DE102014102000B3

DE102014102000B3 - Verfahren zum Betreiben eines blindleistungsfähigen Wechselrichters mit Polwender und blindleistungsfähiger Wechselrichter mit Polwender

Info

Publication number: DE102014102000B3
Application number: DE102014102000.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Friebe; Oliver Prior
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: Solarnative GmbH
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2034-02-19
Also published as: EP3108561B1; CN105917569A; JP6434527B2; WO2015124221A1; US9793812B2; US20160359415A1; JP2017506058A; EP3108561A1; CN105917569B

Abstract

Beim Betreiben eines blindleistungsfähigen Wechselrichters (1) mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler (31), einem Spannungszwischenkreis (7) und einem Polwender (17), wobei die beiden Pole (8, 9) des Spannungszwischenkreises (7) mittels des Polwenders (17) wechselweise mit zwei Anschlüssen (18, 19) eines Wechselstromausgangs (20) verbindbar sind, um die Polarität des Wechselstromausgangs (20) gegenüber dem Spannungszwischenkreis (7) zu wechseln, wird bei einer Phasenverschiebung zwischen Wechselstrom (I) und Wechselspannung (U) an dem Wechselstromausgang (20) die Richtung eines über den Spannungszwischenkreis (7) fließenden Stroms umgekehrt, wenn mit dem Polwender (17) zwischen den Halbwellen der Wechselspannung die Polarität des Wechselstromausgangs (20) gegenüber dem Spannungszwischenkreis (7) gewechselt wird. Das Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis (7) fließenden Stroms umfasst bei der Wechselspannung (U) an dem Wechselstromausgang (20) nacheilendem Wechselstrom (I), dass der Wechselstromausgang (20) von dem Spannungszwischenkreis (7) getrennt wird, dass ein Freilaufpfad zwischen den beiden Anschlüssen (18, 19) des Wechselstromausgangs (20) bereitgestellt wird, während der Wechselstromausgang (20) von dem Spannungszwischenkreis (7) getrennt ist, und dass der Spannungszwischenkreises (7) bei mit dem Polwender (17) gewechselter Polarität des Wechselstromausgangs (20) gegenüber dem Spannungszwischenkreis (7) wieder mit dem Wechselstromausgang (20) verbunden wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines blindleistungsfähigen Wechselrichters mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler, einem Spannungszwischenkreis und einem Polwender, das die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen blindleistungsfähigen Wechselrichter mit einem DC/DC-Wandler, einem Spannungszwischenkreis und einem Polwender sowie den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11.
STAND DER TECHNIK
Um einen Wechselrichter mit wenigen hochfrequent getakteten Schaltern aufzubauen, der dennoch in der Lage ist, einen sinusförmigen Wechselstrom zu formen, ist es bekannt, einen DC/DC-Wandler mit einem Polwender zu kombinieren. In dieser Kombination formt der DC/DC-Wandler Halbwellen des Wechselstroms, und der Polwender verbindet zwei Wechselstromanschlüsse des Wechselrichters mit wechselnder Polarität mit den Ausgängen des DC/DC-Wandlers oder den Polen eines zwischengeschalteten Spannungszwischenkreises. Das Wechseln der Polarität erfolgt bei jedem Nulldurchgang einer von extern an den Wechselstromanschlüssen anliegenden Wechselspannung. In der Regel ist dies die Wechselspannung eines Wechselstromnetzes, in das mit dem Wechselrichter elektrische Energie von einem Gleichstromgenerator eingespeist wird.
Um einen derartigen Wechselrichter mit einem DC/DC-Wandler und einem Polwender blindleistungsfähig zu machen, sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Diese Maßnahmen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen.
Bei den Maßnahmen der ersten Gruppe wird der Strom mit dem DC/DC-Wandler zwar immer nur in Richtung der externen Wechselspannung ausgegeben, aber mit einer Verschiebung des Schwerpunkts seiner Stromzeitfläche gegenüber dem Schwerpunkt der Spannungszeitfläche während jeder Halbwelle der Wechselspannung. Dies ist beispielsweise in der DE 10 2010 035 020 A1 beschrieben. Zur Realisation dieser Maßnahme ist ein unidirektionaler DC/DC-Wandler ausreichend. Sinnvoll können auf diese Weise aber nur kleine Phasenverschiebungswinkel zwischen dem ausgegebenen Wechselstrom und der externen Wechselspannung realisiert werden. Der ausgegebene Wechselstrom wird mit größer werdendem Phasenverschiebungswinkel zunehmend gegenüber der gewünschten Sinusform deformiert und weist entsprechend einen mit dem Phasenverschiebungswinkel ansteigenden Klirrfaktor auf. Ein hoher Klirrfaktor weist darauf hin, dass ein Signal einen ausgeprägten Oberwellenanteil aufweist, von dem elektromagnetische Störungen ausgehen können.
Bei der zweiten Gruppe der Maßnahmen wird der DC/DC-Wandler bidirektional ausgebildet, so dass er den Strom auch in entgegengesetzter Richtung zu der momentanen Spannung an dem Wechselstromausgang fließen lassen kann. So ist aus der DE 10 2009 029 387 A1 ein Wechselrichter, insbesondere ein Solarzelleninverter einer Photovoltaikanlage, bekannt, bei dem eine Halbleiter-Brückenschaltung als Polwender mit einem DC/DC-Wandler in Form eines als Vierquadrantenstellers ausgebildeten Gleichstromstellers kombiniert ist. Der Gleichstromsteller kann insbesondere eine Kombination aus einem Tiefsetzsteller und einem Hochsetzsteller oder einen Hochtiefsetzsteller mit gemeinsamer Induktivität aufweisen.
Bei Betrieb eines Wechselrichters mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler und einem Polwender zur Bereitstellung von Blindleistung, d. h. bei einer Phasenverschiebung zwischen Wechselstrom und Wechselspannung an dem Wechselstromausgang des Wechselrichters, muss jedoch die Richtung des durch den DC/DC-Wandler fließenden Stroms umgekehrt werden, wenn der Polwender zwischen den Halbwellen der Wechselspannung die Polarität wechselt. Dies stellt bei einem Wechsel von einem gegenüber der momentanen Spannung negativen Strom zu einem positiven Strom in der Regel kein Problem dar, weil hierfür die Eingangsgleichspannung einer an den Gleichstromeingang angeschlossenen Gleichstromquelle als treibende Kraft wirkt. Anders verhält es sich jedoch beim Wechsel von einem im Vergleich zu der momentanen Spannung an dem Wechselstromausgang positiven Strom zu einem negativen Strom. Dies ist durch die im Nulldurchgang der Wechselspannung nur sehr kleine momentane Spannung an dem Wechselstromausgang begründet. Mit ihr kann eine zur Richtungsumkehr des Stroms durch eine Induktivität des DC/DC-Wandlers benötigte Spannungszeitfläche nur über einen vergleichsweise langen Zeitraum aufgebaut werden. Diese Zeit wirkt sich als Einbruch des Stroms und entsprechend als Abweichung von dem gewünschten sinusförmigen Verlauf des von dem Wechselrichter ausgegebenen Wechselstroms aus. Ein hoher Klirrfaktor des ausgegebenen Wechselstroms ist die Folge.
Diese Problematik wird in der DE 10 2009 029 387 A1 nicht angesprochen.
Auch aus der CN 103208935 A ist die Kombination eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers mit einem Polwender zur Bereitstellung von Blindleistung bekannt.
