Lernfeld 13 · Prüfung Teil 2

Leistungselektronik, Inverter und E-Maschine

Leistungselektronik prüfen: Inverter mit B6-Brücke und PWM, Zwischenkreis und Entladung, Rotorlagegeber, Wicklungsmessung der E-Maschine.

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Darum geht es

Der Inverter macht aus der Gleichspannung der Batterie einen dreiphasigen Wechselstrom mit veränderlicher Frequenz und Amplitude. Kern ist eine Brückenschaltung aus sechs Leistungshalbleitern, IGBTs oder bei 800-V-Systemen oft Siliziumkarbid-MOSFETs, mit Freilaufdioden. Sie schalten mit hoher Frequenz; durch Pulsweitenmodulation entsteht in den Wicklungen ein nahezu sinusförmiger Strom. Ein großer Zwischenkreiskondensator glättet die Spannung. Nach dem Abschalten entlädt eine aktive Schaltung ihn schnell, ein Widerstand zusätzlich langsamer.

Für die feldorientierte Regelung braucht der Inverter die genaue Lage des Rotors, meist von einem Resolver an der E-Maschine. Fehlerhafte Resolversignale führen zu Ruckeln, Leistungsverlust oder Abschaltung. Im Fahrbetrieb prüft man Phasenströme mit einer gleichstromfähigen Strommesszange und vergleicht Sollmoment, Istmoment und Drehzahl in den Messwerten.

An der freigeschalteten E-Maschine misst man die Wicklungswiderstände zwischen den Phasen. Sie liegen im Milliohmbereich und müssen untereinander gleich sein; dafür braucht es ein Vierleiter-Messverfahren. Die Isolation der Wicklung gegen das Gehäuse wird mit dem Isolationsmessgerät geprüft. Der DC/DC-Wandler versorgt das 12-V-Netz; eine niedrige Bordnetzspannung bei laufendem System weist auf ihn hin. Leistungselektronik wird meist als Einheit getauscht, danach folgen Anlernen und Funktionsprüfung.

Das solltest du dir merken

Der Inverter erzeugt Drehstrom mit veränderlicher Frequenz aus Gleichspannung.
Die Drehzahl der E-Maschine folgt der Frequenz des Drehfelds.
Der Resolver liefert die Rotorlage, ohne ihn keine Regelung.
Wicklungswiderstände im Milliohmbereich mit Vierleitermessung vergleichen.
Vor Arbeiten die Entladezeit des Zwischenkreises abwarten.

Formeln

Drehfelddrehzahl: $n_{s} = \frac{60 \cdot f}{p}$; $f$ Frequenz in Hz, $p$ Polpaarzahl, $n_{s}$ in min⁻¹
Mechanische Leistung: $P = \frac{M \cdot n}{9550}$; $M$ in N·m, $n$ in min⁻¹, $P$ in kW
Tastgrad der PWM: $g = \frac{t _{ein}}{T} \cdot 100 %$; $t_{ein}$ Einschaltzeit, $T$ Periodendauer
Wirkungsgrad: $η = \frac{P _{ab}}{P _{zu}}$; $P_{ab}$ abgegebene, $P_{zu}$ aufgenommene Leistung in kW

Typische Fehler in der Prüfung

Phasenströme mit einer Strommesszange gemessen, die nur Wechselstrom bis 50 Hz erfasst.
Wicklungswiderstände mit einem einfachen Multimeter gemessen und Messleitungswiderstand übersehen.
Eine Leistungsminderung der Batterie zugeschrieben, obwohl der Resolver fehlerhaft meldete.

Tipps aus der Werkstatt

Wicklungswiderstände einer E-Maschine liegen im Milliohmbereich. Mit dem Multimeter misst du da vor allem deine Messleitungen. Nimm ein Vierleiter-Messgerät und vergleiche die drei Phasen untereinander: Entscheidend ist, dass sie gleich sind.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

14 Aufgaben zu „Leistungselektronik, Inverter und E-Maschine“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Kfz-Mechatroniker/-in 2013, Lernfeld 13S (Inverter, Umrichter, Elektromotor, Ansteuerungssignale); KfzMechaAusbV 2013, Ausbildungsrahmenplan Schwerpunkt System- und Hochvolttechnik. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.