler erwähnt. Ein Beispiel dafür ist die „Inverter-Klimaanlage".
Antrieb von Elektrofahrzeugen
In einigen elektrische Lokomotiven und dieselelektrische Lokomotiven Heutzutage werden Wechselrichter entweder Frequenzumwandler verwendet, um die Geschwindigkeit der Motoren zu steuern. Sie werden auch verwendet in Elektroauto's und Hybridautoist wie die Toyota Prius. Viele Fortschritte in der Inverter-Wechselrichter-Technologie sind bei der Verbesserung von Elektroautos entstanden.[1]
Beschreibung der Wechselrichterschaltung
Grundlegende Gestaltung
In einer einfachen Wechselrichterschaltung[2] der Gleichstrom mit dem Mittelabgriff der Primärspule von a Transformator in Verbindung gebracht. Ein Stromtauscher wird schnell hin und her geschaltet. Der Strom in der Spule fließt zuerst in eine Richtung und dann in die andere Richtung. Eine Änderung der Stromrichtung in der Primärspule des Transformators erzeugt Wechselstrom in der Sekundärspule. Diese Schaltung ist die erste durch Philips erfunden und wird Vibratorkonverter erwähnt.
Die elektromechanische Ausführung dieses Tauschers oder Wechselrichters enthält beispielsweise zwei statische Kontakte und einen beweglichen Kontakt mit Feder als Schwingwandler. Die Feder hält den beweglichen Kontakt gegen einen der statischen Kontakte. Ein Elektromagnet zieht den beweglichen Kontakt zum statischen Kontakt auf der anderen Seite. Durch diese Bewegung des Schalters wird der Strom im Elektromagneten unterbrochen. Durch die Feder schnappt der Schalter wieder ein und der Elektromagnet wird wieder aktiv. Dadurch schaltet der Schalter ständig schnell hin und her. Dieser elektromechanische Wechselrichterschalter wird als Schwingwandler bezeichnet. Vibrator oder Summer. Es wurde früher in Autoradio-Vakuumröhren verwendet. Im Türklingeln ein solches System wurde verwendet.
Dann Transistor- und andere Halbleiterschalter verfügbar wurden, wurden sie in das Wechselrichterdesign oder die Wechselrichterschaltung integriert.
Wellenformen eines Wechselrichters
Der Schalter des oben beschriebenen einfachen Wechselrichters erzeugt Wechselstrom in Form von a Rechteckschwingung, während eine Wechselstromwelle tatsächlich eine Sinusform hat. Verwenden von Fourier-Analyse können Periodisch Wellenformen werden analysiert. Dies zeigt, dass Rechteckwellen als die Summe einer unendlichen Reihe von Sinuswellen betrachtet werden können. Die Sinuswelle mit der gleichen Frequenz wie die Rechteckwelle wird als Grundkomponente bezeichnet. Die anderen Sinuswellen sind die Obertöne. Sie haben Frequenzen, die ein Vielfaches der Grundkomponente sind.
Die Qualität der Wechselrichterwellenform kann ausgedrückt werden in Totale harmonische Verzerrung. Die Fourier-Analyse liefert die notwendigen Daten über die Welle und dann kann die Berechnung durchgeführt werden. Der Gesamtklirrfaktor ist die Wurzel aus der Summe der Quadrate aller vorhandenen harmonischen Spannungen geteilt durch die Basisspannung:
Wie hoch die Wellenformqualität eines Wechselrichters sein soll, hängt von den Eigenschaften der angeschlossenen Energieverbraucher ab. Einige Geräte benötigen Strom mit einer nahezu perfekten Sinuskurve, um richtig zu funktionieren. Andere Geräte funktionieren recht gut mit Rechteckspannung.
Anpassen der Rechteckwelle
Bei der Auslegung von Wechselrichtern sind viele verschiedene Stromkreistopologien (Aufbau und Aufbau von Stromkreisen) und Kontroll systeme benutzt. Die Ausführung richtet sich nach dem Einsatzzweck des Wechselrichters.
