AT506179A1 - Wechselrichter - Google Patents

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AT506179A1 AT0184707A AT18472007A AT506179A1 AT 506179 A1 AT506179 A1 AT 506179A1 AT 0184707 A AT0184707 A AT 0184707A AT 18472007 A AT18472007 A AT 18472007A AT 506179 A1 AT506179 A1 AT 506179A1
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Description

···· ·♦ 200722675
Wechselrichter
Beschreibung 5 Die Erfindung betrifft einen Einphasen-Wechselrichter mit zwei Gleichspannungsanschlüssen, zwei
Wechselspannungsanschlüssen und mit einer ersten Drossel, deren eine Seite über ein erstes Schaltelement mit dem einen Gleichspannungsanschluss und deren andere Seite über ein 10 zweites Schaltelement mit dem anderen
Gleichspannungsanschluss verbunden ist, des Weiteren mit einem Koppelkondensator, dessen eine Seite über ein drittes Schaltelement mit der einen Seite der ersten Drossel und über ein viertes Schaltelement mit der anderen Seite der ersten 15 Drossel verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben des Wechselrichters.
Transformatorlose Wechselrichter werden in der Regel zur Einspeisung elektrischer Energie, beispielsweise aus einer 20 alternativen Energiequelle (Solarpanel, Brennstoffzelle etc.), in ein Wechselspannungsnetz genutzt. Zur Vermeidung eines Potenzialunterschieds zwischen einem z.B. auf einem Hausdach befindlichen Solarpanel und dem Nullleiter des Netzes kennt man dabei Ausführungen mit durchverbundenem 25 Nullleiter.
Dabei ist ein Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters direkt mit dem an den Nullleiter des Netzes anschließbaren Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters verbunden. 30 Üblicherweise ist der negative Pol der Gleichspannungsquelle mit dem Nullleiter verbunden.
Derartige Wechselrichter sind beispielsweise aus der DE 196 42 522 CI und der DE 197 32 218 CI bekannt. Ersteres Dokument 35 offenbart einen Wechselrichter mit fünf Schaltelementen, einer Drossel sowie zwei Dioden. Diese Schaltelemente des Wechselrichters werden dabei während beider Halbwellen 1 200722675 ·· · #·«· ·· · ·· ···· ······· • · · ··· ··· • · · ······ unterschiedlich geschaltet bzw. getaktet, sodass eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt wird.
In der DE 197 32 218 CI ist ein Wechselrichter beschrieben, 5 bei dem ebenfalls mehrer Schaltelemente während beider Halbwellen der WechselSpannung unterschiedlich geschaltet werden. Dabei sind gleichspannungsseitig und wechselspannungsseitig jeweils eine Drossel und ein Koppelkondensator zur Zwischenspeicherung vorgesehen. Dieser 10 Koppelkondensator ist unipolar und somit vorzugsweise als Elektrolytkondensator ausgebildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Wechselrichter der eingangs genannten Art eine Verbesserung 15 gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Wechselrichter gemäß Anspruch 1. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelkondensator mit seiner anderen 20 Seite über eine zweite Drossel mit dem einen
Wechselspannungsanschluss und über ein fünftes Schaltelement mit dem anderen Wechselspannungsanschluss verbunden ist und dass die Schaltelemente mittels eines Mikrocontrollers alternierend nach der Art eines Zeta-Wandlers und nach der 25 Art eines Cuk-Wandlers angesteuert sind. Damit ist ein einfacher Aufbau für einen transformatorlosen Wechselrichter angegeben, der aufgrund einer gegenüber bekannten Anordnungen geringeren Bauteileanzahl einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Die Bauteile werden dabei alternierend als Elemente eines 30 Zeta-Wandlers und eines invertierenden Cuk-Wandlers angesteuert, wobei eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung ohne das Erfordernis einer weiteren Umpolung in eine ausgangsseitig anliegende Wechselspannung umgewandelt wird.
