Wechselrichter-Controller

Das System der Wechselrichtersteuerung besteht aus zwei Funktionskreisen. Einer davon ist der „Origin Wave Generator“ für Wechselspannung und der andere ist der „AC Generator“, der eine Ziel-Wechselspannungswelle erzeugt. Der Origin Wave Generator erzeugt eine Reihe von Impulsen, deren Höhe identisch ist, deren Breite jedoch vom Generator ausgewählt wird; Die Impulsreihe ist „Ursprungswelle“ für die Ziel-Wechselstromwelle. Die Breite jedes Impulses wird durch eine spezielle Berechnung bestimmt, die später erläutert wird.
Und der Wechselstromgenerator wandelt die Ursprungswelle in die Wechselstromwelle um. In diesem Schaltkreis befinden sich mehrere Schalterpaare. Betrachten Sie zur einfachen Erklärung den Fall, dass in der Funktionsschaltung nur ein Paar von zwei Schaltern vorhanden ist. Einer der Anschlüsse eines Schalters ist mit der Gleichspannungsquelle (V+) und der andere Schalter mit der Erdungsebene verbunden. Die anderen Anschlüsse beider Schalter sind miteinander verbunden, wodurch der Ausgangsanschluss des Wechselstromgenerators entsteht. Jeder Schalter wird durch Modifikationswellen der Ursprungswelle gesteuert. Diese Konfiguration kann drei Spannungspegel erzeugen: den Gleichspannungspegel (V+), den Massepegel und einen Zwischenpegel zwischen V+ und Masse.
Diese Erklärung bezieht sich nur auf zwei Schalter, aber es ist klar, dass mehr Schalter und eine ausgefeilte Schaltersteuerung kompliziertere Wechselstromwellen aus den einfachen Gleichstrom- und GND-Pegeln erzeugen.

Sinuskurve
In vielen Fällen wären die angestrebten Wechselstromwellen Sinuskurven. Beispielsweise benötigt ein Motorsteuerungssystem eine Sinuswelle, um einen Motor anzutreiben, da eine ideale Sinuskurve die leiseste Rotation oder den geringsten Stromverbrauch ergeben sollte. Ein weiteres Beispiel ist ein Power Conditioner, der auf den Stromleitungen für gewerbliche Nutzung eine 60-Hz-Sinuswelle erzeugt.
Die Ursprungswelle der Sinuskurve wird wie folgt erzeugt.
Zunächst sollte eine Definition vorgenommen werden. Der maximale und der minimale Ausgangspegel des Wechselstromgenerators betragen +V bzw. -V. Und die Amplitude der Sinuskurve als Ausgang ist kleiner als der Wert 2 x V.
Als nächstes wird ein gleichschenkliges Dreieck vorbereitet. Die Höhe des Dreiecks beträgt 2 x V und es wiederholt sich entlang der horizontalen Achse (Zeitachse) und die Basis ist ein festes Zeitintervall. Die Sinuskurve wird zusammen mit dem Hintergrund der Dreiecke in das Diagramm eingefügt.
Vergleichen Sie die Werte der Dreiecke mit denen der Sinuskurve und definieren Sie „Eins“, wenn die Sinuskurve größer als das Dreieck ist, und „Null“, wenn nicht. Das würde eine Folge von Impulsen mit Einheitshöhe ergeben, was die Ursprungswelle der Sinuskurve darstellt.
Die Ursprungswelle (Signal S) zeichnet sich dadurch aus, dass der breitere Impuls beim größeren Wert in der Sinuskurve erscheint. Zum besseren Verständnis, ob die Impulse so verändert werden, dass sie benachbarte Räume ausfüllen, ohne die Fläche des Impulses zu verändern, zeichnet sich die Form einer Sinuskurve ab (Signal Sa). Wie man sich leicht vorstellen kann, ähnelt die Form eher einer Sinuskurve, wenn das gleichschenklige Dreieck steiler wird (die Basis kleiner wird). Beachten Sie, dass das Signal Sa keine echte Welle, sondern eine konzeptionelle Welle ist.
Die Technologie zur Erzeugung einer Welle wie der Origin Wave, die aus Impulsen konstanter Höhe und variabler Breite besteht, wird als PWM (Pulsweitenmodulation) bezeichnet. Die Wechselrichtersteuerung wird mit der PWM-Technologie realisiert.

