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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm zur Ansteuerung eines Wechselrichters, der einen Schwingkreis speist.
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Wechselrichter, die einen Schwingkreis mit Energie versorgen, werden in der Praxis beispielsweise zur Induktionserwärmung eingesetzt. Hierzu kann ein Umrichter einen Gleichrichter aufweisen, der an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist und einem Wechselrichter einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung zur Verfügung stellt. Der Wechselrichter weist Schaltelemente auf, die so angesteuert werden, dass Strom mit einer gewünschten Frequenz in alternierender Richtung durch einen am Ausgang des Wechselrichters angeordneten Schwingkreis fließt. Eine Induktionsspule kann dann einen Teil des Schwingkreises bilden.
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Ein besonders guter Leistungsfaktor und geringe Verluste lassen sich in einem Umrichter mit einem Dioden-Gleichrichter erzielen. Der Einsatz eines Dioden-Gleichrichters erfolgt vorteilhafterweise in Kombination mit einem als Energiespeicher fungierenden Spannungszwischenkreis, der dem Wechselrichter eine konstante Spannung zur Verfügung stellt. Für den Spannungszwischenkreis kann dabei ein Zwischenkreiskondensator eingesetzt werden.
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Soll ein Parallelschwingkreis von einem solchen Spannungszwischenkreisumrichter gespeist werden, so muss dem Parallelschwingkreis am Ausgang des Wechselrichters zusätzlich eine Drossel vorgeschaltet werden, um den Stromanstieg zu begrenzen. Durch die Drossel besitzt die Anordnung am Ausgang des Wechselrichters aus Drossel und Schwingkreis jedoch zwei Resonanzfrequenzen, eine mit einem Impedanzmaximum und eine mit einem Impedanzminimum. Hierdurch ist es besonders wichtig, dass die Wechselrichteransteuerung ein sicheres Starten sowie einen optimalen Betriebspunkt des Wechselrichters sicherstellt und der Anordnung aus Wechselrichter und Schwingkreis das gewünschte Betriebsverhalten einprägt.
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Die Druckschrift
WO 2004/071132 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ansteuerung eines Wechselrichters für einen Induktionsofen oder Induktor, bei dem eine strikte Synchronisation der Wechselrichteransteuerung mit der Resonanzfrequenz eines gespeisten Parallelschwingkreises derart erfolgt, dass alle Halbleiterventile einer Diagonalen des Wechselrichters stets gleichzeitig bei einem Nulldurchgang der Lastspannung eingeschaltet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Ansteuerung eines Wechselrichters weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren zum Ansteuern eines Wechselrichters, der einen Schwingkreis speist. Das Verfahren umfasst dabei ein Erfassen eines einstellbaren Sollwerts für einen Phasenwinkel. Ferner umfasst das Verfahren ein Veranlassen des Einschaltens von Schaltelementen des Wechselrichters zu Zeitpunkten, durch die der Phasenwinkel zwischen der Grundschwingung eines von dem Wechselrichter ausgegebenen Stroms und einer an dem Schwingkreis anliegenden Spannung dem Sollwert für den Phasenwinkel entspricht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso gelöst durch eine Vorrichtung, die Mittel zum Durchführen des vorgestellten Verfahrens aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso gelöst durch ein Computerprogramm zum Ansteuern eines Wechselrichters, der einen Schwingkreis speist, wobei das Computerprogramm dazu ausgebildet ist, bei Ausführung durch einen Prozessor die Schritte des vorgestellten Verfahrens zu realisieren. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium aufweisen, in dem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der Zeitpunkt des Nulldurchgangs einer Spannung an einem von einem Wechselrichter gespeisten Schwingkreis nicht immer der günstigste Zeitpunkt ist, um die Schaltelemente des Wechselrichters einzuschalten.
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Die Erfindung sieht daher vor, dass der Phasenwinkel zwischen der Grundschwingung eines von dem Wechselrichter ausgegebenen Stroms und einer an dem Schwingkreis anliegenden Spannung einstellbar ist. Dann kann der Zeitpunkt für das Einschalten von Schaltelementen des Wechselrichters so gewählt werden, dass die Grundschwingung des Stroms stets mit der Schwingkreisspannung synchron, aber mit individuell einstellbarem Phasenversatz verläuft.
