-
Die
Erfindung betrifft einen Wechselrichter und ein Verfahren zur Umwandlung
einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung einer
bestimmten Frequenz.
-
Wechselrichter
werden z. B. dann eingesetzt, wenn elektrische Energie aus Gleichspannungsquellen,
wie bspw. Fotovoltaikanlagen, Brennstoffzellen oder dgl. in das öffentliche
Versorgungsnetz einzuspeisen ist. Derartige Wechselrichter sind z.
B. in der Lage, aus einem oder mehreren Gleichspannungspotentialen
einen an den Potentialverlauf einer sinusförmigen Netzspannung mit einer
Frequenz von 50 oder 60 Hz angeglichenen Wechselstrom erzeugen.
-
DE 102 21 592 A1 beschreibt
einen transformatorlosen Wechselrichter mit zwei Gleichspannungsanschlüssen, einem
zwischen den Gleichspannungsanschlüssen angeordneten Speicherkondensator,
einer H-förmigen
Vollbrückenschaltung,
die vier Halbleiterschalter aufweist, und mit Speicherdrosseln,
die in den zu den Wechselspannungsanschlüssen führenden Abzweigen der Brückenhälften angeordnet
sind. Zur Erzeugung der gewünschten Wechselspannung
aus einer anliegenden Gleichspannung werden bestimmte Schalter der
Vollbrücke in
Abhängigkeit
von der Polarität
der Wechselspannung mit einer hohen Taktfrequenz pulsweitenmoduliert
geschaltet, um im Schließzustand
der Schalter, der sog. Aufmagnetisierungsphase, einen Strom zur Aufladung
der Drosselspulen bereitzustellen. Beim Öffnen der hochfrequent getakteten
Schalter, der sog. Freilaufphase, kommutiert der aufgrund der Abmagnetisierung
innerhalb der Drosseln weiterfließende Spulenstrom über gesonderte
Freilaufpfade, die zwischen den Abzweigen der Brückenhälften vorgesehen sind. Jeder
Freilaufpfad weist einen Schalter sowie eine in Reihe geschaltete
Gleichrichterdiode auf, wobei die Gleichrichterdioden in den Freilaufpfaden
in entgegengesetzte Durchlassrichtungen zueinander geschaltet sind.
Die Freilaufpfade verhindern eine verlustbehaftete Rückkommutierung
des Drosselstroms über
Dioden der Vollbrücke
zurück
zu den Speicherkondensatoren.
-
Aus
der
DE 102 25 020
A1 ist eine Wechselrichterschaltung bekannt, die zwei Gleichspannungszweige,
zwischen denen zwei Fotovoltaikgeneratoren und zwei Speicherkondensatoren
jeweils in Reihe angeordnet sind, eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Reihe
zueinander angeordneten Schaltern und zwei Wechselspannungsanschlüsse aufweist, von
denen einer über
eine eine Speicherdrossel enthaltende Verbindungsleitung mit dem
Mittelabgriff der Halbbrücke
verbunden ist. In jeder Halbwelle der Wechselspannung wird einer
der Schalter der Halbbrücke
hoch frequent geschaltet, während
der andere geöffnet
bleibt. In den Aufmagnetisierungsphasen wird der Drosselspule ein
Strom zugeführt,
der von dem zugehörigen
Speicherkondensator bzw. Gleichspannungsgenerator herrührt. Im
geöffneten
Zustand des getakteten Schalters kommutiert ein Freilaufstrom auf
den gegenüberliegenden
Speicherkondensator zurück.
Eine zwischen den Gleichspannungszweigen eingefügte Leistungskompensationsschaltung
sorgt bei unterschiedlicher Leistungsabgabe der Fotovoltaikgeneratoren
dafür,
dass die der Halbbrücke
in dem einen Gleichspannungszweig zugeführte gleich der von der Halbbrücke in dem
anderen Gleichspannungszweig abgeführten Leistung ist.
-
Eine
weitere Wechselrichterschaltungsanordnung ist in der
DE 10 2005 024 465 A1 beschrieben.
Die Schaltungsanordnung basiert ebenfalls auf der Halbbrückenschaltung,
die pro Gleichspannungszweig lediglich einen einzigen Schalter benötigt, der
hochfrequent zu takten ist. Zwischen den Wechselspannungsanschlüssen ist
eine Weichenschaltung mit weiteren Schaltereinheiten und Gleichrichterdioden
vorgesehen, die eine Umlenkung der Strompfade ermöglicht.
Eine Steuerungseinrichtung steuert die Halbbrücke und die Weichenschaltung geeignet
an, um einen Wechselstrom zu erzeugen, wobei ein Freilaufstrom über die
Weichenschaltung geleitet wird, so dass eine Rückkommutierung auf gleichspannungsseitige
Speicherkondensatoren verhindert wird. Die Steuerungseinrichtung
weist ferner eine Logik auf, um die Schalter der Halbbrücke und der
Weichenschaltung bedarfsweise zum Leistungsausgleich zwischen den
Gleichspannungszweigen anzusteuern.
-
WO 90/01826 A1 beschreibt
eine Halbbrücken-Wechselrichterschaltung
mit Mittelanzapfung in einer dreiphasigen Konfiguration.
-
Die
bekannten Wechselrichterschaltungen haben sich bei der Einspeisung
von Energie in ein Netz in der Praxis bewährt. Allerdings müssen die
auf der Gleichspannungsseite anliegenden Gleichspannungen wenigstens
den Betrag des Scheitelwerts der Netzspannung aufweisen. Ansonsten
reicht die Spannung zur Aufmagnetisierung der Drosselspule und somit
zur Erzeugung des gewünschten
Wechselstromes oder der gewünschten
Wechselspannung nicht aus. Die Höhe
der zugeführten
Gleichspannung ist jedoch insbesondere beim Anschluss regenerativer
Energiequellen, z. B. Fotovoltaikgeneratoren, nicht in jedem Betriebspunkt
sichergestellt. Ein Fotovoltaikgenerator ist aus mehreren Modulen
aufgebaut, die jeweils eine Reihenschaltung von mehreren Generatorzellen
mit einer Nennspannung von bspw. 0,7 bis 0,8 Volt aufweisen. Die
von den Zellen gelieferte Spannung variiert herstellungs- und betriebsbedingt,
insbesondere in Abhängigkeit
von der Temperatur und aufgrund von Abschattungseffekten, in erheblichem
Maße.
Umso größer ist
die gesamte Spannungsvarianz der Module und Generatoren. Eine beliebige
Erhöhung
der Anzahl der Generatormodule zur Erzielung einer Generatorspannung,
die für
die meisten Betriebspunkte ausreicht, ist aufgrund der begrenzten
Durchschlagsfestigkeit der eingangsseitigen Speicherkondensatoren
nicht möglich
und aus Kostengründen
wenig sinnvoll.
-
Es
ist deshalb bekannt, Energiequellen, deren Gleichspannungspegel
in bestimmten Betriebspunkten unterhalb des Netzscheitelwerts liegt, üblicherweise über einen
sog. DC-DC-Steller an eine Wechselrichterschaltung anzuschließen, vgl.
z. B.