Die Arbeitsweisen des Cuk-Wandlers und des Zeta-Wandlers führen zudem dazu, dass der in ein Wechselspannungsnetz 2 35 200722675 einzuspeisende Strom im Takt der gepulsten Schaltelemente dreiecksförmig um seinen Mittelwert schwankt. Gegenüber anderen Wandlertypen (Hochsetzsteller, Sepie-Wandler etc.) mit trapezförmigem Stromverlauf ergibt somit ein geringerer 5 Rippel. Die Ansteuerung der Schaltelemente mittels
Mikrocontroller stellt eine einfache Lösung dar, um die den verschiedenen Arbeitsweisen des Cuk- und Zeta-Wandlers entsprechen Ansteuerungsabfolgen laufend zu ändern. Dabei kann auch in einfacher Weise eine Anpassung der Taktfrequenz 10 oder des Tastverhältnisses erfolgen, um beispielsweise Sollwertabweichungen infolge einer Temperaturdrift zu kompensieren.
Die zweite Drossel verhindert im Falle einer fehlerhaften 15 Ansteuerung eines Schaltelements durch Begrenzung der
Stromzunahme einen wechselspannungsseitigen Kurzschluss.
Vorteilhafterweise ist gleichspannungsseitig ein Speicherkondensator vorgesehen. Der durch die taktenden 20 Schaltelemente hervorgerufene pulsierende Stromverlauf wird durch diesen Speicherkondensator ausgeglichen, sodass eine eingangsseitige Energiequelle kontinuierlich belastet wird.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wechselspannungsseitig einen 25 Filterkondensator vorzusehen, welcher einen möglichen Rippel des ausgangsseitigen Wechselstromes glättet und auf diese Weise eine Verminderung der Oberwellen des in ein Wechselstromnetz einzuspeisenden sinusförmigen Stromes bewirkt. 30
In einer Ausprägung des Wechselrichters ist vorgesehen, dass der an einen Nullleiter eines Wechselspannungsnetzes anschließbare WechselSpannungsanschluss direkt mit dem negativen Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Damit wird 35 erreicht, dass sich zum Beispiel zwischen dem Bezugspotenzial eines Solarpanels am Dach eines Gebäudes und dem Nullleiterpotenzial kein Potenzialunterschied aufbaut, 3 ·· • · • • · ···· • ·· • · • ·· ·· • · • · • · • • • • • · • · • • • · • · 200722675 welcher zu einer elektromagnetischen Belastung innerhalb des Gebäudes führen würde.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines 5 Wechselrichters dieser Ausprägungsart ist vorgesehen, dass während der einen Halbwelle das zweite und das dritte Schaltelement und während der anderen Halbwelle das erste und das vierte Schaltelement eingeschaltet werden und dass während der einen Halbwelle das erste Schaltelement und das 10 fünfte Schaltelement gegengleich gepulst geschaltet werden und dass des Weiteren während der anderen Halbwelle das zweite Schaltelement und das fünfte Schaltelement gegengleich gepulst geschaltet werden. 15 In einer anderen Ausprägung des Wechselrichters ist vorgesehen, dass der an einen Nullleiter eines Wechselspannungsnetzes anschließbare WechselSpannungsanschluss direkt mit dem positiven Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Die eingangsseitige 20 Energiequelle weist somit gegenüber dem Nullleiter und damit auch gegenüber Erde ein negatives Potenzial auf. Ein solches ist beispielsweise bei Verwendung von Dünnschicht-Solargeneratoren sinnvoll, weil damit Korrosionsvorgänge dieser Solargeneratoren unterdrückt werden. 25 Für diese Ausprägungsart ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, bei welchem während der einen Halbwelle das erste und das vierte Schaltelement und während der anderen Halbwelle das zweite und das dritte Schaltelement 30 eingeschaltet werden und bei welchem während der einen Halbwelle das zweite Schaltelement und das fünfte Schaltelement gegengleich gepulst geschaltet werden und bei welchem des Weiteren während der anderen Halbwelle das erste Schaltelement und das fünfte Schaltelement gegengleich 35 gepulst geschaltet werden. 4 200722675 ·· · ♦··· • · ·· · · • ·· • ·· · · • · · · · > · · ·
