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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Umrichtereinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist bekannt, Solarenergie zur Speisung eines Umrichters zu nutzen, indem diese in ein Stromversorgungsnetz eingespeist wird und einem Umrichter gleichrichterseitig zugeführt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer hohen Effizienz bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
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Vorteile der Erfindung
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Umrichtereinheit mit zumindest einer Gleichrichtereinheit, die dazu vorgesehen ist, Strom einer Netzquelle, insbesondere zumindest einer Phase, vorteilhaft zumindest dreier Phasen, der Netzquelle, gleichzurichten und in einen Gleichspannungszwischenkreis einzuspeisen, und mit zumindest einer Wechselrichtereinheit, die dazu vorgesehen ist, Strom des Gleichspannungszwischenkreises in Wechselspannung umzuwandeln und einem Verbraucher zuzuführen, gekennzeichnet durch zumindest eine Einspeiseschaltung, die dazu vorgesehen ist, Strom einer Photovoltaikquelle als Einspeisestrom in den Gleichspannungszwischenkreis einzuspeisen. Insbesondere ist die Gleichrichtereinheit als Mehrphasengleichrichter ausgebildet. Insbesondere ist die Gleichrichtereinheit dazu vorgesehen, Spannungen unterschiedlicher Phasen in einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis einzuspeisen. Vorzugsweise ist die Gleichtrichtereinheit dazu vorgesehen, eingangsseitig anliegende Wechselspannung in ausgangsseitige Gleichspannung umzuwandeln. Unter einer „Netzquelle“ soll insbesondere ein Energieversorgungsnetz verstanden werden. Insbesondere weist Strom der Netzquelle eine Spannung von zumindest 100 V, insbesondere zumindest 200 V, und/oder maximal 300 V, vorteilhaft maximal 250 V auf. Insbesondere weist Strom der Netzquelle eine zumindest im Wesentlichen konstante Frequenz von zumindest 30 Hz, insbesondere zumindest 40 Hz, vorteilhaft zumindest 45 Hz und/oder maximal 100 Hz, insbesondere maximal 70 Hz, vorteilhaft maximal 55 Hz auf. Insbesondere weist Strom unterschiedlicher Phasen der Netzquelle einen Phasenversatz von maximal 185 °, insbesondere maximal 125 °, auf. Unter einer „Gleichspannung“ soll insbesondere eine Spannung verstanden werden, die eine Welligkeit aufweist, die geringer ist als 50 %, insbesondere geringer ist als 30 %, vorteilhaft geringer ist als 15 %, vorzugsweise geringer ist als 5 %. Unter einer „Wechselrichtereinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung in zumindest eine Wechselspannung, insbesondere in mehrphasige Wechselspannungen, zu wandeln. Insbesondere ist der Verbraucher als Motor, insbesondere eines Material- und/oder Personentransportmittels, insbesondere einer Rolltreppe und/oder eines Fahrstuhls, ausgebildet. Alternativ sind Ausgestaltungen des Verbrauchers als Pumpe oder andere Einheit, die einen Wechselrichter benötigt, denkbar. Unter einer „Einspeiseschaltung“ soll insbesondere eine Schaltung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine durch zumindest eine Photovoltaikquelle bereitgestellte Leistung in eine von der Wechselrichtereinheit benötigte Form, insbesondere eine Mindestspannung, umzuwandeln. Insbesondere weist die Einspeiseschaltung zumindest eine Eingangsschnittstelle auf, die dazu vorgesehen ist, mit der Photovoltaikquelle verbunden zu werden. Vorteilhaft weist die Einspeiseschaltung zumindest eine Pufferkapazität auf, die insbesondere parallel zur Eingangsschnittstelle geschaltet ist, wodurch insbesondere eine hohe Effizienz und/oder eine gleichmäßige Leistungsentnahme erreicht werden kann. Insbesondere weist die Einspeiseschaltung zumindest ein Schaltelement auf. Insbesondere weist die Einspeiseschaltung zumindest eine Ausgangsschnittstelle auf, die mit Polen des Gleichspannungszwischenkreises verbunden ist. Insbesondere weist die Umrichtereinheit zumindest eine Steuereinheit auf, die dazu vorgesehen ist, eine