DE 38 30 460
A1 . Ein DC-DC-Hochsetzsteller, der auch als Gleichstromsteller
oder getakteter Spannungswandler bezeichnet wird, ist eine elektronische Schaltung,
die eine eingangsseitige Gleichspannung in eine größere Ausgangsspannung
wandelt. Hochsetzsteller sind in unterschiedlichen Ausführungsformen
allgemein bekannt. Bei einem induktiven Wandler wird bspw. zur Energiespeicherung
eine Spule benutzt, die über
einen schließbaren
Schalter geladen wird. Beim geöffneten
Schalter entlädt
sich die Spule über
eine in Reihe angeschlossene Diode, um Energie, die im Magnetfeld
der Spule gespeichert war, an einen Verbraucher abzugeben.
-
Wenn
Hochsetzsteller in einer Wechselrichterschaltung eingesetzt werden,
führt dies
zwangsläufig
zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads. Dieser ist umso schlechter,
je größer der
Hochsetzsteller dimensioniert ist und je höher die Belastung, also der
von dem Hochsetzsteller abgegebene Strom ist, wobei die Verluste
proportional zur zweiten Potenz der Stromstärke sind. Der hohe Spannungspegel
am Ausgang des Hochsetzstellers hat in einer Wechselrichterschaltung
hohe Verluste zur Folge. Am Ausgang der Brückenschaltung entstehen hohe Potentialsprünge zwischen
aufeinander folgenden Aufmagnetisierungs- und Freilaufphasen mit
der Folge hoher Schaltverluste und großer Rippelströme und Ummagnetisierungsverluste
innerhalb der Speicherdrossel. Außerdem sind stark dimensionierte Hochsetzsteller
verhältnismäßig kostspielig.
-
DE 100 20 537 A1 beschreibt
eine Vollbrückenwechselrichter,
der Energie aus einer Fotovoltaikzelle in ein Wechselspannungsnetz
speist. An einer Gleichspannungsquelle, die zwischen einer ersten und
einer zweiten Eingangsklemme angeschlossen ist, ist eine H-förmige Vollbrückenschaltung
angeschlossen, die vier parallel geschaltete Transistoren als Schalterelemente
aufweist, denen jeweils eine Diode antiparallel geschaltet ist.
Zwischen der zweiten Eingangsklemme und einem Verbindungspunkt am Eingang
der Vollbrücke
ist eine zusätzliche
Diode vorgesehen. In einer Ausführungsform
wird ein Hochsetzsteller dazu verwendet, aus der Eingangsgleichspannung
bedarfsweise ein höheres
Ausgangspotential zu erzeugen. Der Hochsetzsteller ist gemeinsam
mit einem zusätzlichen
Schalter an seinem Ausgang in einem Spannungswandlerzweig angeordnet,
der von der zweiten Eingangsklemme zu dem Eingang der Vollbrücke führt.
-
Wenn
das Potential der Spannungsquelle größer ist als die momentane Netzwechselspannung, erfolgt
die Speisung durch bekannte Taktung der Transistoren der Vollbrückenschaltung. Überschreitet
die momentane Netzwechselspannung das Potential der Spannungsquelle,
werden in einem erweiterten Betriebsmodus die polaritätsabhängig zugehörigen Transistoren
ständig
durchgeschaltet, während die
Taktung über
den zusätzlichen
Schalter in dem Spannungswandlerzweig erfolgt. Somit wird das höhere Spannungspotential
am Ausgang des Hochsetzstellers an den Eingang der Vollbrücke angelegt. Es
fließt
dann aber ein relativ hoher Strom sowohl durch den Schalter in dem
Spannungswandlerzweig als auch durch jeweils zwei der Transistoren
der Vollbrücke.
Dies führt
zu relativ hohen Durchlassverlusten, was den gesamten Wirkungsgrad
reduziert.
-
Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wechselrichterschaltung
und ein Verfahren zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung
einer bestimmten Frequenz zu schaffen, die es ermöglichen,
auch bei unzureichenden Eingangsgleichspannungswerten, insbesondere unterhalb
des Scheitelwerts der Netzwechselspannung, Energie mit hohem Wirkungsgrad
in ein Netz einzuspeisen. Dabei sollen insbesondere. Schaltverluste
sowie Ummagnetisierungsverluste und Rippelströme in der Speicherdrossel weitgehend
reduziert werden.
-
Diese
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den erfindungsgemäßen Wechselrichter
nach Anspruch 14 gelöst.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung
einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung mittels
einer Schaltungsanordnung geschaffen, die eine Halbbrückenschaltung
mit Schalterelementen und Freilaufelementen und wenigstens eine
Speicherdrossel am Ausgang der Brückenschaltung aufweist, die
mit einem Wechselspannungsanschluss verbunden ist, der an eine Wechselspannung
mit einer bestimmten Frequenz angeschlossen werden kann. Die Schalterelemente
werden in Abhängigkeit von
der Polarität
der Wechselspannung mit festgelegtem Taktmuster geschaltet, wobei
einzelne Schalterelemente synchron mit der Frequenz der Wechselspannung
und andere Schalter mit hoher Taktfrequenz angesteuert werden. Im
Schließzustand
der hochfrequent getakteten Schalter, also in Aufmagnetisierungsphasen,
wird ein Aufmagnetisierungsstrom zur Aufmagnetisierung der wenigstens
einen Speicherdrossel bereitgestellt. Im Öffnungszustand dieser Schalterelemente,
den Freilaufphasen, fließt über ausgewählte Freilaufelemente
ein Freilaufstrom, der eine Abmagnetisierung der Speicherdrossel
ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß werden
die momentanen Betriebsbedingungen erfasst und es wird an Hand dieser
festgestellt, ob die Drossel (L) bei Anwendung des Taktmusters in
den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird. In
Abhängigkeit von
dem Ergebnis dieser Feststellung wird der Betriebsmodus zur Ansteuerung
der Schalterelemente geeignet gewählt. Wenn festgestellt wird,
dass die Speicherdrossel in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend
aufmagnetisiert werden kann, wird gemäß einem normalen Betriebsmodus
das Gleichspannungspotential selbst in den Aufmagnetisierungsphasen
zur Bereitstellung des Stroms zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel
verwendet, d. h. bei entsprechender Schließung wenigstens eines hochfrequent
getakteten Schalterelementes der Halbbrückenschaltung an die Speicherdrossel
angekoppelt. In der Freilaufphase des normalen Betriebs, wenn das
Schalterelement geöffnet
ist, kom mutiert der aufgrund der Abmagnetisierung innerhalb der Speicherdrossel
weiter fließende
Freilaufstrom auf einen gesonderten Freilaufpfad.
-
Wenn
festgestellt wird, dass die Speicherdrossel in den Aufmagnetisierungsphasen
nicht oder unzureichend aufmagnetisiert wird, wird ein erweiterter
Betriebsmodus festgesetzt. In diesem Modus wird das Eingangsgleichspannungspotential
in ein betragsmäßig höheres Potential
gewandelt, das durch entsprechende Taktung wenigstens eines Schalterelementes
in den Aufmagnetisierungsphasen als Aufmagnetisierungspotential
zur Bereitstellung des Ladestroms für die Speicherdrossel verwendet
oder an die Speicherdrossel angekoppelt wird. In den Freilaufphasen
wird aber nicht der im normalen Betriebsmodus verwendete Freilaufpfad,
sondern der im normalen Betriebsmodus verwendete Aufmagnetisierungspfad
zur Bereitstellung des Freilaufstroms verwendet, so dass das Gleichspannungspotential selbst
an die Speicherdrossel angekoppelt wird und das Freilaufpotential
vorgibt.
