DE102006012164A1

DE102006012164A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms

Info

Publication number: DE102006012164A1
Application number: DE102006012164A
Authority: DE
Inventors: Heribert Schmidt; Bruno Burger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: US20090168467A1; US8315076B2; DE102006012164B4; WO2007073946A1; EP1969707A1

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms aus einer bezüglich eines Neutralleiters unipolaren Gleichspannungsquelle mit einem Wechselrichter vorgeschlagen. Die Gleichspannungsquelle ist mit einem Wandler verbunden, der die unipolare Spannung der Gleichspannungsquelle in eine bipolare Zwischenkreisspannung umwandelt, die in einer mit dem Wechselrichter verbundenen Pufferschaltung gespeichert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es ist eine Vielzahl von Schaltungsanordnungen zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms aus einer unipolaren Gleichspannungsquelle bekannt, wobei bei diesen Wechselrichtern zwischen Wechselrichtern ohne galvanische Trennung, d.h. transformatorlosen Wechselrichtern und solchen mit galvanischer Trennung, d.h. Transformator-Wechselrichtern, unterschieden wird.

Die höchsten Wirkungsgrade werden mit transformatorlosen Wechselrichtern in Vollbrückenschaltung ohne Hochsetzsteller erzielt, wie sie beispielsweise in der DE 102 21 592 A1 beschrieben sind. Bei diesen Schaltungen schwankt das Potential der Quelle mit Netzfrequenz und halber Netzspannung gegenüber dem Erdpotential. Daher besteht eine Einschränkung in der Anwendbarkeit dieser Konzepte bei Quellen mit einer hohen Ableitkapazität gegenüber Erdpotential, wie es z.B. bei Solargeneratoren bestimmter Technologie, insbesondere Dünnschichtmodulen, der Fall ist.

Es sind weiterhin transformatorlose Konzepte bekannt, z.B. aus der DE 196 42 522 C1 und der DE 197 32 218 C1 , bei denen ein Anschluss des Solargenerators fest mit dem Neutralleiter verbunden ist und somit ein festes Potential gegenüber Erdpotential aufweist. Bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen können auch bei beliebig hohen Ableitkapazitäten prinzipbedingt keine Ableitströme fließen. Bei diesen bekannten einphasig einspeisenden Wechselrichtern ist ein Pufferkondensator erforderlich, der am Eingang des Wechselrichters liegt und den gesamten Eingangsspannungsbereich abdecken muss. Diese Auslegung ist daher nicht optimal und kostspielig. Außerdem zeichnen sich die genannten Konzepte durch eine hohe Komplexität und einen schlechten Wirkungsgrad aus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms aus einer geerdeten, unipolaren Spannung, d.h. einer Gleichspannungsquelle, die fest mit dem Neutralleiter verbunden ist, zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad bietet, die auf einfachen, kostengünstigen, zuverlässigen und regelungstechnisch leicht beherrschbaren Strukturen beruht und einen Eingangsspannungsbereich sowohl unterhalb als auch oberhalb der Netzspannungsamplitude (typischerweise 325 V bei einem Effektivwert von 230 V) erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Das Konzept besteht aus einer Wandlerstufe, welche die Eingangsspannung, d.h. die von einer Gleichspannungsquelle wie beispielsweise einem Solargenerator zur Verfügung gestellten Spannung, in eine bipolare Zwischenkreisspannung von z.B. +/-350 V umsetzt, die in einem Kondensator gespeichert wird, und einem Wechselrichter, der aus dieser bipolaren Zwischenkreisspannung einen Wechselstrom erzeugt, der dann ins Netz eingespeist werden kann. Die Gleichspannungsquelle, d.h. der Solargenerator, ist dabei mit einem Anschluss fest mit dem Neutralleiter verbunden.

Von Vorteil bei diesem Konzept ist die Entkopplung der Eingangsseite von der Ausgangsseite über den geregelten Spannungs-Zwischenkreis. Weiterhin liegt der bei einem einphasig einspeisenden Wechselrichter zur Zwischenspeicherung von Energie erforderliche Kondensator, bei der vorliegenden Erfindung die beiden Zwischenkreiskondensatoren, auf einem hohen und von der Eingangsspannung unabhängigen Spannungsniveau und kann auf dieses Spannungsniveau optimiert und somit deutlich kostengünstiger werden.

