Was ist ein Spannungswechselrichter, wie funktioniert er, wie wird ein Wechselrichter eingesetzt?

Zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom werden spezielle elektronische Stromversorgungen, sogenannte Wechselrichter, eingesetzt. Am häufigsten wandelt ein Wechselrichter eine Gleichspannung einer Größenordnung in eine Wechselspannung einer anderen Größenordnung um.

Daher ist der Wechselrichter ein Generator periodisch wechselnder Spannung, wobei die Spannungswellenform sinusförmig, nahezu sinusförmig oder gepulst sein kann... Wechselrichter werden sowohl als unabhängige Geräte als auch als Teil von unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV) verwendet.

Als Teil unterbrechungsfreier Stromquellen (USV) ermöglichen Wechselrichter beispielsweise die kontinuierliche Stromversorgung von Computersystemen, und wenn die Spannung im Netzwerk plötzlich verschwindet, beginnt der Wechselrichter sofort, den Computer mit Energie aus der Pufferbatterie zu versorgen. Zumindest hat der Benutzer Zeit, den Computer auszuschalten und auszuschalten.

Größere unterbrechungsfreie Stromversorgungen verwenden leistungsstärkere Wechselrichter mit Batterien mit großer Kapazität, die Verbraucher unabhängig vom Netz stundenlang autonom mit Strom versorgen können. Wenn das Netz wieder normal ist, schaltet die USV die Verbraucher automatisch direkt auf das Stromnetz um und die Batterien beginnen mit dem Laden.

Die technische Seite

In modernen Stromumwandlungstechnologien kann der Wechselrichter nur als Zwischeneinheit fungieren, wobei seine Funktion darin besteht, die Spannung durch eine Hochfrequenztransformation (zehne und hunderte Kilohertz) umzuwandeln. Glücklicherweise lässt sich dieses Problem heute leicht lösen, denn für die Entwicklung und Konstruktion von Wechselrichtern stehen sowohl Halbleiterschalter zur Verfügung, die Strömen von Hunderten von Ampere standhalten können, Magnetkerne mit den erforderlichen Parametern als auch elektronische Mikrocontroller, die speziell für Wechselrichter (einschließlich Resonanz) ausgelegt sind.

Zu den Anforderungen an Wechselrichter, aber auch an andere Leistungsgeräte gehören: hoher Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit, möglichst geringe Abmessungen und Gewicht. Darüber hinaus ist es erforderlich, dass der Wechselrichter dem zulässigen Pegel höherer Harmonischer in der Eingangsspannung standhält und keine für den Benutzer unzumutbar lauten Impulsgeräusche erzeugt.

In Systemen mit „grünen“ Stromquellen (Sonnenkollektoren, Windkraftanlagen) zur Einspeisung von Strom direkt in das allgemeine Netz werden netzgekoppelte Wechselrichter eingesetzt, die synchron mit dem Industrienetz arbeiten können.

Während des Betriebs des Spannungswechselrichters wird die Konstantspannungsquelle periodisch mit variabler Polarität an den Lastkreis angeschlossen, wobei die Häufigkeit der Verbindungen und deren Dauer durch ein Steuersignal bestimmt werden, das von der Steuerung kommt.

Der Controller im Wechselrichter erfüllt normalerweise mehrere Funktionen: Regelung der Ausgangsspannung, Synchronisierung des Betriebs von Halbleiterschaltern, Schutz des Stromkreises vor Überlastung. Im Allgemeinen werden Wechselrichter unterteilt in: Inselwechselrichter (Strom- und Spannungswechselrichter) und abhängige Wechselrichter (netzgeführt, netzgeführt usw.).

Wechselrichterschaltung

Die Halbleiterschalter des Wechselrichters werden vom Controller gesteuert und verfügen über Sperrdioden. Die Anpassung der Ausgangsspannung des Wechselrichters an die aktuelle Leistung der Last erfolgt im einfachsten Fall durch automatische Änderung der Pulsweite im Hochfrequenzwandler PWM (Pulsweitenmodulation).

Die Halbwellen der niederfrequenten Ausgangsspannung müssen symmetrisch sein, damit die Lastkreise auf keinen Fall einen nennenswerten Gleichanteil erhalten (bei Transformatoren ist dies besonders gefährlich), hierfür muss die Impulsbreite des NF-Blocks (im im einfachsten Fall) konstant gemacht wird.

Bei der Steuerung der Ausgangsschalter des Wechselrichters kommt ein Algorithmus zum Einsatz, der eine sequentielle Änderung der Strukturen des Stromkreises gewährleistet: Gleichstrom, Kurzschluss, Rückwärtsgang.

Auf die eine oder andere Weise hat der momentane Lastleistungswert am Ausgang des Wechselrichters den Charakter von Doppelfrequenzwellen, daher muss die Primärquelle einen solchen Betriebsmodus zulassen, wenn durch sie Welligkeitsströme fließen, und einem entsprechenden Maß an Störungen standhalten (am Wechselrichtereingang).

Waren die ersten Wechselrichter ausschließlich mechanisch, gibt es heute viele Möglichkeiten für Halbleiter-Wechselrichterschaltungen und es gibt nur drei typische Schemata: eine Brücke ohne Transformator, ein Push mit dem Nullanschluss des Transformators, eine Brücke mit Transformator.

