AT514506B1

AT514506B1 - Vorrichtung zur Stromeinspeisung

Info

Publication number: AT514506B1
Application number: ATA513/2013A
Authority: AT
Inventors: Dipl Ing Dr Himmelstoss Felix; Dipl Ing Dr Edelmoser Karl
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2017-12-15
Also published as: AT514506A1

Abstract

Stromquellen zur Einspeisung in einen Gleichspannungszwischenkreis oder ins Netz, bestehend aus einer positiven und einer negativen Eingangsklemme, an die die Eingangsspannung (U1) geschaltet wird, einem Kondensator (C1), einer ersten Spule (L1), einer zweiten Spule (L2), einem aktiven Schalter (S1) und einer Diode (D1), wobei an die positive Eingangsklemme sowohl der zweite Anschluss des Kondensators (C1) und der erste Anschluss der Spule (L1) geschaltet ist, und der positive Anschluss des aktiven Schalters (S1) entweder an den zweiten Anschluss der ersten Spule (L1) und die Anode der Diode (D1) an den zweiten Anschluss der ersten Spule (L1) geschaltet ist und der negative Anschluss des aktiven Schalters (S1) mit der negativen Eingangsklemme verbunden ist, und die Kathode der ersten Diode (D1), der erste Anschluss des Kondensators (C1) und der erste Anschluss der zweiten Spule (L2) zusammengeschaltet sind. An diese Vorrichtung kann ein kleiner Wechselrichter, bestehend aus den aktiven Schaltern (SA, SB, SC, S) geschaltet werden.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG ZUR STROMEINSPEISUNG

[0001] Die Erfindung betrifft Stromquellen, bestehend aus einer positiven und einer negativen Eingangsklemme, an die die Eingangsspannung geschaltet wird, einem Kondensator, einer ersten Spule oder einer ersten und einer zweiten in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklung, einer zweiten Spule, einem aktiven Schalter und einer Diode, wobei an die positive Eingangsklemme sowohl der zweite Anschluss des Kondensators und der erste Anschluss der Spule oder der erste Anschluss der ersten Wicklung der zwei verkoppelten Wicklungen geschaltet ist, und der positive Anschluss des aktiven Schalters entweder an den zweiten Anschluss der ersten Spule oder an den Verbindungspunkt zwischen der ersten und der zweiten in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklung geschaltet ist, und die Anode der Diode entweder an den zweiten Anschluss der ersten Spule oder an den Verbindungspunkt zwischen der ersten und der zweiten in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklung oder an den zweiten Anschluss der zweiten in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklungen geschaltet ist und der negative Anschluss des aktiven Schalters mit der negativen Eingangsklemme verbunden ist.

[0002] Besonders bei der Verwendung von kleinen erneuerbaren Quellen wie Solarpaneele und Brennstoffzellen ist das Stromquellenverhalten der Einspeisevorrichtung von Bedeutung. Man speist dabei z.B. in einen Gleichspannungszwischenkreis ein. Die stromeinspeisenden Konverter arbeiten dann jeweils im Punkt der maximalen Leistung und speisen in einen gemeinsamen Zwischenkreis ein, wie z.B. in AT 510646 B1 (TECHNIKUM WIEN). Man kann aber auch mit kleinen Konvertern direkt von z.B. einem Solarpaneel in das Netz speisen. Dazu eignet sich ein stromgespeister Wechselrichter. Für beide Anwendungsfälle wird hier eine Vorrichtung vorgeschlagen.

[0003] Dazu wird der in AT 500.921 B1 (TECHNIKUM WIEN) dargestellte Hochsetzsteller mit verringerter Spannungsbelastung des Speicherkondensators zu einer Stromquelle erweitert. Dies geschieht durch Zuschalten einer zweiten Spule. Um ein Umdrehen der Stromrichtung zu vermeiden, kann zusätzlich zur zweiten Spule eine Diode in Serie geschaltet werden. Diese Diode ist besonders bei Netzeinspeisung notwendig. Mit dieser Abwandlung kann man mit einer oder mehreren solchen Vorrichtungen in einen (kapazitiven) Zwischenkreis oder in Batterien speisen. Verwendet man Batterien als Last, so sollte parallel zu dieser eine Kapazität zur wechselstrommäßigen Überbrückung (damit die Wechselstromkomponente des Ladestroms nicht direkt über die Batterie fließt und dort unnötige Wärme erzeugt, die zu rascher Alterung der Batterie führt) geschaltet werden.

