DE102005024465A1

DE102005024465A1 - Schaltungsanordnung und Steuerungsverfahren für einen Umrichter

Info

Publication number: DE102005024465A1
Application number: DE102005024465A
Authority: DE
Inventors: Jochen Hantschel
Original assignee: Hantschel Jochen Dipl-Ing (fh)
Current assignee: AEI Power GmbH
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: DE102005024465B4; WO2007003241A1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung (1) für einen bidirektionalen Umrichter weist in einer einphasigen Konfiguration zwei zwischen Gleichspannungszweigen (17, 18) in Reihe miteinander verbundene Gleichspannungserzeuger oder -verbraucher (14, 16) auf, deren Verbindungspunkt an einen Neutralleiter (19) angeschlossen ist und zu denen parallel Energiezwischenspeicher (6, 7) sowie eine zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) angeordnete Brückenschaltung (8) angeschlossen sind. Die Brückschaltung (8) ist als Halbbrücke mit zwei in Reihe miteinander verbundenen Schaltereinheiten (S1, S2) ausgeführt, zu denen jeweils eine Freilaufdiode (D1, D2) antiparallel geschaltet ist. Der Mittelabgriff (20) der Brückenschaltung (8) ist über eine Verbindungsleitung (21), die eine Speicherdrossel (L) enthält, mit einem ersten Wechselspannungsanschluss (12) verbunden, während der Neutralleiter (19) mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss (13) verbunden ist. Zwischen der Verbindungsleitung (21) und dem Neutralleiter (19) ist eine Weichenschaltung (9) mit Schalterelementen (S3, S4) angeordnet. Eine Steuerungseinrichtung (11) steuert die Weichenschaltung (9) in Abhängigkeit von erfassten Betriebsbedingungen oder gemäß einem festgelegten Taktschema an, um bedarfsweise eine Kommutierung des im Freilaufzustand durch die Speicherdrossel (L) fließenden Stromes zu den Zwischenspeichern (6, 7) zu verhindern und/oder eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) zu ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter zur Umformung zweier elektrischer Gleichspannungen in wenigstens eine Wechselspannung oder zur Umformung wenigstens einer elektrischen Wechselspannung in Gleichspannungen.
Derartige Umrichter, auch Inverter genannt, werden insbesondere zur Einspeisung elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz eingesetzt, wenn bspw. Gleichspannungsquellen, wie z.B. Fotovoltaikanlagen, Akkumulatoren oder Brennstoffzellen, zur Verfügung stehen. Dabei gilt es, aus einem oder mehreren Gleichspannungspotenzialen einen Wechselstrom zu erzeugen, der in Bezug auf die Phasenlage und Amplitude an den Potenzialverlauf der Wechselspannung, bspw. einer sinusförmigen Netzspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60Hz, anzugleichen ist. Zu diesem Zweck sind ein- oder dreiphasige Wechselrichter mit und ohne Transformator bekannt.
Umrichter werden auch eingesetzt, um dem Wechselspannungsnetz sinusförmig Strom zu entnehmen. Dabei darf die Netzqualität hinsichtlich des Oberschwingungsgehaltes und/oder der Blindleistung nicht beeinträchtigt werden. Solche entnehmenden Stromrichter werden häufig mit weiteren, gleichstromseitig angeschlossenen Invertern kombiniert, die die dem Netz entnommene Energie in ein ein- oder mehrphasiges Wechselstromnetz variabler Frequenz umwandeln, um damit z.B. Motoren anzutreiben.
Aus der DE 102 21 592 A1 ist ein Wechselrichter zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung in einen Wechselstrom bekannt. Der Wechselrichter weist zwei Gleichspannungsanschlüsse, die mit einem Gleichspannungserzeuger verbunden sind, einen Pufferkondensator und eine Brückenschaltung, die parallel zu dem Pufferkondensator angeschlossen sind, und zwei Wechselspannungsanschlüsse auf, die mit dem 50 Hz-Stromnetz verbunden sind. Die Brückenschaltung ist als Vollbrücke mit zwei Parallelästen ausgebildet, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Schaltereinheiten aufweisen, zu denen jeweils eine Gleichrichterdiode parallel geschaltet ist. Jeder Wechselspannungsanschluss ist über eine Verbindungsleitung, die eine Drosselspule enthält, mit einem der Paralleläste der Brückenschaltung über einen Verbindungsknoten verbunden, der jeweils zwischen zwei Schaltereinheiten liegt. Zwischen den Verbindungsleitungen sind ferner zwei getrennte elektrische Verbindungspfade mit jeweils einem Schalter sowie einer in Reihe geschalteten Gleichrichterdiode vorgesehen. Die Gleichrichterdioden sind in den Verbindungspfaden in entgegengesetzter Durchlassrichtung zueinander geschaltet.
Im Betrieb werden die Schaltereinheiten der Vollbrücke in Abhängigkeit von der Polarität der Netzwechselspannung symmetrisch getaktet. Bei einer positiven Halbwelle der Netzwechselspannung werden bspw. zwei sich diagonal gegenüberliegende Schaltereinheiten der Vollbrücke gemäß einem festgelegten Taktmuster hochfrequent und zeitsynchron geschlossen und geöffnet, während die anderen beiden geöffnet bleiben. Außerdem ist ein Schalter in einem ersten Verbindungspfad geschlossen. Im Schließzustand der Schaltereinheiten fließt der Strom über diese, um die Drosselspule aufzuladen. Beim Öffnen der Schaltereinheiten kommutiert der aufgrund der Abmagnetisierung innerhalb der Drosselinduktivitäten weiter fließende Spulenstrom während der sog. „Freilaufphase" über den geschlossenen Schalter und die zugehörige Gleichrichterdiode in dem ersten Verbindungspfad. Dadurch wird verhindert, dass der Spulenstrom über Dioden der Vollbrücke zurück in den Pufferkondensator kommutiert und somit zu Verlusten führt. Sobald die Halbwelle der Netzwechselspannung negativ ist, werden die anderen, diagonal gegenüberliegenden Schaltereinheiten und der Schalter in dem anderen Verbindungspfad eingesetzt.
Bei dem vorbekannten Wechselrichter befinden sich im die Spule aufladenden Schaltzustand zwei verlustbehaftete Schaltereinheiten im Strompfad, die hochfrequent geschaltet werden. Dies führt zu Schaltverlusten, die den Wirkungsgrad des Wechselrichters erheblich beeinträchtigen. Außerdem ist der Spannungshub, der von den Schalteinheiten bei jedem Takt ausgeführt werden muss, verhältnismäßig hoch. Abgesehen von den erheblichen Schaltverlusten verursacht dieser Spannungshub aufgrund der hierfür notwendigen hohen Steilheiten von Spannung und Strom nicht unerhebliche elektromagnetische Störungen.
Der Wechselrichter und das angegebene Steuerungsverfahren sind nicht zur Entnahme von Energie aus dem Netz vorgesehen, sondern dienen lediglich der Energieeinspeisung in das Netz. Hierbei ist nur ein einzelner Gleichspannungserzeuger anschließbar. Bei der Energieerzeugung mit einer Solaranlage bspw. werden aber mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet, so dass durch diese Teilgeneratoren der gleiche Strom fließt. Wenn auf einen der Teilgeneratoren ein Schatten fällt, ist die erzeugbare Gesamtleistung unzureichend, weil sich nur Betriebspunkte mit gleichen Strömen einstellen können.
Aus der DE 102 25 020 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom bekannt, die zwei in Reihe zueinander angeordnete Gleichspannungsgeneratoren, zwei Gleichspannungszweige, zwei zu den Generatoren parallelgeschaltete Pufferkondensatoren und einen mit den beiden Gleichspannungszweigen verbundenen Wechselrichter aufweist. Der Wechselrichter ist durch eine Halbbrückenschaltung gebildet, die zwei in Reihe zueinander angeordnete, symmetrisch getaktete Schalter umfasst, zu denen jeweils eine Gleichrichterdiode parallel geschaltet ist. Eine über eine Drosselspule mit der Netzspannung verbundene Versorgungsleitung ist an dem Mittelpunkt zwischen den Schaltereinheiten abgegriffen. Zur Vermeidung von Gleichspannungsanteilen des Wechselstroms bei ungleicher Leistung der zuführenden Gleichspannungsgeneratoren sind dem Wechselrichter Leistungskompensationsmittel vorgeschaltet. Diese sind derart wirksam, dass die zu dem Wechselrichter in einem Gleichspannungszweig zugeführte Leistung gleich der vom Wechselrichter in dem anderen Gleichspannungszweig abgeführten Leistung ist.