In vorteilhafter Weise ist der Wandler als Drosselwandler ausgebildet, der einen getakteten Schalter und zwei in enger Kopplung zueinander angeordnete Wicklungen aufweist, und der im Gegensatz zum Stand der Technik ( DE 196 42 522 C1 und DE 197 32 218 C1 ) nur auf die Nennleistung des Wechselrichters ausgelegt werden muss und nicht auf die im Maximum des Ausgangsstroms auftretende doppelt so hohe Leistung, da Energie im Spannungs-Zwischenkreis gespeichert werden kann.

Vorteilhaft ist, dass die Wicklungen der als Doppeldrossel bezeichneten Wandlerdrossel gleiche Windungszahlen aufweisen und in enger Kopplung zueinander ausgebildet sind, da dadurch in beiden die gleiche Spannung induziert wird, so dass letztlich die beiden Pufferkondensatoren oder auch Zwischenkreiskondensatoren ohne weitere Symmetrierungsmaßnahmen nahezu auf die gleiche Spannung aufgeladen werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Konzepts besteht darin, dass die Eingangsspannung betragsmäßig sowohl kleiner als auch größer als die Spannung der Zwischenkreiskondensatoren sein kann und somit Energiequellen mit einem weiten Spannungsbereich angeschlossen werden können.

Die erfindungsgemäße Ausbildung hat weiterhin den Vorteil, dass für die in der Doppeldrossel gespeicherte Energie inhärent immer ein Freilaufpfad über die zugeordneten Freilaufdioden in die hochkapazitiven Zwischenkreiskondensatoren vorhanden ist. Dies ist für ein sicheres Abschalten in allen Betriebszuständen (Notabschaltung) erforderlich.

Besonders vorteilhaft ist, dass die Wicklungen der Doppeldrossel so geschaltet sind, dass die einen der jeweils zugeordneten Wicklungsenden auf einem ruhenden Potential liegen (Neutralleiter bzw. Zwischen kreiskondensator), und die anderen der jeweils zugeordneten Wicklungsenden den gleichen, um den Betrag der Zwischenkreisspannung versetzten Spannungsverlauf aufweisen, und dadurch keine taktweise Umladung der Koppelkapazitäten zwischen den Wicklungen notwendig ist, wodurch geringere Spitzenströme an dem Schalter S₀ auftreten und der Wirkungsgrad sowie das EMV-Verhalten verbessert werden.

Durch weiteres Vorsehen eines Kondensators C₃ zwischen den Wicklungsenden mit dem gleichen zeitlichen Spannungsverlauf kann die in den unvermeidlichen Streuinduktivitäten der Doppeldrossel gespeicherte Energie beim Öffnen des Schalters S₀ aufgenommen werden und im nächsten Taktabschnitt nahezu verlustfrei an den Zwischenkreis weitergegeben werden.

Die bipolare Zwischenkreisspannung kann weiterhin durch den Einsatz hoch-/tiefsetzender oder auch invertierender Drosselwandler gewonnen werden.

In vorteilhafter Weise wird die gewonnene bipolare Zwischenkreisspannung über den an sich bekannten nachgeschalteten Wechselrichter in einen netzkonformen Wechselstrom umgewandelt.

Durch Verwendung eines Wechselrichters in Form einer an sich bekannten Dreipunktschaltung oder eines Wechselrichters mit zusätzlichen Freilaufpfaden kann ein besserer Wirkungsgrad und ein verbessertes EMV-Verhalten durch Verringerung des Strom-Ripples erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann auch mehrphasig ausgeführt werden, z.B. dreiphasig zur Einspeisung in das übliche öffentliche Drehstromnetz.

