Schaltnetzteile und ihre Peripherie - Dimensionierung, Einsatz, EMV

12.5.2 Programmierter PWM-Generator (S. S. 174-175)

Das PWM-Signal lässt sich natürlich auch mit dem Prozessor programmieren, wenn man den Timer als Zeitbasis mitverwendet. Dies erscheint auf den ersten Blick unnötig kompliziert, da es ja auch Prozessoren mit eingebauten PWM-Generatoren gibt. Betrachtet man jedoch die Kosten, so wird schnell klar, dass eine programmierte PWM im speziellen Fall durchaus sinnvoll sein kann. Dass der Prozessor noch weitere Funktionen, wie z. B. Spannungsüberwachung, Regelung usw. übernehmen kann, macht die Lösung besonders attraktiv. Im vorliegenden Fall sollte eine Teichpumpe solar betrieben werden. Die Pumpe hat einen Synchron-Motor, der normalerweise an der herunter transformierten Netzspannung mit 50 Hz betrieben wird. Da der Synchron-Motor (Spaltmotor) eine hervorragende Lebensdauer hat, sollte an dem Motor nichts verändert werden. Somit musste der Solarstrom als Wechselstrom zur Verfügung gestellt werden.

Dazu wurde direkt am Solarmodul ein Kleinwechselrichter verbaut, der aus 15V-Gleichspannung 12V-Wechselspannung erzeugt und zwar mit variabler Frequenz. Wenn die Sonne stark scheint und viel Energie zur Verfügung steht, soll die Pumpe im Nennbetrieb arbeiten. Ist es bewölkt, soll die Pumpe gemäß ihrem Energieangebot schwächer arbeiten. Das bedeutet aber, dass die Drehzahl gesenkt werden muss. Beim Synchron-Motor sind Frequenz der Versorgungsspannung und Drehzahl exakt synchron (daher der Name). Deshalb muss bei reduzierter Leistung die Frequenz der Wechselspannung entsprechend reduziert werden. Der Wechselrichter arbeitet also mit variabler Spannung und variabler Frequenz.

Die Anforderungen von der Leistungselektronik lassen sich mit einer Vollbrücke realisieren. Sie wird mit einem PWM-Signal angesteuert, das sowohl im Tastverhältnis, als auch in der Frequenz variabel ist. Eine Sinushalbwelle wurde mit lediglich 20 Stützstellen angenähert und die Zahl der PWM-Perioden ebenfalls auf 20 pro Halbwelle festgelegt. Mit einer maximalen Frequenz von 50 Hz ergibt sich damit für die kürzeste PWM-Periodendauer 500 s. Folgende Daten liegen vor bzw. müssen erfüllt werden:

Prozessor:
– 8-Bit-CMOS-Prozessor
– interne Taktfrequenz: 2 MHz
– Timerfrequenz: 500 kHz
– Gehäuse: SO28

PWM:
– Frequenz max. 2 kHz
– Tastverhältnis: 0 bis 100 %
– Randbedingung: Zu kurze Impulse müssen unterdrückt werden, d. h. die PWM springt z. B. von 90 % auf 100 %, da 91 % eine zu kurze „Aus"-Zeit bedeuten würde. Die gesamte Schaltung ist in Bild 12.15 dargestellt. Das SO28-Gehäuse ist eigentlich zu groß. Ein SO20-Gehäuse würde ausreichen. Die Motoransteuerung erfolgt hier so, dass nur die linke Brückenhälfte getaktet wird. PortA7 und PortA6 sind also die Timer-Ausgänge. Die rechte Brückenhälfte wird nur beim Polaritätswechsel – also im Nulldurchgang der Sinuskurve – geschaltet. PortA5 und PortA4 sind einfache Portfunktionen.

Zusätzliche Aufgaben des Prozessors:
– Messen der Modulspannung
– Regelung auf konstanten Wert
– Festlegung von Frequenz und Spannung aus einem Kennlinienfeld
– Bedienung einer Schnittstelle