Die Qualität der Wellenform kann auf verschiedene Weise verbessert werden. Kondensatoren und Induktivitäten können verwendet werden, um die Wellenform zu bilden Filter. Wie ein Transformator Teil der Konstruktion kann die Filterung auf beiden Seiten des Transformators oder nur auf der Primär- oder Sekundärseite erfolgen. Tiefpassfilter werden verwendet, um eine Ausgabe zu erhalten, die die Grundkomponente der Wellenform durchlässt, während der Fluss der harmonischen Komponenten so weit wie möglich begrenzt wird. Wenn ein Wechselrichter dafür ausgelegt ist, Strom mit einer bestimmten Frequenz zu liefern, kann ein Resonanzfilter verwendet werden. Wenn die Frequenz eines Wechselrichters einstellbar sein muss, muss der Filter auf eine Frequenz oberhalb der maximalen Grundfrequenz abgestimmt werden.
Pulsweitenmodulation
Die Fourier-Analyse zeigt, dass eine um den 180-Grad-Punkt antisymmetrische Wellenform (z. B. eine Rechteckwelle) nur ungerade Oberwellen enthält: die dritte, fünfte, siebte usw. Wellen mit Stufen einer bestimmten Breite und Höhe verdrängen andere Oberwellen . Als Ergebnis können alle durch drei teilbaren Oberwellen entfernt werden, indem beispielsweise eine Nullspannungsstufe zwischen dem positiven und negativen Teil der Rechteckwelle eingefügt wird. Folgende Harmonische werden dann entfernt: 3., 9. usw. Folgende Harmonische sind noch nicht entfernt: 5., 7., 11. usw. Dazu muss die Breite der positiven und negativen Spannungsstufen ein Drittel der Periode betragen und die Breite jeder Nullspannungsstufe beträgt ein Sechstel der Periode.
Das Anpassen der Rechteckwelle auf diese Weise ist ein Beispiel für Pulsweitenmodulation (PSA). Es ist eine Methode, die häufig verwendet wird, um die Ausgangsspannung eines Wechselrichters zu regulieren. Dies geschieht durch Steuerung der Breite der Rechteckwelle (des Impulses). Wenn die Spannung nicht geregelt werden muss, kann eine feste Pulsbreite gewählt werden, um bestimmte Oberwellen zu verringern oder zu verschwinden. Im Allgemeinen wird diese Technik verwendet, um die niedrigsten Harmonischen zu entfernen, weil Filter (eine andere Methode) ist bei hohen Frequenzen effizienter als bei niedrigen Frequenzen. Wenn da ist mehrere Pulsbreite (ein Trägerwelle), dann werden PBM-Verfahren verwendet, die Wellenformen erzeugen, die aus einer großen Anzahl schmaler Pulse bestehen. Die Frequenz (die Anzahl der schmalen Impulse pro Sekunde) wird zum Schaltfrequenz oder Trägerfrequenz erwähnt. Diese Steuerungsmethoden werden häufig in Umrichtern verwendet, die die Motordrehzahlen durch Anpassung der Frequenz steuern. Diese Wechselrichter können viele verschiedene Ausgangsspannungen und -frequenzen bereitstellen und gleichzeitig die Qualität der Wellenform verbessern.
Dieser Wechselrichtertyp wird auch in Solarmodul-Wechselrichtern verwendet, wenn Strom in das Netz eingespeist wird. Für 230-Volt-Netze, a DC / DC-Wandler Aus der Solarpanelspannung werden 400 Volt DC erzeugt, die dann von einem PPE-Wechselrichter in Netzspannung umgewandelt wird. Am Ausgang sind Filter enthalten, um die Schaltfrequenz zu unterdrücken. Es gibt besondere Controller die die PPE verstellen, da der Stromkreis parallel zur Netzspannung liegt, um eine Strombegrenzung zu erhalten. Die Schaltfrequenz liegt über dem Hörgrenze gewählt, also größer als 20 kHz.
Multilevel-Wechselrichter
Multilevel-Wechselrichter[3] Obertöne auf andere Weise ausschalten. Sie haben als Ausgang eine abgestufte Wellenform, wobei jeder Spannungspegel eine Stufe bildet. Unter anderem ist es möglich, durch Verwendung eines Split-Rail-Eingangs eine eher sinusförmige Welle zu erzeugen. Es werden zwei sein DC-Eingänge mit zwei unterschiedlichen Spannungen oder einer positiven und einer negativen Eingangsspannung bei einem zentralen Boden. Der Eingang ist Gleichstrom. Die Ausgabe besteht aus mehreren Stufen. Der Spannungspegel jeder Stufe wird durch den Weg bestimmt, den der Strom durch den Wechselrichter nimmt. Die Schalter im Wechselrichter werden auf eine bestimmte Weise hin und her geschaltet, um diesen Ausgang zu steuern. Die aufeinanderfolgenden Stufen nähern sich zusammen einer Sinuswelle an.