[0004] Will man direkt ins Netz einspeisen, so ist ein Wechselrichter an den Ausgang zu schalten. Dieser ist stromgespeist und benötigt spannungsbidirektionale Schalter. Es ist z.B. möglich, die oberen Schalter der beiden Halbbrücken mit Thyristoren zu bestücken und die unteren jeweils taktend als IGBTs oder MOSFETs auszuführen. Mit den Thyristoren wird die entsprechende Halbschwingung ausgewählt. Man kann auch vier Thyristoren verwenden und diese entsprechend der Halbschwingung ansteuern. Die Stromeinprägung wird dann über den aktiven Schalter des Hochsetzstellers gesteuert. Man kann aber auch die Brücke aus vier spannungsbidirektionalen Schaltern (das sind Schalter, die in negativer Richtung Spannung aufnehmen können) aufbauen. Auch hier ist es sinnvoll, mit den oberen Transistoren jeweils die Halbschwingung festzulegen und die unteren zu takten (geht aber auch umgekehrt) um die Schaltverlust zu verringern, oder nur die Halbschwingung auszuwählen und die Steuerung über den aktiven Schalter des abgewandelten Hochsetzstellers durchzuführen.

[0005] Eine weitere interessante Alternative ist es bei kleinen Leistungen, etwa bei der Einspeisung eines Solarpaneels ins Netz, eine fertige integrierte Vollbrücke zu verwenden, oder bei größerer Leistung einen fertigen integrierten Vollbrückentreiber zu verwenden und externe aktive Schalter zu verwenden. Hier ist es dann erforderlich, jeweils eine Diode in Serie zum positiven und/oder negativen Spannungsanschluss der Vollbrücke zu schalten. Auf diese Weise lässt sich recht einfach und effizient eine Einspeisung in das Einphasennetz erzielen.

[0006] Die Patentliteratur wird im Folgenden gewürdigt. AT 500921 A1 (FACHHOCHSCHULE TECHNIKUM WIEN) zeigt einen Hochsetzsteller mit geringer Belastung des Kondensators. Ziel ist dabei eine Ausgangsspannung, die sich im Gegensatz zum normalen Hochsetzsteller aus der Spannung am Kondensator plus der Eingangsspannung ergibt. Durch Zwischenschaltung einer Spule zwischen der Ausgangsspannung und der Last wird in der gegenständlichen Erfindung aus einem Spannungskonverter ein Konverter, bei dem der Strom geregelt oder gesteuert werden kann und daher für ganz andere Anwendungsfalle gedacht ist.

[0007] US 2012057373 A1 (LIU HU AN TSAI, CHING TSEN KUO, CHOU PO CHIH) zeigt einen Hochsetzer, der durch Kopplung einer Spule zur Hochsetzstellerspule und Anschluss einer Spannungsverdopplerschaltung an diese Spule gekennzeichnet ist. Topologisch unterscheidet sich diese Schaltung deutlich von der gegenständlichen, auch dadurch, dass die Schaltung als Spannungsquelle und nicht als Stromquelle gedacht ist. Es ist auch nicht möglich, aus Kenntnis von AT 500921 A1 und irgendeiner Figur aus US 2012057373 A1 zur gegenständlichen Erfindung zu gelangen.

[0008] US 20120063172 A1 (KIM HYO YOUNG, KIM JONG RAK, OH SUNG HUN, KIM JIN HWAN) zeigt einen Boost Konverter mit angezapfter Spule, der zur Spannungsreduktion mit einer Klemmschaltung kombiniert wird (es wird dadurch aber auch die erzielbare Ausgangsspannung reduziert). Die Vorrichtung unterscheidet sich topologisch von der gegenständlichen Erfindung.

[0009] US 20020097030 A1 (BLOM ANTON CORNELIS) zeigt einen Hochsetzsteller, der mit einem Sperrwandler so kombiniert ist, dass die Schaltung unter einer gewissen Schwelle der Eingangsspannung als Sperrwandler, über dieser Schwelle als Hochsetzsteller arbeitet. Auch hier ist, wie bei den anderen hier betrachteten Patentanmeldungen, nicht der Betrieb von Stromlasten das Ziel, sondern die Spannungsumformung.

[0010] Zusammenfassend gilt für alle besprochenen Patentanmeldungen: sie unterscheiden sich topologisch und auch vom Ziel her, Stromlasten zu betreiben von der gegenständlichen Erfindung.

[0011] Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft mit IGBTs gezeichnet. Natürlich sind z.B. auch MOSFETs geeignet. Als Eingangsspannung ist symbolisch das Schaltzeichen einer Batterie verwendet worden.