gewünschte Solleingangsspannung durch Variation von Frequenz und/oder Tastverhältnis eines Ansteuersignals des Schaltelements einzustellen. Insbesondere weist die Einspeiseschaltung zumindest ein Sensorelement auf, das dazu vorgesehen ist, eine Eingangsspannung, die über der Eingangsschnittstelle anliegt, zu bestimmen. Vorteilhaft weist die Einspeiseschaltung zumindest ein Sensorelement auf, das dazu vorgesehen ist, einen der zumindest einen Photovoltaikquelle entnommenen Strom zu messen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, eine Schaltfrequenz und/oder ein Tastverhältnis des Schaltelements zu variieren, um einen optimalen Arbeitspunkt, insbesondere einen Arbeitspunkt mit maximaler Leistung der Photovoltaikquelle, zu finden, wobei die Steuereinheit vorteilhaft dazu vorgesehen ist, ein Überschreiten eines Maximalwerts der Ausgangsspannung, insbesondere 750 V, zu vermeiden. Der vorgegebene Maximalwert ist insbesondere durch verwendete Komponenten der Einspeiseschaltung und/oder der Wechselrichtereinheit und/oder durch einen von der Wechselrichtereinheit betriebenen Verbraucher bestimmt und/oder durch Eingaben eines Bedieners vorgebbar. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
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Es kann insbesondere eine hohe Effizienz erreicht werden. Insbesondere kann eine Bauteilersparnis erreicht werden. Insbesondere kann auf zusätzliche Einheiten, die photovoltaisch gewonnene Energie ins Netz einspeisen und dem Umrichter somit indirekt bereitstellen, verzichtet werden, wodurch Bauteile, Kosten, und/oder elektrische Verluste verringert werden können.
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Vorteilhaft weist die Einspeiseschaltung zumindest einen als Hochsetzsteller ausgebildeten Spannungsumformer auf. Insbesondere weist die Einspeiseschaltung mehrere Spannungsumformer, insbesondere Hochsetzsteller auf, wobei die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, Schaltelemente der Spannungsumformer phasenversetzt, insbesondere mit gleichmäßig verteiltem Phasenabstand, anzusteuern, um einen gleichmäßigen Einspeisestrom zu erreichen. Insbesondere weist der Spannungsumformer zumindest eine Induktivität auf, die dazu vorgesehen ist, durch Schalten des Schaltelements regelmäßig magnetisch geladen und entladen zu werden, wobei durch Eigeninduktivität der Induktivität eine Spannungswandlung stattfindet. Es kann insbesondere ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Insbesondere kann auch bei einer ungenügenden Spannung der Photovoltaikquelle eine Einspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis ermöglicht werden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Einspeiseschaltung zumindest einen als Tiefsetzsteller ausgebildeten Spannungsumformer aufweist, was insbesondere bei Umrichtereinheiten zum Anschluss an nur eine einzelne Phase vorteilhaft ist. Weiterhin ist es denkbar, dass die Einspeiseschaltung sowohl Tiefsetzsteller als auch Hochsetzsteller aufweist, um flexibel an unterschiedliche Photovoltaikquellen und/oder unterschiedliche Anzahlen an Phasen angeschlossen werden zu können.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Einspeiseschaltung zumindest einen Spannungsumformer, insbesondere Hochsetzsteller, aufweist, der einstückig mit einer Bremschopperschaltung des Gleichspannungszwischenkreises ausgebildet ist. Unter einer „Bremschopperschaltung“ soll insbesondere ein Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand eingangsseitige Pole der Wechselrichtereinheit in zumindest eine Richtung, insbesondere eine erste Richtung, die insbesondere entgegen einer in einem Normalbetrieb anliegenden Spannung gerichtet ist, zumindest im Wesentlichen kurzzuschließen und/oder in zumindest eine Richtung, insbesondere eine zweite Richtung, die insbesondere in Richtung einer in einem Normalbetrieb anliegenden Spannung gerichtet ist, mit Kontakten zu verbinden, die dazu geeignet sind, einen Bremswiderstand anzuschließen und/oder an denen ein