-
Die
Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung für die Einspeisung
von Energie in ein Netz, bspw. öffentliches
Versorgungsnetz, mittels einer Fotovoltaikanlage. Hierzu können ein
oder zwei oder sogar mehrere Fotovoltaikgeneratoren insbesondere
in Reihenschaltung an dem Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vorgesehen sein. Es können
auch andere Gleichspannungsquellen, die ein variables Gleichspannungspotential liefern,
wie bspw. Brennstoffzellen oder Akkumulatoren, eingesetzt werden.
Spannungsvarianzen, die auf herstellungsbedingte Toleranzen oder
auf Temperaturdrift oder Abschattungseffekte im Betrieb zurückzuführen sind,
werden durch die Erfindung ohne weiteres ausgeglichen, indem bspw.
das erhöhte
Potential auf ein gewünschtes
Niveau eingeregelt wird. Es kann ein weiter Bereich variabler Gleichspannungspotentiale am
Eingang verwendet werden, wobei die Gleichspannung auch deutlich
unter dem Scheitelwert der Wechselspannung, bspw. dem Scheitelwert
von etwa √2·230 Volt
oder √2·120 Volt einer
herkömmlichen
Netzwechselspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hertz, liegen
kann. Es ist festgestellt worden, dass mit einer Gleichspannungsamplitude
von wenigstens etwa einem Drittel des Scheitelwerts der Netzspannung
ein wirkungsvoller Betrieb möglich
ist. Somit ist die Erfindung auf einen weiten Eingangsspannungsbereich
anwendbar.
-
Die
Erfindung ermöglicht
es, auch bei unzureichenden Generatorspannungen Energie mit hohem
Wirkungsgrad in ein Netz einzuspeisen, wozu mehrere Maßnahmen
vorgesehen sind. Bspw. ist der Einsatz des erhöhten Spannungspotentials lediglich auf
Zeiträume
der Halbwelle beschränkt,
in denen die Gleichspannung eines Generators kein ausreichendes
Aufmagnetisierungspotential liefert. In den übrigen Zeiträumen wird
die niedrigere Gleichspannung eines Generators zur Aufmagnetisierung
der Speicherdrossel verwendet. Durch die geringere Potentialhöhe der Generatorspannung
sind die Schaltverluste, Rippelströme und Eisenverluste in der
Speicherdrossel und elektromagnetische Störungen im Vergleich zu einer
Betriebsweise, bei der stets von dem erhöhten Potential, bspw. dem Ausgangspotential
eines Hochsetzstellers, abgetaktet würde, deutlich reduziert. Ferner
ist der Wirkungsgrad dadurch verbessert, dass in den Zeiträumen, in
denen die Gleichspannung eines Generators nicht ausreicht und im
erweiterten Betriebsmodus das erhöhte Potential an den Eingang
der Speicherdrossel angekoppelt wird, die Gleichspannung des Generators
das Freilaufpotential vorgibt. Der Freilaufstrom wird der Speicherdrossel
von einem Gleichspannungszweig, an dem der Generator angeschlossen
ist, zugeführt. Dies
hat im Vergleich zu einem Freilauf z. B. aus einem Neutralleiter
oder gar einem gegenüberliegenden
Gleichspannungszweig einen geringeren Spannungshub auf dem an die Brückenschaltung
angeschlossenen Eingang der Speicherdrossel zur Folge. Der Spannungshub
entspricht lediglich in etwa der Spannungsdifferenz zwischen dem
Ausgangspotential des Hochsetzstellers und dem Potential der Eingangsgleichspannung.
Durch das höhere
Freilaufpotential erfolgt die Abmagnetisierung der Speicherdrossel
wesentlich langsamer, wodurch vorteilhafterweise selbst in der Freilaufphase
Energie ins Netz eingespeist wird. Außerdem werden dadurch Rippelströme und Ummagnetisierungsverluste
innerhalb der Speicherdrossel ebenso wie EMV-Störungen drastisch reduziert.
Durch die geringen Spannungssprünge,
die ein Schalterelement der Brückenschaltung,
das in dem zur betragsmäßigen Potentialerhöhung dienenden
Spannungswandlerzweig zur Erzeugung des Pulsmusters vorgesehen ist,
bei seiner hochfrequenten Taktung ausführen muss, fallen in diesem
ebenso wie in einer in dem Gleichspannungszweig vorgesehenen Freilaufdiode
nur geringe Schaltverluste an. Ferner kann die Leitenddauer des hochfrequent
getakteten Schalterelementes im Bereich des Scheitelwertes der Halbwelle
der Wechselspannung wirksam verringert werden, so dass über diesen
eine geringere Energiemenge ins Netz gelangt und der Schalter wie
auch ein eventuell diesem vorgelagerter Hochsetzsteller wesentlich
kleiner ausgeführt
werden können.
Jedenfalls können
zusätzlich Kosten
eingespart werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Erfindung wird zur Feststellung, ob die Drossel in den Aufmagnetisierungsphasen
ausreichend aufmagnetisiert wird, der aktuelle Drosselspulenstrom
erfasst und ein zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel erforderlicher
Sollstrom festgelegt. Ferner wird eine gewünschte mittlere Spannung am
Eingang der Speicherdrossel bestimmt und mit einem Referenzwert
verglichen, der die Wahl des geeigneten Betriebsmodus und der geeigneten
Ansteuerungsstrategie ermöglicht.
Insbesondere ist der Referenzwert passend gewählt, um eine Entscheidung zu
ermöglichen,
ob die Eingangsgleichspannung gegebenenfalls unter Berücksichtigung
geeigneter Sicherheitsreserven zur Erzielung der gewünschten
mittleren Brückenausgangs-
bzw. Drosseleingangsspannung ausreicht.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der Referenzwert ein variabler, in Abhängigkeit von momentanen Betriebsbedingungen
anpassbarer oder einstellbarer Wert. Vorzugsweise ist der Referenzwert
durch den Betrag des aktuellen Gleichspannungswertes gebildet oder
gekennzeichnet, wobei bspw. Spannungsabfälle in dem Aufmagnetisierungspfad
und bestimmte Toleranzen berücksichtigt werden.