Dreiphasige Wechselrichter
Drei Phasen Wechselrichter werden beispielsweise verwendet für Frequenzumrichter und Hochspannungs-DC-Anwendungen. Ein einfacher dreiphasiger Wechselrichter besteht aus drei einphasigen Wechselrichterschaltern. Jeder ist mit einem der drei Anschlüsse der Last (einem Motor) verbunden. Das einfachste Schema hat drei Schalter. Ein Schalter arbeitet alle 60 Grad der Grundwellenform des Ausgangs. Dies erzeugt die Ausgabe einer Zeile-zu-Zeile-Wellenform mit sechs Schritten. Die sechsstufige Welle hat einen Nullspannungssprung zwischen den positiven und negativen Teilen der Rechteckwelle, wodurch die Oberwellen entfernt werden, die ein Vielfaches von drei sind, wie bereits beschrieben. Bei Anwendung von Trägertechniken ist die Hüllkurve von Briefumschlag der Wellenform, so dass die dritte harmonisch und seine Vielfachen werden entfernt.
Zwei dreiphasige sechsstufige Wechselrichter können zu Wechselrichtern mit höherer Leistung zusammengeschaltet werden. Sie werden für einen höheren Strom parallel geschaltet oder für eine höhere Spannung in Reihe geschaltet. In beiden Fällen werden die Wellenformen phasenverschoben, um eine zwölfstufige Wellenform zu erzeugen. Durch Hinzufügen eines weiteren Wechselrichters erhalten wir einen achtzehnstufigen Wechselrichter und so weiter. Dies geschieht, um die Spannung oder den Strom zu erhöhen, aber es erhöht auch die Qualität der Wellenform.
Negative
Aufgrund der Induktivität im Stromkreis wird oft eine negative oder antiparallele Rückkopplung verwendet Dioden eingesteckt. Sie werden über einen beliebigen Halbleiterschalter geschaltet. Daher hat die Induktivität des Laststroms einen Ausweg, wenn der Halbleiter ausgeschaltet ist. Die antiparallelen Dioden sind etwas ähnlich zu Freilaufdioden, die in Gleichrichtern verwendet werden.
Geschichte des Wechselrichters
Vom Ende des 19. Jahrhunderts bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts wurden Rotationswandler (Motor-Generator-Kombinationen) wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um. Seit dem frühen zwanzigsten Jahrhundert Vakuumröhren und Gasleitungen in Wechselrichtern verwendet. Die am häufigsten verwendete Röhre war die thyratron.
Warum neben Wechselrichter auch das Wort Wandler (ein Gerät mit umgekehrtem Betrieb) verwendet wird, geht aus der Historie davon hervor Konverter. Früher bestand ein „Gleichrichter“ aus einem Asynchronmotor oder Synchronmotor, der direkt an den Generator (Dynamo) angeschlossen war. Mit dem Kommutator des Generators konnte der Strom zum richtigen Zeitpunkt umgekehrt werden, so dass Gleichstrom erzeugt wurde. Dann kam der Sync-Konverter. Darin waren die Motor und Generator im selben Rotor enthalten, mit Schleifringen auf der einen Seite und dem Kommutator auf der anderen, und nur einem Feldrahmen. Auch dann wird Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt. Eine Motor-Generator-Kombination erzeugte Gleichstrom, aber gewissermaßen unabhängig vom Wechselstrom. Ein Synchronumrichter macht aus Wechselstrom sozusagen mechanisch Gleichstrom. Mit den richtigen Anbaugeräten und Steuergeräten kann eine Motor-Generator-Kombination auch umgekehrt funktionieren und Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Daher ist ein Wechselrichter eigentlich ein Rückwandler.[4][5]
Die ersten Transistoren lieferten nicht die ausreichende Spannungs- und Stromkapazität, die die meisten Wechselrichter benötigen. 1957 kam die Thyristor[6] oder halbleitergesteuerter Gleichrichter im Einsatz, beginnend mit Wechselrichterschaltungen ohne bewegliche Teile. Die Kommutierung (Drehen des Stroms zum richtigen Zeitpunkt während einer Umdrehung des Motors) erfolgte nicht mehr automatisch.