Gemäß der CH 700 030 B1 ist ein mit einem Polwender kombinierter bidirektionaler DC/DC-Wandler in einen Tiefsetzsteller und einen Hochsetzsteller unterteilt, die einen symmetrischen Aufbau mit Induktivitäten zwischen beiden Polen eines Eingangsanschlusses und einem Spannungszwischenkreis aufweisen, wobei diese Induktivitäten sowohl von dem Tiefsetzsteller als auch von dem Hochsetzsteller genutzt werden. Auch hier wird auf den hohen Klirrfaktor des ausgegebenen Wechselstroms beim Bereitstellen von Blindleistung nicht eingegangen.
Die WO 2013/134904 A1 beschreibt einen Wechselrichter mit einem symmetrisch aufgebauten Hochtiefsetzsteller und einem Polwender.
Die WO 2012/146414 A2 beschreibt ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11. Dabei ist ein bidirektionaler DC/DC-Wandler in Form eines Hochtiefsetzstellers mit einem Polwender zu einem blindleistungsfähigen Wechselrichter kombiniert. Um Schwierigkeiten beim Ändern der Richtung des über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms bei einem negativen Phasenverschiebungswinkel zwischen Wechselstrom und Wechselspannung, d. h. bei einem der Wechselspannung nacheilenden Wechselstrom, zu umgehen, wird ein Sprung im Sollverlauf des Stroms durch die Drossel des Hochtiefsetzstellers vermieden. Dazu wird der Sollverlauf des Stroms so modifiziert, dass er im Nulldurchgang der Wechselspannung ebenfalls einen Nulldurchgang aufweist. Die resultierende Abweichung des ausgegebenen Stroms von dem gewünschten sinusförmigen Verlauf resultiert auch hier in einem hohen Klirrfaktor.
Die JP 2002 369388 A offenbart die Kombination eines bidirektionalen Hochsetzstellers mit einer Wechselrichterbrücke, bei der zumindest im Nulldurchgang der Spannung wenigstens zwei Schalter der Wechselrichterbrücke neben zwei Schaltern des Hochsetzstellers zur Formung des Wechselstroms hochfrequent getaktet werden. Die Wechselrichterbrücke ist somit kein reiner Polwender, dessen Brückenschalter nur mit niedriger Frequenz von der Größenordnung der Frequenz des ausgegebenen Wechselstroms getaktet werden.
Aus der WO 2011/042567 A1 ist ein blindleistungsfähiger Wechselrichter bekannt, der zwei Hochtiefsetzsteller umfasst, deren Drosseln jeweils mit einem der beiden Anschlüsse eines Wechselstromausgangs verbunden sind. Dabei werden die beiden Hochtiefsetzsteller wechselweise für eine Halbwelle des ausgegebenen Wechselstroms gebrückt. Blindleistung mit einem von null abweichenden Phasenverschiebungswinkel des ausgegebenen Wechselstroms wird durch blockweises Ausgeben von reiner Wirkleistung und reiner Blindleistung über jeweils eine Periode oder mehrere Perioden der Wechselspannung realisiert.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines blindleistungsfähigen Wechselrichters mit einem mindestens eine Speicherdrosseleinrichtung aufweisenden bidirektionalen DC/DC-Wandler und einem Polwender sowie einen entsprechenden Wechselrichter bereitzustellen, bei denen der ausgegebene Wechselstrom, auch wenn er der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang mit einem großen negativen Phasenverschiebungswinkel nacheilt, einen geringen Klirrfaktor aufweist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Wechselrichters sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines blindleistungsfähigen Wechselrichters mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler, einem Spannungszwischenkreis und einem Polwender, wobei die beiden Pole des Spannungszwischenkreises mittels des Polwenders wechselweise mit zwei Anschlüssen eines Wechselstromausgangs verbindbar sind, um die Polarität des Wechselstromausgangs gegenüber dem Spannungszwischenkreis zu wechseln, wird bei einer Phasenverschiebung zwischen Wechselstrom und Wechselspannung an dem Wechselstromausgang, also zur Bereitstellung von Blindleistung, die Richtung eines über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms umgekehrt, wenn mit dem Polwender zwischen den Halbwellen der Wechselspannung die Polarität des Wechselstromausgangs gegenüber dem Spannungszwischenkreis gewechselt wird. Das Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms umfasst bei der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang nacheilendem Wechselstrom, d. h. bei einem negativen Phasenverschiebungswinkel zwischen Wechselstrom und Wechselspannung an dem Wechselstromausgang, dass der Wechselstromausgang von dem Spannungszwischenkreis getrennt wird, dass ein Freilaufpfad zwischen den beiden Anschlüssen des Wechselstromausgangs bereitgestellt wird, während der Wechselstromausgang von dem Spannungszwischenkreis getrennt ist, und dass der Wechselstromausgang bei mit dem Polwender gewechselter Polarität des Wechselstromausgangs gegenüber dem Spannungszwischenkreis wieder mit dem Spannungszwischenkreis verbunden wird.
Die Bidirektionalität des DC/DC-Wandlers kann durch mindestens einen bidirektionalen (Teil-)Wandler oder durch mindestens zwei antiparallel geschaltete unidirektionale Teilwandler bereitgestellt werden. Grundsätzlich reicht es dabei, dass die Bidirektionalität in Bezug auf den Spannungszwischenkreis gegeben ist, d. h. dass der DC/DC-Wandler den Strom in beiden Richtungen über den Spannungszwischenkreis fließen lassen kann. So müssen zum Beispiel zwei antiparallel geschaltete unidirektionale Teilwandler auf ihrer dem Spannungszwischenkreis abgekehrten Seite nicht miteinander verbunden sein. Vielmehr kann zumindest einer der Teilwandler dort ausschließlich an einen Zwischenspeicher für elektrische Energie angeschlossen sein.
Der über den Spannungszwischenkreis fließende Strom ist der Strom, der von dem DC/DC-Wandler über den Spannungszwischenkreis hinweg und durch den Polwender zu dem Wechselstromausgang fließt. Anteile dieses Stroms die bei seiner Glättung durch einen Zwischenkreiskondensator des Spannungszwischenkreises in den bzw. aus dem Zwischenkreiskondensator fließen, bleiben dabei unbeachtet.
Durch das Trennen des Wechselstromausgangs von dem Spannungszwischenkreis und das Bereitstellen des Freilaufpfads zwischen den beiden Anschlüssen des Wechselstromausgangs zumindest während dieser Trennung kann der Wechselstrom am Wechselstromausgang über den Freilaufpfad weiter fließen, wobei er durch ausgangsseitig vorhandene, stromdurchflossene Induktivitäten aufrecht erhalten wird. Der Wechselstrom wird so nicht durch die Maßnahmen beeinträchtigt, die insbesondere bei der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang nacheilendem Wechselstrom zum Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms ergriffen werden müssen, wenn mit dem Polwender zwischen den Halbwellen der Wechselspannung die Polarität des Wechselstromausgangs gegenüber dem Spannungszwischenkreis gewechselt wird. Diese Maßnahmen wirken sich damit nicht in einem erhöhten Klirrfaktor des Wechselstroms aus.
Zum Trennen des Wechselstromausgangs von dem Spannungszwischenkreis reicht grundsätzlich eine einpolige Trennung aus, weil bereits diese einen Stromfluss von dem Spannungszwischenkreis zu dem Wechselstromausgang und umgekehrt verhindert.