Bei diesem Wechselrichter wird bei jeder Halbwelle lediglich ein Schalter hochfrequent getaktet, wodurch sich die Schaltverluste reduzieren. Es findet jedoch während der Frei laufphase eine verlustbehaftete Rückkommutierung des Drosselspulenstroms zu den Pufferkondensatoren statt. Vorteilhafterweise wird zwar für eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen gesorgt, die dringend erforderlich ist, weil im Betrieb auch nur geringe Unterschiede in der Leistung der Gleichspannungszweige Gleichstromanteile im Netz hervorrufen. Allerdings werden hierzu zusätzliche, dem Wechselrichter vorgeschaltete Mittel benötigt, die den Aufwand und die Kosten der Schaltungsrealisierung erhöhen. Eine Entnahme von Energie aus dem Netz ist nicht vorgesehen.
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zu schaffen, die die schaltungsbedingten Nachteile des Standes der Technik überwinden und vorzugsweise sowohl zur Einspeisung von Energie in ein Wechselspannungsnetz als auch zur Entnahme von Energie aus dem Netz geeignet sind. Insbesondere sollte eine Rückkommutierung des von Abmagnetisierungsvorgängen der Drosselinduktivitäten herrührenden Drosselstromes zu einem Pufferkondensator weitgehend vermieden und bei einfachem Aufbau ein zumindest teilweiser Leistungsausgleich ermöglicht sein.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 13 gelöst.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist wenigstens drei Gleichspannungsanschlüsse, von denen zwei mit Gleichspannungszweigen und einer mit einem Neutralleiter verbunden ist, wenigstens zwei Energiezwischenspeicher, bspw. Pufferkondensatoren, die jeweils zwischen einem Gleichspannungszweig und dem Neutralleiter in serieller Anordnung zueinander angeschlossen sind, eine Brückenschaltung, die zwischen den Gleichspannungs zweigen angeordnet ist, wenigstens zwei Wechselspannungsanschlüsse, die einerseits mit der Brückenschaltung verbunden und andererseits an eine Wechselspannung anschließbar sind, eine Weichenschaltung, die eine Umlenkung der Strompfade ermöglicht, und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Betriebs der Schaltungsanordnung auf.
Die Brückenschaltung ist gemäß der Erfindung durch eine herkömmliche Halbbrücke gebildet, die pro Gleichspannungszweig lediglich eine einzige Schaltereinheit benötigt, zu der eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist. In einer einphasigen Konfiguration sind also lediglich zwei Schaltereinheiten in Reihe miteinander verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Schaltereinheiten bildet einen Mittelabgriff der Brückenschaltung, von dem aus eine zu einem der Wechselspannungsanschlüsse führende Verbindungsleitung abzweigt, in der eine Speicherdrossel angeordnet ist. Der andere Wechselspannungsanschluss ist unmittelbar mit dem Neutralleiter verbunden. Vorteilhafterweise ist der Neutralleiter von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite hindurchgeführt und kann an das Erdpotenzial angeschlossen werden.
Die Weichenschaltung ist zwischen der Verbindungsleitung und dem Neutralleiter angeschlossen und weist zwei Weichenpfade auf, in denen gesteuert schaltbare Schalterelemente vorgesehen sind, die je nach Zustand einen Stromfluss durch die Weichenpfade freigeben oder sperren. Die Steuerungseinrichtung taktet die Schaltereinheiten der Halbbrückenschaltung, um je nach Anwendung Gleichstrom in Wechselstrom oder Wechselstrom in Gleichstrom zu wandeln. Zusätzlich steuert die Steuerungseinrichtung die Weichenschaltung gemäß einem vorgegebenen Steuerungsverfahren derart an, dass im Freilaufzustand eine Rückkommutierung des bei der Abmagnetisierung der Speicher drossel fließenden Stromes zu den Zwischenspeichern weitgehend verhindert wird und/oder bei Bedarf eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen erreicht wird. Beides wird bewerkstelligt, indem die Schalterelemente in den Weichenpfaden durch die Steuerungseinrichtung gezielt geschlossen bzw. geöffnet werden, um die Weichenpfade wahlweise entweder als Freilaufpfade für die Freilauf ströme zu verwenden und/oder die Ströme auf Leistungskompensationspfade zur gezielten Aufladung der Zwischenspeicher umzuleiten. Durch die vorteilhafte, der Brückenschaltung nachgelagerte Anordnung der Weichenschaltung und das ausgeklügelte Ansteuerungsverfahren gemäß der Erfindung können diese beiden Aufgaben mit lediglich einem Mittel, nämlich der Weiche, bewerkstelligt werden. Der Schaltungsaufbau ist wesentlich vereinfacht.
Vorzugsweise bildet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Umrichter, der aus Halbleiter-Schaltelementen aufgebaut ist, vorzugsweise verlustarme IGBT- oder Mosfet-Schalter verwendet, und ohne einen Transformator auskommt. Transformatorlose Umrichter weisen einen höheren Wirkungsgrad auf. Jedoch ist die Erfindung auch auf Umrichter mit einem spannungsanpassenden und/oder galvanisch trennenden Transformator anwendbar.
Vorteilhafterweise ermöglicht die vorliegende Erfindung, zwischen den Gleichspannungszweigen und dem Neutralleiter wenigstens zwei Gleichspannungserzeuger oder -verbraucher anzuschließen. Dies erweitert den Anwendungsbereich gegenüber herkömmlichen Schaltungen, die für lediglich einen Generator oder Verbraucher ausgelegt sind.
In einer bevorzugten Anwendungsform wird die Erfindung zur Einspeisung elektrischer Energie bspw. in ein öffentliches Stromnetz eingesetzt. Die Energie kann z.B. mit Fotovoltaik-Generatoren aus Sonnenlicht gewonnen oder durch Akkumulatoren, Brennstoffzellen oder dgl. geliefert werden. Der erzeugte Wechselstrom wird dem Wechselstromnetz mit der richtigen Amplitude, Frequenz und Phasenlage zugeführt. Bei der Energieeinspeisung befindet sich während des die Spule aufladenden Teils der Taktung in beiden Halbwellen in dem Strompfad jeweils nur ein Schalter, der hochfrequent zu schalten ist. Folglich sind die Durchlassverluste gering. Eine Rückkommutierung des Drosselstromes in die zwei Energiezwischenspeicher wird durch die erfindungsgemäße Ansteuerung der Schalterelemente in den Weichenpfaden wirksam minimiert. Der durch diese Schalterelemente für jede Netzspannungshalbwelle eröffnete Weichenpfad ermöglicht eine Abmagnetisierung der Speicherdrossel, ohne dass Energie zurück in den Gleichstromkreis mit den Energiezwischenspeichern zurückgeführt wird. Der Wirkungsgrad ist erhöht.
In einer anderen Anwendungsform wird die Schaltungsanordnung zur Entnahme von Energie aus einem Wechselspannungsnetz und zur Versorgung von wenigstens zwei Gleichspannungsverbrauchern eingesetzt. Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ermöglicht es, die Energie verlustarm und sinusförmig zu entnehmen. Hierzu werden die Schaltereinheiten und Schalterelemente derart angesteuert, dass die Speicherdrossel über die Sinushalbwelle einer an den Wechselspannungsanschlüssen angelegten Netzspannung weitgehend unter Verwendung der anliegenden Spannung zwischen Netzphase und Neutralleiter aufgeladen wird. Lediglich im Bereich des Nulldurchgangs der Netzspannung ist für ein schmales Zeitfenster der Einsatz von Energie aus dem die Energiezwischenspeicher enthaltenden Gleichstromkreis erforderlich. Hier wird in Ermangelung einer ausreichenden Spannung zwischen Netzphase und Neutralleiter auf die konventionelle Taktung des gegenüberliegenden Schalters zur Aufladung der Drossel zurückgegriffen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann eine einphasige Umrichterkonfiguration bilden oder zu einer dreiphasigen Konfiguration erweitert werden. Für jede Phase ist eine Halbbrücke mit lediglich zwei Schaltereinheiten und eine Weichenschaltung mit nur zwei Weichenpfaden erforderlich. Insbesondere in der dreiphasigen Konfiguration ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungstopologien, die eine Vollbrückenschaltung mit drei Brückenzweigen verwenden, der Spannungshub an den Schaltern geringer, weil die Brückenschaltungen an den Neutralleiter angebunden sind und somit über die zugehörigen Schaltungsäste nur ein reduzierter Spannungshub auszuführen ist. Die Schaltverluste sind deutlich verringert. Mit nur einem Schalter pro Pfad sind auch die Durchlassverluste kleiner.