Bremswiderstand angeschlossen ist. Insbesondere weist die Bremschopperschaltung zumindest ein Gleichrichterelement, insbesondere eine Diode, auf. Vorteilhaft weist die Bremschopperschaltung zumindest ein Schaltelement zur gesteuerten Freigabe eines Bremspfads auf. Insbesondere ist die Bremschopperschaltung dazu vorgesehen, einen Aufbau einer eingangsseitig an der Wechselrichtereinheit anliegenden Spannung, insbesondere aufgrund von induktiven Effekten und/oder Rückkopplungseffekten des Verbrauchers, zu vermeiden. Insbesondere weist die Bremschopperschaltung zumindest ein Sensorelement zu einer Messung einer Spannung über den eingangsseitigen Polen der Wechselrichtereinheit auf. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, im Fall einer Detektion einer Spannung, die einen, insbesondere durch einen Bediener konfigurierbaren, Maximalwert übersteigt, das Schaltelement zu aktivieren, um den Bremspfad freizugeben. Darunter, dass zwei Einheiten „teilweise einstückig“ ausgebildet sind, soll insbesondere verstanden werden, dass die Einheiten zumindest ein, insbesondere zumindest zwei, vorteilhaft zumindest drei gemeinsame Elemente aufweisen, die Bestandteil, insbesondere funktionell wichtiger Bestandteil, beider Einheiten sind. Insbesondere sind Schaltelement und/oder Gleichrichterelement der Bremschopperschaltung Bestandteil der Einspeiseschaltung, insbesondere des Spannungswandlers, vorteilhaft des Hochsetzstellers. Es kann insbesondere eine Bauteilersparnis erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Umrichtereinheit zumindest eine Sensoreinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, zumindest eine Kenngröße, insbesondere zumindest eine Spannung, einen Strom, eine Frequenz und/oder eine Phasenlage, des Gleichspannungszwischenkreises zu messen. Es kann insbesondere eine einfache Steuerung erreicht werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Umrichtereinheit zumindest eine Steuereinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, in Abhängigkeit von zumindest einem Messwert der Sensoreinheit zumindest eine Einspeisekenngröße des Einspeisestroms anzupassen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, eine Schaltfrequenz und/oder ein Tastverhältnis des Schaltelements des Spannungswandlers anzupassen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, bei Überschreiten einer Maximalspannung des Gelichspannungszwischenkreises eine Einspeisung zumindest zu reduzieren, insbesondere zu unterbrechen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, ein Schalten eines Schaltelements des Spannungswandlers einzustellen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, einen Bremswiderstand an die Bremschopperschaltung anzukoppeln und/oder die Photovoltaikquelle und/oder die Induktivität der Einspeiseschaltung zu entkoppeln. Insbesondere kann eine hohe Sicherheit und/oder eine hohe Einspeisequalität erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, mittels Messwerten des Sensorelements ermittelte, vorzugsweise periodische, Schwankungen einer Spannung des Gleichspannungszwischenkreises, die insbesondere durch Überlagerung der Gleichrichtung mehrerer Phasen der Netzquelle und/oder durch Rückkopplungseffekte der Wechselrichtereinheit entstehen, durch Veränderung der Einspeisekenngröße auszugleichen. Insbesondere sind die Schwankungen unmittelbar gemessen, alternativ abgeschätzt durch Messung von Phasenlage, Strom und/oder Spannung der Netzquelle. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, durch Variation von Tastverhältnis und/oder Frequenz zumindest eines Schaltelements der Einspeiseschaltung den Einspeisestrom zu variieren, um ein gegenüber der Schwankung zumindest im Wesentlichen antizyklisches Signal zu erreichen, dass dies Schwankung ausgleicht. Es kann insbesondere eine hohe Effizienz erreicht werden. Insbesondere kann eine geringe Netzrückkopplung erreicht werden. Insbesondere kann eine hohe Einspeisequalität erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Umrichtereinheit zumindest eine Isolationsmesseinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, einen Isolationsgrad zumindest der Einspeiseschaltung zu bestimmen. Insbesondere ist die Isolationsmesseinheit zwischen Kontakte der Eingangsschnittstelle geschaltet, wobei andere Kontaktstellen denkbar sind. Insbesondere weist die Isolationsmesseinheit einen Spannungsteiler auf, der zumindest in einem ersten Zustand spannungshalbierend und/oder zumindest in einem zweiten Zustand asymmetrisch teilend arbeitet, wobei eine Spannung am Mittelabgriff des Spannungsteilers über einen hochohmigen Widerstand gegen Erdpotential gemessen wird. Insbesondere ist die Isolationsmesseinheit dazu vorgesehen, den Isolationsgrad durch Vergleich von Spannungen bei unterschiedlichen Zuständen des Spannungsteilers zu bestimmen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, bei Messung eines Isolationsgrads unter einem vorgegebenen Schwellwert, zumindest einen Betrieb des Spannungsumformers einzustellen und/oder eine Warn- und/oder Fehlermeldung auszugeben. Es kann insbesondere eine hohe Sicherheit erreicht werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Umtrichtereinheit zumindest eine Fehlerstrommesseinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, einen Fehlerstrom zumindest in der Einspeiseschaltung zu detektieren. Unter einem „Fehlerstrom“ soll insbesondere eine von Null abweichende Summe von Strömen verstanden werden, die über die Kontakte einer Schnittstelle, insbesondere der Eingangs- und/oder der Ausgangsschnittstelle, fließen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, eine Aktion auszuführen, insbesondere einen Betrieb einzustellen, wenn der Fehlerstrom und/oder eine, insbesondere spontane, Änderung des Fehlerstroms einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt. Insbesondere weist die Fehlerstrommesseinheit ein Sensorelement, insbesondere ein Magnetfeld- und/oder Induktivsensorelement, auf, das die Summe der Ströme der unterschiedlichen Kontakte gleichzeitig misst. Es kann insbesondere eine hohe Sicherheit erreicht werden.
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Weiterhin wird ein System vorgeschlagen, das dazu vorgesehen ist, eine erfindungsgemäße Umrichtereinheit mittels Rekonfiguration eines bestehenden, insbesondere reprogrammierbaren, Umrichters mittels eines Einspeisemoduls und eines Softwaremoduls bereitzustellen.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Umrichtereinheit und
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2 ein erfindungsgemäßes System zur Rekonfiguration eines herkömmlichen Umrichters.
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1 zeigt einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Umrichtereinheit 10. Die Umrichtereinheit 10 weist eine Wechselrichtereinheit 12 zur Versorgung eines ausgangsseitigen Verbrauchers 14 von eingangsseitig, in einem Gleichspannungszwischenkreis 18, anliegender Gleichspannung auf. Die Wechselrichtereinheit 12 ist als Dreiphasenwechselrichter ausgebildet und weist eine B6-Konfiguration von Halbleiterschaltelementen auf. Weiterhin weist die Umrichtereinheit 10 eine Gleichrichtereinheit 16 zur Gleichrichtung von Strom dreier eingangsseitig anliegender Phasen 41, 42, 43 einer Netzquelle 40 und zur Einspeisung dieses Stroms in den Gleichspannungszwischenkreis 18 auf. Ausgangsseitige Pole der Gleichrichtereinheit 16 sind über den Gleichspannungszwischenkreis 18 mit eingangsseitigen Polen der Wechselrichtereinheit 12 verbunden. Die Gleichrichtereinheit 16 weist eine B6-Konfiguration von als Dioden ausgebildeten Gleichrichterelementen mit vorgeschalteten Drosselspulen auf. Weiterhin weist die Gleichrichtereinheit 16 eine Vorladeschaltung auf, um eine an dem Gleichspannungszwischenkreis 18 angeordnete Pufferkapazität vor Betriebsbeginn langsam über Widerstände zu laden, bevor die Pufferkapazität direkt an die Gleichrichtereinheit angekoppelt wird. Die Pufferkapazität ist hierbei Teil der Wechselrichtereinheit 12 und nicht explizit dargestellt.