Weiterhin ist die Erfindung nicht auf einen Solargenerator als Gleichspannungsquelle beschränkt, es können auch Brennstoffzellen, Batterien oder dergleichen verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung,
2 eine zweite schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung,
3 eine dritte schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung,
4 eine vierte schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung,
5 eine fünfte schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung,
6 eine sechste schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung, und
7 eine siebente schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung.
Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Gleichspannungsquelle auf, die in dem Ausführungsbeispiel ein Solargenerator 1 ist, der mit seinen Anschlüssen an einer positiven Leitung 2 und einem Neutral- oder Erdleiter 3 liegt. Dieser Solarge nerator 1 liefert eine Eingangsgleichspannung U_SG. Parallel zu dem Solargenerator 1 ist ein Kondensator Co vorgesehen, der die Eingangsspannung U_SG puffert. Zwischen den Leitungen 2, 3 liegt die Reihenschaltung einer ersten Wicklung W₁ einer Drossel, die als Doppeldrossel DR₁ bezeichnet wird, und eines durch eine nicht dargestellte Steuereinheit getakteten Schalters S₀, der als Transistor, vorzugsweise als MOS-FET oder als IGBT, ausgebildet sein kann. Die Punkte an den Wicklungen W₁, W₂ kennzeichnen in bekannter Art deren Wicklungsanfänge. Die zweite Wicklung W₂ der Doppeldrossel DR₁ ist mit dem Wicklungsanfang an den Neutralleiter 3 angeschlossen, wobei das Wicklungsende mit einer ersten Freilaufdiode D₁ verbunden ist, die mit ihrem anderen Anschluss an einen ersten Speicherkondensator C₁ angeschlossen ist, dessen anderer Anschluss auf dem Neutralleiter 3 liegt. An dem Verbindungspunkt zwischen erster Wicklung W₁ und dem Schalter S₀ ist eine zweite Freilaufdiode D₂ angeschlossen, deren zweiter Anschluss mit einem zweiten Speicherkondensator C₂ verbunden ist, dessen zweiter Anschluss gleichfalls auf dem Neutralleiter 3 liegt.
Die Doppeldrossel stellt einen Transformator mit Energiespeicher-Eigenschaften dar, dessen galvanische Trennung im vorliegenden Falle jedoch nicht genutzt wird. Die Wicklung W₁ wird doppelt genutzt zur Einspeicherung der Energie und zur Erzeugung einer auf das Potential des Neutralleiters 3 bezogenen invertierten Spannung. Die Wicklung W₂ dient zur Erzeugung einer auf den Neutralleiter bezogenen Spannung mit gleicher Polarität wie die Eingangsspannung. Vorteilhaft ist, dass die beiden Zwischenkreisspannungen +/-U_WR betragsmäßig sowohl kleiner als auch größer als die vorgegebene Eingangsspannung U_SG sein können. Die Wicklungen W₁ und W₂ haben vorteilhafterweise die gleiche Windungszahl und sind in enger Kopplung auf einen Kern gewickelt, wobei sie auch bifilar gewickelt sein können.
Die gepufferte Eingangsspannung U_SG wird über den z.B. mit 16 kHz getakteten Schalter S₀ an die erste Wicklung W₁ der Doppeldrossel DR₁ gelegt, wodurch in der ersten Taktphase, in welcher der Schalter S₀ durchgeschaltet ist, sich ein zeitlich zunehmender Strom in der Wicklung W₁ aufbaut, verbunden mit einer Energiespeicherung im magnetischen Kreis der Doppeldrossel DR₁. In der zweiten Taktphase wird der Schalter S₀ geöffnet und in den beiden Wicklungen W₁ und W₂ der Doppeldrossel DR₁ wird eine Freilaufspannung derart induziert, dass über die Diode D₁ ein Ladestrom in den Kondensator C₁ und gleichzeitig über die Diode D₂ ein Ladestrom in den Kondensator C₂ fließt. Aufgrund der gleichen Windungszahl der beiden Wicklungen W₁ und W₂ und deren enger Kopplung wird in beiden die gleiche Spannung induziert, so dass nach den Ladevorgängen letztlich die beiden Kondensatoren C₁, C₂ ohne weitere Symmetrierungsmaßnahmen nahezu auf die gleiche Spannung, z.B. 350 V, aufgeladen werden.