Sowohl bei der ein- als auch bei der dreiphasigen Konfiguration kann auf der Gleichstromseite wenigstens ein weiterer Wechselrichter angeschlossen sein. Dadurch ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung den Wechselstrom oder die Wechselspannung eines öffentlichen Netzes zunächst in einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung umzuwandeln, um diesen bzw. diese anschließend mittels des weiteren Wechselrichters in einen Wechselstrom mit bspw. zum Antrieb eines Motors geeigneten Parametern, wie Amplitude, Frequenz und dgl., umzuwandeln. Der Wechselrichter kann auf herkömmliche Weise oder vorzugsweise gemäß der Erfindung ausgestaltet sein.
In einer bevorzugten, einfach aufgebauten Ausführungsform weist die Weichenschaltung pro Phase lediglich zwei Weichenpfade auf, die jeweils einer Halbwelle zugeordnet sind. In jedem Weichenpfad ist ein Schalter mit einer zu dem Schalter pa rallel angeschlossenen Freilaufdiode und eine in Reihe geschaltete Gleichrichterdiode angeordnet. Die Gleichrichterdioden in den einzelnen Weichenpfaden sind zueinander in entgegengesetzter Durchlassrichtung geschaltet. Ist ein Schalter in einem Weichenpfad geschlossen, ist ein Freilaufstrom durch diesen Weichenpfad freigegeben. Jeder Schalter mit der zugehörigen Gleichrichterdiode kann oder beide Weichenpfade gemeinsam können in Form eines einzigen integrierten Bauelementes realisiert sein.
Die Steuerungseinrichtung kann sämtliche Schalter gemäß einem im Voraus festgelegten Taktschema schalten. In einer bevorzugten Ausführungsform erfasst die Steuerungseinrichtung aber Parameter, die Betriebsbedingungen kennzeichnen, um basierend auf den Betriebsparametern die Schalter anzusteuern. Hierzu weist sie vorzugsweise eine Sensoreinrichtung mit Sensormitteln zur Erfassung der an den Energiezwischenspeichern anliegenden Spannungen, der in den Gleichspannungszweigen fließenden Ströme und/oder der an den Wechselspannungsanschlüssen anliegenden Wechselspannung auf. Ferner weist die Steuerungseinrichtung logische Mittel auf, die dazu dienen, die erfassten Parameter miteinander und gegebenenfalls mit vorgebbaren Schwellenwerten zu vergleichen und daraufhin die Schalterelemente der Weichenschaltung zu schalten. Insbesondere sind die Logikmittel dazu eingerichtet, durch Freischaltung der Weichenpfade eine Rückkommutierung der Speicherdrosselströme zu den Energiezwischenspeichern weitgehend zu verhindern und erforderlichenfalls eine Leistungskompensation zu veranlassen. Somit können angeschlossene Gleichspannungsgeneratoren oder -verbraucher im Wesentlichen in ihren optimalen Betriebspunkten betrieben werden. Die Steuerungseinrichtung mit den Logikmitteln ist vorzugsweise in Form einer Schaltung realisiert, kann aber auch einen Mikroprozessor, Mikrocontrol ler oder dgl. umfassen.
Ein Leistungsausgleich wird, wenn er erforderlich ist, sowohl bei der Einspeisung von Energie in ein Netz als auch bei der Entnahme von Energie aus einem Netz vorgenommen. Im Falle der Energieeinspeisung wird in einer ausgewählten Netzspannungshalbwelle entsprechend dem geforderten Ausgleichsanteil gezielt der zugehörige Weichenpfad zum Neutralleiter geöffnet und eine Abmagnetisierung der Speicherdrossel über den Energiespeicher und die Freilaufdiode des gegenüberliegenden Gleichspannungszweiges erzwungen. Durch diesen, auf die positive oder negative Halbwelle beschränkten, kontrollierten kurzzeitigen Übergang auf eine herkömmliche Art der Rückkommutierung wird erfindungsgemäß ohne zusätzliche, dem Wechselrichter vorgeschaltete Mittel Energie in den jeweils anderen Gleichspannungszweig übertragen. Die übertragene Energiemenge reicht aus, um bspw. für zwei Fotovoltaikanlagen oder Brennstoffzellen bei den im Betrieb gewöhnlich vorkommenden, durch Herstellungstoleranzen oder Abschattungseffekte bedingten Leistungsabweichungen ein ausreichendes Maß an Kompensation zu erzielen. Der Wirkungsgrad ist kaum beeinträchtigt, nachdem die Aufladung des jeweils gegenüberliegenden Energiezwischenspeichers nur auf einen Bruchteil lediglich einer Halbwelle beschränkt ist. Bei der anderen Halbwelle wird erfindungsgemäß in der Freilaufphase der entsprechende Weichenpfad durchgeschaltet und der Strom ohne Rückkommutierungseffekte, verlustarm ins Netz gespeist.
Im Falle der Energieentnahme ist ebenfalls ein Leistungsausgleich zwischen den beiden Gleichspannungszweigen ohne zusätzliche, dem Wechselrichter vorgeschaltete Mittel möglich. Hierzu wird das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren der Aufladung der Speicherdrossel mittels der vorhande nen Spannung zwischen Netzphase und Neutralleiter und der kurzzeitigen Verwendung von Energie aus dem Gleichstromkreis im Bereich des Nulldurchgangs der Netzspannung dadurch weitergebildet, dass ausschließlich im Bereich der positiven bzw. negativen Halbwelle das Zeitfenster des Einsatzes von Energie aus dem Gleichstromkreis kontrolliert erweitert wird. Dadurch wird durch Rückkommutierung des Speicherdrosselstromes in den gegenüberliegenden Gleichspannungszweig ein Leistungsausgleich in dem erforderlichen Maße erzielt. Wie im Einspeisebetrieb wird auch hier der Wirkungsgrad unwesentlich beeinträchtigt.
Die bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hervorgerufenen geringen Spannungshübe an der Speicherdrossel erzeugen eine ebenso geringe Stromwelligkeit in dem die Speicherdrosselstrom. Die Speicherdrossel kann wegen der dadurch geringeren Eisenverluste und geringeren erforderlichen Induktivität kleiner dimensioniert werden. Da der invertierte Strom in dem die Drossel aufladenden Betriebsfall stets nur durch eine Schaltereinheit fließt, entstehen geringere Durchlassverluste, während sich durch die geringeren Spannungshübe die Schaltverluste verringern. Insgesamt führt dies zu geringeren Halbleiterverlusten. Folglich können sekundäre Bauteile, wie z.B. Kühlkörper, kleiner dimensioniert werden. Weil, abgesehen von einer gewollten Leistungskompensation, Rückkommutierungseffekte vermieden werden, können kostengünstigere Kondensatoren eingesetzt werden, die auf eine geringere Wechselstrombelastung ausgelegt sind. Insbesondere im Falle einer dreiphasigen Anordnung ist es möglich, den Gleichstromkreis ohne Einsatz von Elektrolytkondensatoren auszuführen, was enorme Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer und der Lagerfähigkeit der Umrichter ergibt.
Durch die erfindungsgemäße Schaltungstopologie und die geringe Anzahl jeweils aktiver Bauteile in dieser ist ein sehr kompakter Aufbau der Halbleiter und der an der Kommutierung beteiligten Bauteile und damit eine Reduktion der von diesen aufgespannten Fläche möglich. Da zusätzlich die Änderungen des Stromes und der Spannung pro Zeiteinheit geringer ausfallen können, verursacht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung geringere elektromagnetische Störungen. Gewöhnlich verwendete externe Filterbauteile, wie Drosseln oder Kondensatoren, zur Unterdrückung dieser elektromagnetischen Störungen können weggelassen oder zumindest kleiner dimensioniert und damit wirtschaftlicher ausgeführt werden.
Die Möglichkeit des gleichspannungsseitigen Anschlusses eines Pols der Gleichspannungsquellen/-senken an den durch den Inverter hindurchgeführten Neutralleiter stellt sicher, dass an den angeschlossenen Geräten keine durch die Taktung des Inverters bedingten hoch- oder niederfrequenten Spannungsschwankungen auftreten können, welche zu Ableitströmen über parasitäre Kapazitäten führen könnten. Dadurch wird die elektromagnetische Verträglichkeit weiter verbessert. Das beträchtliche Gefährdungspotenzial durch hochfrequente Spannungssprünge bei Berührung der isolierten Moduloberflächen, z.B. eines Solargenerators, wird eliminiert. Für den Betrieb der Schaltungsanordnung in einer dreiphasigen Umrichterkonfiguration führt die direkte Anbindung des motorseitigen Wechselrichters über den Neutralleiter zu einer wesentlich geringeren Isolationsbelastung des Motors hinsichtlich der Maximalamplitude der anliegenden Spannung gegenüber dem Erdpotenzial.
