Energie muss effizient und praktikabel bereitgestellt werden, und Wechselrichter müssen klein und tragbar sein, um auch dort eingesetzt werden zu können, wo kein Netzanschluss vorhanden ist und eine Notstromversorgung im Notfall unerlässlich ist. Diese Wechselrichter müssen sich zudem durch einfache Bedienung und Wartung vor Ort auszeichnen.
Der Wechselrichter des Kunden akzeptiert eine Nennbatteriespannung von 24 V oder 48 V, wiegt nur 8 kg und liefert eine Nennausgangsleistung von 2200 VA bei einem maximalen Wirkungsgrad von 93 %. Die Kombination von Ladetechnologie und Wechselrichter in einem Gerät erfüllt zwei Ziele: kompakte Bauweise und hohe Mobilität. Der Kunde nutzt eine Wechselrichterarchitektur auf Basis eines Hochfrequenztransformators, bestehend aus einer Eingangs-Hochfrequenz-Leistungsstufe, einem Hochfrequenztransformator, einem Zwischenkreis und einer Ausgangs-Leistungsstufe. Der eigenständige Wechselrichter basiert auf einem kleinen Hochfrequenztransformator – ganz anders als die oft als Alternative verwendeten, sperrigen Niederfrequenztransformatoren.
Das Hochfrequenzkonzept bedeutet, dass die an den Wechselrichter angeschlossenen Lasten nahezu direkt mit der Ausgangsstufe verbunden sind, ohne die bei Niederfrequenz-Transformatoren häufig auftretende Dämpfung. Dadurch lassen sich alle Schwankungen auf der Lastseite über die Ausgangsstufe ausgleichen. Die effiziente Realisierung dieser Architektur mit einer qualitativ hochwertigen Ausgangswellenform, die die Spezifikationen für Frequenz, Spannung und Oberwellenverzerrung erfüllt, stellte eine erhebliche Herausforderung für die Entwicklung dar.
Das Parallelschalten und -verbinden von Einzelwechselrichtern auf der Wechselstromseite stellte eine erhebliche Herausforderung dar, da ein Einzelwechselrichter als Spannungsquelle fungiert. Das bedeutet, er erzeugt seine eigene stabile Ausgangsspannung und regelt den Strom entsprechend den angeschlossenen Lasten. Werden zwei oder mehr Spannungsquellen angeschlossen, aber nicht synchronisiert, kommt es daher zu einer Lastunsymmetrie und einem Stromfluss zwischen den Quellen, was Leistungsverluste und eine Wirkleistung von null zur Folge hat. Dieser Stromfluss kann sich auch negativ auf die Stromquellen auswirken.
Eine geringe Phasenverschiebung zwischen zwei Spannungsquellen kann ebenfalls diese Asymmetrie verursachen. Dadurch entsteht eine Spannungsdifferenz, die auf der Wechselstromseite eine direkte Verbindung zwischen den Spannungsquellen herstellen kann. Dies geschieht aufgrund ihres sehr geringen Widerstands, der wiederum einen sehr hohen Stromfluss zwischen den Wechselrichtern zur Folge hat. Der Kunde implementierte einen sehr schnellen und präzisen Steuerungs- und Kommunikationsalgorithmus, um dieses Problem zu beheben.
Ein modulares Designkonzept erfüllte die Betriebsanforderungen mehrerer parallel geschalteter Standalone-Wechselrichter. Ein Backup-Wechselrichter fungiert als Standard-Wechselrichter (DC/AC) und lädt die Batterien über eine Wechselstromquelle (AC/DC); dieselbe Leistungselektronik dient gleichzeitig als Generator. Da der Markt derzeit keine Wechselrichter mit dieser Funktionalität bietet und diese auf einer Hochfrequenz-Transformatorarchitektur basieren, war eine völlig neue Schnittstelle und Steuerungsstrategie erforderlich. Abbildung 1 veranschaulicht den Kundenvorschlag für ein Wechselrichtersystem, bestehend aus vier verschiedenen Funktionsblöcken, die von drei verschiedenen Signalreglern gesteuert werden: DC/DC, DC/AC sowie Anzeige- und Benutzerschnittstelle.
Der Kunde suchte unter digitalen Signalcontrollern (DSCs) und entschied sich für dsPIC-DSCs. Diese verfügen über netzteilkompatible Peripheriegeräte wie zählerbasierte PWM-Module (Pulsweitenmodulation), analogkomparatorbasierte Rückkopplungsabtastung und koordinierte A/D-Wandler sowie eine schnelle Multiplikation innerhalb eines einzigen Taktzyklus. Die dsPIC30F-DSCs bieten die hohen Ausführungsgeschwindigkeiten, die für die Regelalgorithmen der Wechselrichter des Kunden erforderlich sind.
Externe Komponenten wie Reset-Controller, Speicherchips, A/D-Wandler oder CAN-Controller waren nicht erforderlich, da diese in die DSCs integriert sind. Die dsPIC30F DSCs bieten Ausführungsgeschwindigkeiten von bis zu 30 MIPS und gewährleisten höhere Effizienz und Zuverlässigkeit im Wechselrichtersystem. Ein weiterer Vorteil ist ihre einfache Aufrüstbarkeit, da die DSCs in einem breiten Spannungsbereich von 2,5 V bis 5,5 V betrieben werden können.
Der Wechselrichter war flexibel und modular aufgebaut; die DSCs boten verschiedene Flash- und RAM-Kapazitäten sowie vielfältige Anschlussmöglichkeiten. Im DC/DC-Leistungsstufenblock steuerte der dsPIC30F5015 DSC die Hochfrequenzstufe zwischen Batterieeingang und Hochfrequenztransformator. Dieses Bauteil diente auch zur präzisen Messung von Batteriespannung und -strom. In der DC/AC-Leistungsstufe steuerte der dsPIC30F6010A die Leistungselektronik mittels eines zum Patent angemeldeten PI-Reglers.
Für die Bedienelemente des Instrumentenpanels und des Wechselrichterdisplays ist der dsPIC30F6010A über den CAN-Bus mit dem dsPIC30F5011 verbunden. Er passt außerdem die Betriebsmodi des Wechselrichters gemäß den Benutzeranweisungen an. Der dsPIC30F5011 verfügt über 66 KB Flash-Speicher und eine CAN-Schnittstelle. Im integrierten Flash-Speicher werden alle grafischen Symbole für die mehrsprachige Benutzeroberfläche des Wechselrichters gespeichert. Die Navigation durch die verschiedenen Betriebsmodi und Menüs erfolgt über die Navigationstasten am Panel.
Diese hochstabilen, schnell reagierenden Wechselrichter basieren auf Hochfrequenz-Transformatortechnologie und zeichnen sich durch ein modulares Design aus. Sie lassen sich parallel schalten. Für den Dreiphasenbetrieb können bis zu fünf zusätzliche Wechselrichter pro Phase parallelgeschaltet werden, sodass ein System insgesamt 15 Wechselrichter umfassen kann.
Dank des DSC dsPIC30F von Microchip konnte der Kunde einen kompakten und multifunktionalen Wechselrichter entwickeln, der eine autonome Stromversorgung ohne Anschluss an das öffentliche Stromnetz ermöglicht.
Hinweis: Die Namen und Logos von Microchip und dsPIC sind eingetragene Warenzeichen der Microchip Technology Inc. in den USA und anderen Ländern. Alle anderen erwähnten Warenzeichen gehören den jeweiligen Unternehmen.
Autor:
Victor Alcazar,
Direktor für Marktentwicklung,
Abteilung Hochleistungs-Mikrocontroller,
Microchip Technology Inc.