Rückmeldungskontrolle
Die grundlegende Funktion der Wechselrichtersteuerung besteht darin, dass der Origin-Wave-Generator eine PWM-Origin-Welle erzeugt und der AC-Generator eine durch die Origin-Welle transformierte Sinuswelle erzeugt. Dies ist jedoch nicht alles in der tatsächlichen Umsetzung. Das Steuersystem enthält einen Motor oder ein anderes Gerät, das in der Elektrowelt als „Last“ bezeichnet wird. Wenn die Last in Betrieb ist, verzerrt sie die Sinuswelle des Ausgangs des Wechselstromgenerators; Die Amplitude der Sinuswelle kann abnehmen, die Phase kann sich leicht ändern oder die Frequenz kann instabil sein und so weiter.
Das System sollte über mehrere Funktionen verfügen, um die ideale Kurve der Sinuswelle zu erhalten. Eine Überwachungsfunktion der Ausgangswelle des Wechselstromgenerators (es ist der Eingang der Last). Als nächstes sollte das überwachte Signal mit der idealen Wellenform verglichen werden. Wenn also die Amplitude des überwachten Signals kleiner ist, sollte die Ausgabe des Origin Wave Generators (PWM-Impulse) länger sein und umgekehrt. Nach der Wiederholung dieses Vorgangs kommt die Ausgangswelle der idealen Welle ziemlich nahe. Versuchen Sie, die Wellenform in derselben Form zu halten.
Eine solche oben beschriebene Schleife ist allgemein als „Rückkopplungssteuerungssystem“ bekannt. Dank der Rückkopplungsregelung kann die Wechselrichterregelung auf eine Vielzahl unterschiedlicher Lastwerte angewendet werden.

Für die Wechselrichtersteuerung erforderliche Schaltkreise
Eine Überwachungsschaltung zur Überwachung des Wechselstromgeneratorausgangs, ein gleichschenkliger Dreieckgenerator, eine Vergleichsschaltung des überwachten Signals und des gleichschenkligen Dreiecks (ein Generator des Signals S), ein Komparator des Signals S des überwachten Signals und des idealen Signals S des Ideals Sinuswelle, eine Speicherung des idealen Signals S, ein PWM-Impulsgenerator und natürlich der Wechselstromgenerator selbst.
Die Überwachungsschaltung für den Wechselstromgeneratorausgang wäre ein AD-Wandler, der das überwachte analoge Signal in digitale Werte umwandelt. Diese Konvertierung erleichtert den Größenvergleich zwischen den Konvertierungswerten und den Werten des gleichschenkligen Dreiecks (digitale Werte).
Zur Herstellung des gleichschenkligen Dreiecks wird eine Zählerschaltung verwendet. Der Zähler sollte Impulse mit einer ziemlich schnellen Taktfrequenz zählen und bis zu einem vordefinierten Zählwert inkrementieren und nach Erreichen des Zählwerts dekrementieren. wodurch das gleichschenklige Dreieck entsteht.
Der Vergleich würde durch eine digitale Rechenschaltung erfolgen.
Das Signal S der idealen Sinuskurve wird in einem Speicher abgelegt.
Und PWM-Impulse werden von einer speziellen Schaltung erzeugt, die für die Steuerung einer Reihe von PWM-Impulsen vorgesehen ist.