[0012] Fig. 1 zeigt die Grundstruktur. Das Potential an der Kathode der ersten Diode (D1) ist die Summe aus Eingangsspannung (U1) und der Spannung am Kondensator (C1). Die Spannung am Kondensator ist über das Tastverhältnis des aktiven Schalters (S1) einstellbar. Wenn der aktive Schalter (S1) eingeschaltet ist, liegt die Eingangsspannung (U1) an der ersten Spule (L1) und der Strom in ihr nimmt zu. Wird der aktive Schalter (S1) abgeschaltet, so kommutiert der Strom der Spule (L1) in die Diode (D1). Nun liegt die negative Spannung des Kondensators (C1) an der ersten Spule (L1) und der Strom sinkt. An der Kathode der Diode (D1) ist der erste Anschluss einer zweiten Spule geschaltet, an deren zweiten Anschluss die Last gegenüber Masse (negative Eingangsklemme, negativer Anschluss des aktiven Schalters (S1)) angeschaltet ist. Die eingeklammerte Diode (D) soll andeuten, dass bei vielen aktiven Schaltern eine antiparallele Diode parallel zum Schalter liegt. Diese hat aber keine Auswirkung auf die gegenständliche Schaltung.

[0013] In Fig. 2 ist die mögliche Verkopplung zwischen der ersten Spule (L1) und der zweiten Spule (L2) angedeutet (durch den Doppelstrich parallel zu den Spulen). Der Anfang der Wicklung ist durch den Punkt gekennzeichnet.

[0014] Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Grundstruktur. Der aktive Schalter (S1) ist an die Anzapfung der ersten Spule geschaltet, d.h. zwischen die beiden Teilwicklungen (N1, N2). Dadurch wird die Spannung am Kondensator (C1) um den Faktor (N1+N2)/N1 größer als ohne

Anzapfung. Die Spannung am Kondensator (C1) ergibt sich bei idealen Bauelementen, kontinuierlichem Betrieb, fixer Frequenz, im eingeschwungenen Zustand mit dem Tastverhältnis d (der Einschaltzeit des aktiven Schalters (S1) bezogen auf die Periodendauer) zu

[0015] In Fig. 4 ist die Anode der Diode (D1) zwischen den beiden Teilwicklungen (N1, N2) geschaltet. Dadurch wird die Spannung am Kondensator (C1) um den Faktor N1/(N1+N2) kleiner als ohne Anzapfung.

[0016] Mit den in den Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellten Schaltungen kann in einen Zwischenkreis gespeist werden.

[0017] Fig. 5 zeigt die Erweiterung mit einem Wechselrichter. Hat man spannungsbidirektionale Schalter zur Verfügung, wie z.B. rückwärtssperrende IGBTs (SA, SB, Sc, SD) oder MOSFET mit Seriendiode, genügt eine Vollbrücke aus vier aktiven Schaltern um ins Netz einzuspeisen oder um eine Wechselspannung an der Last (als ohmscher Widerstand angedeutet) zu erzeugen. Als Last kann aber auch das Versorgungsnetz (Niederspannungsnetz) angeschlossen sein.

[0018] Fig. 6 zeigt eine komplette Vorrichtung zur Netzeinspeisung, wobei ein fertiger Vollbrückenbaustein, bestehend aus Ansteuerung und integrierten Leistungshalbleitern oder externen aktiven Schaltern (es sind nur die Leistungsbauelemente (SA, SB, Sc, SD) gezeichnet) verwendet wird. Hier sind dann zusätzlich Dioden auf der positiven oder der negativen Anspeisungsseite (D2) erforderlich. Man kann aus Symmetrie und Entstörungsgründen auch zwei Dioden (D2a, D2b) verwenden, wie in Fig. 7 gezeigt. Diese Lösung ist sehr elegant, weil dabei auf fertige Vollbrückentreiber oder komplette integrierte Vollbrücken zurückgegriffen werden kann. Es sei hier angemerkt, dass der Aufbau auch aus zwei integrierten Halbbrücken oder aus zwei integrierten Halbbrückentreibern mit externen aktiven Schaltern erfolgen kann.

[0019] Fig. 8 zeigt ein Gesamtsystem zur Netzeinspeisung. Der Block DC/AC führt die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom durch (z.B. durch die Vollbrücke). Daran angeschlossen ist ein Tiefpassfilter (F). Das zu speisende Netz ist durch die Spannung (UN) gekennzeichnet.

[0020] Die Vorrichtung zur Stromeinspeisung wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass die Kathode der ersten Diode, der erste Anschluss des Kondensators und der erste Anschluss der zweiten Spule zusammengeschaltet sind. Weiters gilt, dass an den zweiten Anschluss der zweiten Spule die Anode einer Diode, und/oder an den negativen Anschluss des aktiven Schalters die Kathode einer Diode geschaltet ist.