Wenn die gewünschte
mittlere Drosseleingangsspannung betragsmäßig unterhalb des Gleichspannungspotentials
liegt, erfolgt die Aufmagnetisierung der Speicherdrossel gemäß dem normalen
Betriebsmodus aus dem Gleichspannungskreis, während der Freilauf vorzugsweise über einen
Freilaufpfad erfolgt, der eine Kommutierung des Freilaufstroms auf
den gegenüberliegenden
Gleichspannungszweig oder den Nullleiter oder dgl. verhindert. Wenn
der Betrag des gewünschten
mittleren Drosseleingangsspannungswertes oberhalb der Gleichspannung
liegt, wird der erfindungsgemäße erweiterte
Betriebsmodus mit Aufmagnetisierung aus dem Spannungswandlerzweig
und Freilauf aus dem Gleichspannungskreis über einen Gleichspannungszweig
festgesetzt. Um dies zu ermöglichen,
sind Schalterelemente und Freilaufelemente, bspw. Freilaufdioden,
der Halbbrücke
sowohl in dem Gleichspannungszweig als auch in dem Spannungswandlerzweig
vorgesehen.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wechselrichter
zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, insbesondere
eine Netzwechselspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hertz,
geschaffen, wobei der Wechselrichter zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eingerichtet ist. Der Wechselrichter weist einen Gleichspan nungskreis mit
wenigstens einem Gleichspannungszweig, an den eine Gleichspannungsquelle
anschließbar
ist, die eine Eingangsgleichspannung liefert, einen Wechselspannungskreis
mit einem Wechselspannungszweig, an den eine Wechselspannung angelegt
werden kann und der eine Speicherdrossel enthält, und eine Halbbrückenschaltung
auf, die Schalterelemente sowie Freilaufelemente, bspw. Freilaufdioden,
zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung aufweist,
und deren Abgriff mit dem Eingang der Speicherdrossel verbunden
ist. Der Wechselrichter weist ferner einen an den Gleichspannungszweig
angeschlossenen Spannungswandlerzweig mit einer Spannungswandlereinrichtung
zur Hochsetzung der Eingangsgleichspannung auf ein betragsmäßig höheres Ausgangspotential auf.
Eine Steuerungseinrichtung ist dazu vorgesehen, die Schalterelemente
der Brückenschaltung
gemäß einem
festgelegten Taktmuster anzusteuern, um die Wechselrichtung zu bewerkstelligen.
Die Steuerungseinrichtung weist eine Auswerteeinrichtung, die von
einer Erfassungseinrichtung erfasste Signale, die Betriebsbedingungen
kennzeichnen, empfängt
und diese Signale verarbeitet, und eine Ansteuerungseinrichtung
auf, die die Schalterelemente der Brückenschaltung mit einem bestimmten
Taktmuster ansteuert. Die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung weist
eine geeignete Logik auf und ist dazu eingerichtet, ausgehend von
den erfassten Signalen festzustellen, ob die Drossel bei Anwendung des
Taktmusters in Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert
wird, und in Abhängigkeit von
dieser Feststellung den geeigneten der vorerwähnten Betriebsmodi des erfindungsgemäßen Verfahrens
auszuwählen
und auslösen.
-
Der
so ausgebildete Wechselrichter gemäß der Erfindung weist die im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorstehend erwähnten Vorteile
auf. Ebenso wird auf die vorstehend beschriebenen Modifikationen
und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen, die
entsprechend auch auf den erfindungsgemäßen Wechselrichter anwendbar
sind.
-
Vorzugsweise
gehört
zu den erfassten Eingangssignalen ein Signal, das die aktuell durch
die Speicherdrossel fließende
Stromstärke
oder eine damit in Beziehung stehende Größe kennzeichnet. Die Steuerungseinrichtung
weist dann vorteilhafterweise eine Stromreglerlogik auf, die den
Istwert des durch die Speicherdrossel fließenden Stroms auf einen gewünschten
mittleren Wert regelt.
-
Für die Festlegung
des geeigneten Betriebsmodus kann die Auswerteeinrichtung eine Bestimmungslogik,
die ausgehend von den Eingangssignalen eine gewünschte mittlere Spannung am
Eingang der Drossel bestimmt, und eine Vergleicherlogik enthalten,
die den gewünschten
mittleren Spannungswert mit einem Referenzwert, z. B. einem die
Eingangsspannung kennzeichnenden Referenzwert vergleicht, wie dies
vorstehend näher
erläutert
ist.
-
Gemäß der Erfindung
enthält
der Gleichspannungszweig eines der Schalterelemente der Brückenschaltung
sowie eine in Reihe mit dem Schalterelement angeordnete Gleichrichterdiode. Dieses
Schalterelement wird im normalen Betriebsmodus hochfrequent getaktet,
um die Speicherdrossel aufzumagnetisieren. Im erweiterten Betriebsmodus
ist dieses Schalterelement geschlossen, und die Gleichrichterdiode
dient als Freilaufdiode, über
die der Freilaufstrom fließt.
-
Der
Spannungswandlerzweig ist erfindungsgemäß parallel zu der Reihenschaltung
aus dem Schalterelement und der Gleichrichterdiode des Gleichspannungszweigs
angeordnet und weist eine Spannungswandlereinrichtung, die vorzugsweise
einen DC-DC-Hochsetzsteller,
insbesondere einen induktiven Spannungswandler, und einen Speicherkondensator
enthält,
sowie ein mit der Spannungswandlereinrichtung in Reihe verbundenes
Schalterelement der Brückenschaltung
auf. Dieses Schalterelement wird im erweiterten Betriebsmodus zur
Aufmagnetisierung der Speicherdrossel hochfrequent getaktet und
ist im normalen Betriebsmodus offen. Vorteilhafterweise ist der
Spannungshub, den dieser Schalter sowie die Freilaufdiode in dem
Gleichspannungszweig im erweiterten Betriebsmodus ausführen, verhältnismäßig gering.
-
Die
Brückenschaltung
ist erfindungsgemäß eine Halbbrücke, bei
der pro Halbwelle lediglich ein Schalterelement hochfrequent getaktet
werden muss.
-
Der
erfindungsgemäße Wechselrichter
kann ferner Mittel zur Leistungskompensation aufweisen, die erforderlichenfalls
einen Leistungsausgleich zwischen den Gleichspannungszweigen ermöglichen. Dies
kann bspw. bei unterschiedlicher Abschattung zweier in Reihe geschalteter
Fotovoltaikgeneratoren erforderlich sein, um zu verhindern, dass
die Gesamtleistung der Anlage aufgrund der Solarzellenkennlinie
gesenkt wird. Die Leistungskompensation kann bspw. dadurch bewerkstelligt
werden, dass für bestimmte
Zeiträume
dem Freilaufstrom ermöglicht wird,
auf den gegenüberliegenden
Spannungswandlerzweig zurück
zu kommutieren, wodurch Energie über
die Spannungswandlereinrichtung auf den jeweiligen Gleichspannungszweig übertragen
wird bzw. durch den Hochsetzsteller weniger Energie eingespeist
werden muss. Die durch die Steuerungseinrichtung und bestimmte Schalterelemente
und Freilaufelemente der Brückenschaltung
gebildeten Leistungskompensationsmittel ermöglichen es somit, beide Generatoren
an ihrem optimalen Betriebspunkt gemäß der Solarzellenkennlinie
betreiben zu können.
In gleicher Weise können
Speicherkondensatoren der Spannungswandlereinrichtung in bestimmten Freilaufphasen
gezielt aufgeladen werden, um das erhöhte Potential zu erzeugen,
ohne dass gege benenfalls ein DC-DC-Hochsetzsteller erforderlich
ist.
-
Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder
Patentansprüche.
-
In
der Zeichnung sind Ausführungsformen der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
-
1 eine
Schaltungsanordnung eines Wechselrichters gemäß der Erfindung mit einer Halbbrücke in einer
einphasigen Konfiguration;
-
2a und 2b schematische
Darstellungen der zeitlichen Verläufe der Brückenspannung, der Ströme und der
Steuersignale bei der Schaltungsanordnung nach 1.