Der Freilaufpfad für den Wechselstrom kann durch eine Kapazität zwischen den beiden Anschlüssen des Wechselstromausgangs bereitgestellt werden, d. h. der Freilaufpfad muss die beiden Anschlüssen des Wechselstromausgangs nicht galvanisch miteinander verbinden. Eine für den Freilaufpfad geeignete Kapazität zwischen den beiden Anschlüssen des Wechselstromausgangs kann durch einen bereits vorhandenen Filterkondensator oder einen zusätzlichen Kondensator zwischen den beiden Anschlüssen des Wechselstromausgangs bereitgestellt werden.
Der Freilaufpfad kann aber auch durch Kurzschließen der beiden Anschlüsse des Wechselstromausgangs bereitgestellt werden, d. h. indem diese direkt miteinander verbunden werden. Auch ein hartes Kurzschließen der beiden Anschlüsse des Wechselstromausgangs ist angesichts der zu diesem Zeitpunkt nur geringen Spannung an dem Wechselstromausgang unkritisch.
Das Trennen des Wechselstromausgangs von dem Spannungszwischenkreis und das Bereitstellen des Freilaufpfads für den Wechselstrom können optional auch beim Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms bei der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang voreilendem Wechselstrom erfolgen. Erfindungsgemäß erfolgen sie zumindest wenn der Wechselstrom der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang nacheilt.
Als Polwender wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt eine Umklappbrücke verwendet. Dabei erfolgt das Trennen des Wechselstromausgangs von dem Spannungszwischenkreis vorzugsweise durch Öffnen von Brückenschaltern des Polwenders. Ebenso werden die Anschlüsse des Wechselstromausgangs beim Umkehren der Richtung des Stroms über den Spannungszwischenkreis vorzugsweise über Brückenschalter des Polwenders kurzgeschlossen.
Konkret können zum Trennen des Wechselstromausgangs von dem Spannungszwischenkreis und zum Kurzschließen der Anschlüsse des Wechselstromausgangs zwei Brückenschalter des Polwenders, die mit demselben Pol des Spannungszwischenkreises verbunden sind, geöffnet werden, während die beiden anderen Brückenschalter des Polwenders geschlossen werden. Dabei können zuvor bereits geöffnete oder geschlossene Brückenschalter des Polwenders geöffnet oder geschlossen bleiben. Ebenso reicht es zum anschließenden Wiederverbinden des Wechselstromausgangs mit dem Spannungszwischenkreis bei mit dem Polwender gewechselter Polarität des Wechselstromausgangs gegenüber dem Spannungszwischenkreis aus, einen der zuvor geöffneten Brückenschalter zu schließen und einen der zuvor geschlossenen Brückenschalter des Polwenders zu öffnen.
In einer konkreten Ausführungsform betrifft das erfindungsgemäße Verfahren das Betreiben eines blindleistungsfähigen Wechselrichters mit einem mindestens eine Speicherdrosseleinrichtung aufweisenden bidirektionalen DC/DC-Wandler, dem Spannungszwischenkreis und dem Polwender. Dabei ist ein Anschluss der Speicherdrosseleinrichtung über einen Schalter mit einem Pol eines Gleichstromeingangs verbindbar. Ein anderer Anschluss der Speicherdrosseleinrichtung ist mit einem Pol des Spannungszwischenkreises verbunden; und der eine oder ein weiterer, an dieselbe Wicklung der Speicherdrosseleinrichtung wie der andere Anschluss angeschlossene(r) Anschluss der Speicherdrosseleinrichtung ist über ein Schaltelement mit dem anderen Pol des Spannungszwischenkreises verbindbar.
Dass der Anschluss der Speicherdrosseleinrichtung über einen Schalter mit einem Pol eines Gleichstromeingangs verbindbar ist, erfordert nicht zwingend, dass eine galvanische Verbindung des Anschlusses der Speicherdrosseleinrichtung mit einem Pol des Gleichstromeingangs herstellbar ist. Beispielsweise wird bei einem Eintaktdurchflusswandler mit einer Speicherdrossel auf der dem Schalter gegenüberliegenden Seite des Transformators die geforderte vorübergehende Verbindung des Anschlusses der Speicherdrossel mit dem Pol des Gleichstromeingangs durch Schließen des Schalters über den galvanisch trennenden Transformator hinweg hergestellt.
In gleicher Weise erfordert auch, dass der andere Anschluss der Speicherdrosseleinrichtung mit dem Pol des Spannungszwischenkreises verbunden ist, nicht zwingend eine galvanische Verbindung. Beispielsweise ist bei einem Eintaktdurchflusswandler mit einer Speicherdrossel auf derselben Seite des Transformators wie der Schalter die geforderte Verbindung des Pols der Speicherdrossel mit dem Pol des Spannungszwischenkreises über den galvanisch trennenden Transformator hinweg gegeben.
Die voranstehende Definition des blindleistungsfähigen Wechselrichters bei einer konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens trifft auf viele Wechselrichter zu, bei denen der bidirektionale DC/DC-Wandler als Kombination eines Tiefsetzstellers mit einem Hochsetzsteller oder als Hochtiefsetzsteller ausgebildet ist. Dabei kann auch ein symmetrischer Aufbau mit zwei Speicherdrosseleinrichtungen realisiert sein. Diese Speicherdrosseleinrichtungen können bei einer Kombination eines Tiefsetzstellers mit dem Hochsetzsteller von beiden gemeinsam verwendet werden. Der Hochsetzsteller und der Tiefsetzsteller können aber auch getrennte Speicherdrosseleinrichtungen aufweisen. Konkret kann die Topologie des Wechselrichters grundsätzlich genauso aufgebaut sein, wie in den Dokumenten, die zum Stand der Technik von blindleistungsfähigen Wechselrichtern mit bidirektionalem DC/DC-Wandler und Polwender in dem voranstehenden Abschnitt "Stand der Technik" gewürdigt wurden. Weitere Variationen der Topologie des Wechselrichters sind möglich.
In der konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms bei der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang nacheilendem Wechselstrom zusätzlich die folgenden Schritte:

– Aufladen des Spannungszwischenkreises mit dem durch die Speicherdrosseleinrichtung fließenden Strom und
– Entladen des Spannungszwischenkreises über die Speicherdrosseleinrichtung oder über eine weitere Speicherdrosseleinrichtung.

Dabei erfolgen die Schritte des Trennens des Wechselstromausgangs von dem Spannungszwischenkreis, das Aufladen des Spannungszwischenkreises, das Entladen des Spannungszwischenkreises und das Wiederverbinden des Wechselstromausgangs mit dem Spannungszwischenkreis zumindest in etwa in der Reihenfolge, in der sie hier aufgelistet sind. So wird der Spannungszwischenkreis zumindest im Wesentlichen aufgeladen, wenn er von dem Wechselstromausgang getrennt ist, auch wenn das Aufladen schon vor dem Trennen einsetzen kann. Ebenso kann das Entladen des Spannungszwischenkreises zumindest dann, wenn es über eine weitere Speicherdrosseleinrichtung erfolgt, schon vor Ende des Aufladens einsetzen oder sogar gleichzeitig mit dem Aufladen erfolgen. Ferner muss der Spannungszwischenkreis bei seinem Wiederverbinden mit dem Wechselstromausgang nicht vollständig entladen sein.