Die Erfindung ermöglicht es, Schaltnetzteile, Pulsgleichrichter oder Wechselrichter zu realisieren, die einen besonders guten Wirkungsgrad und geringe elektromagnetische Rückwirkungen aufweisen und bei einfachem, kostengünstigem Aufbau eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer sicherstellen.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen.
In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung für einen Umrichter gemäß der Erfindung in einer einphasigen Konfiguration;
2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Spannung an der Speicherdrossel, der Ströme und der Steuersignale bei der Schaltungsanorndung nach 1 im Falle einer Einspeisung von Energie in ein Netz ohne Leistungsausgleich;
3 eine der 2 ähnliche Darstellung für den Fall einer Einspeisung von Energie in ein Netz mit Leistungsausgleich;
4 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Spannung an der Speicherdrossel, der Ströme und der Steuersignale bei der Schaltungsanorndung nach 1 im Falle einer Entnahme von Energie aus einem Netz ohne Leistungsausgleich;
5 eine der 4 ähnliche Darstellung für den Fall einer Entnahme von Energie aus einem Netz mit Leistungsausgleich;
6a und 6b Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aus führungsform nach 1;
7 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer dreiphasigen Konfiguration und
8 eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Umrichterschaltung nach 7.
1 zeigt leicht schematisiert eine Schaltungsanordnung 1 eines Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung. In der veranschaulichten einphasigen, transformatorlosen Konfiguration dient der Umrichter 1 als Wechselrichter zur Erzeugung und Einspeisung eines Wechselstromes in ein externes Netz. Hierzu weist der Umrichter 1 drei Gleichspannungsanschlüsse 2, 3, 4, zwei Energiezwischenspeicher 6, 7, eine Brückenschaltung 8, eine Weichenschaltung 9, eine Steuerungseinrichtung 11 und zwei Wechselspannungsanschlüsse 12, 13 auf. An den Gleichspannungsanschlüssen 2, 3, 4 sind hier zwei Gleichspannungsgeneratoren 14, 16, bspw. Fotovoltaikgeneratoren, Brennstoffzellen, Akkumulatoren oder dgl., in Reihe zueinander angeschlossen, während an den Wechselspannungsanschlüssen 12, 13 eine externe Netzspannung U_NETZ angelegt ist.
Ein erster Gleichspannungsanschluss 2 ist mit einem ersten Gleichspannungszweig 17 und ein zweiter Gleichspannungsanschluss 4 mit einem zweiten Gleichspannungszweig 18 verbunden, während der in der Mitte befindliche Gleichspannungsanschluss 3 durch die gesamte Schaltungsanordnung 1 hindurchgeführt ist und einen Neutralleiter 19 bildet. Dieser ist mit dem Wechselspannungsanschluss 13 verbunden und kann netzseitig, bspw. in einem Schaltschrank, durch Erdung auf ein definiertes Null-Potenzial gelegt werden. Gegebenenfalls können in dem Neutralleiter 19 Filterelemente zur Unterdrückung hochfrequenter Stö rungen enthalten sein. Die Generatoren 14, 16 sind jeweils an einem Gleichspannungszweig 17 bzw. 18 und an dem Neutralleiter 19 angeschlossen.
Die Energiezwischenspeicher 6, 7 sind parallel zu jedem Generator 14, 16, jeweils zwischen einem der Gleichspannungszweige 17 bzw. 18 und dem Neutralleiter 19 angeordnet. Sie sind vorzugsweise durch Pufferkondensatoren C1 und C2 gebildet. Parallel zu der Reihenschaltung aus den Energiezwischenspeichern 6 und 7 ist zwischen den Gleichspannungszweigen 17, 18 die Brückenschaltung 8 angeschlossen.
Die Brückenschaltung 8 ist als herkömmliche Halbbrücke ausgebildet, die zwei in Reihe miteinander verbundene Schaltereinheiten S1 und S2 aufweist, die mit hohen Frequenzen von bis zu 100 kHz schaltbar sind. Bevorzugterweise werden hierzu verlustarme IGBT- (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOS-Feldeffekttansistor-Schalter eingesetzt, obwohl auch andere Schalterrealisierungen möglich sind. Parallel zu jeder Schaltereinheit S1, S2 ist eine Freilaufdiode D1 bzw. D2 in entgegengesetzter Durchlassrichtung angeordnet. Der Verbindungspunkt 20 zwischen den Schaltereinheiten S1 und S2 ist über eine Verbindungsleitung 21, die eine Speicherdrossel L enthält, an den Wechselspannungsanschluss 12 angeschlossen.
Die Weichenschaltung 9 dient dazu, bei Bedarf auf gesteuerte Weise durch die Speicherdrossel L fließende Ströme umzuleiten. Die Weichenschaltung 9 ist hier durch eine Parallelschaltung zweier Weichenpfade 22, 23 gebildet, die der Brückenschaltung nachgeschaltet, zwischen der Verbindungsleitung 21 und dem Neutralleiter 19 verlaufen. Der Weichenpfad 22 weist ein Schalterelement S3 mit einer auf herkömmliche Weise antiparallel hierzu angeschlossenen Freilaufdiode D3 und eine Gleichrichterdiode D5 auf, die zu der Parallelanordnung aus dem Schalterelement S3 und der Diode D3 in Reihe liegt. Die Durchlassrichtung der Diode D3 weist von dem Neutralleiter 19 zu der Verbindungsleitung 21 hin. In ähnlicher Weise sind in dem Weichenpfad 23 ein Schalterelement S4 mit einer antiparallelen Freilaufdiode D4 sowie eine in Reihe hierzu angeordnete Gleichrichterdiode D6 vorgesehen. Die Anode der Gleichrichterdiode D6 ist mit der Verbindungsleitung 21 verbunden, so dass die Diode D6 in Bezug auf die Gleichrichterdiode D5 die entgegengesetzte Durchlassrichtung aufweist.
Zur Überwachung und Steuerung der Betriebsweise der Schaltungsanordnung 1 dient die Steuerungseinrichtung 11, die Teil der Schaltung 1 bildet oder auch teilweise in Form einer hiervon gesonderten integrierten Schaltung realisiert sein kann. Es kann auch ein Mikroprozessor oder dgl. verwendet werden. Jedenfalls enthält die Steuerungseinrichtung 11 zwei in Form von Blöcken 24, 26 dargestellte Funktionseinheiten. Der Block 24 kennzeichnet eine Sensoreinrichtung, die dazu dient, Betriebsparameter der Schaltungsanordnung 1 zu erfassen und hierfür kennzeichnende Signale 27 zu liefern. Hierzu enthält die Sensoreinrichtung 24 geeignet eingerichtete, hier zur Vereinfachung der Veranschaulichung nicht näher dargestellte Sensormittel, zu denen bspw. Spannungsmesser zur Erfassung der an den Pufferkondensatoren C1 und C2 anliegenden Gleichspannungen U_DC1, U_DC2 der Gleichstromkreise, Strommesser zur Erfassung der in den Gleichspannungszweigen 17, 18 durch die Halbbrückenkomponenten S1, D1 bzw. S2, D2 fließenden Ströme I₁ bzw. I₂, ein Mittel zur Erfassung des durch die Drosselspule L fließenden Stromes I_L und/oder Mittel gehören, die die zwischen den Anschlüssen 12 und 13 anfallende Spannung U_NETZ erfassen. Natürlich können die hier angegebenen Spannungen oder Ströme anhand allgemein bekannter elektrotechnischer Beziehungen auch aus anderen erfassbaren Teilspannungen oder Teilströmen in der Schaltungsanordnung 1 hergeleitet werden.
Der Block 26 kennzeichnet Logikelemente der Steuerungseinrichtung 11, die dazu eingerichtet sind, die von der Sensoreinrichtung 24 gelieferten Signale 27 entgegenzunehmen und zu verarbeiten, um basierend darauf die Schaltereinheiten S1 und S2 der Halbbrücke 8 wie auch die Schalterelemente S3 und S4 der Weichenschaltung 9 geeignet anzusteuern. Dies ist in 1 durch gestrichelt angedeutete Ansteuerungspfade veranschaulicht, von denen einer exemplarisch mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Die Logikelemente 26 können insbesondere eine Vergleicherlogik, um die gemessenen Spannungen oder Ströme miteinander oder mit vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwerten zu vergleichen, sowie eine Entscheidungslogik enthalten, um basieren auf den Ergebnissen der Vergleiche die geeignete Ansteuerungsstrategie zu wählen.
