Luftfahrt: Wechselrichter (Elektrizität)

In einigen Flugzeugsystemen wird ein Wechselrichter verwendet, um einen Teil der Gleichstromleistung des Flugzeugs in Wechselstrom umzuwandeln. Dieser Wechselstrom wird hauptsächlich für Instrumente, Radio, Radar, Beleuchtung und anderes Zubehör verwendet. Diese Wechselrichter sind normalerweise so gebaut, dass sie Strom mit einer Frequenz von 400 cps liefern, aber einige sind so ausgelegt, dass sie mehr als eine Spannung liefern; zum Beispiel 26 Volt Wechselstrom in einer Wicklung und 115 Volt in einer anderen. 

Es gibt zwei Grundtypen von Wechselrichtern: den rotierenden und den statischen. Jeder Typ kann einphasig oder mehrphasig sein. Der Mehrphasen-Wechselrichter ist bei gleicher Nennleistung leichter als der Einphasen-Wechselrichter, aber es gibt Komplikationen bei der Verteilung der Mehrphasen-Leistung und beim Halten der Lasten im Gleichgewicht.

Rotationswechselrichter 

Es gibt viele Größen, Typen und Konfigurationen von rotierenden Wechselrichtern. Solche Wechselrichter sind im Wesentlichen AC-Generatoren und DC-Motoren in einem Gehäuse. Das Generatorfeld oder Anker und das Motorfeld oder Anker sind auf einer gemeinsamen Welle montiert, die sich innerhalb des Gehäuses dreht. Eine übliche Art von rotierenden Wechselrichtern ist der Permanentmagnet-Wechselrichter.   

Rotationswechselrichter mit Permanentmagnet 

Ein Permanentmagnet-Wechselrichter besteht aus einem Gleichstrommotor und einer Permanentmagnet-Wechselstromgeneratorbaugruppe. Jeder hat einen separaten Stator, der in einem gemeinsamen Gehäuse montiert ist. Der Motoranker ist auf einem Rotor montiert und über eine Kommutator- und Bürstenanordnung mit der Gleichstromversorgung verbunden. Die Feldwicklungen des Motors sind auf dem Gehäuse montiert und direkt an die DC-Versorgung angeschlossen. Ein Permanentmagnetrotor ist am gegenüberliegenden Ende derselben Welle wie der Motoranker montiert, und die Statorwicklungen sind am Gehäuse montiert, sodass Wechselstrom vom Wechselrichter ohne Verwendung von Bürsten entnommen werden kann. Die Abbildung zeigt ein internes Schaltbild für diese Art von Rotationswechselrichter. Der Generatorrotor hat sechs Pole, die magnetisiert sind, um um seinen Umfang abwechselnde Nord- und Südpole bereitzustellen.  

Wenn das Motorfeld und der Anker erregt werden, beginnt sich der Rotor zu drehen. Wenn sich der Rotor dreht, dreht sich der Permanentmagnet innerhalb der AC-Statorspulen, und der von den Permanentmagneten entwickelte magnetische Fluss wird durch die Leiter in den AC-Statorspulen unterbrochen. In den Wicklungen wird eine Wechselspannung erzeugt, deren Polarität sich ändert, wenn jeder Pol die Wicklungen passiert.

Dieser Wechselrichtertyp kann mehrphasig gemacht werden, indem mehr Wechselstrom-Statorspulen in dem Gehäuse angeordnet werden, um die Phase in jeder Spule um den richtigen Betrag zu verschieben.

Der Gleichstrommotor in diesem Wechselrichter ist ein vierpoliger Motor mit Verbundwicklung. Die vier Feldspulen bestehen aus vielen Windungen aus feinem Draht, auf die einige Windungen aus dickem Draht gelegt sind. Der feine Draht ist das Nebenschlussfeld, das über einen Filter mit der Gleichstromquelle und über einen Fliehkraftregler mit Masse verbunden ist. Der starke Draht ist das Serienfeld, das in Reihe mit dem Motoranker geschaltet ist. Der Fliehkraftregler steuert die Drehzahl, indem er einen mit dem Nebenschlussfeld in Reihe geschalteten Widerstand überbrückt, wenn der Motor eine bestimmte Drehzahl erreicht.