-
In 1 ist
in leicht schematisierter Weise eine Schaltungsanordnung 1 eines
erfindungsgemäßen Wechselrichters
in einer einphasigen, transformatorlosen Konfiguration veranschaulicht.
Der dargestellte Wechselrichter 1 dient zur Erzeugung und Einspeisung
eines Wechselstroms in ein externes Netz. Hierzu weist der Wechselrichter 1 einen
Gleichspannungskreis 2, der auch als Zwischenkreis bezeichnet
wird und die Eingangsgleichspannung vorgibt, eine hier als Halbbrücke ausgeführte transformatorlose
Brückenschaltung 3,
eine Spannungswandlerschaltung 4 zur betragsmäßigen Erhöhung des
Potentials der Eingangsgleichspannung und einen Wechselspannungskreis 6 auf.
-
Der
Gleichspannungskreis weist drei Gleichspannungsanschlüsse 7, 8, 9 auf,
an denen Gleichspannungsgeneratoren 11, 12, bspw.
Fotovoltaikgeneratoren, Brennstoffzellen, Batterien oder dgl., in Reihe
zueinander angeschlossen sind. Dabei ist ein erster Gleichspannungsgenerator 11 zwischen
den Gleichspannungsanschlüssen 7 und 8 geschaltet, während ein
zweiter Gleichspannungsgenerator 12 zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 8 und 9 angeordnet
ist. Aus Gründen
der Vereinfachung wird angenommen, dass die Gleichspannungsgeneratoren
die gleiche Eingangsgleichspannung oder Zwischenkreisspannung UZK1 bereitstellen, wenngleich sich im Betrieb
die gelieferten Spannungswerte bspw. infolge Abschattung oder Toleranzen
voneinander unterscheiden können.
-
Von
den Gleichspannungsanschlüssen 7, 8, 9 führen Gleichspannungszweige 13, 14, 15 weg, von
denen der in der Mitte befindliche Gleichspannungszweig 14 durch
die gesamte Schaltungsanordnung 1 hindurchgeführt ist,
um einen Neutralleiter zu bilden. Zwischen den Gleichspannungszweigen 7 und 8 bzw. 8 und 9 sind
Speicherkondensatoren C1 bzw. C2 jeweils
parallel zu den Gleichspannungsgeneratoren 11 und 12 angeschlossen.
-
Parallel
zu der Reihenschaltung der Kondensatoren C1,
C2 ist die Halbbrückenschaltung 3 angeordnet,
die zwei in Reihe miteinander verbundene Schalterelemente S1 und S2 aufweist,
die in einem mit dem jeweiligen Gleichspannungszweig 13 bzw. 15 verbundenen
Aufmagnetisierungs- und Freilaufpfad 16 bzw. 17 angeordnet
sind. Die Schalterelemente S1 und S2 sind, wie andere Schalterelemente auch,
vorzugsweise als Halbleiterschalter in Form von IGBT-(Insulated
Gate Bipolar Transistor) oder MOS-Feldeffekttransistor-Schaltern
oder anderen verlustarmen Schaltern ausgebildet, die mit hohen Frequenzen
von bis zu 100 Kilohertz geschaltet werden können. Parallel zu den Schalterelementen
S1 und S2 ist jeweils
eine Freilaufdiode D1 bzw. D2 vorgesehen,
die in entgegengesetzter Durchlassrichtung zu den Schalterelementen
S1, S2 angeordnet
sind, um diese gegen Sperrströme
zu schützen.
Die Freilaufdioden D1 und D2 sind
hier nur optional und können
auch weggelassen werden. In Reihe zu den jeweiligen Schaltereinheiten
S1 und S2 sind Gleichrichterdioden
D10 und D20 vorgesehen,
die in gleicher Durchlassrichtung wie die Schalterelemente S1 bzw. S2 angeordnet
sind. In der veranschaulichten Ausführungsform befindet sich die
Diode D10 zwischen dem Schalterelement S1 und einem Mittelabgriff 18 der Halbbrücke 13,
während
die Diode D20 zwischen dem Mittelabgriff 18 und
dem Schalterelement S2 angeordnet ist. Die
Gleichrichterdioden D10 und D20 können jedoch
von der Gleichspannungsseite her betrachtet auch vor den Schalterelementen
S1 und S2 angeordnet
sein.
-
Die
Halbbrücke 3 weist
zwei weitere Schalterelemente S3, S4 auf, die mit zu diesen parallel und in
entgegengesetzter Durchlassrichtung angeordneten Freilaufdioden
D3 bzw. D4 versehen
und in Spannungswandlerzweigen 19, 20 angeordnet
sind, die zu der Spannungswandlerschaltung 4 gehören.
-
Der
Spannungswandlerzweig 19 ist parallel zu der Reihenanordnung
aus Schalterelement S1 und Gleichrichterdiode
D10 angeordnet und weist hier vorteilhafterweise
einen DC-DC-Hochsetzsteller 21 auf, der vorzugsweise in
Form eines spannungserhöhenden
induktiven Wandlers ausgebildet ist. Derartige Hochsetzsteller oder
Spannungswandler sind aus der Technik allgemein bekannt und brauchen
hier nicht näher
erläutert
zu werden. Ihre Funktion besteht darin, das Potential einer Eingangsspannung,
hier der Spannung UZK1, auf ein höheres Potential
heraufzusetzen, das hier mit UZK2 bezeichnet
ist. Der Hochsetzsteller 21 ist mit seinem Eingang an dem
Gleichspannungszweig 13 angeschlossen, während sein Ausgang
mit dem Schalterelement S3 verbunden ist, der
wiederum an den Mittelabgriff 18 der Halbbrücke 3 angeschlossen
ist. Ferner ist an dem Ausgang des Hochsetzstellers 21 ein
Pufferkondensator C3 angeschlossen, dessen
anderer Anschluss mit dem Neutralleiter 8 verbunden ist.
-
In ähnlicher
Weise und in symmetrischer Ausbildung enthält der parallel zu der Reihenanordnung
aus Schalterelement S2 und Gleichrichterdiode D20 vorgesehene Spannungswandlerzweig 20 hier
einen DC-DC-Hochsetzsteller 22 auf, der an dem Gleichspannungszweig 15 zwischen
dem Gleichspannungsanschluss 9 und dem Schalterelement
S2 angeschlossen ist und dessen Ausgang
sowohl mit der Schaltereinheit S4, D4 als auch mit einem Pufferkondensator C4 verbunden ist, der zwischen dem Spannungswandlerzweig 20 und
dem Neutralleiter 14 eingefügt ist.
-
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 enthält ferner
zwei Freilaufpfade 23, 24, die parallel zueinander
zwischen dem Mittelabgriff 18 der Halbbrücke 3 und
dem Neutralleiter verlaufen. Jeder Freilaufpfad 23, 24 weist
ein Schalterelement S5 bzw. S6 mit
einer optional zu diesem antiparallel geschalteten Freilaufdiode
D5 bzw. D6 sowie
eine in Reihe zu diesem an geordnete Gleichrichterdiode D50 bzw. D60 auf,
die die gleiche Durchlassrichtung wie das zugehörige Schalterelement S5 bzw. S6 aufweist.