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Die Umrichtereinheit 10 weist eine Bremschopperschaltung 20 auf, die eingangsseitig zwischen zwei Pole der Wechselrichtereinheit 12 geschaltet ist. Die Bremschopperschaltung 20 ist von einer Reihenschaltung eines als Diode ausgebildeten Gleichrichterelements 22 und einem Schaltelement 24 gebildet. Das Schaltelement 24 ist von einem Leistungstransistor gebildet. Weiterhin weist die Umrichtereinheit 10 eine Einspeiseschaltung 30 auf, die dazu vorgesehen ist, Energie von einer Photovoltaikquelle 32 als Einspeisestrom in den Gleichspannungszwischenkreis 18 einzuspeisen und somit der Wechselrichtereinheit 12 eingangsseitig bereitzustellen. Die Einspeiseschaltung 30 weist eine Eingangsschnittstelle 31 zum Anschluss der Photovoltaikquelle 32 auf. Weiterhin weist die Einspeiseschaltung 30 eine Pufferkapazität 33 auf, die zwischen die Kontakte der Eingangsschnittstelle 31 geschaltet ist. Die Einspeiseschaltung 30 ist als Hochsetzsteller ausgebildet. Die Einspeiseschaltung 30 und die Bremschopperschaltung 20 sind einstückig ausgebildet und weisen ein gemeinsames Schaltelement 24 und ein gemeinsames Gleichrichterelement 22 auf. Die Bremschopperschaltung 20 ist komplett von Elementen gebildet, die Teil der Einspeiseschaltung 30 sind.
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Die Umrichtereinheit 10 weist eine Steuereinheit 26 zur Steuerung und/oder Regelung der Einspeiseschaltung 30 und der Bremschopperschaltung 20 auf. Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, in einem Betriebszustand das Schaltelement 24 zu einer Einstellung eines Arbeitspunkts der Photovoltaikquelle 32 anzusteuern und in einem anderen Betriebszustand das Schaltelement 24 zu einer Freigabe des Bremspfads zu aktivieren. Die Steuereinheit 26 ist weiterhin dazu vorgesehen, die Wechselrichtereinheit 12 zu steuern.
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Die Umrichtereinheit 10 weist eine Sensoreinheit 50 auf. Die Sensoreinheit 50 weist ein erstes Sensorelement 51 auf, das dazu vorgesehen ist, eine eingangsseitige Spannung der Wechselrichtereinheit 12, also eine Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 18, zu messen. Weiterhin weist die Sensoreinheit 50 ein zweites Sensorelement 52 auf, das dazu vorgesehen ist, eine Spannung über der Eingangsschnittstelle 31 der Einspeiseschaltung 30 zu messen. Die Sensoreinheit 50 weist ein drittes Sensorelement 53 auf, das dazu vorgesehen ist, einen der Photovoltaikquelle 32 entnommenen Strom zu messen.
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Die Einspeiseschaltung 30 weist eine Induktivität 34 auf, die zwischen dem Schaltelement 24 und der Pufferkapazität 33 angeordnet ist. Die Induktivität 34 bildet mit dem Schaltelement 24, dem dritten Sensorelement 53 und der Photovoltaikquelle 32 und/oder der Pufferkapazität 33 einen geschlossenen Stromkreis. Ein erster Pol des Schaltelements 24 ist an einen zweiten eingangsseitigen Pol der Wechselrichtereinheit 12 angeschlossen. Ein zweiter Pol des Schaltelements 24 ist an einen Pol der Induktivität 34 und einen ersten Pol des Gleichrichterelements 22 angeschlossen. Ein zweiter Pol des Gleichrichterelements 22 ist an einen ersten Pol der Wechselrichtereinheit 12 angeschlossen.
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Bei einem Betrieb der Einspeiseschaltung 30 wird der das Schaltelement 24 und die Pufferkapazität 33 bzw. die Photovoltaikquelle 32 aufweisende geschlossene Stromkreis mittels des Schaltelements 24 regelmäßig getrennt und verbunden. Im verbundenen Zustand wird die Induktivität 34 aufgrund der Kurzschlusswirkung magnetisch aufgeladen und im getrennten Zustand gibt die Induktivität 34 die aufgeladene Energie aufgrund von Selbstinduktion mit erhöhter Spannung in den Gleichspannungszwischenkreis 18 ab. Die Abgabe erfolgt polungsgleich zur Einspeisung der Gleichrichtereinheit 16.