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: 5 Fig. 1 Schaltungsanordnung mit allgemeinen Schaltelementen
Fig. 2 Schaltungsanordnung mit Schaltelementen, welche parallel geschaltete Dioden aufweisen; mit durchverbundenem negativen Gleichspannungsanschluss
Fig. 3 bis 6 Schaltzyklen einer Schaltanordnung mit 10 durchverbundenem negativen Gleichspannungsanschluss
Fig. 7 Signalverläufe für eine Anordnung mit durchverbundenem negativen Gleichspannungsanschluss
Fig. 8 Schaltungsanordnung mit Schaltelementen, welche parallel geschaltete Dioden aufweisen; mit 15 durchverbundenem positiven Gleichspannungsanschluss
Fig. 9 bis 12 Schaltzyklen einer Schaltanordnung mit durchverbundenem positiven Gleichspannungsanschluss
Fig. 13 Signalverläufe für eine Anordnung mit durchverbundenem positiven Gleichspannungsanschluss 20
In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist eine erste Drossel LI mit einer ersten Seite über ein erstes Schaltelement S1 mit dem einen Anschluss einer eingangsseitigen Gleichspannung UiN und mit der anderen Seite 25 über ein zweites Schaltelement S2 mit dem anderen Anschluss der eingangsseitigen Gleichspannung UiN verbunden. Dabei ist eine direkte Verbindung des anderen Anschlusses der eingangsseitigen Gleichspannung mit dem Nullleiter N einer ausgangsseitigen Wechselspannung U0ut vorgesehen. 30
Des Weiteren ist die erste Drossel LI mit der einen Seite über ein drittes Schaltelement S3 und mit der anderen Seite über ein viertes Schaltelement S4 an die erste Seite eines Koppelkondensators Cc geschaltet. 5 35 ·· • · • ·· ···· • ·· • · • • · ·· • · • · • · • • • • • · • y • • • · • · 200722675
Die zweite Seite des Koppelkondensators Cc ist über eine zweite Drossel L2 mit dem Leiter L einer ausgangsseitigen WechselSpannung U0ut und über ein fünftes Schaltelement S5 mit dem Nullleiter N der ausgangsseitigen WechselSpannung U0ut 5 verbunden.
Eingangsseitig ist zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichspannung υΪΝ ein Speicherkondensator Ci und ausgangsseitig zwischen Leiter L und Nullleiter N der 10 Wechselspannung U0ut ein Filterkondensator C0 angeordnet.
In Fig. 2 ist eine gleichartig aufgebaute Schaltung dargestellt, wobei anstelle der allgemeinen Schaltelemente solche mit parallel geschalteten Dioden angeordnet sind, 15 beispielsweise n-Kanal Sperrschicht-MOSFET oder IGBT.
Dabei ist die Durchlassrichtung der Dioden zu beachten. Bei einer Anordnung mit durchverbundenem Minuspol, wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Dioden des ersten und des zweiten 20 Schaltelements Sl, S2 vom Minuspol zum Pluspol der
Gleichspannung Uin in Durchlassrichtung geschaltet. Bei geöffneten Schaltelementen Sl, S2 wird also durch die Gleichspannung Uin kein Stromfluss durch die erste Spule LI hervorgerufen, da die Dioden sperren. 25
Die Diode des dritten Schaltelements D3 ist mit der Anode an den Koppelkondensator Cc und mit der Kathode an die erste Spule LI geschaltet. Die Anode der Diode des vierten Schaltelements D4 ist mit der anderen Seite der Spule LI und 30 die Kathode wieder mit dem Koppelkondensator Cc verbunden.