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Die Erfindung erlaubt es somit, verschiedenen technologischen Vorteilen oder Optimierungszielen Rechnung zu tragen. Wird beispielsweise ein Phasenwinkel von Null eingestellt, so kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Eine in gewissen Grenzen frei einstellbare Anhebung der Schwingkreisspannung kann dagegen mit Phasenwinkeln größer Null in kapazitiver Richtung erreicht werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Computerprogramms gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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In einer beispielhaften Ausführung wird der jeweilige Zeitpunkt für das Einschalten von Schaltelementen des Wechselrichters basierend auf dem Zeitpunkt von mindestens einem erfassten Nulldurchgang der an dem Schwingkreis anliegenden Spannung und/oder der aktuellen Periodendauer und/oder der Dauer des letzten Stromflusses des von dem Wechselrichter ausgegebenen Stroms und/oder dem vorangegangenen Zeitpunkt des Einschaltens von Schaltelementen des Wechselrichters und/oder dem Zeitpunkt, an dem der von dem Wechselrichter (13) ausgegebene Strom zu Null geworden ist, berechnet. Die drei letzteren Werte können aus der Ansteuerung für die vorangehende Periode bekannt sein, wobei aus jeweils zwei der Werte der dritte Wert berechnet werden kann. Die aktuelle Periodendauer kann zum Beispiel aus dem letzten und vorletzten Einschaltzeitpunkt ermittelt werden.
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In einer Ausführungsform kann der Sollwert für den Phasenwinkel frei eingestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann zwischen mindestens zwei vorgegebenen Sollwerten für den Phasenwinkel ausgewählt werden. Der einstellbare Sollwert für den Phasenwinkel kann von einem Nutzer eingestellt werden oder automatisch. Ein Nutzer kann einen konkreten Wert für einen Phasenwinkel einstellen, oder eines von mehreren Optimierungszielen auswählen, denen vorbestimmte Phasenwinkel zugeordnet sind. Der Sollwert für den Phasenwinkel kann beispielsweise von einem Nutzer über eine Benutzerschnittstelle vorgegeben werden. Alternativ kann ein Nutzer über eine Benutzerschnittstelle ein Optimierungsziel auswählen, und ein Mikroprozessor kann dann automatisch einen Sollwert für den für das Optimierungsziel notwendigen Phasenwinkel einstellen. Ein Sollwert für den Phasenwinkel kann zu Beginn eines Betriebs des Wechselrichters erfasst werden. Ebenso ist es aber auch möglich, einen Sollwert für den Phasenwinkel während des laufenden Betriebs kontinuierlich, regelmäßig oder auf eine Änderung hin zu erfassen und einer Ansteuerung des Wechselrichters zugrunde zu legen.
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Die Schaltelemente des Wechselrichters können beispielsweise aber nicht ausschließlich Leistungshalbleiter sein, etwa in Form von Transistoren.
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Der von dem Wechselrichter gespeiste Schwingkreis kann beispielsweise ein Parallelschwingkreis mit vorgeschalteter Drossel sein.
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Der Wechselrichter kann beispielsweise ein Wechselrichter eines Spannungszwischenkreisumrichters sein.
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Die vorgestellte Vorrichtung ist in einer beispielhaften Ausführungsform eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung mindestens eines Wechselrichters. Eine solche Steuereinrichtung kann ausschließlich aus Hardwarekomponenten bestehen. Sie kann aber auch einen Prozessor beinhalten, der mittels eines Computerprogramms die beschriebenen Aktionen durchführt. In dem Fall könnte die Steuereinrichtung zum Beispiel ausschließlich aus einem Chip mit einem Mikroprozessor und einem Speicher für das Computerprogramm bestehen. Die Steuereinrichtung kann jedoch auch weitere der Ansteuerung des Wechselrichters dienende Elemente aufweisen, wie beispielsweise einen Strommesser, einen Spannungsmesser und/oder einen Treiber für die Schaltelemente des Wechselrichters. Die Steuereinrichtung kann ebenso eine Benutzerschnittstelle aufweisen oder mit einer anderen, eine Benutzerschnittstelle aufweisenden Einrichtung verbunden sein.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst die vorgestellte Vorrichtung auch den Wechselrichter. Zusätzlich könnte die Vorrichtung dann zumindest einen Teil eines von dem Wechselrichter gespeisten Parallelschwingkreises und/oder eine dem Parallelschwingkreis vorgeschaltete Drossel umfassen.