Die Funktionsweise der insoweit beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 ist nachstehend mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben, die vereinfachte Diagramme mit Zeitverläufen wichtigster Spannungen und Ströme sowie Steuerungssignale in der Schaltungsanordnung 1 für den in 1 veranschaulichten Fall der Einspeisung von Energie in ein Netz veranschaulichen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 funktioniert wie folgt:
Es wird angenommen, dass an den Wechselspannungsanschlüssen eine Wechselspannung U_NETZ mit einer Scheitelspannung von √2·230 Volt und einer Frequenz von 50 Hz anliegt, wie sie aus der obersten Diagrammdarstellung in 2 für eine Periode ersichtlich ist. Zur Wechselrichtung der von den Generatoren 14, 16 erzeugten Gleichspannung werden die Schalter S1 bis S4 in Abhängigkeit von der Polarität der Netzspannung U_NETZ durch die Steuerungseinrichtung 11 nach einem bestimmten Taktmuster geschlossen und geöffnet. Es sollte beachtet werden, dass aus Übersichtlichkeitsgründen in der Diagrammdarstellung die Tastverhältnisse der Schaltereinheiten S1 und S2 in jeweiligen Zeitabschnitten der Netzspannungshalbwelle beispielhaft eingezeichnet sind. In Wirklichkeit beträgt deren Schaltfrequenz bspw. 16 kHz oder mehr. Vorteilhafterweise wird pro Halbwelle nur eine Schaltereinheit S1 bzw. S2 geschaltet, was die Durchlassverluste minimiert und einen hohen Wirkungsgrad fördert.
Wie aus 2 zu erkennen, wird in der positiven Halbwelle der Netzspannung U_NETZ die Schaltereinheit S1 hochfrequent geschaltet. Ferner ist das Schalterelement S3 in dem Weichenpfad 22 geschlossen, während die Schalter S2 und S4 geöffnet bleiben, so dass ein Stromfluss durch diese verhindert ist. Beim Schließen der Schaltereinheit S1 der Halbbrücke 8 liegt die Spannung U_DC1 an der Drosselspule L an, wodurch der Strom I_L ansteigt und die Drosselspule aufmagnetisiert wird.
Während der Freilaufphase, wenn die Schaltereinheit S1 geöffnet ist, wird die Drosselspule L abmagnetisiert, wobei der positive Drosselspulenstrom I_L weiter fließt, sein Betrag jedoch allmählich abnimmt. Der Drosselspulenstrom I_L kommutiert dabei über die geschlossenen Schalter S3 und die Gleichrichterdiode D5 in dem Weichenpfad 22, der als Freilaufpfad dient. Der Drosselspulenstrom I_L gelangt nicht zurück zu dem Pufferkondensator C2. Die damit verbundenen Energieverluste und Wirkungsgradverschlechterungen werden wirksam vermieden.
Vorteilhafterweise fällt die Spannung U_L in der Freilaufphase lediglich auf den Wert Null ab. Der Spannungshub, der von der Schaltereinheit S1 und der Freilaufdiode D1 bei jedem Takt auszuführen ist, ist somit auf den Wert der Gleichspan nung U_DC1 beschränkt und somit relativ gering. Dies rührt daher, weil die Weichenpfade 22, 23 mit dem Neutralleiter 19 verbunden sind, an den auch der Generator 14 und der Pufferkondensator C1 angeschlossen sind.
Die Schaltereinheit S1 wird in der positiven Netzspannungshalbwelle wiederholt getaktet, wobei die Schließdauern im Bereich des Scheitelwertes der Netzspannung U_NETZ länger sind als in der Nähe deren Nulldurchgänge, um dem jeweiligen Augenblickswert der Netzspannung U_NETZ bei der Auf- und Abmagnetisierung der Speicherdrossel L gerecht zu werden. Diese Schalterbetätigung wird durch Pulsweitenmodulation der von der Steuerungseinrichtung 11 gelieferten Ansteuersignale 28 oder durch eine andere geeignete, das Tastverhältnis vorgebende Modulationsart erzielt. Der erzeugte Wechselstrom I_L, wie er sich im Verlauf der Taktung im Mittel ergibt und in 2 punktiert angedeutet ist, ist hinsichtlich der Phasenlage und der Amplitude an den Potenzialverlauf der Wechselspannung U_NETZ gut angepasst. Gegenüber einer herkömmlichen Vollbrückenschaltung sind die Spannungshübe an der Speicherdrossel L geringer und verursachen eine nur geringe Welligkeit oder verhältnismäßig kleine Rippel in dem Spulenstrom I_L. Dadurch ist eine ordnungsgemäße Einspeisung von Energie in das externe Netz möglich.
In analoger Weise wird in der negativen Halbwelle der Netzspannung U_NETZ bei geschlossenem Schalterelement S4 in dem Weichenpfad 23 und geöffneten Schaltern S1 und S3 die Schaltereinheit S2 der Halbbrücke 8 geeignet angesteuert. Der Drosselspulenstrom I_L fließt im Schließzustand der Schaltereinheit S2 von dem Gleichspannungszweig 18 über diese zu der Drosselspule L, um sie aufzumagnetisieren, während er im Öffnungszustand der Schaltereinheit S2 über den nunmehr als Freilaufpfad dienenden Weichenpfad 23 mit dem geschlossen Schalterelement S4 kommutiert. Eine Rückführung der Energie in den Pufferkondensator C1 wird wiederum verhindert. Es gelten die obigen Ausführungen zum Betrieb während der positiven Halbwelle entsprechend.
Die Steuerungseinrichtung 11 steuert nicht nur die Brücke 8 und die Weicheneinrichtung 9 im Sinne eines vorteilhaften Betriebs der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1, insbesondere im Freilaufzustand, sondern sorgt darüber hinaus für eine gegebenenfalls erforderliche Leistungskompensation. Wenn bspw. die Generatoren 14, 16 in Form von Fotovoltaik-Generatoren ausgebildet sind, die unterschiedlich stark abgeschattet sind, oder aus sonstigen Gründen, bspw. aufgrund von herstellungsbedingten Toleranzabweichungen unterschiedliche Leistungen abgeben, würde der in das Netz eingespeiste Wechselstrom I_L einen Gleichanteil enthalten, der zu verhindern ist. Die Steuerungseinrichtung 11 bewirkt in diesem Fall einen derartigen Energieaustausch zwischen den Generatoren 14 und 16, dass beide in ihrem optimalen Betriebsbereich betrieben werden können.
In 3 ist als Beispiel ein bezüglich des maximal möglichen 50%iger Leistungsausgleich von dem oberen Gleichspannungszweig 17 in den unteren Gleichspannungszweig 18 veranschaulicht. Die unterschiedliche Leistungsabgabe der Generatoren 14, 16 wird bspw. durch die Logikmittel 26 der Steuerungseinrichtung 11 anhand der mit der Sensoreinrichtung 24 erfassten Spannungen U_DC1, U_DC2 und/oder Ströme I₁, I₂ festgestellt. Die Logikmittel 26 veranlassen daraufhin, dass das Schalterelement S3 während eines bestimmten Zeitanteils der positiven Halbwelle, der dem benötigten Leistungskompensationsgrad entspricht, geöffnet bleibt. Im Schließzustand der Schaltereinheit S1 ist die Funktionsweise wie oben skizziert. Im Freilaufzustand kommutiert nun aber der Drosselstrom I_L nicht über den Weichenpfad 22, sondern über die Freilaufdiode D2 zu dem Pufferkondensator C2 zurück, der dadurch entsprechend aufgeladen wird. Die Hälfte der von dem Generator 14 zugeführten Energie wird von dem oberen 17 auf den unteren Gleichspannungszweig 18 übertragen.
Während des Leistungsausgleichs erhöhen sich zwar die Spannungspotentialsprünge an der Halbbrücke 8 auf die Summe der Gleichspannungen U_DC1 und U_DC2, wie aus dem Verlauf der Spannung U_L ersichtlich, und die Stromrippel in dem Drosselspulenstrom I_L nehmen zu. Dies tritt aber nur während eines Bruchteils lediglich der positiven Halbwelle statt und ist für den Gesamtwirkungsgrad wenig schädlich. Im Gegenzug wird jedoch ein gezielter Leistungsausgleich ermöglicht.
