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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Wechselrichters. Weiterhin betrifft die Anmeldung einen Wechselrichter, der zur Ausführung des Testverfahrens eingerichtet ist.
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Wechselrichter werden unter anderem dazu verwendet, eine als Gleichstrom von einem Solargenerator erzeugte Leistung in Wechselstromleistung umzuwandeln, um diese in ein Wechselstromnetz einzuspeisen. Hierzu weist ein Wechselrichter eine oder mehrere Brücken auf, die ihrerseits mehrere Halbleiterschalter umfassen. Durch Taktung der Schalter werden die an Gleichstromanschlüssen anliegenden Potentiale wechselweise an einem Brückenausgang angelegt. Der Brückenausgang ist über einen Netzfilter an einer Phase des Wechselspannungsnetzes angeschlossen. Für die Brücken existieren unterschiedliche Topologien, wobei man zwischen Einlevel-Topologien, die nur alternativ das positive Potential oder das negative Potential am Brückenausgang anlegen, und Mehrlevel-Topologien, die weitere, üblicherweise durch geteilte Zwischenkreise erzeugte Zwischenpotentiale am Brückenausgang anlegen. Eine Ausführungsform einer solchen Mehrlevel-Topologie wird als ANPC (Active Neutral Point Clamped) Topologie bezeichnet und umfasst sechs Schalter, mit denen je nach Schalterkonfiguration das positive Potential, das negative Potential und ein Mittelpunktspotential eines geteilten Zwischenkreises am Brückenausgang angelegt werden kann. Die ANPC Topologie ist hierbei eine besonders effiziente Brückentopologie.
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Aus Effizienz- und Kostengründen werden in dieser Topologie Halbleiterschalter verwendet, deren höchste zulässige Sperrspannung kleiner als die an den Gleichstromanschlüssen anliegende Eingangsspannung ist. Daher wird die Topologie nur mit Schalterkonfigurationen betrieben, bei denen über keinem der Schalter die volle Eingangsspannung abfällt. Ein bekannter Nachteil ist, dass bei Ausfall eines der Schalter der Brücke, insbesondere im Fall, dass einer der Brückenschalter dauerhaft leitend wird, eigentlich zulässige Schalterkonfigurationen existieren, bei denen dennoch durch den Ausfall des einen Schalters die volle Eingangsspannung an einem noch intakten Schalter anliegt. Hierdurch entstehen Folgeschäden innerhalb der Brücke, die zur Zerstörung weiterer Brückenschalter und anderer Komponenten des Wechselrichters führen können.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2019 104 145 A1 ist ein Wechselrichter mit einer Brücke in ANPC Topologie bekannt, bei dem an dem Brückenausgang ein Netzfilter mit einer Filterdrossel und einem Filterkondensator angeschlossen ist.
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Die Druckschrift
CN 110187204 A offenbart ein Verfahren zum Testen der Zwischenkreiskapazität eines Wechselrichters in NPC (Neutral Point Clamped) Topologie, wobei mit den Brückenzweigen zweier Phasen über die wechselstromseitigen Lastinduktivitäten dieser Phasen ein Resonanzkreis mit der zu testenden Zwischenkreiskapazität gebildet wird und bei sprunghafter Anregung mittels eines der Brückenschalter die Sprungantwort des Resonanzkreises ausgewertet wird.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem vor Inbetriebnahme des Wechselrichters geprüft werden kann, ob ein Ausfall eines Brückenschalters vorliegt, ohne dass weitere Brückenschalter oder andere Wechselrichterkomponenten gefährdet werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt ein Wechselrichter zugrunde, bei dem eine Brücke einen ersten, zwischen einem positiven Anschluss eines geteilten Zwischenkreises mit Mittelpunkt und einem positiven inneren Anschluss angeordneten Schalter, einen zweiten, zwischen dem positiven inneren Anschluss und einem Brückenausgang angeordneten Schalter