Konkret kann das Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms bei der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang nacheilendem Wechselstrom folgendermaßen ablaufen: Zunächst wird der Spannungszwischenkreis von dem Wechselstromausgang getrennt. Dann wird der Schalter, der das eine Ende der Speicherdrosseleinrichtung mit dem Gleichstromeingang verbindet, geöffnet. Wenn dann der durch die Speicherdrosseleinrichtung fließende Strom auf das Schaltelement kommutiert, was das Kommutieren auf eine Diode oder das Schließen eines Schalters des Schaltelements umfassen kann, lädt der durch die Speicherdrosseleinrichtung fließende Strom den Spannungszwischenkreis auf. Hierdurch baut sich eine Gegenspannung zu dem Strom auf, bis dieser abklingt. Anschließend erfolgt dann ein Entladen des Spannungszwischenkreises entweder über dieselbe Speicherdrosseleinrichtung, wobei aber der beim Entladen fließende Strom die umgekehrte Richtung hat wie beim Aufladen des Spannungszwischenkreises, oder über eine weitere Speicherdrosseleinrichtung. In dem Moment, in dem der Spannungszwischenkreis über die jeweilige Speicherdrosseleinrichtung entladen ist, fließt durch diese ein Strom, der nicht nur wie gewünscht die umgekehrte Richtung wie der ursprüngliche Strom hat, sondern auch dieselbe Stromstärke. Letzteres setzt allerdings im Fall einer weiteren Speicherdrosseleinrichtung voraus, dass diese eine gleich große Induktivität aufweist wie die andere Speicherdrosseleinrichtung. Außerdem wird dieselbe Stromstärke auch bei gleich großen Induktivitäten nur ohne Berücksichtigung von Verlusten erreicht, die aber in der Regel sehr klein und damit vernachlässigbar sind.
Wenn der Strom mit umgekehrter Richtung und gleicher oder annähernd gleicher Stromstärke durch die jeweilige Speicherdrosseleinrichtung fließt, kann der Spannungszwischenkreis wieder mit dem Wechselstromausgang verbunden werden. Es versteht sich, dass dieses Verbinden bei mit dem Polwender gewechselter Polarität des Wechselstromausgangs gegenüber dem Spannungszwischenkreis erfolgt. Nach diesem Wiederverbinden des Spannungszwischenkreises mit dem Wechselstromausgang kann der DC/DC-Wandler direkt so betrieben werden, dass der durch das Entladen des Spannungszwischenkreises durch die Speicherdrosseleinrichtung oder die weitere Speicherdrosseleinrichtung aufgebaute Strom weiter fließt bzw. an den dann geltenden Stromsollwert des ausgegebenen Wechselstroms angepasst wird.
Dieses erfindungsgemäße Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms bei negativem Phasenverschiebungswinkel zwischen Wechselstrom und Wechselspannung erfolgt sehr schnell. Konkret dauert es π√ LC , wobei L die Induktivität der Speicherdrosseleinrichtung ist und C die Kapazität des Spannungszwischenkreises ist. Das heißt, das Umkehren der Richtung des Stroms dauert eine halbe Resonanzperiode eines Resonanzkreises, der aus der Speicherdrosseleinrichtung und dem Spannungszwischenkreis gebildet wird. Dabei ist es auch unerheblich, ob der Spannungszwischenkreis über die Speicherdrosseleinrichtung oder eine weitere Speicherdrosseleinrichtung entladen wird. Wenn die weitere Speicherdrosseleinrichtung dieselbe Induktivität aufweist, ergibt sich sogar genau dieselbe Dauer des Umkehrens der Richtung des Stroms. In jedem Fall dauert das Umkehren der Richtung des Stroms viel weniger lange, als wenn hierfür eine ausreichende Spannungszeitfläche der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang abgewartet werden müsste.
Tatsächlich kann ein sehr nahe an einem sinusförmigen Sollwertverlauf liegender Verlauf des ausgegebenen Wechselstroms auch bei negativem Phasenverschiebungswinkel des Wechselstroms gegenüber der Wechselspannung und entsprechend ein sehr kleiner Klirrfaktor erreicht werden.
Wenn das Schaltelement, über das das eine Ende der Speicherdrosseleinrichtung mit dem anderen Pol des Spannungszwischenkreises verbindbar ist, ein weiterer Schalter ist, wird dieser zum Auf- und Entladen des Spannungszwischenkreises für insgesamt eine halbe Resonanzperiode des durch die Speicherdrosseleinrichtung und den Spannungszwischenkreis gebildeten Resonanzkreises geschlossen. Das Schaltelement kann aber auch eine Diode sein, auf die der Strom durch die Speicherdrosseleinrichtung ohne aktiven Eingriff kommutiert, wenn der Schalter geöffnet wird, der das eine Ende der Speicherdrosseleinrichtung mit dem einen Pol des Gleichstromeingangs verbindet. Dann ist ein weiterer Schalter vorzusehen, der zum Entladen des Spannungszwischenkreises über die Speicherdrosseleinrichtung geschlossen wird. Dieses Schließen erfolgt dann für eine viertel Resonanzperiode des durch die Speicherdrosseleinrichtung oder die weitere Speicherdrosseleinrichtung und die Kapazität des Spannungszwischenkreises gebildeten Resonanzkreises.
Wie bereits angemerkt wurde, sind die Induktivitäten der Speicherdrosseleinrichtung und der weiteren Speicherdrosseleinrichtung, soweit vorhanden, gleich groß, um zwar die Richtung des Stromes über den Spannungszwischenkreis mit den erfindungsgemäßen Schritten umzukehren, nicht aber seine Stromstärke wesentlich zu ändern. Grundsätzlich kann auch die Induktivität der weiteren Speicherdrosseleinrichtung etwas kleiner als die Induktivität der anderen Speicherdrosseleinrichtung sein, um trotz unvermeidbar auftretender kleiner Verluste eine gleich große Stromstärke des Stroms mit umgekehrter Richtung zu erreichen. Allerdings nimmt der Sollwert der Stromstärke des der Wechselspannung nacheilenden Stroms bei einem Wechselstrom mit negativem Phasenverschiebungswinkel zu dem Zeitpunkt, zu dem das Umkehren der Richtung des Stroms erfolgt, ab, so dass eine etwas geringere Stromstärke bei dem umgekehrten Strom unschädlich ist. In jedem Fall sollten die Induktivitäten der Speicherdrosseleinrichtung und der weiteren Speicherdrosseleinrichtung zumindest annähernd gleich groß sein.
Konkret kann der bidirektionale DC/DC-Wandler bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so betrieben werden, dass der Strom zu dem Spannungszwischenkreis immer über die Speicherdrosseleinrichtung und der Strom von dem Spannungszwischenkreis immer über die weitere Speicherdrosseleinrichtung fließt, also die Speicherdrosseleinrichtung immer für positiven Strom und die weitere Speicherdrosseleinrichtung immer für negativen Strom bezogen auf die momentane Spannung an dem Wechselstromausgang genutzt wird. Dazu kann die Speicherdrosseleinrichtung eine Drossel eines Tiefsetzstellers sein, während die weitere Speicherdrosseleinrichtung eine Drossel eines Hochsetzstellers ist, der in Rückwärtsrichtung von dem Spannungszwischenkreis zu dem Gleichstromeingang geschaltet ist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Speicherdrosseleinrichtung auch einen Speichertransformator eines Sperrwandlers mit Sperrrichtung von dem Spannungszwischenkreis zu dem Gleichstromeingang umfassen. Dann kann die weitere Speicherdrosseleinrichtung insbesondere einen weiterer Speichertransformator eines weiteren Sperrwandlers mit Sperrrichtung von dem Gleichstromeingang zu dem Spannungszwischenkreis umfassen. Grundsätzlich kann die weitere Speicherdrosseleinrichtung aber auch in diesem Fall eine Drossel eines von dem Spannungszwischenkreis zu dem Gleichstromeingang ausgerichteten Hochsetzstellers sein. In dem Fall, dass die Speicherdrosseleinrichtung einen Speichertransformator eines Sperrwandlers umfasst, weist sie gekoppelte Wicklungen auf, wobei der eine Anschluss, den der Schalter mit dem Gleichstromeingang verbindet, an eine Wicklung angeschlossen ist, während der andere mit dem einen Pol des Spannungszwischenkreises verbundene Anschluss und der weitere, über das Schaltelement mit dem anderen Pol des Spannungszwischenkreises verbindbare Anschluss an eine andere Wicklung angeschlossen sind. Entsprechend verhält es sich, wenn die weitere Speicherdrosseleinrichtung einen weiteren Speichertransformator eines weiteren Sperrwandlers umfasst.
