Bild 1: Die Digital-Signal-Controller dsPIC von Microchip enthalten zahlreiche passende Peripherieschaltungen für Stromversorgungen.

Bild 1: Die Digital-Signal-Controller dsPIC von Microchip enthalten zahlreiche passende Peripherieschaltungen für Stromversorgungen.Microchip

Ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Leistungswandler benötigte ein Umrichter-Design, das nicht nur flexibel, sondern auch leicht einstellbar war. Standalone-Umrichter nutzen Gleichstrom aus Solarmodulen oder anderen Quellen in einer Batterie und stellen die Energie bei Bedarf als Wechselstrom zur Verfügung. Der Entwickler muss dabei zusätzliche Umrichter pro Phase parallel anschließen oder dies im Drehstrombetrieb der Anwendung vorsehen können, bei denen sich der Strombedarf des Benutzers von Zeit zu Zeit ändert.

Die Leistung sollte dabei effizient und praktisch bereitgestellt werden; die Umrichter müssen klein und tragbar sein, um einen Einsatz an Orten ohne Netz-Stromversorgung zu ermöglichen, oder wo ein Notstrom-Backup wichtig ist. Solche Umrichter müssen auch bedienerfreundlich ausgelegt sein und eine Wartung vor Ort ermöglichen.

Auf einen Blick

Die beschriebenen, hoch-stabilen Umrichter bieten durch ihre Hochfrequenz-Übertragungstechnik und ihr modulares Design kurze Reaktionszeiten. Sie lassen sich parallel schalten. Bis zu fünf zusätzliche Umrichter pro Phase können in einer Dreiphasen-Konfiguration zu einem System aus insgesamt 15 Umrichtern parallel zusammengeschaltet werden.

Der Umrichter beim Kunden arbeitet mit einer Batterie-Nennspannung von 24 V oder 48 V, wiegt nur 8 kg und liefert eine Ausgangs-Nennleistung von 2200 VA bei einem maximalen Wirkungsgrad von 93 %. Durch die Integration von Ladetechnik und Umrichter in einer einzigen Einheit ließ sich das Design mit kompakten Abmessungen und Portabilität realisieren. Der Kunde nutzte eine Umrichter-Architektur auf der Basis eines Hochfrequenz-Übertragers, die aus einer Hochfrequenz-Leistungsstufe am Eingang, einem Hochfrequenz-Übertrager, einer zwischengeschalteten DC-Kopplung und einer Ausgangs-Leistungsstufe besteht. Im Unterschied zu den großen, schweren Niederfrequenz-Transformatoren, die oft als Alternative zum Einsatz kommen, nutzt der Standalone-Umrichter einen kleinen Hochfrequenz-Übertrager. Das Hochfrequenz-Konzept bietet den Vorteil, dass die an den Umrichter angeschlossenen Lasten fast direkt mit der Ausgangsstufe verbunden sind. Anders als bei Designs mit Niederfrequenz-Transformatoren üblich, kommt dabei keine Dämpfung zum Tragen. Sämtliche Schwankungen an der Lastseite lassen sich daher über die Ausgangs-Leistungsstufe ausregeln. Eine der zentralen Herausforderungen bei der Entwicklung war dabei eine Implementation dieser Architektur mit gutem Wirkungsgrad und einem hochwertigen, sinusförmigen Ausgangssignal, das die Vorgaben für Frequenz, Spannung und Oberwellen-Freiheit erfüllt.

Umrichter an der Wechselstromseite

Die nächste Herausforderung war der parallele Anschluss und das Anschalten der eigenständigen Umrichter an der Wechselstromseite, denn ein solcher eigenständiger Umrichter arbeitet als Spannungsquelle. Das bedeutet, der Umrichter baut seine eigene, stabile Ausgangsspannung auf und regelt den Strom abhängig von der angeschlossenen Last. Wenn daher zwei oder mehr Spannungsquellen miteinander verbunden, aber nicht synchronisiert sind, dann sind die Lasten asymmetrisch, und Strom fließt zwischen den Quellen. Dies führt zu Leistungsverlusten ohne Wirklast. Diese Querströme können auch zu Schäden an den Stromquellen führen.