An den Anschlüssen der Speicherkondensatoren C₁ und C₂, die mit den Freilaufdioden D₁ und D₂ verbunden sind, liegt eine bipolare Zwischenkreisspannung +/-U_WR, die einen nachgeschalteten Wechselrichter speist, der im dargestellten Fall als Halbbrücke mit den Schaltern S₁ und S₂ ausgebildet ist, deren Verbindungspunkt mit einer Einspeisedrossel L₁ verbunden ist. Der andere Anschluss der Einspeisedrossel L₁ ist mit einer der Phasen L des Netzes 4 verbunden, in das ein Wechselstrom eingespeist werden soll, wobei die Netzspannung mit U_Netz bezeichnet wird.
Die Schalter S₁ und S₂ der Halbbrückenschaltung werden nach einem festgelegten Taktmuster (z. B. Pulsweitenmodulation, PWM) von einer nicht dargestellten Steuerschaltung angesteuert, und es kann über die Einspeisedrossel L₁ eine Netzeinspeisung vorgenommen werden. Somit kann die wie oben beschrieben gewonnene bipolare Zwischenkreisspannung +/-U_WR über den nachgeschalteten Wechselrichter in einen netzkonformen Wechselstrom umgewandelt werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eines Wechselrichters mit Spannungs-Zwischenkreis dargestellt. Die Schaltung unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung nach 1 dadurch, dass als Wechselrichter eine so genannte Dreipunkt-Schaltung eingesetzt wird, die aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Schaltern S₁, S₃ und S₂, S₄ besteht, wobei zwischen dem Verbindungspunkt der Schalter S₁ und S₃ eine Freilaufdiode D₃ geschaltet ist, die mit ihrem zweiten Anschluss auf dem Neutralleiter 3 liegt, während der Verbindungspunkt zwischen den Schaltern S₄ und S₂ über eine Freilaufdiode D₄ an den Neutralleiter 3 angeschlossen ist. Die Einspeisedrossel L₁ liegt mit ihrem einen Anschluss an dem Verbindungspunkt zwischen den Schaltern S₃ und S₄.
Die Halbbrücken-Schaltung nach 1 erlaubt mit abwechselnd geschlossenen Schaltern S₁, S₂ nur die beiden Spannungsniveaus +U_WR und –Uw_R am Eingang der Drossel L₁. Die Dreipunktschaltung nach 2 erlaubt hingegeben drei Schaltzustände. In der positiven Halbwelle ist S₃ dauerhaft geschlossen, S₁ wird mit z.B. 16 kHz getaktet und die Schalter S₂ und S₄ bleiben offen. Bei geschlossenem Schalter S₁ liegt die Spannung +U_WR am Eingang der Drossel L₁ und es baut sich ein Strom auf. Nach Öffnen von S₁ fließt der Strom über die Diode D₃ und den geschlossenen Schalter S₃ weiter. Bei idealen Bauteilen wäre der Spannungsabfall über ihnen Null Volt, entsprechend auch die Eingangsspannung an der Drossel L₁. Damit wird diese gegenüber der Schaltung nach 1 wesentlich langsamer entmagnetisiert, was sich positiv auf den Wirkungsgrad und das EMV-Verhalten auswirkt. In der negativen Halbwelle werden entsprechend die Schalter S₂ und S₄ genutzt.
Die dargestellte Wechselrichterschaltung hat weiterhin den Vorteil, dass Halbleiter mit einer geringeren Spannungsfestigkeit und damit besseren elektrischen Eigenschaften eingesetzt werden können. Nachteilig ist jedoch, dass der Strom immer durch mindestens zwei Halbleiter fließen muss.
