Projekt: Sinuswechselrichter [12V --> 230V]

[ari2605]

Hallo Roland,

danke für Deine Antwort. Inzwischen ist mein Projekt schon ziemlich weit fortgeschritten, die Eingangsseite funktioniert auch schon; incl. Zwischenkreisregelung. Leider habe ich mir 2 Hochvolt-MOSFET's zerschossen Aus Deinem Projekt konnte ich viele wertvolle Informationen entnehmen (Strommessung, Ladungspumpe für OPV- top!). Die Ansteuerung auf der Eingangsseite habe ich dennoch etwas anders gemacht, ich erzeuge zwei 50kHz-Rechteck-Signale und die Phasenverschiebung wird durch die PWM geregelt -> 0%PWM Signal ist gleichphasig, 100% PWM Signal ist gegenphasig. Da der Wandler nur die Differenz "sieht" kann ich ihn damit auch 0-100% aussteuern. Als Vorteil sehe ich, dass in jeder Brücke immer ein MOSFET durchgeschaltet ist und die Freilaufdioden kaum beansprucht werden. Der /SD Eingang ist somit immer aktiv.

Viele Grüße, Andreas

[locked]

Hallo Andreas,

Es freut mich, dass Dir mein Projekt nach nunmehr über vier Jahren etwas weitergeholfen hat. Ja, das Lehrgeld für Ersatzbauteile musste ich ebenfalls bezahlen, auch wenn es überschaubar war. Das liegt vermutlich in der Natur der Thematik .

Deine Methode der Ansteuerung der Hochstrombrücken finde ich interessant. Womit erzeugst Du die phasenverschobenen Rechtecksignale, speziell bei dieser hohen Frequenz? Ein 8-Bit-Mikrocontroller fällt hierführ wohl aus.

Nun, ob es wirklich ein Vorteil ist, dass immer ein MOSFET der Halbbrücken geschlossen ist, ist fraglich. Wie gesagt wird der im Transformator gespeicherte (auch wenn der Kern, wie benötigt, keinen Luftspalt hat) Magnetisierungsstrom so über die beiden oberen bzw. beiden unteren Transistoren kurzgeschlossen und als Wärmeenergie abgebaut. Öffnen in der "Pause" jedoch die Transistoren, so kann der Magnetisierungsstrom primärseitig in die Stützkondensatoren zurückfließen bzw. sekundärseitig in den Ausgangskreis. Die Magnetisierungsenergie wird somit nicht vernichtet, sondern genutzt. Klar, es macht jetzt keinen großen Anteil am Gesamtstromverbrauch aus, jedoch war bei meinem Wandler der Unterschied durchaus messbar, da es mir mit der beschriebenen Methode möglich war, den Wandler in den "Pausen" sowohl mit geschlossenen als auch mit geöffneten MOSFETS zu betreiben.

Beste Grüße,
Roland.

[ari2605]

Hallo Roland,

das ist sozusagen der Vorteil, dass ich erst jetzt mit dem Projekt angefangen habe; inzwischen gibt es die ATMEGA 48/88/168 - Serie die ebenfalls mit bis zu 20MHz betrieben werden können und einen einstellbaren Max-Wert für den Timer0 haben (der macht bei mir die Eingangsseite). In diesem sog. CTC Mode setze ich den Max-Wert des Timers auf 200, d.h. der Timer wird bei 200 wieder auf 0 gestellt. So habe ich eine PWM-Grundfrequenz von 100kHz bei 20MHz Quarz und einem Vorteiler von 1. Die PWM kann in 200 Stufen eingestellt werden (0..199) das ist mehr als ausreichend für die Regelung. Das 100kHz PWM-Signal speist nun 2 D-Flip-Flops, welche als Kippglieder geschaltet sind (der /Q-Ausgang geht auf den Eingang). Die Ausgänge der FF's speisen die Brückentreiber. Das eine FF kippt bei steigendem PWM-Signal das andere bei fallendem PWM-Signal. Bei PWM 0 erzeugt der ATMEGA eine ganz kleine Nadel, d.h. FF2 kippt ganz kurz nach FF1. Das erzeugt fast Gleichphasigkeit. Bei max. PWM von 199 entsteht im Gegenzug nur ein ganz kurzer Low-Impuls, d.h. FF2 kippt erst ganz spät nach FF1 - das erzeugt fast Gegenphasigkeit. Durch diese Frequenzteilung erhalte ich meine 50kHz. Mir ist bewusst, das falls das PWM-Signal mal statisch ist die FF's nicht mehr kippen würden was wahrscheinlich zur Zerstörung der Eingangsseite führen würde, da der Trafo dann quasi mit Gleichspannung beaufschlagt wird. Den Fall gilt es SW-technisch zu verhindern!