Allgemein kann die weitere Speicherdrosseleinrichtung über einen zusätzlichen Schalter an einen Pol des Gleichstromeingangs oder an einen Pol eines Zwischenspeichers für elektrische Energie anschließbar sein. Bei Verwendung eines Zwischenspeichers kann vermieden werden, dass eine an den Gleichstromanschluss angeschlossene Gleichstromquelle bei Bereitstellung von Blindleistung mit dem Wechselrichter im schnellen Wechsel mit der Frequenz des Wechselstroms entladen und geladen wird.
Bei einem blindleistungsfähigen Wechselrichter mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler, einem Spannungszwischenkreis, einem Polwender und einer Betriebssteuerung, wobei der Polwender zwischen die beiden Pole des Spannungszwischenkreises und zwei Anschlüsse eines Wechselstromausgangs geschaltet ist, ist die Betriebssteuerung so ausgebildet, dass sie den Wechselrichter nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibt.
Zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung reicht es bei vielen bekannten Wechselrichter-Topologien tatsächlich aus, die Betriebssteuerung zu modifizieren. Das heißt, die Erfindung ist mit geringem Aufwand umsetzbar. Die erfindungsgemäßen Vorteile können daher mit geringem Investitionsaufwand genutzt werden.
Mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen bidirektionalen Wechselrichters wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere der relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer Bauteile zueinander – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen Wechselrichter mit einem Hochtiefsetzsteller, einem Spannungszwischenkreis und einem Polwender, wobei Schaltzustände der Schalter des Hochtiefsetzstellers und der Brückenschalter des Polwenders kurz vor dem Ende einer Halbwelle der Wechselspannung bei der Wechselspannung nacheilendem Wechselstrom angedeutet sind.
2 zeigt den Wechselrichter gemäß 1 mit angedeuteten Schaltzuständen beim Übergang zu der nächsten Halbwelle der Wechselspannung.
3 zeigt den Wechselrichter gemäß 1 und 2 mit angedeuteten Schaltstellungen zu Beginn der nächsten Halbwelle der Wechselspannung.
4 zeigt einen Wechselrichter, bei dem statt eines Hochtiefsetzstellers eine Kombination eines Tiefsetzstellers und eines gegenläufig ausgerichteten Hochsetzstellers als bidirektionaler DC/DC-Wandler vorgesehen ist und der ansonsten wie der Wechselrichter gemäß den 1 und 2 einen Spannungszwischenkreis und einen Polwender aufweist.
5 zeigt einen Wechselrichter, bei dem der bidirektionale DC/DC-Wandler aus zwei Sperrwandlern mit gegenläufigen Sperrrichtungen ausgebildet ist und der ansonsten wie die Wechselrichter gemäß den 1 bis 4 einen Spannungszwischenkreis und einen Polwender aufweist.
6 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Zwischenkreisspannung an dem Spannungszwischenkreis und eines über den Spannungszwischenkreis fließenden Stroms über eine Periode des mit einem der Wechselrichter gemäß den 1 bis 5 ausgegebenen Wechselstroms.
7 zeigt einen der Wechselspannung am Wechselstromausgang des jeweiligen Wechselrichters gemäß den 1 bis 5 nacheilenden Wechselstrom, der von dem Polwender des jeweiligen Wechselrichters aus dem Strom gemäß 6 geformt wird.
FIGURENBESCHREIBUNG
Der in 1 dargestellte Wechselrichter 1 weist zwischen einem Gleichstromeingang 2 mit zwei Polen 3 und 4 und mit einem einen Zwischenkreiskondensator 5 aufweisenden Eingangsspannungszwischenkreis 6 und einem nächsten Spannungszwischenkreis 7 mit zwei Polen 8 und 9 sowie einem Zwischenkreiskondensator 10 einen Hochtiefsetzsteller 11 auf. Der Hochtiefsetzsteller 11 umfasst einen Schalter 12, einen weiteren Schalter 13 und eine Speicherdrosseleinrichtung 14 in Form einer einfachen Drossel in einer für einen Hochtiefsetzsteller üblichen Anordnung. Das heißt, über den Schalter 12 ist ein Anschluss 15 der Speicherdrosseleinrichtung 14 mit einem Pol 4 des Gleichstromeingangs 2 verbindbar. Ein anderer Anschluss 16 der Speicherdrosseleinrichtung 14, der an dieselbe Wicklung angeschlossen ist wie der Anschluss 15, ist mit einem Pol 9 des Spannungszwischenkreises 7 verbunden; und der eine Anschluss 15 der Speicherdrosseleinrichtung 14 ist über den weiteren Schalter 13 mit dem anderen Pol 8 des Spannungszwischenkreises 7 verbindbar.
Durch aufeinander abgestimmtes getaktetes Ansteuern der Schalter 12 und 13 kann ein über den Spannungszwischenkreis 7 zu einem Polwender 17 fließender Strom geformt werden. Insbesondere kann ein Wechselstrom halbwellenweise geformt werden, und mit dem Polwender werden zwei Anschlüsse 18 und 19 eines Wechselstromausgangs 20 mit halbwellenweise wechselnder Polarität mit den Polen 8 und 9 verbunden. Der Polwender 17 weist zwei Halbbrücken 21 und 22 mit jeweils zwei Brückenschaltern 23 und 24 bzw. 25 und 26 auf. Während einer Halbwelle einer an dem Wechselstromausgang 20 anliegenden Wechselspannung werden die Brückenschalter 23 und 26 des Polwenders wie dargestellt geschlossen, während der nächsten Halbwelle werden dann die überkreuz angeordneten Brückenschalter 24 und 25 geschlossen, wobei dann die beiden anderen Brückenschalter 23 und 26 offen sind. Wenn der auf diese Weise an dem Wechselstromausgang 20 ausgegebene Wechselstrom mit der Wechselspannung in Phase ist, der Wechselstrom also der Wechselspannung weder vornoch nacheilt und entsprechend kein von null abweichender Phasenverschiebungswinkel vorhanden ist, fließt der Strom während jeder ganzen Halbwelle der Wechselspannung in der in 1 durch einen Pfeil 27 angedeuteten Richtung durch die Spule 14 und über den Spannungszwischenkreis 7 zu dem Polwender 17. Wenn jedoch der Wechselstrom der Wechselspannung vor- oder nacheilt, d. h. eine Phasenverschiebung zwischen Wechselstrom und Wechselspannung vorliegt, ändert sich die Richtung des Stroms über den Spannungszwischenkreis 7 einmal während jeder Halbwelle der Wechselspannung und zusätzlich am Übergang zwischen den Halbwellen. Letzteres ist notwendig, damit der Strom beim Polaritätswechsel des Polwenders 17 seine Richtung an dem Wechselstromausgang 20 beibehält.