Wechselrichter mit geregelten Gleichrichtern
Bei der Auslegung eines Halbleitergleichrichters sollten die Kommutierung. Ein Halbleitergleichrichter schaltet nicht automatisch ab (mit anderen Worten, die Kommutierung erfolgt nicht automatisch), wenn das Steuersignal vom Gate (einer Gate-Elektrode) ausgeschaltet wird. Es wird nur ausgeschaltet, wenn der Vorwärtsstrom durch einen externen Prozess auf Null gefallen ist. Gesteuerte Gleichrichter, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, werden normalerweise zur Kommutierung gezwungen, indem der Strom auf Null reduziert wird. Bei Anschluss an eine Wechselstromquelle erfolgt die Kommutierung automatisch jedes Mal, wenn die Polarität der Eingangsspannung umgekehrt wird. Die einfachsten geregelten Gleichrichter haben eine von selbst ablaufende Kommutierung.
Wenn ein Gerät benötigt wird, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, kann ein Gleichrichter (der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt) verwendet werden, indem er umgekehrt verwendet wird. Im umgekehrten Zustand wirkt ein geregelter Gleichrichter als Netzwechselrichter. In dem Hochspannungs-Gleichstrom-Technologie kann verwendet werden. Mit diesem System kann auch beim Bremsen von Elektromotoren Strom erzeugt werden.
Der Eingangs-Wechselrichter ist eine andere Art von Wechselrichter mit einem gesteuerten Gleichrichter. Dieser Wechselrichter ist das Gegenstück zum sechsstufigen Eingangsspannungsinverter. Bei einem Eingangsstrom-Wechselrichter ist der Eingang als Stromquelle und nicht als Spannungsquelle konfiguriert. Die gesteuerten Gleichrichter des Wechselrichters werden in Reihe von sechs aufeinanderfolgenden Schritten hin- und herbewegt, damit eine abgestufte Wellenform zu einer dreiphasigen Wechselstromlast fließen kann. Beispielsweise wird in einem Eingangsstromrichter eine Lastkommutierung oder eine Parallelkondensatorkommutierung verwendet. In beiden Fällen unterstützt die Flusskontrolle die Kommutierung. Bei der Lastkommutierung ist die Last ein Synchronmotor mit einem voreilenden Leistungsfaktor: Der Strom eilt der Spannung voraus.
Halbleiter, wie Transistoren, die mit Steuersignalen abgeschaltet werden können, werden mit breiteren Spannungsbereichen und Strombereichen verfügbar. Daher werden diese Schalter in Wechselrichterschaltungen bevorzugt.
Impulswerte von Gleich- und Wechselrichtern
Gleichrichterschaltungen werden oft basierend auf der Anzahl der Impulse klassifiziert, die pro Phase des Wechselstroms zur Gleichstromseite fließen. Ein Einphasen-Einweggleichrichter ist eine Einpulsschaltung und ein Einphasen-Vollwellengleichrichter ist eine Zweipulsschaltung. Ein Dreiphasen-Einweggleichrichter ist eine Dreipulsschaltung und ein Dreiphasen-Vollwellengleichrichter ist eine Sechspulsschaltung.[7]
Bei dreiphasigen Gleichrichtern werden manchmal zwei oder mehr Gleichrichter in Reihe oder parallel geschaltet, um eine höhere Spannung oder einen höheren Strom zu erhalten. Der Eingang der Gleichrichter ist mit speziellen Transformatoren verbunden, deren Ausgang phasenverschoben ist. Das wirkt sich auf die Multiplikation der Phasen aus. Mit zwei Transformatoren erhält man sechs Phasen, mit drei Transformatoren zwölf Phasen usw. Die damit verbundenen Gleichrichterschaltungen sind 12-Puls-Gleichrichter, 18-Puls-Gleichrichter usw.
Wenn geregelte Gleichrichter im Reversierbetrieb arbeiten, werden sie auch nach Impulswerten klassifiziert. Gleichrichterschaltungen mit hohem Puls haben einen reduzierten Oberwellengehalt im Eingangswechselstrom und reduzierte Welligkeiten im Ausgangsgleichstrom. In diesem Umkehrmodus weisen diese Schaltungen (die dann als Wechselrichter fungieren) bei einem höheren Impulswert weniger Oberwellen in der AC-Wellenform auf.
Siehe auch
Quellen, Anmerkungen und/oder Verweise
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