Eine kleine Phasenverschiebung zwischen den zwei Spannungsquellen kann ebenfalls zu einem derartigen asymmetrischen Szenario und zu Spannungsunterschieden zwischen den Quellen führen, was eine direkte Verbindung der Spannungsquellen untereinander auf der Wechselspannungs-Seite bedeutet. Ein solcher Effekt tritt wegen des äußerst niedrigen Widerstands auf und führt zu einem sehr hohen Stromfluss zwischen den Umrichtern. Als Lösung für dieses Problem implementierte der Kunde einen sehr schnellen, präzisen Steuerungs- und Kommunikations-Algorithmus.

Modulares Design-Konzept

Ein modulares Design-Konzept lieferte Lösungen für die Anforderungen eines Parallelbetriebs mehrerer eigenständiger Umrichter. Der Backup-Umrichter arbeitet als normaler Umrichter (DC/AC) und lädt die Akkumulatoren aus einer Wechselspannungs-Quelle (AC/DC); der Umrichter verwendet dabei die gleichen Leistungselektronik-Schaltungen wie ein Generator. Da es aktuell auf dem Markt keine Umrichter gibt, die einen solchen Funktionsumfang unterstützen und eine Hochfrequenz-Übertragerarchitektur nutzen, musste eine vollkommen neue Schnittstellen- und Steuerungs-Strategie entwickelt werden. Der Kunde hat daher ein Umrichter-System mit vier verschiedenen Funktionsblöcken konzipiert, die mit drei unterschiedlichen Signal-Controllern zusammenarbeiten: DC/DC, DC/AC sowie Display- und Benutzerschnittstelle (Bild 2).

Bild 2: Funktionelles Blockschaltbild des Standalone-Umrichters.

Bild 2: Funktionelles Blockschaltbild des Standalone-Umrichters.Microchip

Der Kunde untersuchte die auf dem Markt verfügbaren Digital-Signal-Controller (DSCs), und entschied sich dann für dsPIC DSCs von Microchip. Diese DSCs bieten passende Peripherieschaltungen für Stromversorgungen wie etwa Zähler-basierte Pulsbreitenmodulationsmodule, Rückkopplungsschaltungen auf der Basis von Analogkomparatoren sowie eine synchronisierte A/D-Wandler-Abtastung in Kombination mit schnellen Multiplikationsoperationen in einem einzigen Taktzyklus. Diese dsPIC30F DSCs eignen sich für die hohen Ausführungsgeschwindigkeiten, die für die vom Kunden für dessen Umrichter benötigten Steuerschleifen-Algorithmen erforderlich sind.

Externe Komponenten wie etwa ein Reset-Controller, Speicher-Chips, ein A/D-Wandler sowie ein CAN-Controller waren durch die hochgradige Integration der DSCs nicht erforderlich. Die dsPIC30F DSCs bieten eine Rechengeschwindigkeit von bis zu 30 MIPS und gewährleisten damit eine Steigerung des Wirkungsgrads und der Zuverlässigkeit für das Umrichter-System. Problemlose Updates in der Zukunft wurden zu einem weiteren Verkaufsargument, da sich die DSCs für einen weiten Betriebsspannungs-Bereich von 2,5 V bis 5,5 V eignen.

Weil die DSCs unterschiedliche Ausstattungen an Flash- und RAM-Speicher sowie eine Reihe verschiedener Connectivity-Optionen boten, ließen sich die Umrichter flexibel und modular auslegen. Im Funktionsblock der DC/DC-Leistungsstufe steuert ein dsPIC30F5015 DSC die Hochfrequenzstufe zwischen dem Batterieeingang und dem Hochfrequenz-Übertrager. Dieser Baustein kam ebenfalls für eine präzise Messung von Batteriespannung und -strom zum Einsatz. In der DC/AC-Leistungsstufe steuerte ein dsPIC30F6010A die Leistungselektronik und implementierte eine patentierte PI-Regelschleife.

Für die Bedienerkonsole und die Display-Steuerung des Umrichters bildet ein dsPIC30F6010A über den CAN-Bus die Schnittstelle zum dsPIC30F5011. Ersterer dient auch zur Einstellung der Umrichter-Betriebsarten anhand der vom Benutzer eingegebenen Befehle. Der dsPIC30F5011 enthält 66 KByte Flash-Speicher sowie eine CAN-Schnittstelle, und der auf dem Baustein integrierte Flash-Speicher dient zur Speicherung aller grafischen Icons für die mehrsprachige Umrichter-Bedienerschnittstelle. Über die Navigationstasten auf der Bedienerkonsole kann der Anwender auf alle Betriebsarten und Menüs zugreifen.