Ich bin mir nicht sicher, ob durch diese Ansteuerung wirklich mehr Energie vernichtet wird; ich stelle mir das so vor: solange der Trafo das gegenphasige Signal sieht fließt ein steigender Strom in den Trafo. Dieser Strom induziert die Sekundärspannung. Wenn die beiden Signale gleichphasig werden, wird die Primärseite des Trafos kurzgeschlossen; entweder über beide unteren oder beide oberen Brückentransistoren. Durch die Trafo-Induktivität fließt der Strom nun noch eine Zeit weiter und fällt dabei langsam ab; das sollte ebenfalls eine (entgegengesetzt gepolte) Sekundärspannung induzieren welche über den Gleichrichter im Zwischenkreis-Elko landet. Im I'net habe ich dazu folgenden Beitrag gefunden:

http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch...apitel8_3.html

"8.4.1. Phase-Shift-PWM-Wandler
Bei Verwendung von Vollbrücken-Flusswandler lässt sich die Vollbrücke auch in ganz anderer Weise ansteuern als dies mit den üblichen PWM-Steuer-ICs möglich ist: Statt mit variabler Einschalt- und Totzeit werden die beiden Halbbrückenzweige mit konstanter Frequenz, Einschalt- und Totzeit betrieben. D.h., beide Halbbrücken erzeugen eine Rechteckspannung mit einem stabilen Tastverhältnis von 50%. Die Steuerung der Energiezufuhr erfolgt durch eine variable Phasenverschiebung zwischen den Rechteckspannungen der beiden Halbbrückenzweige. Die Primärspule des Trafos "sieht" nur die Differenz zwischen den beiden Rechteckspannungen. Diese Differenz kann null sein, wenn die Rechteckspannungen gleichphasig sind oder sie ist maximal, wenn die Spannungen gegenphasig sind. Zwischen diesen Extremen ergibt sich eine von der Phasenverschiebung linear abhängige Einschaltdauer der Spannung an der Primärspule."

Viele Grüße, Andreas

[ari2605]

Update,

mein Wandler läuft zum erstenmal!!! Allerdings erst mal mit 150W am Ausgang. Ausgelegt habe ich den Wandler auf 600W. Mein Test-PC-Netzteil gibt nur 15A @12V ab. Dabei brechen die 12V schon auf 10V ein. Muß mir noch eine Autobatterie besorgen, welche die 50A liefern kann. Mit den Induktivitäten habe ich auch noch Probleme; hatte erst welche aus der Bastelkiste genommen. Die waren offensichtlich zu klein und gingen in Sättigung. Sie wurden bei 0.5A heiß obwohl mit 1mm Cu bewicklt. Sobald ich einen 0,47µF Kondensator an den AC-Ausgang angeschlossen hatte, brach die Ausgangsspannung zusammen. Für mich ein Zeichen, dass die Induktivität zu klein ist - die Sinus-PWM erscheint am Ausgang und wird quasi durch den Kondensator kurzgeschlossen. Mittlerweile habe ich mir 2 Stück 470µH, 2,5A besorgt. Die werden auch noch etwas warm. Allerdings habe ich auch erst 25% Leistung. Ich überlege auch noch, die Frequenz der Sinus-PWM zu erhöhen dann müssen die Induktivitäten nicht so groß sein. Im Moment läuft die Sinus-PWM nur mit 10kHz. Anbei mal ein Bild von meinem Aufbau:

[locked]

Hallo Andreas,

Herzlichen Glückwunsch zum erfolgreichen Test! Wie ich sehe, nimmt Dein Projekt konkrete Formen an, danke für das Foto, ich wollte schon danach fragen .

Deine Methode der Erzeugung der phasenverschobenen Rechtecksignale finde ich wirklich gelungen und raffiniert. Dadurch gibt nach wie vor der Mikrocontroller die effektive Pulsbreite vor, und das bei ausreichend hoher Frequenz. Bei Deinem Wechselrichter steuert bzw. regelt also auch nur ein Mikrocontroller den gesamten Wandler, sprich Gegentaktwandlerregelung und Sinuserzeugung? Mit welchem Algorithmus regelst Du die Zwischenkreisspannung mit einem PI-Regler-Algorithmus? In welcher Sprache programmierst Du den Prozessor?

Ja, die Speicherdrosseln, eine Geschichte für sich. Nun, es muss nicht unbedingt sein, dass die magnetisch speicherbare Energiemenge Deiner Spulen zu klein ist, sondern es könnte sich auch einfach um ungeeignetes Kernmaterial handeln. Ich habe für meinen Wandler so 50Hz-Entstördrosseln verwendet, welche dem Ausgangsstrom eigentlich gerecht werden sollten, dennoch wurden diese unerträglich heiß. Der Grund hierfür war eben das Kernmaterial, welches nicht für die hohe Sinus-PWM-Frequenz geeignet war, und sich durch Ummagnetisierungsverluste aufheizte. Insofern eignen sich nur spezielle Hochfrequenzspulen, oder aber man wickelt sich am besten selbst eine, auf einen entsprechenden Kern (EE-Ferritkern mit Luftspalt).