In 3 ist ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung dargestellt, die wie diejenige in 1 aus einer Halbbrücke mit den Schaltern S₁ und S₂ sowie der nachgeschalteten Drosselspule L₁ besteht, sich aber dadurch unterscheidet, dass zusätzliche Freilaufzweige zwischen dem Verbindungspunkt zwischen den Schaltern S₁ und S₂ und dem Neutralleiter 3 vorgesehen sind, die aus einem Schalter S₃ und einer Diode D₃ und einer Diode D₄ und einem Schalter S₄ bestehen. Auch diese Schaltung erlaubt wie diejenige nach 2 drei Schaltzustände mit den angegebenen Vorteilen. Die gleiche Funktion des zusätzlichen Freilaufpfades erfüllen hier die Schalter S₃, S₄, zusammen mit den Dioden D₃, D₄. In der positiven Halbwelle ist S₃ dauerhaft geschlossen, entsprechend S₄ in der negativen. Der Vorteil gegenüber der Schaltung nach 2 liegt darin, dass in der Aufbauphase des Stroms, bei der z.B. Schalter S₁ ge schlossen ist, der Strom nur durch einen Schalter, d.h. S₁ fließen muss, wodurch der Wirkungsgrad sich gegenüber der Schaltung nach 2 erhöht.
In 3 ist gestrichelt eine Verbindung zwischen den beiden Freilaufpfaden dargestellt. In dem verbundenen Fall werden so genannte Co-Packs als elektronische Schalter eingesetzt, bei denen ein IGBT, z.B. Schalter S₃ mit einer Freilaufdiode, z.B. Diode D₄, in einem gemeinsamen Gehäuse verschaltet sind. Mit zwei solcher handelsüblichen Bauteile lässt sich dann die gewünschte Schalter-/Dioden-Kombination aufbauen. Die gleiche Anordnung ergibt sich, wenn MOS-FETs als Schalter eingesetzt werden – hier übernehmen die bei MOS-FETs inhärent vorhandenen Body-Dioden die Funktion der Freilaufdioden.
In 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele dargestellt, die besonders bevorzugte Schaltungen sind.
4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach 3 dadurch, dass die Reihenfolge innerhalb der Reihenschaltung von der Wicklung W₂ der Doppeldrossel DR₁ und der Freilaufdiode D₁ vertauscht ist. Das bedeutet, dass die Freilaufdiode D₁ mit ihrem einen Anschluss an dem Neutralleiter 3 angeschlossen ist und mit ihrem anderen Anschluss an dem Wicklungsanfang der Wicklung W₂ liegt, deren anderer Anschluss mit dem Kondensator C₁ verbunden ist. Außerdem ist ein Kondensator C₃ jeweils mit dem Wicklungsanfang der Wicklung W₁ und dem Wicklungsanfang der Wicklung W₂ verbunden. Grundsätzlich ist die Funktionsweise wie vorher beschrieben, d.h., die generelle Funktion verbleibt unverändert. Von Vorteil ist jedoch, dass beide Wicklungsenden der Wicklungen W₁, W₂ auf ruhen dem Potential liegen, d.h. auf dem Bezugspotential, das von dem Neutralleiter 3 vorgegeben ist, bzw. auf der am Zwischenkreiskondensator C₁ anliegenden Zwischenkreisspannung +U_WR. Die beiden Wicklungsanfänge haben somit den gleichen, um die Höhe der Zwischenkreisspannung +U_WR versetzen zeitlichen Spannungsverlauf zueinander. Damit können die beiden Wicklungen W₁, W₂ sehr eng benachbart zueinander gewickelt werden, beispielsweise als bifilare Wicklung, da die sich zwischen den beiden Wicklungen ausbildende parasitäre Koppelkapazität nicht in jedem Takt umgeladen werden muss. Aus dem räumlich engen Aufbau resultiert eine sehr gute magnetische Kopplung der Wicklungen W₁, W₂ und somit eine geringe Streuinduktivität, ein verbessertes EMV-Verhalten, sowie geringere Schaltverluste in dem Schalter S₀.
Da in der Schaltung nach 4 die beiden Wicklungsanfänge Idealerweise den gleichen, aber um den Betrag der Ausgangsspannung U_WR versetzten Spannungsverlauf aufweisen, können die beiden Wicklungsanfänge mit dem Kondensator C₃ verbunden werden. Dieser zusätzliche Kondensator C₃ nimmt beim Abschalten des Schalters S₀ einen Teil der in der primärseitigen Streuinduktivität der Doppeldrossel DR₁ gespeicherten Energie auf und gibt diese im nächsten Takt über die Wicklung W₂ an den Ausgang +U_WR ab. Hierdurch werden Überspannungen während des Schaltvorganges begrenzt und eine weitere Symmetrierung der Ausgangsspannungen erreicht.