Ist ein geringerer oder höherer Grad an Leistungskompensation erforderlich, wird die gesamte Öffnungsdauer des Schalterelementes S3 in jeder positiven Halbwelle entsprechend verkürzt bzw. verlängert. Dies kann auch durch mehrmaliges Öffnen und Schließen des Schalters S3 pro Halbwelle bewerkstelligt werden. Ist der Schalter S3 während der gesamten positiven Halbwelle geschlossen bzw. geöffnet, findet kein bzw. maximaler Leistungsausgleich statt. Unabhängig von der Ausgleichsrichtung ist der maximale Leistungsausgleich vom jeweiligen Verhältnis der Gleichspannungen U_DC1, U_DC2 zu dem Scheitelwert der Netzspannung U_NETZ abhängig. Für die hier vorgesehenen Anwendungen, insbesondere Energiegewinnung und -einspeisung mittels in Reihe geschalteter Fotovoltaik- oder Brennstoffzellen-Generatoren, ist das mögliche Maß der Leistungskompensation ausreichend.
Ein Leistungsausgleich von dem unteren Gleichspannungszweig 18 in den oberen Gleichspannungszweig 17 wird bei Bedarf entsprechend bewerkstelligt, indem das Schalterelement S4 während eines Teils der negativen Halbwelle der Netzspannung U_NETZ geöffnet bleibt und eine Rückkommutierung des Drosselspulenstromes I_L auf den Kondensator C1 gezielt ermöglicht wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 bildet einen bidirektionalen Umrichter, der auch zur Entnahme von Energie aus einem externen Netz eingerichtet ist. Hierzu sollen die Generatoren 14, 16 in 1 entsprechende Verbraucher kennzeichnen. Die Funktionsweise ist in 4 für den Fall, dass kein Leistungsausgleich stattfindet, und in 5 für den Fall mit Leistungsausgleich veranschaulicht.
Es soll zunächst die positive Halbwelle der Netzspannung U_NETZ unter der Annahme betrachtet werden, dass sämtliche Schalter S1 bis S4 geöffnet sind. Im Nulldurchgang reicht die Netzspannung U_NETZ gegen den Nullleiter 19 nicht aus, um die Drossel L aufzumagnetisieren. Deshalb wird zunächst die Schaltereinheit S2 hochfrequent angesteuert, um im geschlossenen Zustand das Potenzial der Spannung U_L jeweils auf nahezu das Potenzial –U_DC2 des Gleichspannungszweiges 4 zu bringen, um einen Stromfluss von der Drosselspule L über die Schaltereinheit S2 zu ermöglichen. Dies ergibt einen ansteigenden Strom I₂, der zu dem Gleichspannungszweig 18 und dem Kondensator C2 fließt. Im Öffnungszustand der Schaltereinheit S2 stellt sich ein Potential +U_DC1 an der Verbindungsleitung 21 ein und der dabei abnehmende Drosselspulenstrom I_L fließt über die Freilaufdiode D1 der Halbbrücke 8 auf den Gleichspannungszweig 17, was einen Strom I₁ zur Aufladung des Kondensators C1 zur Folge hat, vgl. 4.
Sobald die Netzspannung ausreichend groß ist, bleibt die Schaltereinheit S2 geöffnet. Statt dessen wird das Schaltele ment S4 in dem Weichenpfad 23 geschaltet. Im Schließzustand des Schalterelementes S4 wird die Drossel L von der Netzspannung U_NETZ aufgeladen. Der Drosselspulenstrom I_L fließt über das Schalterelement S4 und wird über den Neutralleiter verlustarm abgeleitet. Im Öffnungszustand des Schalterelementes S4 entlädt sich die Drossel L, wie vorstehend beschrieben, über die Freilaufdiode D1 zu dem Kondensator C1. Auf diese Weise wird ein Verbrauch von Energie aus dem Energiezwischenspeicher 7 über die gesamte Dauer der positiven Halbwelle verhindert. Im Übergangsbereich zwischen der positiven Halbwelle der Netzspannung U_NETZ und ihrer negativen Halbwelle wird mangels eines ausreichenden Potenzials wieder auf die oben erläuterte Weise die Schaltereinheit S2 angesteuert.
In der negativen Halbwelle der Netzspannung U_NETZ wird analog das Schalterelement S3 statt S4 eingesetzt, wobei im Schließzustand des Schalterelementes S3 die Drossel L aufgeladen wird und im Öffnungszustand die Freilaufdiode D2 leitend ist, wodurch der Kondensator C2 aufgeladen wird. Im Bereich des Nulldurchgangs wird auf die gegenüberliegende Schaltereinheit S1 der Halbbrücke 8 zurückgegriffen.
In jeder Halbwelle wird lediglich eine Schaltereinheit S1 bzw. S2 der Brückenschaltung 8 geschaltet und, abgesehen von den Netzspannungsnulldurchgängen, eine Rückkommutierung des Stromes zu dem gegenüberliegenden Pufferkondensator C1 bzw. C2 minimiert. Die Spannung U_L springt lediglich zwischen den durch die Gleichspannungen vorgegebenen Potenzialen und dem Nullpotential, also zwischen +U_DC1 und Null bzw. zwischen –U_DC2 und Null. Hierdurch ist die Welligkeit des Drosselspulenstromes I_L gering. Folglich ist eine sinusförmige Entnahme von Energie aus dem Wechselspannungsnetz mit geringen Verlusten und hohem Wirkungsgrad möglich. Es ist aber zu beachten, dass bei der Energieentnahme die Dauer des Öffnungszustands der Schalterelemente S3 bzw. S4 in den Weichenpfaden 22, 23 im Bereich des Scheitelwertes der Netzspannung U_NETZ durch entsprechende Ansteuerung größer zu wählen ist als in der Nähe der Nulldurchgänge.
Wie 5 veranschaulicht, wird erfindungsgemäß eine Leistungskompensation erreicht, wenn einer der Verbraucher 14, 16 einen größeren Energiebedarf aufweist. Bspw. wird während der positiven Halbwelle der Netzspannung U_NETZ das Zeitfenster in der Nähe des Nulldurchganges, in dem S2 getaktet wird, entsprechend verlängert, um eine Entladung des Kondensators C2 mittels des Stromes I₂ zu verstärken. Je nach Tastverhältnis zwischen der Taktung der Schaltereinheit S2 und der anschließenden Taktung des Schalterelementes S4 wird pro Halbwelle ein entsprechendes Maß an Energieübertragung von dem unteren 18 in den oberen Gleichspannungszweig 17 erreicht. Ein Leistungsausgleich von dem oberen 17 in den unteren Gleichspannungszweig 18 kann in dem erforderlichen Maße während der negativen Halbwelle der Netzspannung U_NETZ durch entsprechende Festlegung des Tastverhältnisses zwischen den Schaltern S1 und S3 erzielt werden.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw. kann die Schaltungsanordnung 1 erweitert werden, um mehr als zwei in Reihe miteinander verbundene Gleichspannungserzeuger zu verwenden, die dann an mehrere Gleichspannungsanschlüsse anzuschließen sind und für die jeweils ein Energiezwischenspeicher vorzusehen ist. Die Brückenschaltung 8, die Weichenschaltung 9 und die Ansteuerungslogik 26 müssen entsprechend angepasst werden, um ausgehend von den Gleichspannungen an den Energiezwischenspeichern 6, 7 eine Wechselspannung der gewünschten Frequenz und Amplitude zu erzeugen.
Umgekehrt kann auch eine Wechselspannung U_NETZ eines externen Netzes gleichgerichtet und auf mehrere Verbraucher verteilt werden. Außerdem können in dem Verbindungspfad 21 mehrere Speicherdrosseln L eingefügt sein. An den Wechselspannungsanschlüssen 12, 13 können Filtermittel zur Entstörung vorgesehen sein. Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren kann auch in Form von Firm- oder Software realisiert sein.
Die Dioden D3, D4 schützen den jeweiligen Halbleiter-Schalter S3, S4, können jedoch gegebenenfalls weggelassen werden. Dies insbesondere, wenn integrierte Halbleiter-Schalter mit Rückwärtssperrfähigkeit, bspw. selbstsperrende IGBT-Schalter, eingesetzt werden, sofern diese für hochfrequente Anwendungen geeignet sind.
Für den ordnungsgemäßen Betrieb muss die Spannung U_DC1 bzw. U_DC2 in dem jeweiligen Gleichstromkreis größer als der Scheitelwert der Netzspannung U_NETZ sein. 6a und 6b zeigen Prinzipdarstellungen von Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Umrichters, die es ermöglichen, auch kleinere Spannungen U_DC1 bzw. U_DC2 zu nutzen. Die Schaltungsanordnung 1 ist darin zur Vereinfachung lediglich in Form eines Blocks 1 dargestellt.