Die Lichtmaschine ist ein dreiphasiger, vierpoliger, in Stern geschalteter Wechselstromgenerator. Der DC-Eingang wird den Feldspulen des Generators zugeführt und über einen Spannungsregler mit Masse verbunden. Der Ausgang wird vom Anker über drei Schleifringe abgenommen, um Drehstrom bereitzustellen. Der Wechselrichter wäre ein Einphasen-Wechselrichter, wenn er eine einzelne Ankerwicklung und einen Schleifring hätte. Die Frequenz dieses Gerätetyps wird durch die Drehzahl des Motors und die Anzahl der Generatorpole bestimmt.

Drehinverter vom Induktortyp 

Induktor-Wechselrichter verwenden einen Rotor aus Weicheisenblechen mit seitlich über die Oberfläche geschnittenen Rillen, um Pole bereitzustellen, die der Anzahl der Statorpole entsprechen. Die Feldspulen sind auf einen Satz stationärer Pole und die Wechselstrom-Ankerspulen auf den anderen Satz stationärer Pole gewickelt. Wenn Gleichstrom an die Feldspulen angelegt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt. Der Rotor dreht sich innerhalb der Feldspulen, und da die Pole auf dem Rotor mit den stationären Polen ausgerichtet sind, wird ein Pfad mit geringem Widerstand für den Fluss vom Feldpol durch die Rotorpole zum AC-Ankerpol und durch das Gehäuse zurück zum Feld hergestellt Pole. Unter diesen Umständen gibt es eine große Menge an magnetischem Fluss, der die AC-Spulen verbindet.

Wenn sich die Rotorpole zwischen den stationären Polen befinden, gibt es einen Fluss mit hohem Widerstand, der hauptsächlich aus Luft besteht; dann gibt es einen kleinen magnetischen Fluss, der die AC-Spulen verbindet. Diese Zunahme und Abnahme der Flussdichte im Stator induziert einen Wechselstrom in den Wechselstromspulen.

Statische Wechselrichter

In vielen Anwendungen, in denen kontinuierliche Gleichspannung in Wechselspannung umgewandelt werden muss, werden statische Wechselrichter anstelle von rotierenden Wechselrichtern oder Motorgeneratorsätzen verwendet. Der rasante Fortschritt der Halbleiterindustrie erweitert das Einsatzspektrum solcher Geräte in Spannungs- und Leistungsbereiche, die vor wenigen Jahren noch unpraktisch gewesen wären. Einige dieser Anwendungen sind Stromversorgungen für frequenzempfindliche militärische und kommerzielle Wechselstromgeräte, Notfall-Wechselstromsysteme für Flugzeuge und die Umwandlung von Leistung mit großem Frequenzbereich in Leistung mit präziser Frequenz. 

Die Verwendung von statischen Wechselrichtern in kleinen Flugzeugen hat in den letzten Jahren ebenfalls schnell zugenommen, und die Technologie ist so weit fortgeschritten, dass statische Wechselrichter für alle Anforderungen verfügbar sind, die von rotierenden Wechselrichtern erfüllt werden. Beispielsweise werden 250-VA-Notstromversorgungen, die von Flugzeugbatterien betrieben werden, sowie 2.500-VA-Hauptwechselstromversorgungen, die von einer Generatorversorgung mit variabler Frequenz betrieben werden, produziert. Diese Art von Ausrüstung hat bestimmte Vorteile für Flugzeuganwendungen, insbesondere das Fehlen beweglicher Teile und die Anpassungsfähigkeit an Leitungskühlung.

Statische Wechselrichter, die als Solid-State-Wechselrichter bezeichnet werden, werden in einer Vielzahl von Typen und Modellen hergestellt, die anhand der Form der AC-Ausgangswellenform und der Leistungsabgabefähigkeiten klassifiziert werden können. Einer der am häufigsten verwendeten statischen Wechselrichter erzeugt einen geregelten Sinuswellenausgang. Ein Blockdiagramm eines typischen geregelten statischen Sinus-Wechselrichters ist in Abbildung dargestellt. Dieser Wechselrichter wandelt eine niedrige Gleichspannung in eine höhere Wechselspannung um. 

Die AC-Ausgangsspannung wird auf einer sehr kleinen Spannungstoleranz gehalten, einer typischen Schwankung von weniger als 1 Prozent bei einer vollen Änderung der Eingangslast. Ausgangsabgriffe sind normalerweise vorgesehen, um die Auswahl verschiedener Spannungen zu ermöglichen; zum Beispiel können Abgriffe für 105-, 115- und 125-Volt-AC-Ausgänge bereitgestellt werden. Die Frequenzregelung liegt typischerweise in einem Bereich von einem Zyklus für eine Laständerung von 0–100 Prozent.