Ein Wechselrichter ist ein leistungselektronisches Gerät zum Erzeugen von Wechselspannungen und -strömen aus einer elektrischen Energiequelle unterschiedlicher Spannung oder Frequenz. Dies ist die umgekehrte Funktion eines Gleichrichters .
Ein Wechselrichter ist ein elektronisches Leistungsgerät, das jede Form von Strom, einschließlich beispielsweise Wechselstrom, aus Gleichstrom erzeugen kann.
Ein Hybrid-Wechselrichter liefert entweder Wechselstrom oder Gleichstrom aus einer Stromquelle. Dies ist besonders bei Solarmodulen sinnvoll, die Strom liefern, wenn dieser nicht immer benötigt wird und dann z. B. in Batterien gespeichert werden muss . Dieser Gleichstrom muss dann zur Verwendung in Wechselstrom umgewandelt werden.
Ein Mikro-Wechselrichter ermöglicht es, auf kleinem Raum eine Gleichspannung in Wechselstrom umzuwandeln. Es sind bis zu 1000 W oder noch mehr, ab einer Spannung von 12 V , temperaturbeständig bis 65 °C , gekühlt durch natürliche Luftkonvektion und deren Wirkungsgrad 95,7 % erreicht .
Wechselrichter basieren auf einer H-Brückenstruktur , die meist aus elektronischen Schaltern wie IGBTs , Leistungstransistoren oder Thyristoren besteht . Durch einen Satz geeignet gesteuerter Schalter (normalerweise Pulsweitenmodulation ) wird die Quelle moduliert, um ein Wechselstromsignal der gewünschten Frequenz zu erhalten.
Es gibt verschiedene Arten von Wechselrichtern:
Die Hybrid-Wechselrichter oder intelligent sind eine neue Generation für erneuerbare Energieanwendungen für den Eigenverbrauch, insbesondere für die Photovoltaik ( Solarwechselrichter ). Die Energie von Photovoltaik-Solarmodulen ist nur tagsüber aktiv und hauptsächlich, wenn die Sonne im Zenit steht : Sie ist daher schwankend und nicht mit dem Verbrauch der Haushalte synchronisiert. Daher ist es notwendig:
David Prince wäre wohl der Erfinder des Begriffs „Wechselrichter“. Tatsächlich in einem Artikel von 1925 mit dem Titel "The Inverter". Prince beschreibt die meisten der konstituierenden Elemente sowie das Prinzip. Ursprünglich wäre der Begriff „Inverter“ dann verwendet worden, um den umgekehrten Betrieb eines Gleichrichters („Gleichrichter“ im Englischen) zu bezeichnen. So tauchte zuerst der Begriff "invertierte Gleichrichtung" auf, der dann zur Verwendung in "Wechselrichter" umgewandelt wurde.
Ab 1936 wurde der Begriff „Wechselrichter“ in Veröffentlichungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf der ganzen Welt verwendet. .
Es gibt viele Arten von Wechselrichtern, die beiden Hauptkategorien sind einphasige Wechselrichter von dreiphasigen Wechselrichtern zu unterscheiden . Das heißt, die erste Kategorie ermöglicht es, eine Gleichspannung (die beispielsweise von einer Batterie oder am Ausgang eines Gleichrichters geliefert wird ) in eine Sinusspannung umzuwandeln . Der zweite Typ funktioniert auf die gleiche Weise, aber anstatt die Spannung in einen einzelnen Sinus umzuwandeln , erzeugt er drei um jeweils 120° oder Bogenmaß phasenverschobene dazwischen .