Bei der in 6a dargestellten Lösung sind in den Gleichspannungszweigen 17, 18 auch als DC-Steller bezeichnete Hochsetzsteller 29a bzw. 29b eingefügt. Derartige Hochsetzsteller sind aus der Technik in unterschiedlichen Formen, bspw. als vorteilhafte Multi-String-Schaltungen, bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Es genügt zu erwähnen, dass jeder Hochsetzsteller 29a, 29b die Aufgabe hat, das Potential der von dem Generator 14 bzw. 16 erzeugten Spannung auf ein für den Betrieb geeignetes Niveau U_DC1 bzw. U_DC2 anzuheben. Damit können Probleme, die bei Verknüpfung von Ge neratoren unterschiedlicher Typen oder bei starken Teilabschattungen entstehen, mühelos bewältigt werden. Der Umrichter 1 kann im großen Leistungsbereich mit maximalem Ertrag betrieben werden. Der Betrieb der Hochsetzsteller 29a, 29b ist vorzugsweise durch einen Regler geregelt, der Teil der Steuerungseinrichtung 11 sein kann. Vorzugsweise ist ferner parallel zu jedem Hochsetzsteller 29a bzw. 29b ein Schalter S5a bzw. S5b angeordnet, der geschlossen werden kann, um den zugehörigen Hochsetzsteller 29a bzw. 29b bei Nichtgebrauch zu überbrücken. Damit lassen sich Verluste minimieren.
Die in 6b veranschaulichte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umrichters 1 weist anstelle der auf der Gleispannungsseite angeordneten Hochsetzsteller 29a, 29b auf der Wechselspannungsseite eine Ausblendschaltung 31 auf, die in der zu dem Wechselspannungsanschluss 12 führenden Verbindungsleitung 21 eingefügt ist. Die Schaltung 31 ist hier durch eine Parallelschaltung zweier selbstsperrender IGBT-Schalter S6a, S6b gebildet, die entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen. Durch geeignete Ansteuerung der Schalter S6a, S6b kann die Netzspannung U_NETZ in Zeiträumen, in denen ihr Augenblickswert die gerade verwendete Gleichspannung U_DC1 bzw. U_DC2 übersteigt, ausgeblendet werden, um auch in diesen Zeiträumen die Gleichspannungen zu nutzen. Natürlich können auch andere Schaltungen zu diesem Zweck eingesetzt werden. Bspw. können die selbstsperrenden IGBT-Schalter S6a, S6b auch durch andere Schaltertypen mit jeweils in der entsprechenden Durchlassrichtung ausgerichteten Gleichrichterdiode ersetzt werden. Vorteilhafterweise kann die Schaltung 31 einen weiteren Schalter S7 enthalten, um die Schalter S6a, S6b bei Nichtgebrauch zu überbrücken.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den 7 und 8 veranschaulicht. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion besteht, wird unter Verwendung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
7 zeigt auf vereinfachte Weise eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1' in der dreiphasigen Umrichterkonfiguration. Die Schaltungsanordnung 1' enthält drei mit der Schaltungsanordnung 1 nach 1 wie auch untereinander identisch ausgebildete Schaltkreise 1a, 1b, 1c, deren Komponenten durch Hinzufügung der Indizes a, b bzw. c kenntlich gemacht sind. Die Schaltkreise 1a, 1b, 1c sind gemeinsam an den Gleichspannungsanschlüssen 2, 4 angeschlossen, zwischen denen Energieerzeuger oder -verbraucher in Reihe zueinander angeschlossen werden können und zu denen zwei Energiezwischenspeicher 6, 7 in Form von Pufferkondensatoren C1 und C2 jeweils parallel angeordnet sind. Ein dritter Gleichspannungsanschluss 3 ist mit einem Neutralleiter 19 verbunden, der allen Schaltkreisen 1a, 1b, 1c gemeinsam zugeordnet ist und vorzugsweise im Betrieb mit der Erde verbunden ist. Parallel zu den Pufferkondensatoren sind Halbbrückenschaltungen 8a, 8b, 8c angeordnet, von denen die Verbindungsleitungen 21a, 21b, 21c abzweigen, die über Drosselspulen L an die Wechselspannungsanschlüsse 12a, 12b, 12c angeschlossen sind. Zwischen den Verbindungsleitungen 21a, 21b, 21c und der Neutralleitung 19 sind erfindungsgemäße Weichenschaltungen 9a, 9b, 9c vorgesehen. Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 11 ist in 7 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen.
Hinsichtlich der genauen Anordnung und Ausgestaltung einzelner Komponenten der Schaltkreise 1a, 1b, 1c, insbesondere der Halbbrücken 8a, 8b, 8c und der Weichenschaltungen 9a, 9b, 9c, sowie deren Funktionsweise wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach 1 ver wiesen. Es soll hier nur kurz erwähnt werden, dass die Schaltungsanordnung 1' sowohl zur Wechselrichtung, um aus den Gleichspannungen U_DC1 und U_DC2 einen dreiphasigen Wechselstrom (sog: Drehstrom) zu erzeugen, als auch zur Gleichrichtung verwendet werden kann, um ausgehend von einem von außen eingespeisten Drehstrom die Gleichspannungen U_DC1 und U_DC2 zu erzeugen. Dabei steuert die Steuerungseinrichtung 11 die Halbbrücken- und Weichenschaltungen 8a und 9a, 8b und 9b sowie 8c und 9c entsprechend dem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren geeignet an, um entweder zueinander jeweils um 120° phasenverschobene Drosselströme I_La, I_Lb und I_Lc zu erzeugen, die in das Drehstromnetz eingespeist werden, oder um dem Drehstromnetz in vorteilhafter Weise hinsichtlich der Phasenlage und des Oberschwingungsgehalts Energie zur Versorgung der Gleichspannungsverbraucher zu entnehmen. Vorteilhafterweise wird pro Phase Ua, Ub, Uc und Halbwelle nur ein Brückenschalter S1a, S1b, S1c bzw. S2a, S2b, S2c hochfrequent geschaltet. Ferner kann in beiden Fällen eine Rückkommutierung der Drosselspulenströme zu den Pufferkondensatoren C1 und C2 im Freilaufzustand verhindert und bedarfsweise eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen 17 und 18 durchgeführt werden. Außerdem ist es möglich, bei Verwendung von Elektrolytkondensatoren auf eine Symmetrierung, die normalerweise für einen dreiphasigen Umrichter mit drei Brückenzweigen zwingend erforderlich ist, zu verzichten, weil die notwendige Gleichspannung U_DC1 bzw. U_DC2 lediglich Werte im Bereich der wirtschaftlichen Verfügbarkeit von Elektrolytkondensatoren annimmt.
Bei der in 8 veranschaulichten Weiterbildung der Ausführungsform nach 7 ist an der Gleichspannungsseite des Umrichters 1' ein weiterer Inverter 1'' angeschlossen. Der durch Energieentnahme aus dem Drehstromnetz mit dem Umrichter 1' erzeugte Gleichstrom oder die Gleichspannung wird mittels des Inverters 1'' in einen zum Antrieb eines Motors geeigneten Drehstrom umgewandelt. Der Inverter 1'' kann beliebig ausgestaltet werden, ist jedoch vorzugsweise mit dem Umrichter 1' identisch ausgebildet und weist ebenfalls eine Weichenschaltung 9 auf, um Verluste im Betrieb zu minimieren und Leistung ausgleichen zu können. Vorteilhafterweise ist der Umrichter 1'' unmittelbar an den Neutralleiter angebunden, wodurch das Auftreten durch die Taktung der Schalter verursachter Spannungsschwankungen und damit verbundener elektromagnetischer Störsignale minimiert. Durch geringere Spannungshübe an den Wicklungsanschlüssen von Motoren ist z.B. deren Isolationsbelastung deutlich verringert. Die Schaltungsanordnung nach 8 kann auch zur Speisung eines externen Drehstromnetzes mittels eines Drehstromgenerators eingesetzt werden.