Die Schaltungen nach den 1 bis 4 können, auch komplementär aufgebaut werden. Die 5 zeigt beispielhaft den komplementären Aufbau der Schaltung nach 4.
In 5 liegt der positive Anschluss der Gleichspannungsquelle 1, d.h. des Solargenerators, auf dem Neutralleiter 3. Dies hat den Vorteil, dass alle Module des Solargenerators 1 ein negatives Potential gegenüber dem Erdpotential haben, was sich bei bestimmten Solarzellentypen vorteilhaft auf deren Wirkungsgrad auswirkt. Weiterhin liegt der Schalter S₀ in der negativen Versorgungsspannungsleitung 6, was seine Ansteuerung schaltungstechnisch vereinfacht, insbesondere wenn mehrere parallel arbeitende Eingangsstufen vorgesehen sind. Als Schalter werden, wie schon erwähnt, bevorzugt MOS-FETs oder IGBTs vom N-Kanal-Typ eingesetzt. N-Kanal-Transistoren benötigen zur Ansteuerung eine positive Gate-Spannung von z.B. 15 V gegenüber dem Emitterpotential, wozu eine Hilfsspannung zur Verfügung gestellt werden muss. Wenn mehrere Transistoren mit ihren Emittern auf dem gleichen Potential liegen, kann vorteilhafterweise eine gemeinsame Hilfsspannungsquelle genutzt werden.
Die Eingangsstufe bestehend aus dem Kondensator Co, dem Schalter S₀, der Doppeldrossel DR₁, den Freilauf-Dioden D₁, D₂ sowie dem Koppelkondensator C₃ kann bei allen Ausführungsformen auch mehrfach vorgesehen sein und einen gemeinsamen Zwischenkreis bestehend aus den Zwischenkreiskondensatoren C₁, C₂ speisen.
Dabei können die einzelnen Eingangsstufen an den mit den Leitungen 2 und 3 bzw. 3 und 6 verbundenen Eingangsklemmen angeschlossen sein und aus derselben Quelle gespeist werden.
Vorteilhafterweise werden dabei die zugehörigen Schalter S₀ zeitlich versetzt getaktet, so dass sich sowohl am Eingang, d.h. an den jeweiligen Kondensatoren Co als auch am Ausgang, d.h. an den Kondensatoren C₁, C₂, ein vergleichmäßigter Leistungsfluss ergibt, resultierend in einer geringeren Wechselstrombelastung dieser Kondensatoren. Weiterhin ist ein so genannter Master-Slave-Betrieb möglich, bei welchem die einzelnen Eingangsstufen abhängig von der momentan zu übertragenden Leistung zugeschaltet werden. Hierdurch kann der Wirkungsgradverlauf insbesondere im Teillastbereich deutlich verbessert werden.
Sind mehrere Eingangsstufen vorhanden, so können diese auch über getrennte Eingangsklemmen verfügen, die wiederum mit zugehörigen, auch unterschiedlichen Solargeneratoren oder anderen Gleichspannungsquellen verbunden sein können.
Im obigen Ausführungsbeispiel wird ein Solargenerator als Gleichspannungsquelle verwendet. Es können jedoch auch Brennstoffzellen oder Batterien oder dergleichen vorgesehen werden.
Die 6 und 7 zeigen beispielhaft weitere Ausführungsbeispiele eines Wechselrichters mit bipolarem Spannungszwischenkreis, bei welchem die positive und die negative Zwischenkreisspannung +/-U_WR mittels hoch-/tiefsetzender bzw. invertierender Drosselwandler erzeugt werden. In den 6 und 7 ist der Wechselrichter als Halbbrückenschaltung ausgeführt – dieser kann aber gemäß den 2 und 3 auch als Dreipunktschaltung oder Halbbrückenschaltung mit zusätzlichen Freilaufpfaden ausgeführt sein. Weiterhin sind analog zu der 5 auch die jeweils komplementär aufgebauten Drosselwandlerschaltungen möglich sowie eine Aufteilung auf mehrere, einen gemeinsamen Spannungszwischenkreis speisende Drosselwandler.
Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei ge trennten Drosseln L₁₁ und L₁₃. Die Drossel L₁₁ bildet zusammen mit den Schaltern S₁₁, S₁₂ sowie den Dioden D₁₁ und D₁₂ einen hoch-/tiefsetzenden Drosselwandler. Liegt die Eingangsspannung, in 6 die Solargeneratorspannung U_SG, unterhalb der erforderlichen Zwischenkreisspannung +U_WR, so wird der Drosselwandler mit der Speicherdrossel L₁₁ als Hochsetzsteller betrieben. Hierzu wird der Schalter S₁₁ permanent geschlossen und der Schalter S₁₂ getaktet. In bekannter Weise wird in der Einschaltphase von S₁₂ Energie in der Drossel L₁₁ gespeichert, um dann in der Sperrphase des Schalters S₁₂ über die Diode D₁₂ an den Zwischenkreiskondensator C₁ weitergegeben zu werden. Über das Tastverhältnis des Schalters S₁₂ lässt sich die Zwischenkreisspannung +U_WR auf einen definierten Wert regeln.
Liegt die Eingangsspannung U_SG oberhalb des erforderlichen Wertes von +U_WR, so wird der Drosselwandler als Tiefsetzsteller betrieben. Der Schalter S₁₂ bleibt permanent geöffnet, und der Schalter S₁₁ wird getaktet. In bekannter Weise baut sich in der Einschaltphase des Schalters S₁₁ ein Strom in der Drosselspule L₁₁ auf, der nach Öffnen des Schalters S₁₁ über die Freilaufdiode D₁₁ sowie die Diode D₁₂ in den Zwischenkreiskondensator C₁ weiterfließen kann. Über das Tastverhältnis des Schalters S₁₁ lässt sich die Zwischenkreisspannung +U_WR auf einen definierten Wert regeln.
Die negative Zwischenkreisspannung –U_WR wird durch den invertierenden Drosselwandler mit der Speicherdrossel L₁₃, mit dem Schalter S₁₃ und der Diode D₁₃ gewonnen. In der Einschaltphase des Schalters S₁₃ baut sich in der Speicherdrossel L₁₃ ein Strom auf, der nach Öffnen des Schalters S₁₃ über die Diode D₁₃ in den Zwischenkreiskondensator C₂ weiterfließt. Beim invertierenden Wandler ist keine Fallunterscheidung bezüglich der Spannungsverhältnisse erforderlich, da bei ihm die Ausgangspannung –U_WR betragsmäßig sowohl kleiner als auch größer sein kann als die Eingangsspannung U_SG.
Die Schaltung nach 6 bietet gegenüber den in den 1 bis 5 aufgeführten bevorzugten Schaltungen den Vorteil, dass kommerziell erhältliche Speicherdrosseln L₁₁ bzw. L₁₃ eingesetzt werden können. Nachteilig ist die größere Anzahl an Dioden und Schaltern mit den zugehörigen, hier nicht dargestellten Regelkreisen und Ansteuerschaltungen. Neben einem hohen Aufwand führt diese zu einem verminderten Wirkungsgrad.
Die in 7 dargestellte Schaltung nutzt die Eigenschaft von einphasig einspeisenden Wechselrichtern, dass nämlich abhängig von der Polarität des Ausgangsstromes entweder nur dem positiven oder dem negativen Zwischenkreiskondensator Energie entnommen wird. Hierdurch wird es möglich, einen Drosselwandler aufzubauen, der je nach Taktungsart den positiven oder den negativen Zwischenkreiskondensator speist.
Zur Ladung des Zwischenkreiskondensators C1 wird der Drosselwandler wie in 6 als hoch-/tiefsetzender Wandler betrieben. Der Schalter S₁₃ ist dabei permanent geschlossen, so dass sich in dieser Betriebsart prinzipiell kein Unterschied zur 6 ergibt.
Zur Ladung des Kondensators C₂ wird der Schalter S₁₃ permanent geöffnet und der Schalter S₁₂ permanent geschlossen. Hieraus resultiert eine invertierende Drosselwandlertopologie, bei welcher sich in der Einschaltphase des Schalters S₁₁ ein Strom in der Drossel L₁₁ über den Schalter S₁₂ aufbaut, der nach Öffnen des Schalters S₁₁ über die Diode D₁₃ in den Zwischenkreis kondensator C₂ weiterfließt und diesen auflädt.
Die Schaltung nach 7 bietet gegenüber derjenigen in 6 den Vorteil, dass nur eine Speicherdrossel L₁₁ benötigt wird. Nachteilig gegenüber den in den 1 bis 5 dargestellten Schaltungen ist die größere Anzahl von Dioden und Schaltern sowie die höhere Komplexität der Regelung des Drosselwandlers.