einen dritten, zwischen dem Brückenausgang und einem negativen inneren Anschluss angeordneten Schalter und einen vierten, zwischen dem negativen inneren Anschluss und einem negativen Anschluss des geteilten Zwischenkreises angeordneten Schalter aufweist. Weiterhin weist die Brücke einen fünften, zwischen dem Mittelpunkt und dem positiven inneren Anschluss angeordneten Schalter, und einen sechsten, zwischen dem Mittelpunkt und dem negativen inneren Anschluss angeordneten Schalter auf, wobei an dem Brückenausgang ein Netzfilter mit einer Filterdrossel und einem Filterkondensator angeschlossen ist. Der Filterkondensator kann mit einem Anschluss mit dem Mittelpunkt des Zwischenkreises verbunden sein. Zum Testen eines Wechselrichters mit einer solchen Brücke umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren die Schritte:
- - Anlegen einer Zwischenkreisspannung an den geteilten Zwischenkreis, während der Brückenausgang mit dem angeschlossenen Netzfilter von einem angeschlossenen Netz getrennt ist,
- - vollständiges Entladen des Filterkondensators,
- - Schließen des ersten Schalters und des sechsten Schalters, während der vierte Schalter und der fünfte Schalter offen sind,
- -anschließendes Takten des zweiten Schalters mit einer Mehrzahl von Kurzpulsen, wobei der Tastgrad der Kurzpulse zwischen 1% und 5% vorgegeben wird,
- - anschließend an das Takten Bestimmen einer über dem Filterkondensator abfallenden Spannung,
- - Feststellen eines Fehlerzustandes der Brücke, wenn die abfallende Spannung außerhalb eines Spannungsfensters mit einer oberen Fenstergrenze und einer unteren Fenstergrenze liegt. Durch die Anzahl von Kurzpulsen wird bei vollständig funktionalen Brückenschaltern der Filterkondensator auf eine Spannung aufgeladen, die einen durch den Tastgrad der Kurzpulse bestimmten Bruchteil der Zwischenkreisspannung beträgt. Gleichzeitig wird durch die Art der Taktung sichergestellt, dass selbst im Fall eines defekten Schalters über keinem der übrigen Schalter die volle Zwischenkreisspannung zumindest für eine solch lange Zeitdauer anliegt, dass dies zu einer Zerstörung des betroffenen Schalters führt. Dadurch kann der Test ohne Folgeschäden für die Brücke durchgeführt werden. Selbst in dem Fall, dass der sechste Schalter durch einen Defekt dauerhaft sperrend ist, wodurch bei Öffnen des zweiten Schalters die gesamte Zwischenkreisspannung über dem zweiten Schalter abfällt, ist diese Zeitdauer durch den geringen Tastgrad so kurz, dass der zweite Schalter dennoch geschützt ist. Ist einer der Brückenschalter defekt, so dass das Aufladen des Filterkondensators durch den Defekt nicht oder in abgewandelter Form erfolgt, kann dies anschließend anhand der erreichten Spannung am Filterkondensator ermittelt werden. In diesem Fall wird ein Fehlerzustand erkannt und der Wechselrichter reagiert hierauf entsprechend, zum Beispiel indem eine Inbetriebnahme unterbunden wird oder eine Art der Ansteuerung der Brückenschalter gewählt wird, die trotz des festgestellten Fehlers zulässig ist und weitere Komponenten nicht gefährdet. Die Mittel zur Bestimmung der Spannung am Filterkondensator weist der Wechselrichter zumeist bereits als Teil seiner Regelung auf.
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Bevorzugt wird das Verfahren ergänzt durch die folgenden Schritte:
- - vollständiges Entladen des Filterkondensators,
- - Schließen des vierten Schalters und des fünften Schalters, während der erste Schalter und der sechste Schalter offen sind,
- - Takten des dritten Schalters mit einer Mehrzahl von Kurzpulsen, wobei der Tastgrad der Kurzpulse zwischen 1% und 5% liegt,
- - anschließend an das Takten Bestimmen einer über den Filterkondensator abfallenden weiteren Spannung,
- - Feststellen eines Fehlerzustandes der Brücke, wenn die abfallende weitere Spannung außerhalb des Spannungsfensters liegt.