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Die vorgestellte Vorrichtung könnte in einer beispielhaften Ausführungsform auch mindestes einen Spannungszwischenkreisumrichter umfassen, der den Wechselrichter beinhaltet.
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Ein erfindungsgemäß angesteuerter Wechselrichter kann beispielsweise für eine Schmiede-Erwärmungsanlage sowie für andere Induktionserwärmungsanlagen eingesetzt werden. Mehrere dieser Wechselrichter können als Wechselrichter-Module zu modularen Umrichtern größerer Leistung zusammengefasst werden. Mehrere zusammen eingesetzte Umrichtermodule können von separaten Steuereinrichtungen oder von einer gemeinsamen Steuereinrichtung angesteuert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen Schaltkreis eines Umrichters mit einem Wechselrichter, der erfindungsgemäß ansteuerbar ist;
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2 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 ein Flussdiagram, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren veranschaulicht;
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4a ein Diagram, das einen ersten eingestellten Phasenwinkel zwischen Schwingkreisspannung und Grundwelle des Wechselrichterstroms veranschaulicht;
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4b ein Diagram, das einen zweiten eingestellten Phasenwinkel zwischen Schwingkreisspannung und Grundwelle des Wechselrichterstroms veranschaulicht;
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4c ein Diagram, das einen dritten eingestellten Phasenwinkel zwischen Schwingkreisspannung und Grundwelle des Wechselrichterstroms veranschaulicht;
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5 einen Schaltkreis eines einer Simulation zugrundeliegenden Umrichters;
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6 Simulationsergebnisse für einen erfindungsgemäß angesteuerten Umrichter nach 5; und
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7 weitere Simulationsergebnisse für einen erfindungsgemäß angesteuerten Umrichter nach 5.
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1 zeigt einen Schaltkreis eines Umrichters mit angeschlossener Last.
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Der Umrichter weist einen Gleichrichter 11 mit sechs Dioden D5–D10 auf. Die drei Phasen eines Drehstromnetzes sind an die drei Eingänge des Gleichrichters 11 angeschlossen.
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Der Ausgang des Gleichrichters 11 ist über einen Spannungszwischenkreis 12 mit dem Eingang eines Wechselrichters 13 verbunden. Der Spannungszwischenkreis 12 umfasst einen parallel zum Eingang des Wechselrichters 13 geschalteten Kondensator C1.
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Der Wechselrichter 13 weist vier Brückenzweige auf, in denen jeweils ein Transistor T1–T4 mit parallel geschalteter Freilaufdiode D1–D4 angeordnet ist. Die Transistoren T1–T4 sind dabei beispielhafte Schaltelemente des Wechselrichters 13.
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Am Ausgang des Wechselrichters 13 ist ein Parallelschwingkreis 14 als Last angeordnet. Der Parallelschwingkreis 14 umfasst parallel zueinander eine Kapazität CP sowie eine Reihenschaltung aus einer durch ein zu erwärmendes Material verursachte ohmsche Belastung RP und einer Induktivität LP. Die Induktivität LP kann beispielsweise durch die Spule eines Induktionsofens gegeben sein.
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Dem Parallelschwingkreis 14 ist eine Drossel L1 vorgeschaltet. Dabei weist die Drossel L1 eine in zwei Teile geteilte Wicklung auf, so dass sich je die Hälfte der Induktivität der Drossel L1 im Hin- und im Rückleiter zum Schwingkreis 14 befindet.
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Der Gleichrichter 11 richtet den vom Netz gelieferten Drehstrom gleich und speist mit dem erhaltenen Gleichstrom den Kondensator C1 des Spannungszwischenkreises 12. Der Spannungszwischenkreis 12 sorgt dafür, dass an dem Wechselrichter 13 eine im Wesentlichen konstante Spannung anliegt. Im Wechselrichter 13 werden jeweils die Transistoren in diagonal zueinander liegenden Brückenzweige T1 und T4 bzw. T2 und T3 gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Die Transistorpaare T1 und T4 einerseits und T2 und T3 andererseits befinden sich dabei stets zu nicht überlappenden Zeiten in eingeschaltetem Zustand. Die Freilaufdioden D1–D4 schützen die Transistoren T1–T4 vor Überspannungen. Durch die Ansteuerung der Transistoren T1–T4 des Wechselrichters 13 wird eine Wechselspannung an den Ausgang des Wechselrichters 13 geschaltet. Infolgedessen fließt ein Strom I in alternierenden Richtungen mit einer Frequenz, die von der Ansteuerung des Wechselrichters 13 vorgegeben ist. Die Drossel L1 sorgt dabei dafür, dass der Stromanstieg des Stroms I begrenzt bleibt. Aufgrund des eingeprägten alternierenden Stroms I liegt am Parallelschwingkreis 14 die alternierende Spannung UP an.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung 20, die zu einem erfindungsgemäßen Ansteuern des Wechselrichters 13 genutzt werden kann.