Das fünfte Schaltelement S5 ist bei dieser Anordnung durch zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente S6, S7 mit parallel angeordneten Dioden ersetzt, wobei entweder die Anoden oder 35 die Kathoden der Dioden miteinander verbunden sind. Bei geöffneten Schaltelementen S6, S7 ist somit immer eine der Dioden sperrend. 6 ·· • » ♦ ·· ···· ·· • · · • • · ·· • · • · • · • • • · • • • · • · 200722675
Die Fig. 3 bis 6 zeigen die einzelnen Schaltzustände der Anordnung mit allgemeinen Schaltelementen gemäß Fig. l, wobei der negative Pol der Gleichspannung Uin mit dem Nullleiter N 5 der WechselSpannung U0ut verbunden ist. Während eines in Fig. 3 dargestellten Einschaltvorgangs im Zeta-Wandlerbetrieb sind das erste Schaltelement Sl, das zweite Schaltelement S2 und dass dritte Schaltelement S3 geschlossen. Es bildet sich ein Stromfluss vom positiven Pol der Gleichspannung υΪΝ über die 10 erste Drossel LI zum negativen Pol der Gleichspannung Um. Parallel dazu fließt Strom vom positiven Pol der Gleichspannung U™ über den Koppelkondensator Cc und die zweite Spule L2 in ein ausgangsseitig angeschlossenes Wechselspannungsnetz bzw. eine angeschlossene Last und über 15 den Nullleiter N zurück zum Minuspol der Gleichspannung υΪΝ.
In der ersten Spule LI und in der zweiten Spule L2 wird Energie gespeichert; im Stromverlauf bilden sich dabei ansteigende Rampen aus. 20 Im darauf folgenden AusschaltVorgang öffnet das erste Schaltelement Sl und das fünfte Schaltelement S5 wird geschlossen. Es bildet sich innerhalb der Anordnung ein Stromfluss durch die erste Drossel LI, das weiterhin geschlossene zweite Schaltelement S2, das fünfte 25 Schaltelement S5, den Koppelkondensator Cc und das weiterhin geschlossene dritte Schaltelement S3 aus. Eingangsseitig ist der Stromfluss durch das erste Schaltelement Sl bis zum nächsten Einschaltvorgang unterbrochen. 30 Ausgangsseitig fließt weiterhin Strom durch die zweite Drossel L2 in das Wechselspannungsnetz bzw. eine angeschlossene Last und durch den Nullleiter N wieder über das fünfte Schaltelement zurück zur zweiten Drossel L2. Die zweite Drossel L2 gibt dabei Energie ab; im Stromverlauf 35 bildet sich eine abfallende Rampe aus. 7 ·· • · • ·· ···· ·· • · · • ·· ·· • · * · • · # • • · · • · • • • · • ♦ 200722675
Die Abfolge dieser Ein- und Ausschaltvorgänge im Zeta-Wandlerbetrieb erfolgt während einer positiven Halbwelle der ausgangsseitigen Wechselspannung U0ut· Am Koppelkondensator Cc liegt während der positiven Halbwelle eine positive Spannung 5 an, welcher dem Sinusverlauf der ausgangsseitigen Wechsel Spannung U0ut folgt.
Bei einem darauf folgenden Nulldurchgang geht der Wandler vom Zeta- in den Cuk-Betrieb über. Im Cuk-Betrieb bleiben das 10 erste und das vierte Schaltelement Sl, S4 geschlossen und das dritte Schaltelement S3 geöffnet. Das zweite Schaltelement S2 und das fünfte Schaltelement S5 takten gegengleich.