Im Übrigen
sind die Gleichrichterdioden D50 und D60 in den einzelnen Freilaufpfaden 23, 24 zueinander
in entgegengesetzter Durchlassrichtung geschaltet.
-
Der
Mittelabgriff 18 der Halbbrücke 3 ist über eine
Verbindungsleitung 26, in der eine Speicherdrossel L vorgesehen
ist, um von der Halbbrücke 3 gelieferte
Energie zwischenzuspeichern und an ein Wechselspannungsnetz abzugeben,
mit einem Wechselspannungsanschluss 27 des Wechselspannungskreises 6 verbunden.
An dem Wechselspannungsanschluss 27 und einem weiteren
Wechselspannungsanschluss 28, der mit dem Neutralleiter verbunden
ist, ist eine externe Wechselspannung UNETZ angeschlossen.
Ferner enthält
der Wechselspannungskreis 6 einen Glättungskondensator C5, der zwischen der Verbindungsleitung 26 und
dem Nullleiter eingefügt
ist, um hochfrequente Spannungsanteile der zwischen dem Mittelabgriff 18 und
dem Neutralleiter 14 anfallenden Brückenspannung UBR herauszufiltern.
-
Wie
aus 1 ferner hervorgeht, ist zur Überwachung und Steuerung der
Betriebsweise der Schaltungsanordnung 1 eine Steuerungseinrichtung 29 vorgesehen.
Die Steuerungseinrichtung 29 empfängt an ihrem Eingang Eingangssignale 31,
die von diversen, hier nicht näher
veranschaulichten Sensormitteln, wie Strom- und Spannungsfühlern, herrühren. Es
können
insbesondere Eingangsignale, die die Zwischenkreisspannungen UZK1 bzw. die erhöhten Zwischenkreisspannungen
UZK2, den durch die Speicherdrossel fließenden Drosselstrom
IL, die Netzspannung UNETZ sowie
gegebenenfalls weitere Zustandsgrößen in der Schaltungsanordnung 1 kennzeichnen,
erfasst und berücksichtigt
werden. Die Steuerungseinrichtung 29 nimmt die erfassten
Eingangssignale 31 entgegen und verarbeitet diese gemäß vorbestimmten
logischen Regeln, um an ihrem Ausgang Ausgangssignale 32 zur
Ans teuerung der Schalterelemente S1 bis
S6 auszugeben. Die Eingangssignale 31 können der
Steuerungseinrichtung 29 in analoger oder digitaler Form
zugeführt
werden, so dass die Steuerungseinrichtung 29 analoge und/oder
digitale Logikelemente enthalten oder in Form eines auf einem Mikroprozessor
ablaufenden Steuerungsprogramms realisiert sein kann, in dem die
entsprechenden logischen Regeln implementiert sind.
-
Unabhängig von
ihrer Realisierung enthält die
Steuerungseinrichtung 29 eine Auswerteeinrichtung oder
-logik 33, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine der
Zustandsgrößen, wie
sie durch einen der Eingangssignale 31 gekennzeichnet sind,
auszuwerten, daraus weitere Größen zu bestimmen
und mit einem Referenzwert zu vergleichen, und eine Ansteuerungseinrichtung
oder -logik 34, die mit der Auswerteeinrichtung 33 verbunden
ist und von dieser angewiesen wird, eine geeignete Ansteuerungsstrategie
zu wählen,
um die Schalterelemente S1 bis S6 über
die Ausgangssignale 32 auf geeignete Weise anzusteuern.
-
In 2a sind
zur Veranschaulichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 vereinfachte
Diagramme mit Zeitverläufen
verschiedener Teilspannungen und Ströme sowie Steuerungssignale
in der Schaltungsanordnung 1 für den Fall einer positiven
Halbwelle der Netzspannung UNETZ veranschaulicht.
Entsprechende Diagramme für
den Fall der negativen Halbwelle der Netzspannung UNETZ sind
in 2b dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Schaltfrequenz
im Betrieb mehrere, bspw. 16 Kilohertz beträgt, während in der Zeichnung aus
Komplexitätsgründen lediglich
wenige Taktungen pro Halbwelle dargestellt sind, um anhand eines
Beispiels die prinzipielle Funktionsweise der Schaltungsanordnung 1 zu
verdeutlichen. Die Schaltungsanordnung 1 funktioniert wie
folgt:
Die Schaltungsanordnung 1 wird vorzugsweise
dazu verwen det, Energie in ein Netz, insbesondere ein öffentliches
Versorgungsnetz, zu speisen. Dabei soll unter der Annahme, dass
an den Wechselspannungsanschlüssen 27, 28 eine
sinusförmige
Netzspannung UNETZ mit einer Scheitelspannung
von √2·230 Volt
und einer Frequenz von 50 oder 60 Hz anliegt, wie sie in den obersten
Diagrammdarstellungen der 2a und 2b für die jeweilige
Halbwelle veranschaulicht ist, aus den Zwischenkreisspannungen UZK1 der Gleichspannungsgeneratoren 11, 12 am
Ausgang des Wechselrichters 1 ein Wechselstrom erzeugt
werden, der zu der Phasenlage und Amplitude der Wechselspannung
UNETZ passt. Hierzu steuert die Steuerungseinrichtung 29 nach
einem bestimmten Taktmuster die Schalterelemente S1 bis
S6 geeignet an, um diese zu schließen und
zu öffnen. Dabei
werden Schalter S1 bis S4 durch
geeignete Modulation, bspw. Pulsweitenmodulation der Ansteuersignale 32 hochfrequent
betätigt,
während
die Schalterelemente S5 und S6 synchron
zu der Netzfrequenz geschlossen und geöffnet werden.
-
Wie
aus 2a hervorgeht, wird im Falle einer positiven Halbwelle
und eines geringen Spannungspegels der Netzspannung UNETZ gemäß einem normalen
Betriebsmodus der Schalter S1 hochfrequent
geschaltet, während
der Schalter S5 während nahezu der gesamten positiven
Halbwelle geschlossen bleibt. Die übrigen Schalterelemente S2 bis S4 und S6 sind geöffnet.
Bei jeder Schließung
des Schalterelementes S1, im Folgenden mit
Aufmagnetisierungsphase bezeichnet, fließt ein Aufmagnetisierungsstrom
IS1 aus dem Gleichspannungskreis 2,
insbesondere dem Speicherkondensator C1, über den Zweig 16 mit
dem Schalterelement S1 und der Gleichrichterdiode
D10 zu der Speicherdrossel L, um diese energetisch
bzw. magnetisch aufzuladen. Die Brückenspannung UBR entspricht
unter Vernachlässigung
der Spannungsabfälle
in dem Zweig 16 der Zwischenkreisspannung UZK1.
Der Drosselstrom IL nimmt in jeder Ladephase
stetig zu. Mit steigender Netzspannung UNETZ wird
die Schließdauer
des Schalters S1 grö ßer. Wenn das Schalterelement
S1 bei jeder Taktung geöffnet wird, was als Freilaufphase
bezeichnet wird, sinkt die Brückenspannung
UBR im Wesentlichen auf den Wert Null, so
dass es zu einer Abmagnetisierung der Drosselspule L und einem Abfall des
Drosselstroms IL in jeder Freilaufphase
kommt. Dabei fließt
der Freilaufstrom IS5 von dem Neutralleiter über den
Freilaufpfad 23 mit der Gleichrichterdiode D50 und
dem Schalter S5 zu der Verbindungsleitung 26 mit
der Speicherdrossel L. Wie aus 2a zu
erkennen, steigt der Spulenstrom IL unter
Ausbildung geringer Welligkeiten, die als Stromrippel bezeichnet
werden, allmählich
an und folgt dabei im Mittel dem Verlauf der Netzspannung UNETZ.