[0021] Weiters kann die zweite Spule und die erste Spule magnetisch verkoppelt werden oder die erste und die zweite in Serie geschaltete magnetisch miteinander verkoppelte Wicklung und die zweite Spule können miteinander magnetisch verkoppelt werden.

[0022] Weiters kann zwischen dem zweiten Anschluss der zweiten Spule oder der Kathode der zweiten Diode und dem negativen Anschluss des aktiven Schalters oder der Anode der weiteren Diode ein einphasiger Wechselrichter, ein Gleichspannungskreis, bestehend aus einer oder aus mehreren Batterien oder aus einem oder mehreren Kondensatoren, oder eine Kombination von Batterien und Kondensatoren geschaltet werden.

[0023] Der einphasige Wechselrichter wird aus einer integrierten Vollbrücke oder aus zwei integrierten Halbbrücken oder aus einem integrierten Vollbrückentreiber mit externen aktiven Schaltern oder aus zwei integrierten Halbbrückentreibern mit externen aktiven Schaltern aufgebaut. Der einphasige Wechselrichter kann aber auch aus spannungsbidirektionalen aktiven Schaltern aufgebaut werden. Aus schaltungstechnischen Gründen ist es sinnvoll, parallel zum einphasigen Wechselrichter eine Spannungsbegrenzerschaltung parallel zu schalten.

Claims

Patentansprüche

1. Stromquellen, bestehend aus einer positiven und einer negativen Eingangsklemme, an die die Eingangsspannung (Ui) geschaltet wird, einem Kondensator (Ci), einer ersten Spule (Li) oder einer ersten (N^ und einer zweiten (N2) in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklung, einer zweiten Spule (L2), einem aktiven Schalter (Si) und einer Diode (D^, wobei an die positive Eingangsklemme sowohl der zweite Anschluss des Kondensators (Ci) und der erste Anschluss der Spule (L^ oder der erste Anschluss der ersten Wicklung (Nh) der zwei verkoppelten Wicklungen (Nh, N2) geschaltet ist, und der positive Anschluss des aktiven Schalters (Si) entweder an den zweiten Anschluss der ersten Spule (U) oder an den Verbindungspunkt zwischen der ersten (Nh) und der zweiten (N2) in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklungen geschaltet ist, und die Anode der Diode (D^ entweder an den zweiten Anschluss der ersten Spule (Li) oder an den Verbindungspunkt zwischen der ersten (Nh) und der zweiten (N2) in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklungen oder an den zweiten Anschluss der zweiten (N2) in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklungen (N1; N2) geschaltet ist und der negative Anschluss des aktiven Schalters (Si) mit der negativen Eingangsklemme verbunden ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode der ersten Diode (D^, der erste Anschluss des Kondensators (Ci) und der erste Anschluss der zweiten Spule (l_2) zusammengeschaltet sind.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an den zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) die Anode einer Diode (D2a), und/oder an den negativen Anschluss des aktiven Schalters (S^ die Kathode einer Diode (D2 oder D2b) geschaltet ist.
3. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (L2) und die erste Spule (Li) magnetisch verkoppelt sind oder die erste (N^ und die zweite (N2) in Serie geschalteten magnetisch miteinander verkoppelten Wicklungen (N1; N2) und die zweite Spule (L2) miteinander magnetisch verkoppelt sind.
4. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) oder der Kathode der zweiten Diode (D2 oder D2a) und dem negativen Anschluss des aktiven Schalters (S^ oder der Anode der weiteren Diode (D2b) ein einphasiger Wechselrichter geschaltet ist.
5. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Anschluss der zweiten Spule (L2) oder der Kathode der zweiten Diode (D2 oder D2a) und dem negativen Anschluss des aktiven Schalters (S^ oder der Anode der weiteren Diode (D2b) ein Gleichspannungskreis, bestehend aus einer oder aus mehreren Batterien oder aus einem oder mehreren Kondensatoren, oder eine Kombination von Batterien und Kondensatoren geschaltet ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der einphasige Wechselrichter aus einer integrierten Vollbrücke oder aus zwei integrierten Halbbrücken oder aus einem integrierten Vollbrückentreiber mit externen aktiven Schaltern oder aus zwei integrierten Halbbrückentreibern mit externen aktiven Schaltern aufgebaut ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der einphasige Wechselrichter aus spannungsbidirektionalen aktiven Schaltern aufgebaut ist.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum einphasigen Wechselrichter eine Spannungsbegrenzerschaltung parallel geschaltet ist.