Im Einschaltvorgang (Fig. 5) ist das zweite Schaltelement S2 15 geschlossen und das fünfte Schaltelement S5 geöffnet. Es fließt Strom vom positiven Pol der Gleichspannung UiN durch die erste Drossel LI zum negativen Pol der Gleichspannung Uin. Parallel dazu fließt Strom über den Leiter L aus dem Wechselspannungsnetz bzw. einer angeschlossenen Last durch 20 die zweite Drossel L2, den Koppelkondensator Cc, das vierte und das zweite Schaltelement S4, S2 über den Nullleiter N zurück ins Wechselspannungsnetz bzw. zur Last. Die erste Drossel LI speichert Energie und der Koppelkondensator Cc entlädt sich, wobei die zweite Drossel L2 Energie speichert. 25 Es bilden sich dabei eingangsseitig und ausgangsseitig ansteigende Rampen der Stromverläufe aus.
Im darauf folgenden Ausschaltvorgang (Fig. 6) wird das zweite Schaltelement S2 geöffnet und das fünfte Schaltelement S5 30 geschlossen. Es fließt dabei Strom vom positiven Pol der Gleichspannung UiN durch die erste Drossel LI, das vierte Schaltelement S4, den Koppelkondensator Cc und das fünfte Schaltelement S5 zurück zum negativen Pol der Gleichspannung Uin- Dabei wird der Koppelkondensator Cc aufgeladen. Parallel 35 dazu fließt weiterhin Strom aus dem Wechselspannungsnetz bzw. der Last durch die zweite Drossel L2, das fünfte Schaltelement S5 über den Nullleiter N zurück ins 8 200722675 ·· · ··♦· ·· · ·· • · ·· ··«···· t · · · · · · ·
Wechselspannungsnetz bzw. zur Last. Eingangsseitig und Ausgangsseitig bilden sich dabei abfallende Rampen der Stromverläufe aus. Am Koppelkondensator Cc liegt während einer negativen Halbwelle eine negative Spannung an, deren 5 Verlauf der Summe der Beträge der eingangsseitigen
Gleichspannung UiN und der momentanen ausgangsseitigen Wechsel Spannung U0ut , welche in der Regel einer negativen Sinushalbwelle folgt, entspricht. 10 Sowohl im Zeta- als auch im Cuk-Betrieb erfolgen die Zyklen der Einschalt- und Ausschaltvorgänge mit einer Taktfrequenz, welche wesentlich höher als die Netzfrequenz eines angeschlossenen Wechselspannungsnetzes ist. Die ansteigenden und abfallenden Rampen des ausgangsseitigen Stromes führen 15 dadurch zu vernachlässigbar keinen Schwankungen um den in der Regel sinusförmigen Stromsollwertverlauf. Zudem bewirkt ein ausgangsseitiger Filterkondensator C0 eine zusätzliche Glättung. 20 In Fig. 7 sind die Verläufe der SchaltSignale zur Ansteuerung der Schaltelemente S1-S5 sowie der ausgangsseitigen WechselSpannung U0ut bei durchverbundenem negativen Pol der Gleichspannung υΪΝ dargestellt. Dabei wechseln die in den Figuren 3, 4 bzw. 5, 6 dargestellten Betriebsarten bei jedem 25 Halbwellenwechsel, d.h. bei jedem Nulldurchgang der Wechsel Spannung U0ut-
Wird anstelle des negativen Pols der Gleichspannung UiN deren positiver Pol direkt mit dem Nullleiter N der WechselSpannung 30 Uoot verbunden, arbeitet der Wechselrichter während einer positiven Halbwelle der WechselSpannung U0ut als Cuk-Wandler und während einer negativen Halbwelle der Wechselspannung U0ut als Zeta-Wandler. 35 Zudem ist bei Schaltelementen mit parallel geschalteten
Dioden auf die Durchlassrichtung derselben zu achten. In Fig. 8 ist eine entsprechende Anordnung dargestellt. Gegenüber 9 • # • ·♦ ·· • · · ♦ ·· • 4 • · • · • 1 • • ♦ · · • · • • • · * · 200722675 einer Anordnung mit durchverbundenem negativen Gleichspannungsanschluss (Fig. 2) sind die Durchlassrichtungen der Dioden des ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelements S1-S4 vertauscht. Bei den anstelle 5 des fünften Schaltelements S5 in Reihe angeordneten
Schaltelementen S6, S7 sind entweder die Kathoden oder die Anoden der Dioden miteinander verbunden.