Claims

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms aus einer bezüglich eines Neutralleiters unipolaren Gleichspannungsquelle mit einem Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (1) mit einem Wandler verbunden ist, der die unipolare Spannung der Gleichspannungsquelle in eine bipolare Zwischenkreisspannung umwandelt, die in einer mit dem Wechselrichter verbundenen Pufferschaltung gespeichert wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler getaktete Schalter, Dioden sowie induktive oder kapazitive Energiespeicher enthält, die zu hoch-/tiefsetzenden sowie invertierenden Schaltungstopologien zusammengefügt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler einen getakteten Schalter (S₀) und eine Energiewandlereinheit aufweist, die derart ausgebildet ist, dass die über den Schalter (S₀) gelieferte Energie zwischengespeichert wird und daraus eine auf das Potential des Neutralleiters bezogene invertierte Spannung und eine Spannung mit gleicher Polarität wie die unipolare Spannung erzeugt werden.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinheit als Doppeldrossel (DR₁) ausgebildet ist, die zwei in enger Kopplung zueinander angeordnete Wicklungen (W₁, W₂) aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschaltung mindestens zwei Speicherkondensatoren (C₁, C₂) aufweist und jeder Wicklung (W₁, W₂) der Doppeldrossel (DR₁) eine Freilaufdiode (D₁, D₂) zugeordnet ist, durch die der jeweilige Ladestrom für die Speicherkondensatoren fließt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (W₁, W₂) der Doppeldrossel (DR₁) gleiche Windungszahlen aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (S₀) getaktet wird, und dass in der einen Schaltphase eine Energiespeicherung in dem magnetischen Kreis der Doppeldrossel (DR₁) stattfindet, und in der anderen Schaltphase in beiden Wicklungen eine Spannung derart induziert wird, dass der Ladestrom in den jeweiligen Kondensator (C₁, C₂) fließt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung aus dem Schalter (S₀) und einer Wicklung (W₁) der Doppeldrossel (DR₁) parallel zur Gleichspannungsquelle angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbindungspunkt zwischen Schalter (S₀) und ers ter Wicklung (W₁) und einem der Speicherkondensatoren (C₁, C₂) und zwischen der zweiten Wicklung (W₂) und dem anderen der Speicherkondensatoren jeweils eine Freilaufdiode (D₁, D₂) geschaltet ist, wobei die jeweils anderen Anschlüsse der Wicklungen an dem Neutralleiter (3) liegen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Doppeldrossel derart geschaltet sind, dass die einen, mit Wicklungsenden bezeichneten Anschlüsse der Wicklungen (W₁, W₂), auf ruhendem Potential liegen, und die anderen, mit Wicklungsanfängen bezeichneten Anschlüsse, den gleichen zeitlichen Spannungsverlauf haben.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsanfang der ersten Wicklung (W₁) über eine Freilaufdiode (D₁, D₂) mit einem der Speicherkondensatoren (C₁, C₂) und ein Wicklungsende an dem Neutralleiter angeschlossen ist, und dass das Wicklungsende der zweiten Wicklung mit dem anderen der Speicherkondensatoren (C₁, C₂) und ihr Wicklungsanfang über die andere Freilaufdiode (D₁, D₂) mit dem Neutralleiter (3) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanfänge der Wicklungen (W₁, W₂) der Doppeldrossel (DR₁) über einen Koppelkondensator (C₃) miteinander verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wick lungen der Doppeldrossel (DR₁) bifilare Wicklungen sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter als Halbbrücke (S₁, S₂) ausgebildet ist, wobei eine Einspeisedrossel (L₁) zwischen den zwei Schaltern (S₁, S₂) der Halbbrücke angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Neutralleiter und Verbindungspunkt zwischen den Schaltern des als Halbbrücke ausgebildeten Wechselrichters zwei Freilaufzweige (S₃, D₃, S₄, D₄) jeweils bestehend aus einem Schalter und einer Freilaufdiode geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter zwei Paare von zwei in Reihe geschalteten elektronischen Schaltern (S₁, S₃; S₂, S₄) aufweist, wobei der Verbindungspunkt der Paare mit einer Einspeisedrossel (L₁) verbunden ist und die Verbindungspunkte der Schalter jeweils eines Paares über Freilaufdioden mit dem Neutralleiter verbunden sind, wobei eine Steuereinrichtung die Schalter jeweils eines Paares in der Weise steuert, dass der eine Schalter (S₃, S₄) geschlossen ist und der andere (S₁, S₂) getaktet wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (1) ein Solargenerator, eine Brennstoffzelle und/oder eine Batterie ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die als Solargenerator ausgebildete Gleichspannungsquelle mit ihrem negativen Anschluss mit dem Neutralleiter verbunden ist und alle Module der Gleichspannungsquelle ein positives Potential gegenüber dem Neutralleiter aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die als Solargenerator ausgebildete Gleichspannungsquelle mit ihrem positiven Anschluss mit dem Neutralleiter verbunden ist und alle Module der Gleichspannungsquelle ein negatives Potential gegenüber dem Neutralleiter aufweisen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Eingangsstufen bestehend aus elektronischem Schalter (S₀), Doppeldrossel (DR₁) und zugeordneten Freilaufdioden (D₁, D₂) und gegebenenfalls Koppelkondensator (C₃) vorhanden ist und in gemeinsame Pufferkondensatoren (C₁, C₂) speisen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Eingangsstufen parallel geschaltet sind und abhängig von der momentan zu übertragenden Leistung zuschaltbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl Eingangsstufen unabhängig voneinander benutzbar sind und gleichzeitig aus unterschiedlichen Quellen wie Solargeneratoren, Brennstoffzellen oder Batterien gespeist werden.