Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde für Versuche eine Stromquelle benötigt, die mithilfe eines angeschlossenen Spulensystems ein alternierendes Magnetfeld mit variabler Frequenz erzeugt. Nach Möglichkeit sollte die Stromquelle Frequenzen mit bis zu 20.000 Hz erreichen und zudem zwei Ausgänge besitzen. Die beiden Ausgänge sollen Strom und Frequenz über einen weiten Bereich regeln.

Bild 1: GIPC und Tochterplatine sind auf eine Platine montiert. Der GPIC dient der Steuerung der Endstufen. Die Tochterplatine wiederum ermöglicht unter anderem Signalrouting und Messwertfilterung.

Bild 1: GIPC und Tochterplatine sind auf eine Platine montiert. Der GPIC dient der Steuerung der Endstufen. Die Tochterplatine wiederum ermöglicht unter anderem Signalrouting und Messwertfilterung. National Instruments

Stromquelle mit dem GPIC

Dafür entwickelten die Forscher eine Stromquelle mit zwei ausgangsseitigen Wechselrichtern, die ein General Purpose Inverter Controller (GPIC) steuert. Ein Gleichspannungszwischenkreis speist die beiden Wechselrichter. Die Entwickler schalteten dann verschiedene AC-Kondensatoren an die vom GPIC gesteuerten Endstufen. Stickstoffrelais machten es möglich, dass sich die Kondensatoren zu einer Kapazität mit variabler Größe kombinieren ließen. Zusammen mit einem bifilaren Spulensystem am Ausgang bildet die entstandene Kapazität einen Serienschwingkreis, der die hohen Ausgangsfrequenzen bei bis zu 65 Aeff ermöglich. Alternativ ist auch eine Überbrückung der Kondensatoren möglich, wodurch beide Wechselrichter auf einer induktiven Last arbeiten.

Anschließend verbaute man die gesamte Leistungselektronik sowie die erforderlichen Filter und Überwachungsgeräte in einen Schaltschrank. Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) regelte die Überwachung sowie die Steuerung des Schaltschrankes. Im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes schlossen die Entwickler die SPS und die GPICs an einen PC an. Der PC diente dabei der Bedienung der Stromquelle und war deshalb mit einer Labview-basierten Bedienoberfläche ausgestattet.

Zusätzliche Platine notwendig

Wie auf Bild 1 zu sehen ist, war eine zusätzliche Tochterplatine erforderlich, um dem GPIC die Steuerung der Endstufen zu ermöglichen. Die zusätzliche Platine diente dem Signalrouting und machte außerdem eine Umsetzung verschiedener Steuer-IOs möglich. Zudem diente die Platine der Filterung und Anpassung der Messwerte sowie der Messwerterfassung, die mithilfe von schnellen Analog-Digital-Wandlern (ADC) durchgeführt wurde. Die zusätzlichen ADCs waren notwendig, da die im GPIC integrierten Wandler mit 100 kS/s keine zur Regelung ausreichende Abtastung bei einer Ausgangsfrequenz von 20 kHz boten. Die folglich eingesetzten AD-Wandler besaßen eine Samplerate von 400 kS/s und kommunizieren über eine SPI-Schnittstelle mit dem verwendeten FPGA (Field Programmable Gate Array).

FPGA als Kernstück

Auf dem FPGA sind neben der Messwerterfassung über SPI noch der Sollwertgenerator, der PID-Stromregler und die PWM-Signalerzeugung untergebracht. Diese Funktionen sind abhängig von der Ausgangskonfiguration, welche der Nutzer vor der Freigabe der Endstufen noch einstellt. Er kann dabei zwischen induktiver Last und Schwingkreis wählen. Der verbaute PID-Regler ist für induktive Lasten als quasi-analoger Regler, der auf den Momentanwert regelt, ausgeführt. Im Gegensatz dazu werden Schwingkreise auf den Effektivwert geregelt.

 

Auf der nächsten Seite ist die Inbetriebnahme mit Labview und Multisim Thema.

Seite 1 von 212