Sobald die Stromversorgung der Primärseite des Transformators entfernt wird, muss sich der Fluss im Kern abbauen. Der magnetische Fluss reduziert sich also (negatives dPhi/dt) was einer negativen Induktionsspannung an beiden Wicklungsseiten entspricht. Auf welcher Seite nun diese Spannung einen Strom treibt, hängt ganz von Bürde der jeweiligen Wicklung ab. Auf der Sekundärseite muss die Spannung bis auf die Zwischenkreisspannung der Kondensatoren plus zwei Diodenstrecken ansteigen, ehe Strom fließen kann. Auf der Primärseite, bei offenen Transistoren, bis zur Versorgungsspannungshöhe plus ebenfalls zwei Dioden. Da die Wicklungen ja unterschiedliche Windungszahlen haben, wird sich der Stromfluss so auf beide Seiten einigermaßen aufteilen. Schließt man die Primärseite jedoch kurz, ist diese Bürde viel geringer, und der sinkende Fluss im Transformator wird unverzüglich einen Stromfluss ausschließlich in dem niederohmigen, kurzgeschlossenen Primärkreis zur Folge haben. Das wiederum heißt, dass die Spannung an der Sekundärseite niemals eine Höhe erreichen kann, um einen Stromfluss in den Sekundärkreis zu ermöglichen.
Anders betrachtet: Die in der "Pause" kurzgeschlossene Primärspannung beträgt 0 V (eventuell ein paar Millivolt). Berücksichtigt man nun das Übertragungsverhältnis des Transformators, so ergibt sich auf der Sekundärseite eine Spannung von 0 V (Usek = Uprm * ü = 0 V * 33 = 0V), welche keinen Zwischenkreisstrom treiben kann.
Der Magnetisierungsstrom des Transformators wird also bei kurzgeschlossener Primärwicklung irreversibel in Wärme umgewandelt, was sich im Leerlaufstrom widerspiegelt. Dass es nicht viel ist, und bei belastetem Wandler ohnedies untergeht, ist klar, immerhin ist der Transformator ja luftspaltfrei, speichert also kaum magnetische Energie, nur die, die für die Magnetisierung notwendig ist.

Beste Grüße,
Roland.

[ManuelB]

Der Farbkennzeichnung nach sollten die Ringkerne schon für Frequenzen von ca. 50kHz ausreichen darüber sollte anderes Kernmaterial verwendung finden. Eisenpulver sättigt ja auch nicht schlagartig wie Ferritkerne aber die Induktivität sinkt halt immer weiter mit steigender Auslastung. Daher muss man immer auf seinen Laststrom achten und was für eine Induktivität hier noch vorhanden ist.

MfG
Manu

[ari2605]

Hallo Roland,

danke für die Glückwünsche. Ja der gesamte WR soll durch einen µC gesteuert werden; das dürfte kein Problem sein. Timer0 arbeitet wie beschrieben und braucht zur Laufzeit keine Prozessorresourcen (Interrupts). Es wird nur der Ausgang des Reglelalgorithmus (PWM) in ein Register geschrieben. Timer1 erzeugt die Sinus-PWM (alt: 10 kHz, jetzt: 20kHz). Im Interrupthandler wird jeweils der nächste Wert aus einer Sinustabelle nachgeladen. Das macht macht ca. 3% Prozessorlast aus (bei 10kHz). Weiterhin triggert der Timer1 auch den ADC mit 10kHz, so dass alle 100µs ein ADC-Wert zu verarbeiten ist (Addition für Mittelwertbildung, Multiplexer umschalten). Dafür gibt es auch einen Interrupthandler. Der verursacht ca. 5% Prozessorlast. Also bleiben noch ca. 90% für das Hauptprogramm übrig. Bei einem Prozessortakt von 20MHz entspricht das immerhin noch einem Prozessor mit 18MHz.
Ja, die ZK-Regelung mache ich mit einem PID-Regler; der Code stammt aus diesem super Tutorial hier aus dem Forum:
http://www.rn-wissen.de/index.php/Regelungstechnik
Die Regler-Parameter sind erst mal mit try and error grob geschätzt. Wenn ich mal viel Zeit habe wollte ich mal eine Sprungantwort meines Zwischenkreises aufzeichnen und die Parameter optimieren. Aber im Moment pendelt die Spannung um +/-2V; das sollte reichen.
Der Regleralgorithmus wird alle 2 ms im Hauptprogramm durchlaufen wenn ein neuer ADC Wert vorliegt (100µs ADC Takt * 4 Kanäle * 5 Werte für Mittelwert = 2ms). Die gemessenen Werte für 2 Spannungen und 2 Ströme werden im Moment auf dem LCD ausgegeben. Später will ich noch ein einstellbares Limit für den Eigangsstrom haben, um den Wandler z.B. auch im Auto an einer mit 20A abgesicherten Zigarettensteckdose zu betreiben. Man könnte dann auch Ein-und Ausgangsleistung bzw. Wirkungsgrad berechnen. Es ist alles in C programmiert, das macht sowas relativ einfach.