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Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, eine Kenngröße der Einspeiseschaltung 30 an eine durch die Sensoreinheit 50 gemessene Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 18 anzupassen. Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, eine Frequenz der Ansteuerung des Schaltelements 24 der Einspeiseschaltung 30 zu variieren, damit diese ein Kompensationssignal erzeugt, so dass eine eingangsseitig an der Wechselrichtereinheit 12 anliegende Spannung zumindest im Wesentlichen konstant ist. Die Steuereinheit 26 ist dazu vorgesehen, durch das Sensorelement 51 gemessene Spannungsschwankungen, insbesondere Oberwellen, die durch Gleichrichterüberlagerung auftreten, mittels Variation der Frequenz des Schaltelements 24 der Einspeiseschaltung 30 auszugleichen. Ein Teil des Kompensationssignals weist hierbei eine Frequenz auf, die einem Vielfachen, im Fall eines Dreiphasengleichrichters einem sechsfachen, der Frequenz der Phasen 41, 42, 43 der Netzquelle 40 entspricht, wodurch Oberwellen unterdrückt werden.
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Um eine Synchronisation des Kompensationssignals und zumindest der periodischen Spannungsschwankungen sicherzustellen, wird das Kompensationssignal regelmäßig unterbrochen, um eine Phasenlage der Spannungsschwankungen neu auszumessen und das Kompensationssignal entsprechend anzupassen.
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Alternativ ist es denkbar, dass die Sensoreinheit zumindest ein Sensorelement aufweist, das zumindest eine Frequenz, Phasenlage, Stromstärke und/oder Spannung zumindest einer Phase der an die Gleichrichtereinheit angeschlossenen Netzquelle misst, wobei die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, aus diesen Messwerten ein Kompensationssignal zu ermitteln, und entsprechend über die Einspeiseschaltung einzuspeisen.
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Weiterhin ist die Steuereinheit 26 dazu vorgesehen, bei Detektion einer Überspannung, beispielsweise einer Spannung über 750 V, beispielsweise durch Rückkopplung aus dem Verbraucher 14, eine Taktung des Schaltelements 24 zu stoppen und damit eine Einspeisung zu stoppen oder zumindest zu begrenzen.
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Die Umrichtereinheit 10 weist weiterhin eine Isolationsmesseinheit 54 auf, die dazu vorgesehen ist, einen Isolationsgrad zumindest der Einspeiseschaltung 30 und der Photovoltaikquelle 32 zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Isoaltionsmesseinheit zu einer Bestimmung eines Isolationsgrads der Wechselrichtereinheit 12 und/oder des Verbrauchers 14 vorgesehen ist. Die Vorladeschaltung und/oder eine weitere Trennschaltung sind dazu vorgesehen, zu einer Isolationsmessung eine, vorzugsweise galvanische, Trennung des Zwischenkreises von der Netzquelle 40, insbesondere eine Trennung des Zwischenkreises von der Gleichrichtereinheit 16 durchzuführen.
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Die Umrichtereinheit 10 weist eine Fehlerstrommesseinheit 55 auf, die dazu vorgesehen ist, einen Fehlerstrom zumindest in der Einspeiseschaltung 30 zu detektieren. Die Fehlerstrommesseinheit 55 misst einen Differenzstrom zwischen den Leitungen, die die Pufferkapazität 33 und die Induktivität 34 der Einspeiseschaltung 30 mit dem Schaltelement 24 der Einspeiseschaltung 30 verbinden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Fehlerstrommesseinheit 55 einen Differenzstrom über der Eingangsschnittstelle 31 oder über eingangsseitigen Kontakten der Wechselrichtereinheit 12 misst.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Umrichtereinheit zumindest einen Bremswiderstand aufweist, der insbesondere über ein zusätzliches Schaltelement, parallel zum Gleichrichterelement des Bremspfads geschaltet ist, wobei vorteilhaft das zusätzliche Schaltelement als Wechselschalter ausgebildet ist, der entweder den Bremswiderstand oder die Induktivität an das Gleichrichterelement und das Schaltelement anschließt. Vorteilhaft ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, bei Auftreten einer Überspannung die Photovoltaikquelle von dem Gleichspannungszwischenkreis zu trennen und den Bremswiderstand zum Abbau der Überspannung anzukoppeln, wobei eine Verbindung über das Schaltelement des Bremspfads aktiv geschaltet ist.
