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

[ari2605]

Hallo locked,

Dein Beitrag liegt zwar schon etwas zurück, aber ich bin beim stöbern nach Sinus-Wandler-Projekten auf dieses gestoßen.
Ich hätte mal eine Frage zum Zerhacken der Gleichspannung: Wie werden die beiden Brücken für die Primärseite des Trafos genau angesteuert?
Ist es so, daß die "IN"-Eingänge mit der 32kHz-Frequenz beaufschlagt werden und die PWM über die "En1"-Eingänge gemacht wird. Dann würde nach dem Abschalten der Spule in den Lücken der Strom durch die Freilaufdioden weiterfließen.
Ich hatte daran gedacht, die IN-Eingänge quasi mit einem phasenverschobenen PWM-Signal zu speisen, dann würden die Brücken bei unterschiedlichen Logikpegeln den Trafo mit Spannung versorgen und bei gleichen Logik-Pegeln in den Lücken den Trafo-Primärseitig quasi kurzschließen (beide Enden entweder an + oder an -). Dann würde der Strom nicht über die Freilaufdioden sondern über die MOSFET's fließen.
Wäre nett, wenn Du mir die Programmierung des AVR für die PWM kurz erläutern könntest.
P.S.: Hast Du die EMV-Probleme eigentlich gelöst? Ich hätte gedacht, dass es eine Masse-Schleife zwischen Wechselrichter und RS232-Host gibt. Vielleicht hätte man die RS232 mit Optokopplern galvanisch trennen sollen.

Gruß, Andreas

[locked]

Hallo Andreas,

Die Hardware-PWM des Timers 0 des ATMega8 wird im "Phase Correct Mode". Die beiden Register der PWM-Kanäle werden jeweils mit dem PWM-Wert und dem invertierten PWM-Wert geladen. Um die Invertierung des einen PWM-Kanals auszugleichen, wird dieser Ausgang als invertierter Ausgang konfiguriert. Durch diese etwas komplizierte Konfiguration ergibt sich an den beiden PWM-Pins eine phasenverschobene, symmetrische PWM, welche jedoch nur bis zu Hälfte ausgesteuert werden darf. Die beiden PWM-Signale haben also stets dasselbe Pulspausenverhältnis, jedoch um 180° verschoben. Ist das eine Signal gerade in der Low-Phase, ist das andere gerade in der Hi-Phase und vice versa. Das geht natürlich nur solange, bis die PWM 50 % überschreitet, da sich danach die Signale überlagern und es keine gemeinsame Lo-Phase mehr gibt.
Jedes PWM-Signal wird nun einer Halbbrücke zugeführt, welches auch bereits die Pulsweite des Transformators vorgibt. Weiteres werden beide Signale UND-verknüpft und mithilfe dieses Signals alle MOSFETs geöffnet (Treiber werden abgeschaltet). Dadurch ergibt sich das für einen Gegentaktwandler typische Signal, siehe Wikipedia ( Gegentaktflusswandler )
Der Magnetisierungsstrom, der im Kern gespeichert ist, fließt in der "Pause-Phase" (alle MOSFETS offen) über die Sekundärseite in den Zwischenkreiskondensator, und wird somit nicht vernichtet. Betreibt man die einzelnen PWM-Kanäle mit einem Tastverhältnis von über 50 %, so werden beide PWM-Pins nie mehr Low und die Treiber werden nicht mehr abgeschaltet. Zwar funktioniert der Wandler dadurch nach wie vor, jedoch besteht die Pause in diesem Fall nicht mehr aus dem Öffnen der MOSFETS, sondern aus dem schließen der beiden oberen. Dadurch wird der Magnetisierungsstrom des Trafos kurzgeschlossen und langsamer abgebaut.

Beste Grüße,
Roland.

[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