-
Sobald
die Zwischenkreisspannung UZK1 für eine hinreichende
Aufladung der Drosselspule L nicht ausreicht, wird ein erweiterter
Betriebsmodus eingeleitet. Dieser Fall wird von der Auswerteeinrichtung 33 erkannt,
indem sie von dem/den empfangenen Eingangssignal(en) 31 eine
aktuell gewünschte mittlere
Spannung ŪBR am Drosseleingang 26, die eine
ausreichende Aufmagnetisierung der Speicherdrossel L ermöglicht,
bestimmt und diesen mittleren Spannungswert ŪBR mit
einem Referenzwert REF vergleicht. Genauer gesagt und in einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Ansteuerungseinrichtung 33 eine hier nicht näher dargestellte
Stromreglerlogik, die die mittlere Stromstärke ÎL des
durch die Drosselspule fließenden
Stroms IL entsprechend einem Sollwert regelt,
der zu der Netzwechselspannung UNETZ passt.
In Abhängigkeit
von den Soll- und Istwerten des Drosselstroms IL bestimmt
die Ansteuerungseinrichtung die jeweils erforderliche mittlere Drosseleingangsspannung ŪBR und vergleicht diese mit dem Referenzwert
REF. Wenngleich es möglich ist,
den Referenzwert bspw. in Abhängigkeit
von einen bekannten Wert von UZK1 im Voraus
festzulegen, wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der
Referenzwert mit Hilfe des momentan erfassten Wertes von UZK1 bestimmt, wobei Spannungsabfälle im Aufmagnetisierungspfad
entsprechend berücksichtigt
werden. Wenn der Wert ŪBR betragsmäßig größer ist als der Referenzwert
REF, liefert die Ansteuerungseinrichtung 33 an die Ansteuerungslogik 34 ein
Signal 36, das anzeigt, dass der erweiterte Betriebsmodus
eingeleitet werden soll.
-
In
dem erweiterten Betriebsmodus veranlasst die Ansteuerungseinrichtung 34,
dass das Schalterelement S1 geschlossen
bleibt, während
nun das Schalterelement S3 hochfrequent
geschaltet wird. Das Schalterelement S5 in
dem Pfad 23 kann geschlossen bleiben oder auch geöffnet werden.
In den nachfolgenden Aufmagnetisierungsphasen wird also die durch
den Hochsetzsteller 21 erhöhte Zwischenkreisspannung UZK2 zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel
L verwendet. Diese liegt dann in den Aufmagnetisierungsphasen an
dem Mittelabgriff 18 der Brücke 3 an. Der Ladestrom
IS3 fließt im Schließzustand
des Schalters S3 von dem Ausgang des Hochsetzstellers 21 über den
Spannungswandlerzweig 19 und das Schalterelement S3 zu dem Mittelabgriff 18 und ferner über die
Verbindungsleitung 26 zu dem Eingang der Drossel L. Im Öffnungszustand
des Schalters S3 fließt ein Freilaufstrom IS1 von dem Gleichspannungskreis 2,
also dem Speicherkondensator C1, über den
nun als Freilaufpfad dienenden Zweig 16, der das Schalterelement
S1 und die Gleichrichterdiode D10 enthält, zu der
Spule L.
-
Vorteilhafterweise
schwankt die Brückenspannung
UBR lediglich zwischen dem Wert der erhöhten Zwischenkreisspannung
UZK2 in der Aufmagnetisierungsphase und
in etwa dem niedrigeren Wert der Eingangsspannung UZK1,
der das Freilaufpotential in der Freilaufphase definiert. Die Spannungssprünge der
Brückenspannung
UBR sind verhältnismäßig gering, jedenfalls deutlich
geringer als in dem Fall, wenn der Freilauf von dem Neutralleiter
oder gar dem gegenüberliegenden
Gleichspannungszweig 15 erfolgen würde. Dadurch wird die elektromagnetische
Verträg lichkeit
verbessert, so dass externe Filter, wie Drosseln, Kondensatoren
oder dgl., zur elektromagnetischen Entstörung kleiner dimensioniert und
somit wirtschaftlicher ausgeführt
oder sogar weggelassen werden können.
Außerdem
wird durch die geringen Spannungshübe der Brückenspannung UBR auch
die Abmagnetisierung der Speicherdrossel L wesentlich verlangsamt.
Dies hat wiederum äußerst geringe
Rippelströme
und Ummagnetisierungsverluste innerhalb der Speicherdrossel L zur
Folge. Ferner fallen in dem Schalterelement S3 und
der Freilaufdiode D10, die die Spannungssprünge mit
ausführen,
nur sehr geringe Schaltverluste an. Nachdem stets nur ein Schalterelement
der Brücke 3 leitend
ist, sind auch die Durchlassverluste gering. Insgesamt kann ein
sehr hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
-
Vorteilhafterweise
wird sogar in der Freilaufphase Energie der Speicherdrossel L und
nachgelagert dem Netz zugeführt.
Somit kann, wie aus 2a ersichtlich, die Dauer, während der
der Schalter S3 im oberen Bereich der Sinuswelle
jeweils leitend geschaltet wird, deutlich verringert werden. Damit
gelangt über
den Schalter S3 eine geringere Energiemenge
ins Netz. Der Schalter S3 und der Hochsetzsteller 21 können wesentlich
kleiner ausgelegt oder ausgeführt
sein.
-
Wenn
die Netzspannung UNETZ nach dem Scheitelpunkt
wieder absinkt und das Referenz-Spannungsniveau REF unterschreitet,
wie dies durch das Signal 36 der Auswerteeinrichtung 33 angezeigt
wird, schaltet die Ansteuerungslogik 34 wieder in den vorstehend
erwähnten
normalen Betriebsmodus um, in dem sie das Schalterelement S3 öffnet und
das Schalterelement S1 hochfrequent taktet.
Die Aufmagnetisierung erfolgt erneut über das Schalterelement S1 und die Diode D10 ausgehend
von dem Potential UZK1, während der
Freilauf über
den Freilaufpfad 23 erfolgt.
-
In
der negativen Halbwelle der Netzspannung UNETZ bleiben die
Schalterelemente S1, S3 und S5 geöffnet,
während
in analoger Weise die Schalterelemente S2,
S4 und S6 geeignet
angesteuert werden. Dabei wird im normalen Betriebsmodus, wenn die
gewünschte
mittlere Spannung ŪBR größer ist
als das Potential an dem Gleichspannungszweig 15, die negative
Zwischenkreisspannung –UZK1, bei geschlossenem Schalterelement S6 und geöffnetem
Schalterelement S4 das Schalterelement S2 hochfrequent geschaltet. In den Aufmagnetisierungsphasen
ist die Brückenspannung
UBR durch das Zwischenkreispotential –UZK1 vorgegeben, und es fließt ein Aufmagnetisierungsstrom
IS2 über
die Gleichrichterdiode D20 und das Schalterelement
S2, um die Speicherdrossel L aufzumagnetisieren.