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Die Steuereinrichtung 20 umfasst einen Prozessor 21 und verbunden mit dem Prozessor 21 einen Speicher 22, eine Benutzerschnittstelle 23, einen Spannungsmesser 24, einen Strommesser 25 und einen Transistortreiber 26.
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Der Prozessor 21 kann beispielsweise ein Mikroprozessor sein. Der Prozessor 21 kann ein Computerprogramm ausführen, das zu diesem Zweck beispielsweise aus dem Speicher 22 ausgelesen werden kann.
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Der Speicher 22 kann neben dem Computerprogramm beispielsweise Benutzervorgaben zu einem gewünschten Phasenwinkel und einer gewünschten Leistung, Voreinstellungen für einen Phasenwinkel und eine Leistung, Zwischenergebnisse sowie je nach Bedarf diverse andere Daten speichern. Statt eines einzelnen Speichers 22 kann auch eine Mehrzahl von Speichern vorgesehen sein.
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Der Prozessor 21 und der Speicher 22 können beispielsweise als integrierte Schaltung auf einem Chip implementiert sein.
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Die Benutzerschnittstelle 23 kann beliebig ausgestaltet sein, um einem Benutzer die Möglichkeit zu geben, Werte für einen gewünschten Phasenwinkel und eine gewünschte Leistung einzugeben. Beispielsweise können hierzu ein Monitor und eine Tastatur vorgesehen sein. Ebenso können aber auch lediglich ein Schieberegler, ein Drehrad, Tasten, Schalter oder dergleichen vorgesehen sein.
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Der Spannungsmesser 24 ist derart mit dem Schaltkreis aus 1 verbunden, dass er die Spannung UP, die an dem Parallelschwingkreis 14 anliegt, erfassen kann.
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Der Strommesser 25 ist derart angeordnet, dass er den Strom I, der von dem Wechselrichter 13 in dem Schaltkreis aus 1 ausgegeben wird, erfassen kann.
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Der Transistortreiber 26 ist mit Steuereingängen der Transistoren T1–T4 verbunden und erzeugt Signale zur Ansteuerung der Transistoren T1–T4 entsprechend von dem Prozessor 21 vorgegebenen Ein- und Ausschaltzeitpunkten.
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3 zeigt ein Flussdiagram, das die Ansteuerung des Wechselrichters 13 aus 1 mittels der Steuereinrichtung 20 näher erläutert.
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Der das Computerprogramm ausführende Prozessor 21 startet den Betrieb des Wechselrichters 13 (Aktion 31). Vor dem Start liegen noch keine Messergebnisse vor, so dass die Einschaltdauer der Transistoren T1–T4 zunächst beispielsweise einem vorgegebenen Standardwert entsprechen kann.
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Vor und/oder während des Betriebs des Wechselrichters 13 kann ein Benutzer der Steuereinrichtung 20 über die Benutzerschnittstelle 23 einen für die aktuell vorgesehene Nutzung bevorzugten Phasenwinkel und eine für die aktuell vorgesehene Nutzung bevorzugte Leistung vorgeben. Der Phasenwinkel kann dabei je nach gewünschtem technologischen Vorteil oder gewünschtem Optimierungsziel gewählt werden. Mögliche technologische Vorteile und Optimierungsziele umfassen dabei die optimale Ausnutzung der Leistungshalbleiter mit minimalen Schaltverluste und optimalem Wirkungsgrad oder eine gewünschte Spannungsüberhöhung. Unter einer Spannungsüberhöhung ist dabei eine Anhebung der Schwingkreisspannung über die durch die Zwischenkreisspannung gegebene maximale Ausgangsspannung hinaus zu verstehen. Eine Spannungsüberhöhung erweitert den möglichen Betriebsbereich des Umrichters, zum Beispiel bei fehlangepasster Last. Mit einer Fehlanpassung der Last ist beispielsweise bei wechselnden Werkstückgeometrien und gleichem Induktor zu rechnen. Der Prozessor 21 kann beispielsweise über die Benutzerschnittstelle 23 einen Bildschirmdialog bereitstellen, der es einem Benutzer ermöglicht, Vorgaben für Phasenwinkel und Leistung als jeweiligen Sollwert einzugeben oder ein Optimierungsziel auszuwählen.
