Jævnstrøm om til Vekselstrøm

Hvis du skal lave kommersiel vekselstrøm (50 Hz) skal du have en vekselretter, som er et elektronisk kredsløb.

Man benytter en "vekselretter", også kaldet en "inverter", her vist i 3-faset udgave:

https://www.google.dk/search?q=vekselretter&client=firefox-b&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwjF2f7Cyo_TAhVFbBoKHW8cCyAQ7AkITw&biw=1876&bih=903#imgrc=1Tp9Pg3nRl3ivM:

Øverste leder, benævnt V_aa , har en positiv jævnspænding, nederste leder, benævnt V_CC , har en mere negativ spænding, fx 0Vdc.

Figuren viser tre transistorpar, parvist koblet i serie. Hvert par skaber spændingen i èn fase (midtpunktspændingen).

Sættes fx den øverste transistor i et transistorpar "on"-tilstand ( kortslutter Vaa og midtpunktspændingen) mens den nederste i samme transistorpar sættes i "off"-tilstand ( afbryder mellem midtpunktspænding og V_EE ), vil fasespændingen/midtpunktspændingen blive = V_aa , altså høj/positiv. Byttes rundt på transistorparrets tilstande, vil fasespændingen blive = V_CC, altså lav/negativ.

Således kan man danne en firkantet vekselspænding ved gentagne ombytninger af tilstande.

Skal man lave en sinusspænding, foretages denne ombytning ved en høj frekvens, fx 20kHz, således at fasen påtrykkes en PWM-spænding ( Pulse Width Modulated voltage ):

https://www.google.dk/search?q=vekselretter&client=firefox-b&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwjF2f7Cyo_TAhVFbBoKHW8cCyAQ7AkITw&biw=1876&bih=903#tbm=isch&q=pwm+signal&*&imgrc=P6xk_YFWjzJUNM:

Den høje frekvens ( firkantspændingen ) i PWM-signalet bortfiltreres, typisk ved at indsætte en selvinduktion (en spole) i fasen, der yder stor impedans (modstand) mod høje frekvenser (20 kHz), mens lavere frekvenser (fx 50Hz) kan slippe igennem. På den måde vil kun middelspændingen mellem to transistorer slippe igennem, der grundet PWM-signalets udformning bliver en sinusspænding.

I det første link, kan de viste spoler være viklingerne i en vekselspændingsmotor, eller kan være primærviklingen i en trefaset transformator. Motorviklingerne vil samtidigt virke som nævnte selvinduktion. De viste dioder i kredsløbet er såkaldte "friløbsdioder", der sikrer at en strøm ikke løber "baglæns" gennem en transistor og ødelægger den.

PS:  Skal du lave en forsøgsopstilling, er det viste udgangstrin i #2, nok det nemmeste at lave. Men du skal jo også lave en PWM-generator, der laver PWM-signaler til et transistorpar.

For nu ikke at brænde begge transistorer af, skal der indskydes en "dødperiode" ved skift af tilstande, typisk på 5-6 μs, hvor begge transistor er i off-tilstand. Man kan lave en sådan generator med et analogt kredsløb, eller man kan lave det digitalt, fx ved anvendelse af en FPGA-kreds ( Field Programmable Gate Array ).

Begge dele er en mere "langhåret" affære. Sidstnævnte metode er den mere sikre metode, for digitale kredsløb er mere støjimmune, og støj kommer der masser af, når du starter "maskineriet", det er sikkert og vist. Du risikerer nemt at et analogt kredsløb støjer sig selv ihjel.

Til en lille opstilling kan du benytte en fasedrejningsgenerator og tre effektforstærkere. En fasegenerator består af tre ens forstærkere og tre fasedrejningskredsløb.

Et eksempel på, hvordan oscillatoren kan opbygges kan ses på siden:

http://www.talkingelectronics.com/projects/200TrCcts/101-200TrCcts.html

hvor der et stykke nede er et diagram med teksten; "3-PHASE SINEWAVE GENERATOR". (Der er en fejl i angivelsen af fasevinklerne, der står 60, 120 og 180 grader, men det er 0, 120 og 240 grader.)

Forstærkerne kan opbygges af enkelttransistorer, men man kan også få effektforstærkere, der er lavet som integrerede kredse. Jeg har for tiden gang i et lille eksperiment med at frembringe 0,5Hz  trefaset strøm med en effekt på ca 10mW til en lille karusel med direkte drev. Desværre har jeg endnu  ikke haft tid til at teste den.

Denne løsning er velegnet til eksperimenter i et almindeligt fysiklokale. Skal man bruge noget større, må man anvende de metoder, som hesch har beskrevet. Der er udviklet integrerede kredse til at generere styresignalerne. Kører du med S-toget, kan du høre nogle toner fra motorerne. Den dybeste er fra trefasestrømmen. Den ændrer frekvens, når toget ændrer hastighed. De højere kommer fra pulsmodulationen. Der sker et skift imellem nogle få frekvenser, idet den bedst egnede frekvens til pulsmodulationen afhænger at motorens hastighed og belastning. Læg mærke til, at når toget bremser, følger tonerne det omvendte mønster af, hvad de gør under start. Det er fordi toget bremser med motorerne og sender energien tilbage til køreledningen.

PS metoden med oscillatoren og forstærkerne har ret lille virkningsgrad, men det betyder ikke så meget, hvis man kun skal bruge nogle få W.