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Diese ergänzenden Schritte entsprechen einer Wiederholung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte durch getaktetes Anlegen der negativen anstelle der positiven Zwischenkreisspannung. Durch diese Schritte werden weitere potenzielle Schalterdefekte erkannt.
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In einer vorteilhaften Variante wird das Takten des zweiten Schalters mit komplementärem Takten des dritten Schalters beziehungsweise das Takten des dritten Schalters mit komplementärem Takten des zweiten Schalters durchgeführt. Alternativ hierzu kann aber auch während des Taktens des zweiten Schalters der dritte Schalter beziehungsweise während des Taktens des dritten Schalters der zweite Schalter geöffnet bleiben. In diesem Fall kann das Takten des zweiten beziehungsweise dritten Schalters jeweils mit einer vorgegebenen Anzahl von Kurzpulsen durchgeführt werden.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Testverfahrens wird vor dem Takten des zweiten Schalters geprüft, ob Potentiale am negativen inneren Anschluss und am Mittelpunkt übereinstimmen beziehungsweise vor dem Takten des dritten Schalters geprüft, ob Potentiale am positiven inneren Anschluss und am Mittelpunkt übereinstimmen, wobei jeweils bei fehlender Übereinstimmung ein Fehlerzustand der Brücke festgestellt wird.
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Falls der Wechselrichter mehrere Brücken aufweist, wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt nacheinander an jeder der Brücken ausgeführt, um einen Fehlerzustand auszuschließen. Nur wenn alle Brücken mit deren Schaltern fehlerfrei funktionieren, wird der ordnungsgemäße Betrieb des Wechselrichters freigegeben.
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Das Entladen des Filterkondensators, der mit einem Anschluss an den Mittelpunkt des Zwischenkreises angeschlossen ist, kann durch gleichzeitiges Schließen des fünften und zweiten Schalters oder durch Schließen des sechsten und dritten Schalters bewirkt werden. Alternativ kann das Entladen des Filterkondensators, der mit einem Anschluss an den Mittelpunkt des Zwischenkreises angeschlossen ist, auch durch gleichzeitiges Schließen des fünften und sechsten Schalters erfolgen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Wechselrichter mit einer Brücke, die einen ersten, zwischen einem positiven Anschluss eines geteilten Zwischenkreises mit Mittelpunkt und einem positiven inneren Anschluss angeordneten Schalter, einen zweiten, zwischen dem positiven inneren Anschluss und einem Brückenausgang angeordneten Schalter, einen dritten, zwischen dem Brückenausgang und einem negativen inneren Anschluss angeordneten Schalter, einen vierten, zwischen dem negativen inneren Anschluss und einem negativen Anschluss des geteilten Zwischenkreises angeordneten Schalter, einen fünften, zwischen dem Mittelpunkt und dem positiven inneren Anschluss angeordneten Schalter, und einen sechsten, zwischen dem Mittelpunkt und dem negativen inneren Anschluss angeordneten Schalter umfasst, wobei an dem Brückenausgang ein Netzfilter mit einer Filterdrossel und einem Filterkondensator angeschlossen ist. Der Wechselrichter weist eine Steuerung auf, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, das vorangehend beschriebene Verfahren auszuführen und den Wechselrichter mit einem angeschlossenen Netz nur dann zu verbinden, wenn kein Fehlerzustand festgestellt wird.