Ein herkömmlicher einphasiger Wechselrichter besteht aus 4 IGBTs mit jeweils einer antiparallelen Diode , um bidirektionalen Strom zu gewährleisten (siehe Abbildung 1). Der Wechselrichter muss dann über eine geeignete PWM- Steuerung angesteuert werden, um die gewünschte Spannung zu erreichen. Die gewünschte Spannung wird im Allgemeinen von einer übergeordneten externen Regelschleife geliefert, die letztendlich die Erzeugung der PWM ermöglicht . Der externe Regelkreis muss unter anderem in der Lage sein, die gewünschte Sinusfrequenz und deren Amplitude bezogen auf die Zwischenkreisspannung, genannt Modulationsindex, zu liefern. Der Modulationsindex wird am häufigsten definiert als:
mit:
Um bei der erzeugten Spannung flexibler zu sein, gibt es Wechselrichter mit mehr Leistungsschaltern ( IGBTs ). Diese Wechselrichter werden dann Multilevel-Converter ( im Englischen Multi-Level-Converter , in der technischen Dokumentation MMC) genannt.
Wie bei einphasigen Wechselrichtern bestehen auch dreiphasige Wechselrichter aus IGBTs . Die traditionellsten haben jedoch 6 (2 zusätzliche Schalter pro Zweig des Wechselrichters). Diese 6 Schalter bilden zusammen 3 Schaltzellen, die es ermöglichen, die Gleichspannung in eine symmetrische dreiphasige Sinusspannung zu zerhacken , um beispielsweise einen Synchronmotor oder einen Asynchronmotor zu versorgen (siehe Abbildung 2). Wie bei einphasigen Wechselrichtern können dreiphasige Wechselrichter mehr Schalter haben, um die erzeugte Spannung genauer zu bestimmen, aber auch um Oberwellen zu reduzieren . Der größte Nachteil von MMCs sind ihre Kosten, insbesondere bei der Großserienfertigung. Wenn das Ziel beispielsweise darin besteht, Elektrofahrzeuge zu produzieren, gibt es einen Wechselrichter pro Fahrzeug. Wir können also leicht verstehen, dass das Hinzufügen von IGBTs (auch wenn ihre Einzelkosten gering sind) sowohl für den Hersteller als auch für den Benutzer sehr teuer sein kann.
Die Wechselrichter werden von einer stark nichtlinearen Regelung angesteuert. Diese Nichtlinearität ist auf den Aufbau von Wechselrichtern aus IGBTs zurückzuführen, die nur ganz oder gar nicht angesteuert werden können. Daher ist es notwendig, dass der Befehl auch alles oder nichts ist. Die klassischste Steuerung von Wechselrichterschaltern erfolgt durch den Vergleich zweier Signale. Dies erzwingt in der Tat, dass der Befehl binär ist (entweder 0 oder 1). Die fraglichen Signale werden als modulierend und als Träger bezeichnet . Die Modulation erfolgt herkömmlich, wobei die Referenzspannung durch die Busspannung mit einem Offset von 0,5 geteilt wird und der Träger ein Dreieckssignal zwischen 0 und 1 ist.
Der Befehl wird dann wie folgt generiert: Wenn der Modulant größer als der Träger ist, nimmt der Schaltbefehl 1 und andernfalls 0 an. Es ist wichtig zu wissen, dass der oben definierte Modulant nicht der einzig mögliche ist und dass es sehr viele davon gibt.
Der Vergleich zwischen einem Modulanten und einem Träger ist nicht die einzige Möglichkeit. Es gibt unter anderem der SVM (oder räumlichen Modulationsvektor in Französisch), die das ausmacht Gold - Standard in der Industrie, durch ihre einfache Implementierung, deren harmonischen Vorteile sowie die Erweiterung seiner Linearitätszone um 15% (genaue der maximale Modulationsindex ist nun gleich ), in Bezug auf die oben beschriebene Dreiecksträger- PWM .
Übliche TechnikenViele Steuerungstechniken wurden im Laufe der Zeit entwickelt, ihre Unterschiede, Vor- und Nachteile liegen in diesen wenigen Punkten:
Der Rest der beschriebenen Techniken betrifft nur 3-Arm-2-Level-Wechselrichter und 2-Level-Einphasen-Wechselrichter. Bestellungen für zusätzliche Level-Wechselrichter ändern den Namen und die Kategorie in Multi-Level-Wandler . Aufgrund ihrer immensen Vielfalt kommt es hier nicht in Frage, deren Reihenfolge zu diskutieren.