Die Änderung des Stroms I_Z, der über den Spannungszwischenkreis 7 fließt, sowie der zugehörige Verlauf der Spannung U_Z an dem Spannungszwischenkreis 7 sind in 6 für den Fall dargestellt, dass der von dem Wechselrichter 1 ausgegebene Wechselstrom I der Wechselspannung U an dem Wechselstromausgang 20 nacheilt. Der Verlauf des Wechselstroms I und der Wechselspannung U sind in 7 dargestellt. In den Nulldurchgängen der Wechselspannung U gemäß 7 wechselt der Polwender 17 die Polarität der Anschlüsse 18 und 19 gegenüber den Polen 8 und 9 des Spannungszwischenkreises 7. Damit der Wechselstrom I den sinusförmigen Verlauf gemäß 7 einhalten kann, muss der Strom I_Z gemäß 6 im Nulldurchgang der Spannung U_Z sein Vorzeichen ändern und dies bei zunehmendem Phasenverschiebungswinkel zwischen dem Wechselstrom I und der Wechselspannung U bei ansteigender Stromstärke.
Die Umkehr der Richtung des Stroms während der jeweiligen Halbwelle der Wechselspannung ist unabhängig von dem Vorzeichen des Phasenverschiebungswinkels zwischen Wechselstrom und Wechselspannung unkritisch, weil der Wechsel der Richtung bei einer Stromstärke von null erfolgt, d. h. bei einem stetigen Nulldurchgang. Die Umkehrung der Richtung ist auch nicht schwierig, wenn bei einem der Wechselspannung vorauseilenden Wechselstrom ein am Ende jeder Halbwelle bereits negativer Strom in einen positiven Strom in Richtung des Pfeils 27 gemäß 1 geändert werden muss, weil hierzu eine zwischen den Polen 3 und 4 des Gleichstromeingangs 2 anliegende Eingangsgleichspannung 28 als treibende Kraft genutzt werden kann. Anders verhält es sich, wenn bei einem der Wechselspannung nacheilenden Strom, d. h. bei negativem Phasenverschiebungswinkel wie in den 6 und 7, die in 1 mit dem Pfeil 27 angedeutete positive Richtung des Stroms umgekehrt werden muss. Hierfür steht im Nulldurchgang der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang 20 keine ausreichende treibende Kraft zur Verfügung. Anders gesagt wird bei der geringen momentanen Spannung an dem Gleichstromausgang 20 eine zur Umkehrung der Richtung des Stroms durch die Speicherdrosseleinrichtung 14 benötigte Spannungszeitfläche nur nach langer Zeit erreicht. Diese Zeit kann jedoch durch das im Folgenden beschriebene Vorgehen verkürzt werden.
2 illustriert einen Schaltzustand der Schalter 12 und 13 und der Brückenschalter 23 bis 26 zum Umkehren der Richtung eines positiven Stroms durch die Speicherdrosseleinrichtung 14 binnen kurzer Zeit in einen negativen Strom mit umgekehrter Richtung, aber mit gleicher Stromstärke. Hierzu wird der Spannungszwischenkreis 7 durch Öffnen des Schalters 23 von dem Wechselstromausgang 20 getrennt. Stattdessen wird der Schalter 24 geschlossen, um die beiden Anschlüsse 18 und 19 des Wechselstromausgangs 20 über die Brückenschalter 24 und 26 kurzzuschließen. Alternativ könnte gegenüber der Schaltstellung gemäß 1 auch der Schalter 26 geöffnet und der Schalter 25 geschlossen werden, um dieselben Effekte des Trennens des Spannungszwischenkreises 7 von dem Wechselstromausgang 20 und des Kurzschließens der Anschlüsse 18 und 19 zu erreichen. Durch das Kurzschließen der Anschlüsse 18 und 19 wird ein Freilaufpfad für den Wechselstrom zwischen den Anschlüssen 18 und 19 bereitgestellt, über den der Wechselstrom zwischen den Anschlüssen 18 und 19 bei der dann anliegenden kleinen Spannung weiter fließen kann. Weiter wird der Schalter 12 geöffnet und der Schalter 13 geschlossen. Hierdurch kommutiert der Strom durch die Speicherdrosseleinrichtung 14 auf den Schalter 13 und lädt beim Stromfluss in Richtung des Drehpfeils 29 den Spannungszwischenkreis 7, d. h. dessen Zwischenkreiskondensator 10, auf. Hierdurch steigt die Zwischenkreisspannung über dem Zwischenkreiskondensator 10 an, bis der Strom auf null zurückgeht und sich anschließend der Spannungszwischenkreis 7 in durch einen Drehpfeil 30 angezeigter umgekehrter Richtung durch die Speicherdrosseleinrichtung 14 wieder entlädt. Wenn diese Entladung abgeschlossen ist, fließt der Strom wie gewünscht mit umgekehrter Richtung aber gleicher Stromstärke wie zuvor durch die Speicherdrosseleinrichtung 14. Der hier geschilderte Vorgang dauert eine halbe Resonanzperiode des durch die Speicherdrosseleinrichtung 14 und den Spannungszwischenkreises 7 gebildeten Resonanzkreises, d. h. π√ LC , wobei L die Induktivität der Speicherdrosseleinrichtung 14 ist und C die Kapazität des Zwischenkreiskondensators 10 ist. Der derweil über den Freilaufpfad zwischen den Anschlüssen 18 und 19 weiter fließende Wechselstrom bleibt von dem hier geschilderten Vorgang zudem unberührt.
Nach diesem Zeitraum wird der Betrieb des Wechselrichters so aufgenommen, wie er in 3 skizziert ist. Der Brückenschalter 25 wird geschlossen, und der Brückenschalter 26 des Polwenders 17 wird geöffnet, um den Wechselstromausgang 20 in gegenüber 1 umgekehrter Polarität an den Spannungszwischenkreis 7 anzuschließen. Während in 1 der Anschluss 18 mit dem Pol 8 und der Anschluss 19 mit dem Pol 9 verbunden war, ist gemäß 3 der Anschluss 18 mit dem Pol 9 und der Anschluss 19 mit dem Pol 8 verbunden. Die Schalter 12 und 13 werden wieder aufeinander abgestimmt hochfrequent getaktet, diesmal um den Strom unter Hochsetzen der Spannung zwischen dem Spannungszwischenkreis 7 und dem Eingangsspannungszwischenkreis 6 in der durch einen Pfeil 32 angedeuteten Richtung durch die Speicherdrosseleinrichtung 14, der gemäß 2 hervorgerufen wurde, weiter fließen zu lassen bzw. an den aktuell geltenden Stromsollwert anzupassen.