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Hierbei kann der Wechselrichter eine Mehrzahl von Brücken aufweisen. Die Steuerung ist in diesem Fall dazu ausgelegt und eingerichtet, das Verfahren für jede der Mehrzahl von Brücken nacheinander auszuführen, und den Wechselrichter nur dann mit dem Netz zu verbinden, wenn kein Fehlerzustand festgestellt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Dabei zeigen
- 1 eine erste Schalterkonfiguration einer Brücke zum Entladen des Filterkondensators,
- 2 eine zweite Schalterkonfiguration der Brücke zum komplementär getakteten Laden des Filterkondensators,
- 3 eine Darstellung eines Taktschemas zum komplementär getakteten Laden des Filterkondensators,
- 4 eine dritte Schalterkonfiguration der Brücke zum einfach getakteten Laden des Filterkondensators,
- 5 eine vierte, Schalterkonfiguration der Brücke zum komplementär getakteten Laden des Filterkondensators, und
- 6 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Schalterkonfiguration einer ANPC-Brücke, wie sie zum Entladen eines Filterkondensators CF am Ausgang der Brücke verwendet wird. Die ANPC-Brücke ist eingangsseitig mit einem geteilten Zwischenkreis verbunden, der einen mit dem positiven Anschluss DC+ verbundenen ersten Zwischenkreiskondensator C1und einen mit dem negativen Anschluss DC- verbundenen zweiten Zwischenkreiskondensator C2 aufweist, die über einen Mittelpunkt M miteinander seriell verschaltet sind. Zwischen dem positiven Anschluss DC+ und dem negativen Anschluss DC- ist eine Serienschaltung eines ersten Schalters T1 mit antiparalleler Freilaufdiode D1, eines zweiten Schalters T2 mit antiparalleler Freilaufdiode D2, eines dritten Schalters T3 mit antiparalleler Freilaufdiode D3 und eines vierten Schalters T4 mit antiparalleler Freilaufdiode D4 angeordnet. Der erste Schalter T1 und der vierte Schalter T4 sind als IGBT-Transistoren ausgeführt, während der zweite Schalter T2 und der dritte Schalter T3 als MOSFET-Transistoren ausgeführt sind. Der Mittelpunkt M ist über einen fünften Schalter T5 mit einem positiven inneren Anschluss Pl zwischen dem ersten Schalter T1 und den zweiten Schalter T2 verbunden. Weiterhin ist der Mittelpunkt M über einen sechsten Schalter T6 mit einem negativen inneren Anschluss NI zwischen dem dritten Schalter T3 und den vierten Schalter T4 verbunden. Der fünfte Schalter T5 und der sechste Schalter T6 sind ebenfalls als IGBT-Transistoren ausgeführt. An dem zwischen dem zweiten Schalter T2 und dem dritten Schalter T3 angeordneten Brückenausgang BR ist ein Ausgangsfilter mit einer Filterdrossel LF und einem Filterkondensator CF angeschlossen zur Bereitstellung einer gefilterten Ausgangsspannung am Wechselspannungsausgang AC.
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Zum Entladen des Filterkondensators CF werden der dritte Transistor T3 und der sechste Transistor T6 leitend geschaltet, während alle übrigen Transistoren der Brücke sperrend geschaltet sind. Dadurch wird der Filterkondensators CF über die Filterdrossel LF kurzgeschlossen. Alternativ zum dritten Schalter T3 und sechsten Schalter T6 kann der Filterkondensators CF auch über den zweiten Schalter T2 und den fünften Schalter T5 oder über den fünften Schalter T5 und den sechsten Schalter T6 entladen werden. Vollständiges Entladen, d. h. auf eine Spannung von Null, umfasst dabei auch eine Entladung bis auf eine gegebenenfalls noch vorhandene vernachlässigbare Restspannung.
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2 zeigt eine zweite Schalterkonfiguration der Brücke zum komplementär getakteten Laden des Filterkondensators CF auf eine Prüfspannung. Hierbei sind der erste Schalter T1 und der sechste Schalter T6 leitend geschaltet, während der fünfte Schalter T5 und der vierte Schalter T4 sperrend geschaltet sind. Der zweite Schalter T2 wird nun hochfrequent mit Kurzpulsen getaktet, deren Tastgrad zwischen 1% und 5 % liegt. Der dritte Schalter T3 wird komplementär zum zweiten Schalter T2 getaktet. Auf diese Weise wird während der leitenden Phase des zweiten Schalters T2 der Filterkondensators CF über den ersten Zwischenkreiskondensator C1 und die Filterdrossel LF aufgeladen, und während der leitenden Phase des dritten Schalters T3 wieder teilweise entladen. Im zeitlichen Mittel liegt als Folge dieser Taktung am Filterkondensators CF eine Gleichspannung an, die dem Produkt aus der Spannung am ersten Zwischenkreiskondensator C1 und dem Tastgrad entspricht. Nach Beenden der Taktung des zweiten Schalters T2 und des dritten Schalters T3 wird geprüft, ob die Spannung des Filterkondensators CF in einem durch den oben genannten Zusammenhang bestimmten Spannungsfenster liegt. Ist dies nicht der Fall, wird darauf geschlossen, dass einer der Schalter der Brücke fehlerhaft ist und es wird ein Fehlerzustand der Brücke festgestellt.