In Freilaufphasen, wenn das Schalterelement S2 geöffnet ist,
führt der
Freilaufpfad 24 mit dem geschlossenen Schalterelement S6 und der Gleichrichterdiode D60 den
Freilaufstrom. Die Brückenspannung
UBR springt zwischen dem Potential –UZK1 und Null.
-
In
dem Zeitabschnitt, in dem der Istwert der Wechselspannung UNETZ das Potential –UZK1 unterschreitet
oder, genauer gesagt, der Betrag der momentan gewünschten
mittleren Spannung ŪBR am Eingang der Speicherdrossel L größer ist
als der Referenz-Spannungswert, z. B. der Betrag der Gleichspannung
UZK1 zuzüglich
Reserve, schaltet die Steuerungseinrichtung 29 in den erweiterten
oder modifizierten Betriebsmodus um, in dem das an dem Gleichspannungszweig 16 anliegende
Potential –UZK1 durch den Hochsetzsteller 22 auf
ein betragsmäßig höheres Potential –UZK2 gewandelt wird, das nunmehr das Aufmagnetisierungspotential
in den Aufmagnetisierungsphasen vorgibt. Das Schalterelement S4 wird nun hochfrequent geschaltet, während das
Schalterelement S2 geschlossen bleibt. Das Schalterelement
S6 kann geöffnet werden oder auch geschlossen
bleiben. Ströme
zur Aufmagnetisierung der Drosselspule L fließen nun über das Schalterelement S4, während
der Freilauf über
die Gleichrichterdiode D20 und das Schalterelement
S2 in dem nun als Freilaufpfad die nenden
Zweig 17 erfolgt. Die Brückenspannung UBR schwankt
zwischen dem erhöhten
Zwischenkreispotential –UZK2 und dem Zwischenkreispotential –UZK1. Der Spannungshub ist gering, was geringe
Schalterverluste und Ummagnetisierungsverluste und einen hohen Wirkungsgrad
ergibt.
-
Die
Steuerungseinrichtung 29 enthält auch logische Regeln zur
Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen 13 und 15.
Ist bspw. infolge Abschattung die Leistungsabgabe des unteren Solargenerators 12 reduziert,
was durch Erfassung und Vergleich der Spannungen UZK1 der
Generatoren und der von diesen eingespeisten Ströme festgestellt werden kann,
veranlasst die Ansteuerungslogik 34 bedarfsweise, dass
der Schalter S5 in dem Freilaufpfad 23 in
der positiven Halbwelle der Netzspannung UNETZ für eine kurze
Dauer geöffnet wird.
Dadurch kann der Drosselstrom IL in Freilaufphasen über die
Freilaufdiode D4 des Schalterelementes S4 auf
den Pufferkondensator C4 kommutieren, der dadurch aufgeladen wird.
Somit wird ein Anteil der von dem Generator 11 zugeführten Energie auf
den unteren Spannungswandlerzweig 20 und über den
Hochsetzsteller 22 auf den unteren Gleichspannungszweig 15 übertragen.
Dieser Anteil und somit der Grad der Leistungskompensation ist durch das
Verhältnis
der gesamten Öffnungsdauer
zu der Schließdauer
des Schalterelementes S5 bestimmt.
-
Ein
umgekehrter Leistungsausgleich von dem unteren 15 zu dem
oberen Gleichspannungszweig 13 wird durch zeitlich anteilige Öffnung des Schalterelementes
S6 in der negativen Halbwelle und Rückkommutierung
des Drosselstroms IL über die Freilaufdiode D3 auf den Pufferkondensator C3 erreicht.
Somit bilden die Freilaufdioden D3 und D4 und die Schalterelement S5 und
S6 gemeinsam mit der Leistungskompensationslogik
der Steuerungseinrichtung 29 erfindungsgemäße Leistungskompensationsmittel.
-
Im
Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw.
kann die Schaltungsanordnung 1 erweitert werden, um mehr
als zwei in Reihe miteinander verbundene Gleichspannungsgeneratoren
zu verwenden. Der Neutralleiter 14 kann netzseitig, bspw.
in einem Schaltschrank, durch Erdung auf ein definiertes Nullpotential
gelegt werden. In dem Neutralleiter und/oder der Verbindungsleitung 26 können Filterelemente
zur Unterdrückung
hochfrequenter Störsignale
eingefügt
werden, wobei derartige Elemente aus Einfachheitsgründen in 1 nicht
veranschaulicht sind. Der aufgezeigte Wechselrichter 1 kann
auch ohne weiteres zu einer dreiphasigen Konfiguration erweitert
werden, wenn aus den Gleichspannungen UZK1 ein
dreiphasiger Wechselstrom erzeugt werden soll.
-
Ferner
kann auch ein anderes geeignetes Kriterium zur Feststellung, ob
die Eingangsspannung UZK1 zur Aufmagnetisierung
der Speicherdrossel ausreicht oder nicht, aufgestellt werden. Ein
derartiges Kriterium kann bspw. auf einem Vergleich des Betrags
des aktuellen Wertes der Netzwechselspannung UNETZ mit
einem geeigneten Spannungsreferenzwert, bspw. einem von der Eingangsspannung abhängigen Referenzwert,
basieren. Es ist auch zu beachten, dass Zustandgrößen in der
Schaltung an Hand allgemeiner elektrotechnischer Beziehungen aus
anderen Größen abgeleitet
oder anstatt derer für das
Kriterium verwendet werden können.
-
Außerdem kann
der erfindungsgemäße Wechselrichter
in einer besonderen Ausgestaltung auch ohne die Hochsetzsteller 21, 22 ausgebildet sein.
Die Spannungswandlereinrichtung ist dann allein durch die Pufferkondensatoren
C1, C2 und eine spezielle
Ansteuerlogik 34 gebildet, die ähnlich wie die Leistungskompensationslogik
arbeitet. Durch eine gezielte Aufladung der Pufferkondensatoren
C1, C2 in bestimmten
Freilaufphasen kann für
einen Eingangsspannungsbereich bestimmter Mindestgröße ei ne
ausreichende Spannungserhöhung
in den Spannungswandlerzweigen 19, 20 erzielt
werden.
-
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 ergibt
geringe Potentialsprünge
der Brückenspannung
UBR sowohl in dem normalen Betriebsmodus
als auch in dem erweiterten Betriebsmodus und somit geringe Schaltverluste
und Ummagnetisierungsverluste in der Spule, so dass ein hoher Wirkungsgrad
sichergestellt ist. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht,
weil ein Zweig 16 (bzw. 18) mit einem Schalterelement
S1 (bzw. S2) und
einer Gleichrichterdiode D10 (bzw. D20) vorgesehen ist, der im normalen Betriebsmodus
als Aufmagnetisierungspfad und im erweiterten Betriebsmodus, bei
dem die Eingangsspannung auf ein höheres Potential gewandelt wird,
als Freilaufpfad verwendet wird. Vorteilhafterweise wird lediglich
ein einziger Schalter S1 oder S2 bzw.
S3 oder S4 hochfrequent
pulsweitenmoduliert geschaltet, wodurch die Schaltverluste ferner
reduziert sind.