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Der Prozessor 21 erfasst die Eingabe über die Benutzerschnittstelle 23 (Aktion 32). Wird entweder für den Phasenwinkel oder für die Leistung kein Sollwert eingegeben, so kann beispielsweise entweder der zuletzt eingegebene Sollwert aus dem Speicher 22 ausgelesen oder eine im Speicher 22 gespeicherte Voreinstellung genutzt werden. Im Falle einer Eingabemöglichkeit über mechanisch verstellbare Benutzerschnittstellenelemente, wie Schieberegler, kann stets die aktuelle Einstellung zugrunde gelegt werden. Gibt der Benutzer lediglich ein Optimierungsziel vor, so bestimmt der Prozessor 21 hieraus zunächst noch automatisch einen Sollwert für den Phasenwinkel und/oder für die Leistung.
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Sobald der Wechselrichter 13 in Betrieb genommen ist, erfasst der Spannungsmesser 24 die am Parallelschwingkreis 14 anliegende Spannung UP. Der Spannungsmesser 24 liefert der erfassten Spannung UP entsprechende Werte an den Prozessor 21. Zusätzlich detektiert der Spannungsmesser 24 jeden Spannungsnulldurchgang der Spannung UP und meldet ihn dem Prozessor 21. Gleichzeitig erfasst der Strommesser 25 den vom Wechselrichter 13 ausgegebenen Strom I und gibt dem Strom entsprechende Werte an den Prozessor 21 weiter.
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Der Prozessor 21 registriert einen erfassten und gemeldeten Spannungsnulldurchgang (Aktion 33) und berechnet daraufhin den nächsten Einschaltzeitpunkt für die beiden nicht als letztes eingeschalteten Transistoren T1 und T4 bzw. T2 und T3 (Aktion 34).
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Der Einschaltzeitpunkt wird so berechnet, dass sich der vorgegebene Phasenwinkel zwischen Schwingkreisspannung UP und Wechselrichterausgangsstrom I ergibt. Hierzu berücksichtigt der Prozessor 21 neben dem vorgegebenen Phasenwinkel die Zeitpunkte der erfassten Spannungsnulldurchgänge, den letzten Einschaltzeitpunkt der Transistoren und die Zeitdauer des letzten Stromflusses. So könnte beispielsweise ein minimaler Phasenwinkel eingestellt werden, indem der nächste Einschaltzeitpunkt auf eine Zeit nach dem letzten erfassten Spannungsnulldurchgang gesetzt wird, die der Hälfte der Differenz von der Zeit zwischen den beiden letzten Spannungsnulldurchgängen und der letzten Stromflussdauer entspricht. Ein größerer Phasenwinkel könnte erzielt werden, indem der Einschaltzeitpunkt entsprechend vorverlegt wird.
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Der Prozessor 21 veranlasst dann den Transistortreiber 26 die Transistoren T1 und T4 oder T2 und T3 zu dem berechneten Einschaltzeitpunkt einzuschalten (Aktion 35).
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Des Weiteren berechnet der Prozessor 21 den nächsten Ausschaltzeitpunkt für die nun eingeschalteten Transistoren (Aktion 36). Es versteht sich, dass die Berechnung des Ausschaltzeitpunktes auch bereits vor dem Einschalten der Transistoren erfolgen kann.
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Der Ausschaltzeitpunkt wird so gewählt, dass die vom Benutzer geforderte Leistung erzielt wird. Hierzu wird die geforderte Leistung (= Leistungssollwert) mit der aktuellen Leistung (= Leistungsistwert) verglichen und die aktuelle Dauer des Stromflusses bezogen auf die Periode entsprechend verkürzt oder verlängert. Die aktuelle Leistung lässt sich dabei aus den von dem Spannungsmesser 24 und dem Strommesser 25 gelieferten Werten bestimmen. Für den Vergleich kann beispielsweise ein PI-Regler eingesetzt werden.