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Das Taktschema des beschriebenen komplementären Taktens der Brücke ist in der 3 näher veranschaulicht. Hierbei ist im obersten Teildiagramm der Schaltzustand des ersten Schalters T1, darunter der Schaltzustand des zweiten Schalters T2, darunter der Schaltzustand des dritten Schalters T3 und darunter der Schaltzustand des sechsten Schalters T6 als Funktion der Zeit t als Abszisse dargestellt. Der Zahlenwert der Ordinate beträgt 0 für einen sperrenden Schalterzustand und 1 für einen leitenden Schalterzustand.
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Im untersten Teildiagramm der 3 ist der zeitliche Verlauf der Spannung U am Filterkondensators CF aufgetragen. Nach Abschluss der Entladephase EP, in der die Spannung am Filterkondensator CF Null beträgt, schließt sich die Ladephase LP mit der Taktung des zweiten Schalters T2 mit Kurzpulsen und komplementärer Taktung des dritten Schalters T3 an. In dieser Phase nähert sich die Spannung U asymptotisch einem Endwert an, der in der anschließenden Prüfphase PP gegenüber einem zulässigen Spannungsfenster mit oberer und unterer Fenstergrenze verglichen wird, um die fehlerfreie Funktion der Schalter zu verifizieren.
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Die in 4 gezeigte alternative Schalterkonfiguration unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Schalterkonfiguration zum Aufladen des Filterkondensators CF dadurch, dass nunmehr der dritte Schalter T3 nicht komplementär getaktet, sondern sperrend geschaltet ist. Hierdurch wird ein Entladen des Filterkondensators CF zwischen den Kurzpulsen des zweiten Schalters T2 verhindert, so dass sich der Strom über die Filterdrossel LF in dieser Zeit lediglich über den durch den dritten Schalter T3, den sechsten Schalter T6 und den Filterkondensator CF gebildeten Freilaufpfad abbaut. Hierdurch baut sich die Spannung über den Filterkondensator schrittweise bei jedem Kurzpuls auf, so dass in einem Testverfahren für die Brückenschalter in dieser Schalterkonfiguration die Ladephase für den Filterkondensator CF nach einer vorgegebenen Anzahl von Kurzpulsen beziehungsweise nach einer vorgegebenen Ladezeit beendet wird, bevor die Spannung des Filterkondensators CF zur Prüfung des Brückenschalterzustands bestimmt wird.
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Die in 5 gezeigte alternative Schalterkonfiguration unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Schalterkonfiguration zum Aufladen des Filterkondensators CF dadurch, dass hierbei der Filterkondensator CF über den zweiten Zwischenkreiskondensator C2 mit umgekehrter Polarität geladen wird. Diese Schalterkonfiguration kann alternativ oder bevorzugt ergänzend zu der in 2 gezeigten Schalterkonfiguration im Rahmen des Testverfahrens verwendet werden, da hierbei andere Schalter der Brücke hinsichtlich ihrer Funktionalität geprüft werden können. Hierbei sind der vierte Schalter T4 und der fünfte Schalter T5 leitend geschaltet, während der sechste Schalter T6 und der erste Schalter T1 sperrend geschaltet sind. Der dritte Schalter T3 wird nun hochfrequent mit Kurzpulsen getaktet, deren Tastgrad zwischen 1% und 5 % liegt. Der zweite Schalter T2 wird komplementär zum dritten Schalter T3 getaktet. Es ist natürlich auch hierbei denkbar, die Schalterkonfiguration wie oben beschrieben dadurch abzuwandeln, dass der zweite Schalter T2 nicht komplementär getaktet, sondern sperrend geschaltet ist.