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In weiteren Ausgestaltungen ist es denkbar, dass die Wechselrichtereinheit und/oder die Gleichrichtereinheit für eine abweichende Anzahl an Phasen ausgelegt sind und/oder von anderem Typ sind. Weiterhin ist es denkbar, dass mehr als eine Wechselrichtereinheit zur Versorgung jeweils zumindest eines Verbrauchers an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind. Ferner ist es denkbar, dass mehrere Eingangschnittstellen zum Anschluss mehrerer Photovoltaikquellen vorhanden sind, wobei diese Eingangsschnittstellen insbesondere jeweils zumindest eine eigene Einspeiseschaltung aufweisen.
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Weiterhin sind Ausgestaltungen denkbar, in denen die Bremschopperschaltung, die Teil der Einspeiseschaltung ist, von einer Halbbrückenschaltung, insbesondere einer MOSFET-Halbbrücke, insbesondere in Kombination mit Gleichrichterelement, gebildet ist. In einer derartigen Ausgestaltung ist es weiterhin denkbar, die Einspeiseschaltung bzw. die Bremschopperschaltung bidirektional zu verwenden. Insbesondere wird diese in einem dritten Betriebsmodus verwendet, um einen, insbesondere einen mechanischen und/oder elektrochemischen, Energiespeicher von der Photovoltaikquelle zu speisen, um überschüssige Energie zwischenzuspeichern.
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Weiterhin sind Ausgestaltungen denkbar, die mehrere Bremschopperschaltungen aufweisen, die jeweils Teil unterschiedlicher Einspeiseschaltungen sind, wobei die Einspeiseschaltungen vorteilhaft jeweils separate Induktivitäten aufweisen. Vorteilhaft werden die Einspeiseschaltungen phasenversetzt angesteuert, um eine Energieentnahme aus der Photovoltaikquelle zu stabilisieren.
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Weiterhin ist eine Ausgestaltung denkbar, wonach die Umrichtereinheit zumindest einen zu der Bremschopperschaltung separaten Spannungswandler aufweist.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a an die Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in 2 angefügt. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 verwiesen werden.
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2 zeigt einen herkömmlichen reprogrammierbaren Umrichter 11a, der mit einem Einspeisemodul 13a und einem Softwaremodul 27a zu einer erfindungsgemäßen Umrichtereinheit 10a rekonfiguriert ist. Das Softwaremodul 27a ersetzt und/oder erweitert ein vorhandenes Betriebsprogramm einer Steuereinheit 26a des Umrichters 11a.
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Der Umrichter 11a weist eine Gleichrichtereinheit 16a auf, die dazu vorgesehen ist, Strom einer Netzquelle 40a gleichzurichten und in einen Gleichspannungszwischenkreis 18a einzuspeisen. Der Umrichter 11a weist eine Wechselrichtereinheit 12a auf, die dazu vorgesehen ist, Strom dem Gleichspannungszwischenkreis 18a zu entnehmen, in einen Wechselstrom zu wandeln und einem Verbraucher 14a zuzuführen. Die Steuereinheit 26a steuert die Wechselrichtereinheit 12a an. Weiterhin steuert die Steuereinheit 26a die Gleichrichtereinheit 16a. Der Umrichter 11a weist eine Bremschopperschaltung 20a auf. Die Bremschopperschaltung 20a ist von einem Schaltelement 24a und einem als Diode ausgebildeten Gleichrichterelement 22a gebildet, die in Reihe zwischen Eingangskontakte der Wechselrichtereinheit 12a geschaltet sind. Kontakte der Bremschopperschaltung 20a bilden eine Erweiterungsschnittstelle 62a aus. Die Steuereinheit 26a weist Steuereingänge 66a auf.