Eine Schaltungsanordnung 1 für einen bidirektionalen Umrichter weist in einer einphasigen Konfiguration zwei zwischen Gleichspannungszweigen 17, 18 in Reihe miteinander verbundene Gleichspannungserzeuger oder -verbraucher 14, 16 auf, deren Verbindungspunkt an einen Neutralleiter 19 angeschlossen ist und zu denen parallel Energiezwischenspeicher 6, 7 sowie eine zwischen den Gleichspannungszweigen 17, 18 angeordnete Brückenschaltung 8 angeschlossen sind. Die Brückenschaltung 8 ist als Halbbrücke mit zwei in Reihe miteinander verbundenen Schaltereinheiten S1, S2 ausgeführt, zu denen jeweils eine Freilaufdiode D1, D2 antiparallel geschaltet ist. Der Mittelabgriff 20 der Brückenschaltung 8 ist über eine Verbindungsleitung 21, die eine Speicherdrossel L enthält, mit einem ersten Wechselspannungsanschluss 12 verbunden, während der Neutralleiter 19 mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss 13 verbunden ist. Zwischen der Verbindungsleitung 21 und dem Neutralleiter 19 ist eine Weichenschaltung 9 mit Schalterelementen S3, S4 angeordnet. Eine Steuerungseinrichtung 11 steu ert die Weichenschaltung 9 in Abhängigkeit von erfassten Betriebsbedingungen oder gemäß einem festgelegten Taktschema an, um bedarfsweise eine Kommutierung des im Freilaufzustand durch die Speicherdrossel L fließenden Stromes zu den Zwischenspeichern 6, 7 zu verhindern und/oder eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen 17, 18 zu bewerkstelligen. In einer Weiterbildung ist eine dreiphasige Umrichterkonfiguration geschaffen.

Claims

Schaltungsanordnung (1), insbesondere zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom, mit wenigstens drei Gleichspannungsanschlüssen (2, 3, 4), zu denen wenigstens zwei Gleichspannungszweige (17, 18) und ein Neutralleiter (19) gehören, mit Energiezwischenspeichern (6, 7), die jeweils zwischen einem Gleichspannungszweig (17, 18) und dem Neutralleiter (19) angeschlossen sind, mit einer zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) angeordneten Brückenschaltung (8), die zwei Schaltereinheiten (S1, S2) aufweist, die über einen Verbindungspunkt (20), der einen Mittelabgriff der Brückenschaltung (8) bildet, in Reihe miteinander verbunden sind und zu denen jeweils eine Freilaufdiode (D1, D2) antiparallel geschaltet ist, mit wenigstens zwei Wechselspannungsanschlüssen (12, 13), von denen einer (13) mit dem Neutralleiter (19) verbunden ist, während wenigstens ein anderer (12) über eine Verbindungsleitung (21), in der wenigstens eine Speicherdrossel (L) enthalten ist, mit dem Mittelabgriff (20) der Brückenschaltung (8) verbunden ist, mit einer Weichenschaltung (9), die zwischen der Verbindungsleitung (21) und dem Neutralleiter (19) angeschlossene Weichenpfade (22, 23) und in den Weichenpfaden (22, 23) vorgesehene Schalterelemente (S3, S4) aufweist, die gesteuert schaltbar sind, um einen Stromfluß durch die Weichenpfade (22, 23) zu ermöglichen oder zu verhindern, und mit einer Steuerungseinrichtung (11), die dazu eingerichtet ist, die Weichenschaltung (9) derart anzusteuern, um bedarfsweise eine Kommutierung des durch die Speicherdrossel (L) fließenden Stromes zu den Zwischenspeichern (6, 7) im Wesentlichen zu verhindern und/oder eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) zu bewerkstelligen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen transformatorlosen Umrichter mit Halbleiter-Schaltelementen bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungsanschlüssen (17, 18) zwei Gleichspannungsgeneratoren (14, 16) angeschlossen sind, die in Reihe zueinander geschaltet sind, und die Schaltungsanordnung (1) zur Einspeisung von Energie in ein Netz eingesetzt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungsanschlüssen (17, 18) zwei Gleichspannungsverbraucher (14, 16) angeschlossen sind, die in Reihe zueinander geschaltet sind, und die Schaltungsanordnung (1) zur Entnahme von Energie aus einem Wechselspannungsnetz eingesetzt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine einphasige Umrichterkonfiguration bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine dreiphasige Umrichterkonfiguration bildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Weichenpfad (22, 23) ein Schalterelement (S3, S4) und eine in Reihe geschaltete Gleichrichterdiode (D5, D6) vorgesehen ist, wobei die Gleichrichterdioden (D5, D6) zueinander in entgegengesetzter Durchlassrichtung geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) dazu eingerichtet ist, Betriebsbedingungen zu erfassen und die Weichenschaltung in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsbedingungen anzusteuern.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) zur Erfassung von die Betriebsbedingungen kennzeichnender Parameter eine Sensoreinrichtung (24), einschließlich Sensormittel zur Erfassung der an den Energiezwischenspeichern (6, 7) anliegenden Spannungen, der in den Gleichspannungszweigen (17, 18) fließenden Ströme und/oder der an den Wechselspannungsanschlüssen (12, 13) anliegenden Wechselspannung, aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) eine Logik (26) aufweist, die dazu dient, die erfassten Parameter (27) miteinander und gegebenenfalls mit vorgebbaren Schwellenwerten zu vergleichen und basierend auf dem Vergleich die Schalterelemente (S3, S4) der Weichenschaltung (9) zu schalten.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik (26) ferner dazu eingerichtet ist, eine Leistungskompensation derart zu veranlassen, dass an den Gleichspannungsanschlüssen (2, 3, 4) in Reihe zueinander angeschlossene Gleichspannungsgeneratoren oder -verbraucher (14, 16) im Wesentlichen in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf der Gleichstromseite mit wenigstens einem weiteren Inverter (1'') verbunden ist.
Verfahren zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom mit einer Schaltungsanordnung (1), zu der gehören: wenigstens zwei Gleichspannungszweige (17, 18) und ein Neutralleiter (19), Energiezwischenspeicher (6, 7), die jeweils zwischen einem Gleichspannungszweig (17, 18) und dem Neutralleiter (19) angeschlossen sind, eine zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) angeordnete Brückenschaltung (8), die zwei Schaltereinheiten (S1, S2) aufweist, die über einen Verbindungspunkt (20), der einen Mittelabgriff der Brückenschaltung (8) bildet, in Reihe miteinander verbunden sind und zu denen jeweils eine Freilaufdiode (D1, D2) antiparallel geschaltet ist, und wenigstens zwei Wechselspannungsanschlüsse (12, 13), von denen einer (13) mit dem Neutralleiter (19) verbunden ist, während wenigstens ein anderer (12) über eine Verbindungsleitung (21), in der wenigstens eine Speicherdrossel (L) enthalten ist, mit dem Mittelabgriff (20) der Brückenschaltung (8) verbunden ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Vorsehen von Weichenpfaden (22, 23) zwischen der Verbindungsleitung (21) und dem Neutralleiter (19) mit in den Weichenpfaden (22, 23) enthaltenen Schalterelementen (S3, S4), die gesteuert schaltbar sind, um einen Stromfluß durch die Weichenpfade (22, 23) zu ermöglichen oder zu verhindern, Erfassen von Betriebsparametern, die an den Energiezwischenspeichern (6, 7) anliegende Gleichspannungen, in den Gleichspannungszweigen (17, 18) fließende Ströme und/oder eine an den Wechselspannungsanschlüssen (12, 13) anliegende Wechselspannung kennzeichnen, und Steuern der Stromflüsse durch die Weichenpfade (22, 23) in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsbedingungen derart, dass eine Rückkommutierung des durch die Speicherdrossel (L) fließenden Stromes zu den Energiezwischenspeichern (6, 7) im Wesentlichen verhindert und bedarfsweise Leistung zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) und dem Neutralleiter (19) Gleichspannungsquellen (14, 16) angeschlossen und diese jeweils im Wesentlichen an ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden, um Energie in ein Netz zu speisen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) und dem Neutralleiter Gleichspannungssenken (14, 16) angeschlossen und diese jeweils im Wesentlichen an ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden, um einem Netz Energie zu entnehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Halbwelle einer an der Wechselspannungsanschlüssen (12, 13) angeschlossenen Wechselspannung lediglich eine Schaltereinheit (S1, S2) hochfrequent getastet wird und im Freilaufzustand der Strom durch die Dros selspule (L) über einen zugehörigen Weichenpfad (22, 23) umgeleitet wird.
Verfahren einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zeitfenster im Bereich des Nulldurchgangs der Wechselspannung auf eine Taktung unter Verbrauch von Energie aus einem Gleichstromkreis umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungskompensation das Tastverhältnis zwischen getakteten Schaltern (S1/S3; S2/S4; S2/S4; S1/S3) in der Halbbrücke (8) und den Weichenpfaden (22, 23) geeignet festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungskompensation das Zeitfenster im Bereich des Nulldurchgangs der Wechselspannung entsprechend verkürzt oder erweitert wird.