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Abschließend ist in 6 ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Testen eines Wechselrichters mit einer Brücke dargestellt. In einem ersten Schritt S1 wird an den geteilten Zwischenkreis des Wechselrichters eine Zwischenkreisspannung angelegt, beispielsweise indem eine DC-Quelle mit den Gleichspannungsanschlüssen DC+, DC- des Wechselrichters verbunden wird. Hierbei ist der Brückenausgang mit dem angeschlossenen Netzfilter noch von einem Wechselspannungsnetz getrennt. In einem zweiten Schritt S2 wird der Filterkondensator des Netzfilters vollständig entladen. Das Entladen wird dadurch bewirkt, dass die Brücke in einer Schalterkonfiguration betrieben wird, in der ein leitender Pfad vom Mittelpunkt des geteilten Zwischenkreises zum Brückenausgang BR gebildet wird. Die Reihenfolge der Durchführung des ersten Schritts S1 und des zweiten Schritts S2 ist beliebig.
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In einem dritten, nachfolgenden Schritt S3 werden der erste Schalter T1 und der sechste Schalter T6 geschlossen, während der vierte Schalter T4 und der fünfte Schalter T5 offen sind. Hierdurch wird an dem positiven inneren Anschluss PI der Brücke das positive Zwischenkreispotential, und am negativen inneren Anschluss NI das Mittelpunktspotential angelegt. In einem vierten Schritt S4 erfolgt anschließend ein Takten des zweiten Schalters T2 mit einer Mehrzahl von Kurzpulsen, wobei der Tastgrad der Kurzpulse zwischen 1% und 5% vorgegeben wird.
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In einem abschließenden fünften Schritt S5 wird anschließend an das Takten eine über dem Filterkondensator abfallende Spannung bestimmt, wobei ein Fehlerzustand der Brücke festgestellt wird, wenn die abfallende Spannung außerhalb eines Spannungsfensters mit einer oberen Fenstergrenze und einer unteren Fenstergrenze liegt.
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Sofern der Wechselrichter mehrere Brücken aufweist, zum Beispiel für jede Phase eines angeschlossenen Wechselspannungsnetzes eine Brücke, oder auch mehrere Brücken, die über getrennte oder auch gemeinsame Netzfilter an eine Phase des Wechselspannungsnetzes angeschlossen sind, kann das Verfahren nacheinander für jede der Brücken durchgeführt werden. Das Verfahren kann durch weitere Testroutinen für weitere Fehlerbilder der Brücke oder anderer Komponenten des Wechselrichters ergänzt werden. Zur Verifikation eines festgestellten Fehlerzustandes kann das Verfahren auch mehrfach ausgeführt werden.
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Sofern durch das Verfahren ein Fehlerzustand in einer Brücke festgestellt wird, kann darauf in unterschiedlicher Weise reagiert werden. Beispielsweise kann ein Verbinden des Wechselrichters mit dem Wechselspannungsnetz unterbunden werden, der Wechselrichter mit deaktivierter betroffener Brücke betrieben werden, oder für die betroffene Brücke eine Ansteuerung gewählt werden, in der sie mit Einschränkungen betrieben werden kann. Der Fehlerzustand kann weiterhin an eine übergeordnete Kontrollinstanz kommuniziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- DC+, DC-
- Anschluss
- C1, C2
- Zwischenkreiskondensator
- M
- Mittelpunkt
- T1-T6
- Schalter
- D1-D6
- Diode
- BR
- Brückenausgang
- PI, NI
- Innerer Anschluss
- LF
- Filterdrossel
- CF
- Filterkondensator
- AC
- Wechselspannungsausgang
- S1-S5
- Schritt
- LP
- Ladephase
- EP
- Entladephase
- PP
- Prüfphase
