Die Entwicklung von leistungsfähigen, kostengünstigen Traktionsstromrichtern erlangt im Schienenfahrzeugbau eine immer grössere Bedeutung. Es wird angestrebt, mit den Halbleiterelementen die Fahrdrahtspannung direkt zu schalten, um auf diese Weise den Transformator einzusparen.Da es noch nicht gelungen ist, solche Halbleiter zu bauen, muss mit aufwendigen Schaltungen die Spannung auf mehrere Elemente aufgeteilt werden. Dies geschieht im Netzstromrichter (NSR) wo die Spannung auf mehrere NSR-Module verteilt wird, die ihrerseits je einen netzseitigen Gleichrichter (NSG) und einen Gleichstromumrichter (GSU) enthalten.

Im NSG wird die niederfrequente Netzsspannung zuerst gleichgerichtet, danach mit dem GSU potentialfrei gemacht und anschliessend auf den Motorstromrichter geführt. Die NSR-Module sind netzseitig in Serie und sekundärseitig parallel geschaltet, weswegen die Sekundärspannung potentialfrei sein muss. Die Potentialtrennung im GSU wird erreicht, indem die Gleichspannung mit einem Wechselrichter in eine mittelfrequente Rechteckspannung umgeformt, durch den Trenntransformator übertragen und sekundärseitig wieder gleichgerichtet wird. Da eingebaute Kapazitäten mit der Streuinduktivität des Trafos einen Schwingkreis bilden, verläuft der Übertragungsstrom sinusförmig. Die dadurch erzwungenen Stromnulldurchgänge werden genutzt, um die IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) ein- und auszuschalten, was Softswitching genannt wird.

Mit dem Programm Mathematica wurden die Ströme, Spannungen und Leistungen graphisch wie analytisch beschrieben. Gestützt auf die Schwingkreistheorie konnten geschlossene Funktionen gefunden werden, womit es möglich war, die Effekte diverser Parameter herauszufinden. Ferner wurden die IGBTs detailliert erklärt, ihr Verhalten im Softswitchbetrieb untersucht und Bemessungskriterien für die Elemente des GSUs erstellt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Realisierung einer einphasigen Spannungsregelung eines IGBT-Wechselrichters für den Einsatz in unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen bei Stellwerken. Die Arbeit basiert auf der Diplomarbeit DA9501, in der die Ausgangsspannung durch eine Steuerung beeinflusst wird.

Eine Regelung der Ausgangsspannung des Wechselrichters ist notwendig, da diese im grossem Masse von der Belastung abhängig ist. Die Gründe liegen in der realen Kommutierung des netzseitigen Stromrichters und in der nicht idealen Umsetzung der Zwischenkreisspannung zur sinusförmigen Ausgangsspannung.

In der ersten Phase musste eine geeignete Schnittstelle gefunden werden, um in die bestehende Anlage einzugreifen. Die Realisierung erforderte einen A/D-Wandler in Verbindung mit einem UART. Dies erlaubte uns, einen analogen Steuerwert als serielles, digitales Datenpacket der RS-232 Schnittstelle zu übergeben.

Im nächsten Schritt realisierten wir einen Regler-Print. Um auch Spannungen, die von der idealen Sinusform abweichen, genau messen zu können, fiel unsere Wahl für die Istwerterfassung auf einen True-RMS-Baustein.Als Regler setzten wir einen PI-Regler ein, da dieser einerseits keine stationäre Regelabweichung erlaubt, und andererseits auch für unsere Anforderungen an die Dynamik genügt.

Anhand des Bodediagramms und der Sprungantwort konnte dann die Übertragungsstrecke ermittelt werden, mit deren Hilfe wir den Regler dimensionierten.

Wir hoffen, mit der vorliegenden Arbeit, einen weiteren wichtigen Schritt in Hinblick auf die Erstellung eines Prototyps, einer "low cost" USV-Anlage gemacht zu haben.