Die transformatorlose Brückenschaltung findet sich in unterbrechungsfreien 500-VA-Stromversorgungen und Kfz-Wechselrichtern. Die Schiebeschaltung mit dem Neutralleiteranschluss des Transformators wird in USVs mit geringer Leistung (für Computer) mit einer Leistung von bis zu 500 VA verwendet, bei denen die Spannung der Backup-Batterie 12 oder 24 Volt beträgt. Die Brückenschaltung mit einem Transformator wird in leistungsstarken Quellen der unterbrechungsfreien Stromversorgung (für Einheiten und Dutzende kVA) verwendet.

Ausgangsspannungswellenform

Bei Wechselrichtern mit rechteckiger Spannung wird am Ausgang eine Gruppe von Sperrdiodenschaltern geschaltet, um an der Last eine Wechselspannung zu erzeugen und für einen kontrollierten Zirkulationsmodus im Stromkreis zu sorgen reaktive Energie.

Für die Proportionalität der Ausgangsspannung sind verantwortlich: die relative Dauer der Steuerimpulse bzw. die Phasenverschiebung zwischen den Steuersignalen der Tastengruppen. Im unkontrollierten Blindleistungsumlaufbetrieb beeinflusst der Anwender die Form und Höhe der Wechselrichter-Ausgangsspannung.

Bei Spannungswechselrichtern mit stufenförmigem Ausgang bildet der Hochfrequenz-Vorwandler eine unipolare Stufenspannungskurve aus, die in ihrer Form etwa einer Sinuswelle ähnelt, deren Periode halb so groß ist wie die Periode der Ausgangsspannung. Die NF-Brückenschaltung wandelt dann die unipolare Stufenkurve in zwei Hälften einer bipolaren Kurve um, die in etwa einer Sinuswelle ähnelt.

Bei Spannungswechselrichtern mit sinusförmiger (oder nahezu sinusförmiger) Ausgangsform erzeugt der Hochfrequenz-Vorwandler eine konstante Spannung, deren Amplitude nahe an der künftigen sinusförmigen Ausgangsform liegt.

Die Brückenschaltung bildet dann mithilfe mehrerer PWMs eine niederfrequente Variable aus einer konstanten Spannung, wenn jedes Transistorpaar in jeder Halbwelle der Bildung der Ausgangssinuswelle mehrmals für eine gemäß dem harmonischen Gesetz variierende Zeit geöffnet wird . Ein Tiefpassfilter extrahiert dann einen Sinus aus der resultierenden Wellenform.

HF-Vorwandlungsschaltungen in Wechselrichtern

Die einfachsten Hochfrequenz-Vorwandlungsschaltungen in Wechselrichtern sind selbsterzeugend. Sie sind technisch recht einfach umzusetzen und bei geringen Leistungen (bis zu 10-20 W) recht effizient zur Versorgung von Lasten, die für den Stromversorgungsprozess unkritisch sind. Die Frequenz der Oszillatoren beträgt maximal 10 kHz.

Eine positive Rückkopplung in solchen Geräten wird durch Sättigung des Magnetkreises des Transformators erreicht. Für leistungsstarke Wechselrichter sind solche Konzepte jedoch nicht akzeptabel, da die Verluste in den Schaltern zunehmen und der Wirkungsgrad letztendlich gering ist.Außerdem unterbricht jeder Kurzschluss am Ausgang die Eigenoszillationen.

Die besseren Schaltungen der vorläufigen Hochfrequenzwandler sind Flyback (bis 150 W), Push-Pull (bis 500 W), Halbbrücke und Brücke (mehr als 500 W) von PWM-Controllern, bei denen die Umwandlungsfrequenz Hunderte erreicht von Kilohertz.

Arten von Wechselrichtern, Betriebsarten

Einphasige Spannungswechselrichter werden in zwei Gruppen eingeteilt: mit einer reinen Sinuswelle am Ausgang und mit einer modifizierten Sinuswelle. Die meisten modernen Geräte ermöglichen eine vereinfachte Form des Netzsignals (modifizierte Sinuswelle).

Eine reine Sinuswelle ist wichtig für Geräte, die am Eingang einen Elektromotor oder Transformator haben, oder wenn es sich um ein spezielles Gerät handelt, das nur mit einer reinen Sinuswelle am Eingang arbeitet.

Dreiphasige Wechselrichter werden im Allgemeinen zur Erzeugung von Drehstrom für Elektromotoren, beispielsweise zur Stromversorgung, eingesetzt Drehstrom-Asynchronmotor… In diesem Fall sind die Motorwicklungen direkt mit dem Umrichterausgang verbunden. Leistungsmäßig wird der Wechselrichter anhand seines Spitzenwerts für den Nutzer ausgewählt.

Generell gibt es drei Betriebsmodi des Wechselrichters: Start, Dauerbetrieb und Überlast. Im Startmodus (Laden der Kapazität, Starten des Kühlschranks) kann die Leistung die Leistung des Wechselrichters in Sekundenbruchteilen verdoppeln, was für die meisten Modelle akzeptabel ist. Dauerbetrieb – entsprechend dem Nennwert des Wechselrichters. Überlastmodus – wenn die Leistung des Benutzers das 1,3-fache der Nennleistung beträgt – in diesem Modus kann der durchschnittliche Wechselrichter etwa eine halbe Stunde lang arbeiten.