Die Umkehrung der Pole der Gleichspannung υΪΝ ändert nichts 10 an den Schaltzuständen der Schaltelemente S1-S5 während der
Ein- und Ausschaltvorgänge im Cuk-Betrieb (Fig. 9, 10) und im Zeta-Betrieb (Fig. 11, 12). Ein durchverbundener Pluspol der Gleichspannung UiN bewirkt jedoch, dass sich die Stromflussrichtungen gegenüber einer Anordnung mit 15 durchverbundenem Minuspol der Gleichspannung UiN umkehren.
Fig. 13 zeigt die Verläufe der Schaltsignale zur Ansteuerung der Schaltelemente S1-S5 sowie der ausgangsseitigen Wechsel Spannung U0ut bei durchverbundenem positiven 2 0 Gleichspannungsanschluss. 10

Claims (7)

  1. 200722675
    Patentansprüche 1. Einphasen-Wechselrichter mit zwei Gleichspannungsanschlüssen, zwei Wechselspannungsanschlüssen 5 und mit einer ersten Drossel (LI), deren eine Seite über ein erstes Schaltelement (Sl) mit dem einen Gleichspannungsanschluss und deren andere Seite über ein zweites Schaltelement (S2) mit dem anderen Gleichsparinungsanschluss verbunden ist, des Weiteren mit 10 einem Koppelkondensator (Cc) , dessen eine Seite über ein drittes Schaltelement (S3) mit der einen Seite der ersten Drossel (LI) und über ein viertes Schaltelement (S4) mit der anderen Seite der ersten Drossel (LI) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass 15 die andere Seite des Koppelkondensators (Cc) über eine zweite Drossel (L2) mit dem einen Wechselspannungsanschluss und über ein fünftes Schaltelement (S5) mit dem anderen Wechselspannungsanschluss verbunden ist und dass die Schaltelemente (S1-S5) mittels eines Mikrocontrollers 20 alternierend nach der Art eines Zeta-Wandlers und nach der Art eines Cuk-Wandlers angesteuert sind.
  2. 2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gleichspannungsanschlüssen ein 25 Speicherkondensator (Ci) anliegt.
  3. 3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Wechselspannungsanschlüssen ein Filterkondensator (C0) anliegt. 30
  4. 4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der an einen Nullleiter (N) eines Wechselspannungsnetzes anschließbare Wechselspannungsanschluss direkt mit dem negativen 35 Gleichspannungsanschluss verbunden ist. 11 200722675 • · ····
  5. 5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der an einen Nullleiter (N) eines Wechselspannungsnetzes anschließbare Wechselspannungsanschluss direkt mit dem positiven 5 Gleichspannungsanschluss verbunden ist.
  6. 6. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der einen Halbwelle das zweite und das dritte Schaltelement (S2, 10 S3) und während der anderen Halbwelle das erste und das vierte Schaltelement (Sl, S4) eingeschaltet werden und dass während der einen Halbwelle das erste Schaltelement (Sl) und das fünfte Schaltelement (S5) gegengleich gepulst geschaltet werden und dass des Weiteren während der anderen Halbwelle 15 das zweite Schaltelement (S2) und das fünfte Schaltelement (S5) gegengleich gepulst geschaltet werden.
  7. 7. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der 20 einen Halbwelle das erste und das vierte Schaltelement (Sl, S4) und während der anderen Halbwelle das zweite und das dritte Schaltelement (S2, S3) eingeschaltet werden und dass während der einen Halbwelle das zweite Schaltelement (52) und das fünfte Schaltelement (S5) gegengleich gepulst geschaltet 25 werden und dass des Weiteren während der anderen Halbwelle das erste Schaltelement (Sl) und das fünfte Schaltelement (S5) gegengleich gepulst geschaltet werden. 30
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