Während bei der Ausführungsform des Wechselrichters 1 gemäß den 1 bis 3 der Hochtiefsetzsteller 11 einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 31 zwischen dem Gleichstromeingang 2 und dem Spannungszwischenkreis 7 bildet, wird bei der Ausführungsform des Wechselrichters 1 gemäß 4 ein solcher bidirektionaler DC/DC-Wandler 31 von der Kombination eines Tiefsetzstellers 33 mit der Speicherdrosseleinrichtung 14 in Form einer Drossel 50 und eines Hochsetzstellers 34 mit einer weiteren Speicherdrosseleinrichtung 37 in Form einer weiteren Drossel 51 ausgebildet, wobei der Tiefsetzsteller 33 von dem Gleichstromeingang 2 zu dem Spannungszwischenkreis 7 ausgerichtet ist, während der Hochsetzsteller 34 in umgekehrter Richtung von dem Spannungszwischenkreis 7 zu dem Gleichstromeingang 2 ausgerichtet ist. Der Tiefsetzsteller 33 entspricht dem Hochtiefsetzsteller 11 gemäß den 1 bis 3, außer dass eine Diode 45 als Schaltelement 35 vorgesehen ist, über das der Anschluss 15 der Speicherdrosseleinrichtung 14 mit dem Pol 8 des Spannungszwischenkreises 7 verbindbar ist. So kommutiert beim Öffnen des Schalters 12 der Strom durch die Drossel 50 in Richtung des Pfeils 27 auf die Diode 45, ohne dass es hierzu der Betätigung eines Schalters bedarf. Um jedoch den Zwischenkreiskondensator 10 des Spannungszwischenkreises 7 nach seinem Aufladen wieder zu entladen, muss ein weiterer Schalter 36 geschlossen werden. Dieser weitere Schalter 36 ist hier so angeordnet, dass bei seinem Schließen der Spannungszwischenkreis 7 in der Gegenrichtung des Pfeils 32 über die weitere Drossel 51 fließt, die zusammen mit dem Schalter 36 und einer weiteren Diode 38 den Hochsetzsteller 34 ausbildet. Der negative Strom von dem Spannungszwischenkreis 7 zu dem Gleichstromeingang 2 wird also von dem Hochsetzsteller 34 geführt, während der positive Strom von dem Tiefsetzsteller 33 geführt wird. Der noch relativ hohe Strom in Richtung des Pfeils 27 durch die Drossel 50 am Ende der jeweiligen Halbwelle der Wechselspannung und damit am Ende des Betriebs des Tiefsetzstellers 33 wird hier unter Zwischenspeicherung der elektrischen Energie in dem Spannungszwischenkreis 7 genutzt, um die weitere Drossel 51 des Hochsetzstellers 34 mit dem Strom in der umgekehrten Richtung gemäß dem Pfeil 32 für dessen Betrieb zu Beginn der nächsten Halbwelle der Wechselspannung vorzuladen.
5 zeigt eine Ausführungsform des Wechselrichters 1, bei der der bidirektionale DC/DC-Wandler 31 zwischen dem Gleichstromeingang 2 und dem Spannungszwischenkreis 7 durch zwei Sperrwandler 39 und 40 miteinander entgegengesetzten Sperrrichtungen ausgebildet ist. Dabei umfasst die Speicherdrosseleinrichtung 14 einen Speichertransformator 41 des Sperrwandlers 39 mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen 42 und 43. An die Wicklung 42 ist der Anschluss 15 der Speicherdrosseleinrichtung 14 angeschlossen, der über den Schalter 12 mit dem Pol 4 des Gleichstromeingangs 2 verbindbar ist. An die Wicklung 43 ist der Anschluss 16 der Speicherdrosseleinrichtung 14 angeschlossen, der mit dem Pol 9 des Spannungszwischenkreises 7 verbunden ist. Weiterhin ist ein Anschluss 44 an die zweite Wicklung 43 angeschlossen, der über das Schaltelement 35, auch hier in Form einer Diode 45, an den Pol 8 des Spannungszwischenkreises 7 anschließbar ist. Entsprechend umfasst die weitere Speicherdrosseleinrichtung 37 einen Speichertransformator 46 des weiteren Sperrwandlers 40 und weist zwei Wicklungen 47 und 48 auf. Hier ist an die Wicklung 47 der weitere Schalter 36 und an die Wicklung 48 die weitere Diode 38 angeschlossen. Beim Übergang zwischen zwei Halbwellen der Wechselspannung an dem Wechselstromausgang 20 wird durch Öffnen des Schalters 12 und entsprechenden Stromfluss durch die Wicklung 43 in Richtung des Pfeils 27 der Spannungszwischenkreis 7 aufgeladen, der dann durch Schließen des Schalters 36 zum Hervorrufen eines Stroms gleicher Stromstärke in Richtung des Pfeils 32 durch die Wicklung 47 der weiteren Speicherdrosseleinrichtung 37 entladen wird. Dadurch kann der weitere Sperrwandler 40 sofort mit diesem Strom durch die Wicklung 47 und damit von dem Spannungszwischenkreis 7 zu dem Gleichstromeingang 2 beginnend seinen Betrieb zu Anfang der nächsten Halbwelle der Wechselspannung aufnehmen, nachdem der Polwender 17 die Polarität des Wechselstromausgangs 20 gegenüber dem Spannungszwischenkreis 7 geändert hat. Während des Verlaufs dieser Halbwelle wechselt dann beim nächsten Nulldurchgang des Stroms der Stromfluss von dem Sperrwandler 40 zurück auf den Sperrwandler 39. Dies erfolgt jedoch bei einer Stromstärke von null und ist von daher unproblematisch.
Weiterhin zeigt 5 eine Betriebssteuerung 49, die den Betrieb des Wechselrichters steuert und damit insbesondere das Öffnen und Schließen der Schalter 12 und 36 sowie der Brückenschalter 23 bis 26.