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Das Einspeisemodul 13a weist eine Eingangsschnittstelle 31a zum Anschluss einer Photovoltaikquelle 32a auf. Weiterhin weist das Einspeisemodul 13a eine Pufferkapazität 33a auf, die zwischen Kontakte der Eingangsschnittstelle 31a geschaltet ist. Das Einspeisemodul 13a weist eine Induktivität 34a auf, die zwischen einem ersten Kontakt der Eingangsschnittstelle 31a und einem ersten Kontakt einer Ausgangsschnittstelle 60a des Einspeisemoduls 13a geschaltet ist. Weiterhin sind zweite Kontakte der Eingangsschnittstelle 31a und der Ausgangsschnittstelle 60a miteinander verbunden. Das Einspeisemodul 13a weist Sensorelemente 52a, 53a auf. Ein erstes der Sensorelemente 52a ist als Spannungssensor ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, eine Spannung über der Eingangsschnittstelle 31a zu messen. Ein zweiter der Sensorelemente 53a ist als Stromsensor ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, einen Einspeisestrom zu messen, der über die Kontakte der Ausgangsschnittstelle 60a ausgegeben wird. Signale der Sensorelemente 52a, 53a werden an eine Sensorschnittstelle 64a geleitet.
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Die Kontakte der Erweiterungsschnittstelle 62a des Umrichters 11a sind dazu vorgesehen, mit Kontakten der Ausgangsschnittstelle 60a verbunden zu werden. Kontakte der Steuereingänge 66a sind dazu vorgesehen, mit Kontakten der Sensorschnittstelle 64a verbunden zu werden.
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Die Induktivität 34a des Einspeisemoduls 13a und die Bremschopperschaltung 20a des Umrichters 11a bilden gemeinsam eine Einspeiseschaltung 30a aus, wobei das Softwaremodul 27a dazu vorgesehen ist, ein Betriebsprogramm der Steuereinheit 26a derart anzupassen, so dass die Steuereinheit 26a das Schaltelement 24a in Abhängigkeit von über die Steuereingänge 66a bezogenen Daten ansteuert. Die Steuereinheit 26a ist dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von Messwerten der Sensorelemente 52a, 53a des Einspeisemoduls 13a eine Schaltfrequenz des Schaltelements 24a festzulegen und/oder zu regeln.
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In weiteren Ausgestaltungen ist es denkbar, dass entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 1 das Ausführungsbeispiel nach 2 über eine Isolationsmesseinheit und/oder eine Fehlerstrommesseinheit verfügt. Vorteilhaft sind diese Einheiten in das Einspeisemodul integriert und über die Sensorschnittstelle 64a mit der Steuereinheit 26a verbunden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Einspeisemodul über eine separate Steuereinheit und/oder zumindest einen von der Bremschopperschaltung separat ausgebildeten Spannungswandler verfügt, was insbesondere bei einer Rekonfiguration eines alten und/oder nicht umprogrammierbaren Umrichters von Vorteil ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Umrichtereinheit
- 11
- Umrichter
- 12
- Wechselrichtereinheit
- 13
- Einspeisemodul
- 14
- Verbraucher
- 16
- Gleichrichtereinheit
- 18
- Gleichspannungszwischenkreis
- 20
- Bremschopperschaltung
- 22
- Gleichrichterelement
- 24
- Schaltelement
- 26
- Steuereinheit
- 27
- Softwaremodul
- 30
- Einspeiseschaltung
- 31
- Eingangsschnittstelle
- 32
- Photovoltaikquelle
- 33
- Pufferkapazität
- 34
- Induktivität
- 40
- Netzquelle
- 41
- Phasen
- 42
- Phasen
- 43
- Phasen
- 50
- Sensoreinheit
- 51
- Sensorelement
- 52
- Sensorelement
- 53
- Sensorelement
- 54
- Isolationsmesseinheit
- 55
- Fehlerstrommesseinheit
- 60
- Ausgangsschnittstelle
- 62
- Erweiterungsschnittstelle
- 64
- Sensorschnittstelle
- 66
- Steuereingänge