Sinusförmige Modulation (SPWM)Beim konventionellsten Verfahren wird das von der Gleichspannungsquelle normierte Referenzsignal mit einem Dreiecksträger verglichen , um den Befehl der Schaltzellen zu erzeugen . Dieses Verfahren wird aufgrund seiner sehr schlechten harmonischen Qualität und Effizienz in der Industrie selten verwendet. Eine SVM- oder harmonische Injektion 3. Ordnung wird im Allgemeinen bevorzugt.
Oberwelleninjektion 3. Ordnung (THIPWM)Wir vergleichen das normalisierte Referenzsignal, dem wir eine dritte Harmonische der Amplitude 1/6 oder 1/4 hinzugefügt haben. Dieses neue Signal wird dann mit einem Dreiecksträger verglichen, um die Steuerung der Schaltzellen zu erzeugen . Es ist zu beachten, dass die Frequenz der so hinzugefügten Oberwellen zwingend in der Ordnung 3 (oder Vielfachen von 3) liegen muss, um die Symmetrie zwischen den Phasen des Wechselrichters zu erhalten. Tatsächlich bleibt also die Summe der drei Sinus, aus denen das Signal besteht, mathematisch gleich 0.
Raumvektormodulation (SVM)Es geht nicht mehr darum, ein Signal mit einem Dreiecksträger zu vergleichen, sondern dank der Chasles-Beziehung mit den vom Inverter erzeugbaren Vektoren einen Vektor in der komplexen Ebene zu erzeugen . Obwohl diese Strategie am vektoriellen Ursprung liegt, kann sie leicht auf ein Verfahren basierend auf einem Dreiecksträger reduziert werden, indem der Median des Dreiphasensignals berechnet wird.
Zufallsmodulation (RPWM)Der Dreiecksträger hat über einen Zeitraum keine konstante Frequenz mehr. Dies verschlechtert das harmonische Spektrum , verbessert jedoch den Geräuscheindruck erheblich (und nicht den tatsächlich erzeugten Lärm!). Obwohl die Leistung der Schallwellen gleich ist, erweckt dieses Verfahren den Eindruck eines feinen Sandstroms.
Diskontinuierliche Modulation (DPWM)Dies ist auch ein Verfahren der Oberwelleninjektion oder Gleichtaktspannungsinjektion, deren Zweck darin besteht, eine Schaltzelle periodisch einzufrieren , um Verluste im Wechselrichter zu reduzieren. Die bekanntesten DPWM-Strategien sind DPWM1, DPWM2, DPWM3, DPWMMin sowie DPWMMax
Fortgeschrittene Techniken Offline-TechnikenDie sogenannten Offline-Strategien (optimale Pulsmuster im Englischen) gehen davon aus, dass der gesamte Befehl eine Blackbox ist und je nach Spannung und gewünschter Eingangsfrequenz ein Mikroprozessor eine Tabelle ausliest so effektiv wie möglich. Die Schaltwinkel werden vorab mit Optimierungsverfahren berechnet.
Online-TechnikenDiese Strategien sind automatisch bekannt und bestehen aufgrund der Kenntnis des zu kommandierenden Systems darin, eine PWM zu erzeugen. Zu diesen Befehlen gehört unter anderem der prädiktive Befehl.
Der Wechselrichter ist eine der am weitesten verbreiteten Baugruppen der Leistungselektronik; Es hat mehrere Anwendungen:
Der Wechselrichter ist auch Bestandteil von unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV). Im allgemeinen Sprachgebrauch wird außerdem häufig der Begriff "Wechselrichter" verwendet, um ein solches Netzteil zu bezeichnen, beispielsweise als Sicherheitsnetzteil für Computer.