Bezugszeichenliste

1: Wechselrichter
2: Gleichstromanschluss
3: Pol
4: Pol
5: Zwischenkreiskondensator
6: Eingangsspannungszwischenkreis
7: Spannungszwischenkreis
8: Pol
9: Pol
10: Zwischenkreiskondensator
11: Hochtiefsetzsteller
12: Schalter
13: Schalter
14: Speicherdrosseleinrichtung
15: Anschluss
16: Anschluss
17: Polwender
18: Anschluss
19: Anschluss
20: Wechselstromausgang
21: Halbbrücke
22: Halbbrücke
23: Brückenschalter
24: Brückenschalter
25: Brückenschalter
26: Brückenschalter
27: Pfeil
28: Eingangsgleichspannung
29: Drehpfeil
30: Drehpfeil
31: DC/DC-Wandler
32: Pfeil
33: Tiefsetzsteller
34: Hochsetzsteller
35: Schaltelement
36: Schalter
37: Speicherdrosseleinrichtung
38: Diode
39: Sperrwandler
40: Sperrwandler
41: Speichertransformator
42: Wicklung
43: Wicklung
44: Anschluss
45: Diode
46: Speichertransformator
47: Wicklung
48: Wicklung
49: Betriebssteuerung
50: Drossel
51: Drossel
L: Induktivität
C: Kapazität
U_Z: Spannung am Spannungszwischenkreis 7
I_Z: Strom über den Spannungszwischenkreis 7
U: Wechselspannung am Wechselstromausgang 20
I: Wechselstrom über den Wechselstromausgang 20

Claims

Verfahren zum Betreiben eines blindleistungsfähigen Wechselrichters (1) mit – einem bidirektionalen DC/DC-Wandler (31), – einem Spannungszwischenkreis (7) und – einem Polwender (17), wobei die beiden Pole (8, 9) des Spannungszwischenkreises (7) mittels des Polwenders (17) wechselweise mit zwei Anschlüssen (18, 19) eines Wechselstromausgangs (20) verbindbar sind, um die Polarität des Wechselstromausgangs (20) gegenüber dem Spannungszwischenkreis (7) zu wechseln, wobei das Verfahren bei einer Phasenverschiebung zwischen Wechselstrom (I) und Wechselspannung (U) an dem Wechselstromausgang (20) ein Umkehren der Richtung eines über den Spannungszwischenkreis (7) fließenden Stroms umfasst, wenn mit dem Polwender (17) zwischen den Halbwellen der Wechselspannung die Polarität des Wechselstromausgangs (20) gegenüber dem Spannungszwischenkreis (7) gewechselt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis (7) fließenden Stroms bei der Wechselspannung (U) a n d em Wechselstromausgang (20) nacheilendem Wechselstrom (I) die Schritte umfasst: – Trennen des Wechselstromausgangs (20) von dem Spannungszwischenkreis (7), – Bereitstellen eines Freilaufpfads zwischen den beiden Anschlüssen (18, 19) des Wechselstromausgangs (20), während der Wechselstromausgang (20) von dem Spannungszwischenkreis (7) getrennt ist, – Wiederverbinden des Wechselstromausgangs (20) mit dem Spannungszwischenkreis (7) bei mit dem Polwender (17) gewechselter Polarität des Wechselstromausgangs (20) gegenüber dem Spannungszwischenkreis (7).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromausgang (20) durch Öffnen von Brückenschaltern (23 bis 26) des Polwenders (17) von dem Spannungszwischenkreis (7) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlüsse (18, 19) des Wechselstromausgangs (20) zum Bereitstellen des Freilaufpfads kurzgeschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (18, 19) des Wechselstromausgangs (20) über Brückenschalter (23 bis 26) des Polwenders (17) kurzgeschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 2 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Trennen des Wechselstromausgangs (20) von dem Spannungszwischenkreis (7) und zum Kurzschließen der Anschlüsse (18, 19) des Wechselstromausgangs (20) zwei Brückenschalter (23, 25) des Polwenders (17), die mit demselben Pol (8) des Spannungszwischenkreises (7) verbunden sind, geöffnet und die beiden anderen Brückenschalter (24, 26) des Polwenders (17) geschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale DC/DC-Wandler mindestens eine Speicherdrosseleinrichtung (14) aufweist, wobei – ein Anschluss (15) der Speicherdrosseleinrichtung (14) über einen Schalter (12) mit einem Pol (4) eines Gleichstromeingangs (2) verbindbar ist, – ein anderer Anschluss (16) der Speicherdrosseleinrichtung (14) mit einem Pol (9) des Spannungszwischenkreises (7) verbunden ist und – der eine oder ein weiterer, an dieselbe Wicklung (43) der Speicherdrosseleinrichtung (14) wie der andere Anschluss (16) angeschlossene(r) Anschluss (15, 44) der Speicherdrosseleinrichtung (14) über ein Schaltelement (35) mit dem anderen Pol (8) des Spannungszwischenkreises (7) verbindbar ist, und dass das Umkehren der Richtung des über den Spannungszwischenkreis (7) fließenden Stroms bei der Wechselspannung (U) an dem Wechselstromausgang (20) nacheilendem Wechselstrom (I) weiterhin die Schritte umfasst: – Aufladen des Spannungszwischenkreises (7) mit dem durch die Speicherdrosseleinrichtung (14) fließenden Strom und – Entladen des Spannungszwischenkreises (7) über die Speicherdrosseleinrichtung (14) oder über eine weitere Speicherdrosseleinrichtung (37).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (12), der den einen Anschluss (15) der Speicherdrosseleinrichtung (14) mit dem Gleichstromeingang (2) verbindet, geöffnet wird, um den Spannungszwischenkreis (7) mit dem durch die Speicherdrosseleinrichtung (14) fließenden und auf das Schaltelement (35) kommutierenden Strom aufzuladen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (31) nach dem Wiederverbinden des Spannungszwischenkreises (7) mit dem Wechselstromausgang (20) so betrieben wird, dass ein Strom, der beim Entladen des Spannungszwischenkreises (7) durch die Speicherdrosseleinrichtung (14) oder die weitere Speicherdrosseleinrichtung (37) hervorgerufen wurde, weiter fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (35) ein weiterer Schalter (13) ist, der zum Auf- und Entladen des Spannungszwischenkreises (7) für eine halbe Resonanzperiode eines durch die Speicherdrosseleinrichtung (14) und den Spannungszwischenkreis (7) gebildeten Resonanzkreises geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (35) eine Diode (45) ist, wobei ein weiterer Schalter (36) vorgesehen ist, der zum Entladen des Spannungszwischenkreises (7) über die Speicherdrosseleinrichtung (14) oder die weitere Speicherdrosseleinrichtung (37) für eine viertel Resonanzperiode des durch die Speicherdrosseleinrichtung (14) oder die weitere Speicherdrosseleinrichtung (37) und den Spannungszwischenkreis (7) gebildeten Resonanzkreises geschlossen wird.
Blindleistungsfähiger Wechselrichter (1) mit – einem bidirektionalen DC/DC-Wandler (31), – einem Spannungszwischenkreis (7), – einem Polwender (17) und – einer Betriebssteuerung (49), wobei der Polwender (17) zwischen die beiden Pole (8, 9) des Spannungszwischenkreises (7) und zwei Anschlüsse (18, 19) eines Wechselstromausgangs (20) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebssteuerung (49) so ausgebildet ist, dass sie den Wechselrichter (1) nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche betreibt.
Blindleistungsfähiger Wechselrichter (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale DC/DC-Wandler mindestens eine Speicherdrosseleinrichtung (14) aufweist, wobei – ein Anschluss (15) der Speicherdrosseleinrichtung (14) über einen Schalter (12) mit einem Pol (4) eines Gleichstromeingangs (2) verbindbar ist, – ein anderer Anschluss (16) der Speicherdrosseleinrichtung (14) mit einem Pol (9) des Spannungszwischenkreises (7) verbunden ist und – der eine oder ein weiterer, an dieselbe Wicklung der Speicherdrosseleinrichtung (14) wie der andere Anschluss (16) angeschlossene(r) Anschluss (15, 44) der Speicherdrosseleinrichtung (14) über ein Schaltelement (35) mit dem anderen Pol (8) des Spannungszwischenkreises (7) verbindbar ist.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Induktivitäten (L) der Speicherdrosseleinrichtung (14) und der weiteren Speicherdrosseleinrichtung (37) gleich groß sind.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherdrosseleinrichtung (14) eine Drossel (50) eines von dem Gleichstromeingang (2) zu dem Spannungszwischenkreis (7) ausgerichteten Tiefsetzstellers (33) umfasst.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Speicherdrosseleinrichtung (37) eine weitere Drossel (51) eines von dem Spannungszwischenkreis (7) zu dem Gleichstromeingang (2) ausgerichteten Hochsetzstellers (34) umfasst.
Wechselrichter (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherdrosseleinrichtung (14) einen Speichertransformator (41) eines Sperrwandlers (39) mit Sperrrichtung von dem Spannungszwischenkreis (7) zu dem Gleichstromeingang (2) und die weitere Speicherdrosseleinrichtung (37) einen weiteren Speichertransformator (46) eines weiteren Sperrwandlers (40) mit Sperrrichtung von dem Gleichstromeingang (2) zu dem Spannungszwischenkreis (7) umfasst.
Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss der weiteren Speicherdrosseleinrichtung (37) über ein zusätzliches Schaltelement an einen Pol (3, 4) des Gleichstromeingangs (2) oder an einen Pol eines Zwischenspeichers für elektrische Energie anschließbar ist.