Das mit den Drosseln habe ich mir nochmal durch den Kopf gehen lassen; es müssen Kernverluste sein. Selbst die großen Kerne der 470µH/2,5A Drosseln werden heiß bei einem Strom von 0.5A. Die AC-Drossel bekommt einen sehr hohen Ripple-Anteil ab und die wird auch am heißesten. Habe jetzt erst mal die rot-grünen Kerne von Reichelt bestellt, die sollen besser für höhere Frequenzen geeignet sein. Wenn das nicht hilft, kann ich Deinen Tipp mit den Ferriten mit Luftspalt nochmal aufgreifen.

Die Ansteuerung des Trafos will ich noch mal genauer untersuchen, am WE leihe ich mir mal das Oszi von meinem Arbeitgeber aus. Auf diesem Gebiet ist mein Wissen leider "etwas begrenzt", bin "nur" Techniker, der sich die letzten Jahre fast ausschließlich mit Softwareentwicklung befasst hat. Spulen und Trafos waren mir früher immer etwas suspekt. Dieses Projekt habe ich mir auch deshalb ausgesucht, um mich mal wieder mit Hardware (incl. Spulen) zu beschäftigen.

Veile Grüße, Andreas

[locked]

Hallo Andreas,

Wie ich sehe, hast Du Dir einige Gedanken über die Ressourcenaufteilung der Rechenleistung des Mikrocontrollers gemacht, und diese sogar berechnet. Ja, da bei der Wechselrichtersteuerung sowohl bei der PWM-Ausgabe, als auch im Regelalgorithmus ausschließlich triviale Berechnungen benötigt werden, reicht die Rechenleistung eines AVR-Controllers der MEGA-Serie im grunde leicht aus.
Das Codebeispiel eines PID-Reglers, beschrieben hier im Forum, finde ich auch sehr gut, und hat mir bei der Verwirklichung meines balancierenden Roboters sehr geholfen. Da die Regelung der Zwischenkreisspannung jedoch nicht übertrieben schnell sein muss, habe ich mich bei meinem Wandler für eine einfache Implementierung eines PI-Reglers entschieden, dessen Parametrisierung sich deutlich einfacher gestaltet. Die einfachste Methode, Deinen PID-Regler zu konfigurieren ist, wie Du schon sagtest, der empirischer Weg. Wobei es auch hierfür Wege und Methoden gibt, um die passenden Parameter mit vertretbarem Aufwand zu finden. Ein bekanntes Verfahren hierfür ist jenes von Ziegler und Nichols.

Ich habe die Software für meinen Wechselrichter ebenfalls in C geschrieben, ist ja auch der Industriestandart. Eine Bemerkung über Bascom verhalte ich mir an dieser Stelle, welches Du ja zum Glück nicht benutzt .

Bei der Ausführung der Speicherdrossel ist es wirklich am einfachsten, einen passend großen ETD-Kern mit geeignetem Luftspalt zu verwenden. Dadurch ist sichergestellt, dass das magnetisch leitende Material für die verwendete Frequenz geeignet ist. Außerdem gestaltet sich das Wickeln des Spulenkörpers deutlich einfacher als bei Ringkernen.

Klar, mit dem Mikrocontroller kann man sich diverse Parameter berechnen. Nur, um qualitative Aussagen über den aktuellen Wirkungsgrad machen zu können, reicht es nicht aus, nur die Zwischenkreisspannung zu messen, da hier weder die Verluste der Ausgangsvollbrücke, noch die des Ausgangsfilters berücksichtigt werden. Hierfür müsste man die Ausgangsspannung – zumindest eine Phase – gegen Masse messen, und den Spitzenwert berechnen. Nach Berücksichtigung des Formfaktors – nicht deformiertes Sinussignal vorausgesetzt – kann man so in Kombination mit dem Brückenstrom auf die einigermaßen richtige Ausgangswirkleistung schließen. Nicht berücksichtig, da so nicht messbar, werden jedoch Blindströme komplexer Verbraucher.

Wofür willst Du den Wechselrichter schlussendlich eigentlich verwenden? Bei meinem Projekt ging es damals eigentlich nur darum, ein derartiges Projekt zu realisieren, also nur um den Weg dahin.


Beste Grüße,
Roland.