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Der Prozessor 21 veranlasst dann den Transistortreiber 26 die Transistoren T1 und T4 oder T2 und T3 zu dem berechneten Ausschaltzeitpunkt auszuschalten (Aktion 37).
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Das Verfahren wird dann mit Aktion 32 für die jeweils anderen beiden Transistoren fortgeführt.
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Ein Sollwert für den Phasenwinkel kann somit nicht nur vor oder zu Beginn der Inbetriebnahme, sondern auch ständig im laufenden Betrieb erfasst werden. Eine erneute Benutzereingabe muss dabei nur erfolgen, wenn der Benutzer die Verwendung eines geänderten Phasenwinkels und/oder einer geänderten Leistung wünscht. Andernfalls kann der zuletzt eingegebene Sollwert für den Phasenwinkel und für die Leistung weiterverwendet werden. Wurde zumindest für den Phasenwinkel nur ein Optimierungsziel vorgegeben, so kann der Prozessor 21 beispielsweise in regelmäßigen Abständen prüfen, ob zum Erreichen des Optimierungsziels eine Aktualisierung des Sollwerts für Phasenwinkel und gegebenenfalls für die Leistung erforderlich ist.
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Mögliche Resultate der beschriebenen Ansteuerung sind in 4a–4c dargestellt. 4a–4c zeigen den Verlauf der Schwingkreisspannung UP und der Grundwelle des Wechselrichterstroms I für verschiedene eingestellte Phasenwinkel.
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Wird beispielsweise eine optimale Ausnutzung der Leistungshalbleiter mit minimalen Schaltverlusten und optimalem Wirkungsgrad gewünscht, so kann ein minimaler Phasenwinkel von Null (cos(phi) = 1) eingestellt werden. Der sich hieraus ergebende Verlauf von Schwingkreisspannung UP und Grundwelle des Stroms I, bei dem Spannung und Strom in Phase sind, ist in 4a dargestellt.
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Wird dagegen beispielsweise eine Anhebung der Schwingkreisspannung über die durch die Zwischenkreisspannung gegebene maximale Ausgangsspannung hinaus gewünscht, so kann ein Phasenwinkel größer Null in kapazitiver Richtung eingestellt werden. Die sich bei zwei verschieden großen Phasenwinkeln größer Null ergebenden Verläufe von Schwingkreisspannung UP und Grundwelle des Stroms I sind in 4b und 4c dargestellt, wobei in 4b der Phasenwinkel so gewählt wurde, dass der Strom I der Spannung UP nur leicht vorauseilt, während in 4c ein größerer Sollwert für den Phasenwinkel dafür sorgt, dass der Strom I der Spannung UP stärker vorauseilt. In beiden Fällen stellt sich ein kapazitiver Betrieb ein.
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Sowohl die Kombination aus dem Prozessor 21 und dem Speicher 22 als auch die gesamte Steuereinheit 20 als auch die Kombination aus der Steuereinheit 20 und dem Umrichter aus 1 können als Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angesehen werden.
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5 bis 7 verdeutlichen die Auswirkung der Auswahl verschiedener Phasenwinkel anhand einer Simulation.
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5 ist ein Schaltbild eines für die Simulation genutzten Umrichtermodells.
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Das Modell umfasst einen Wechselrichter, symbolisiert durch zwei Spannungsquellen V1 und V2. Am Ausgang des Wechselrichters befinden sich in Reihe geschaltet eine Spule L5, ein Widerstand R5 und ein Parallelschwingkreis. Der Parallelschwingkreis umfasst einen Kondensator C5 und parallel dazu in Reihe geschaltet eine Spule L6 und einen den Verbraucher repräsentierenden Ersatzwiderstand R6.
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In dem Schaltbild sind verschiedene Knoten mit den Ziffern 1, 2, 3 und 5 gekennzeichnet. In der Simulation wurde eine jeweilige Spannung immer von einem der Knoten zum Massepunkt '0' gemessen. Im Folgenden wird eine Spannung durch ein V sowie eine Knotennummer bezeichnet. V(1) ist also die Spannung am Schwingkreiskondensator C5 und damit die Schwingkreisspannung. Ein Strom wird durch ein I sowie die Nummern der beiden Knoten gekennzeichnet, zwischen denen der Strom fließt. So ist I(3,5) beispielsweise die Bezeichnung des Stroms von Knoten 3 nach Knoten 5, also der Wechselrichterausgangsstrom.