Kontrollziele
Die Hauptziele der leistungselektronischen Wechselrichtersteuerung sind die Regelung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms, die Synchronisierung mit dem Netz oder der Last, die Minimierung der harmonischen Verzerrungen und der Schaltverluste sowie die Gewährleistung der Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems. Abhängig von der Anwendung und den Betriebsbedingungen können unterschiedliche Steuerungsstrategien und -techniken angewendet werden, um diese Ziele zu erreichen. Einige der gebräuchlichsten sind Pulsweitenmodulation (PWM), Hysteresesteuerung, Raumvektormodulation (SVM) und Statiksteuerung.

Kontrollmethoden
Die Steuerungsmethoden leistungselektronischer Wechselrichter können in zwei Kategorien eingeteilt werden: linear und nichtlinear. Lineare Steuerungsmethoden nutzen lineare Rückkopplungsregler wie Proportional-Integral-Regler (PI) oder Proportional-Integral-Derivative-Regler (PID), um die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom zu regeln. Sie sind einfach und leicht zu implementieren, weisen jedoch Einschränkungen hinsichtlich Robustheit, Bandbreite und dynamischer Leistung auf. Nichtlineare Steuerungsmethoden verwenden nichtlineare Rückkopplungsregler wie SMC (Sliding Mode Control) oder FLC (Fuzzy Logic Control) zur Regelung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms.

Regelkreise
Die Regelkreise leistungselektronischer Wechselrichter lassen sich in zwei Ebenen unterteilen: die innere und die äußere. Der innere Regelkreis ist für die Erzeugung der Schaltsignale für die Wechselrichterschalter verantwortlich, basierend auf den Referenz- und Rückkopplungssignalen. Der äußere Regelkreis ist für die Erzeugung der Referenzsignale für den inneren Regelkreis verantwortlich, basierend auf der gewünschten Ausgangsspannung oder dem gewünschten Ausgangsstrom. Der innere Regelkreis arbeitet normalerweise mit einer höheren Frequenz als der äußere Regelkreis, um eine schnelle und genaue Reaktion zu gewährleisten.

Kontrollieren Sie Herausforderungen
Die Steuerung leistungselektronischer Wechselrichter steht vor mehreren Herausforderungen, wie z. B. Parameterschwankungen, Nichtlinearitäten, Unsicherheiten, Störungen und Einschränkungen. Diese Faktoren können die Leistung und Stabilität des Systems beeinträchtigen und erfordern adaptive und robuste Steuerungstechniken. Darüber hinaus erfordert die Steuerung leistungselektronischer Wechselrichter auch Zielkonflikte zwischen Zielkonflikten wie Effizienz, Qualität und Zuverlässigkeit. Diese Kompromisse erfordern Optimierungs- und Mehrobjektiv-Kontrolltechniken.

Eine einfache Möglichkeit zu verstehen, wie ein Wechselrichter Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, besteht darin, die Wechselrichterschaltung als zwei Paare von je zwei Schaltern zu betrachten, also insgesamt vier Schalter. Die Schalter sind so gepaart, dass bei geschlossenen Schaltern 1 und 3 die Schalter 2 und 4 geöffnet sind. Wenn dann 1 und 3 geöffnet sind, sind 2 und 4 geschlossen. Jedes Schalterpaar bewirkt, dass der Strom seine Richtung ändert, wenn es geschlossen ist.

Schalter werden in einer Wechselrichterschaltung eigentlich nicht verwendet. Anstelle von Schaltern fungieren Transistoren wie Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBP) oder Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) als Schalter.

Diese Transistoren ermöglichen auch einen allmählichen Anstieg und Abfall des Stroms beim Öffnen und Schließen. Dies ist notwendig, damit die Stromausgabe die Form einer Sinuswelle hat. Wenn die Transistoren sofort geöffnet und geschlossen würden, wäre der Ausgang des Wechselrichters eine Rechteckwelle, die für viele Geräte nicht sicher als Wechselstrom funktioniert.

Zuletzt muss der Wechselrichter die Spannung auf 120 VAC erhöhen. Ein Wechselrichter verwendet dazu einen Aufwärtstransformator.