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6 ist ein Diagram mit Simulationsergebnissen für Amplitudenverhältnisse und 7 ist ein Diagram mit Simulationsergebnissen für Phasenlagen. Auf der X-Achse ist jeweils die Frequenz aufgetragen.
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In 6 zeigt die Kurve MAG(V(3)/I(3,5)) das Verhältnis von Wechselrichterausgangsspannung V(3) zu Wechselrichterausgangsstrom I(3,5), wobei die Diagramme als klassische Frequenzkennlinien (Rode-Diagramme) zu interpretieren sind. Diese Kurve zeigt damit die Lastimpedanz in Abhängigkeit von der Frequenz.
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In 6 zeigt ferner die Kurve MAG(I(3,5)/V(1)) das Verhältnis von Wechselrichterausgangsstrom I(3,5) zu Schwingkreisspannung V(1). Diese Kurve zeigt damit quasi den Aufwand, d. h. den Strom, der notwendig ist um eine bestimmte Lastspannung zu erreichen.
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In 6 zeigt ferner die Kurve MAG(V(1)/V(3)) das Verhältnis von Schwingkreisspannung V(1) zu Wechselrichterausgangsspannung V(3).
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In 6 zeigt ferner die Kurve MAG(I(2,0)/I(3,5)) das Verhältnis von Strom I(2,0) zu Wechselrichterausgangsstrom I(3,5), also die Stromverstärkung.
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In 7 zeigen Kurven PH(V(3)/I(3,5)), PH(I(3,5)/V(1)), PH(V(1)/V(3)) und PH(I(2,0)/I(3,5)) die entsprechenden Phasenlagen der Werte aus 6 in Grad.
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So zeigt beispielsweise die Kurve PH(I(3,5)/V(1)) die Phasenlage zwischen Ausgangsstrom I(3,5) und Schwingkreisspannung V(1). Bei der Frequenz, bei der diese Phasenlage die Null-Linie schneidet, hat die Kurve MAG(V(3)/I(3,5)) in 6 ein Maximum und die Kurve MAG (I(3,5)/V(1)) in 6 ein Minimum. Die Frequenz beträgt hier etwa 2,2 kHz, was dem Resonanzpunkt entspricht.
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Das Maximum der Kurve MAG(V(3)/I(3,5)) in 6 bedeutet also ein Maximum an Lastimpedanz.
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Das Minimum der Kurve MAG(I(3,5)/V(1)) in 6 lässt sich so interpretieren, dass eine optimale Ausnutzung der Leistungshalbleiter erfolgt.
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Bei der gleichen Frequenz zeigt die Kurve MAG(V(1)/V(3)) in 6 ein Verhältnis von Schwingkreisspannung V(1) zu Wechselrichterausgangsspannung V(3) von knapp 1. Aus der Kurve kann man ferner ablesen, dass sich dieses Verhältnis mit steigender Frequenz, d. h. durch Ändern der Phasenlage in kapazitiver Richtung, für eine gewünschte Spannungsüberhöhung theoretisch auf Werte von bis zu 3 steigern ließe.
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Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind, die im Rahmen der Ansprüche auf vielfältige Weise modifiziert und/oder ergänzt werden können. So könnten beispielsweise in den Zuleitungen zu einem Gleichrichter eines Umrichters jeweils Sicherungen und/oder Induktivitäten angeordnet werden. Sicherungen könnten stattdessen auch in den Diodenzweigen eines Gleichrichters angeordnet werden. Des Weiteren könnten für einen Gleichrichter beispielsweise statt sechs Dioden auch mehr Dioden eingesetzt werden. Anstelle von Dioden könnten auch andere Bauelemente, beispielsweise Tyristoren oder andere Halbleiter, eingesetzt werden. In einem Spannungszwischenkreis könnte statt eines Kondensators auch eine beliebige Anzahl parallel geschalteter Kondensatoren eingesetzt werden. Eine Drossel könnte statt mit zwei geteilten Wicklungen auch mit einer einzigen Wicklung ausgeführt sein, die dann nur in einem der Leiter von einem Wechselrichterausgang zum einem Schwingkreis angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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