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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Unterdrückung eines Gleichstromanteiles
im Ausgangsstrom von Wechselrichtern.
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Für
die Einspeisung von Energie in das öffentliche Netz aus Gleichstromquellen
sind Wechselrichter erforderlich, die den Gleichstrom in einen Wechselstrom
umformen. Die Vorschriften der VNB (Verteilungsnetz-Betreiber) zur Einspeisung
von Energie, beispielsweise aus Photovoltaik-Anlagen, Brennstoffzellen
usw., in das öffentliche
Netz schreiben vor, dass nur ein minimaler Gleichstromanteil in
dem eingespeisten Strom enthalten sein darf. Zukünftig soll dieser Grenzwert
für typische
dezentrale Anlagen reduziert werden und lediglich 5 mA betragen.
Dieser Grenzwert ist in Relation zu dem Effektivwert des Stromes
von ca. 20 A beim Betrieb einer 5 kW-Photovoltaik-Anlage sehr niedrig.
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Stand der Technik
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Bei zahlreichen bekannten Wechselrichtern
wird ein 50 Hz-Transformator eingesetzt, bei dem per Definition
die Einspeisung eines Gleichstroms in das nachgeschaltete Wechselstromnetz
ausgeschlossen ist, so dass theoretisch keine weiteren Maßnahmen
für die
Unterdrückung
eines Gleichstromanteils erforderlich sind. Streng genommen können jedoch
auch bei einer derartigen Anordnung Gleichströme auftreten, wenn Gleichstromanteile
auf der Primärseite
des Transformators zu Unsymmetrien der Hysteresekurve und damit
zu Gleichstromanteilen auf der Sekundärseite führen.
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Eine weitere bekannte Technik zur
Unterdrückung
bzw. Vermeidung eines Gleichstromanteiles im Ausgangsstrom von Wechselrichtern
sieht vor, den bei einphasig einspeisenden Wechselrichtern erforderlichen Pufferkondensator
parallel zur Gleichstromquelle auf zwei Kondensatoren aufzuteilen
und den Mittelpunkt M zwischen den beiden Kondensatoren mit dem
Neutralleiter des Wechselstromnetzes zu verbinden. Ein derartiger
Aufbau eines transformatorlosen Wechselrichters ist in 2 in einem Prinzipschaltbild
dargestellt. Der parallel zur Gleichstromquelle, beispielsweise
einem Solargenerator 1, geschaltete Pufferkondensator ist
hierbei in die beiden Kondensatoren C1 und
C2 aufgeteilt, deren Spannung über die
Schalter S1 und S2 auf
den Ausgang der durch die beiden Schalter gebildeten Halbbrücke geschaltet
werden. Die beiden Schalter S1 und S2 werden dabei über eine nicht dargestellte
Steuerung so getaktet, dass sich ein annähernd sinusförmiger Wechselstrom
in der Drosselspule 3 ergibt. Bei diesem Aufbau ist der
Mittelpunkt M der beiden gleich großen Kondensatoren C1 und C2 mit dem
Neutralleiter N des Wechselstromnetzes 2 verbunden. An
beiden Kondensatoren liegt im Mittel die halbe Solargeneratorspannung,
die aufgrund der sinusförmigen
Netzströme
ebenfalls mit der Netzfrequenz geringfügig schwankt. Bei dieser Anordnung
kann per Definition kein Gleichstrom im Ausgangskreis fließen, da
sich sonst der Mittelpunkt M spannungsmäßig verschiebt.
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Ein Nachteil dieser Anordnung besteht
jedoch darin, dass die durch den Solargenerator 1 zu erzeugende
Eingangsspannung aufgrund der Aufteilung auf die beiden Kondensatoren
mindestens den doppelten Maximalwert der Netzspannung, also bei
Bezugnahme auf das öffentliche
Netz mindestens 700 V, betragen muss. Da dies in der Praxis unzweckmäßig ist,
wird der Solargenerator 1 in der Regel nicht wie dargestellt
direkt, sondern über
einen Hochsetzsteller mit den Pufferkondensatoren verbunden.
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Eine weitere prinzipiell denkbare,
jedoch nach Kenntnis der Anmelderin bisher nicht realisierte Lösung besteht
darin, in den Ausgangskreis des Wechselrichters einen Kondensator
zu schalten, der den Gleichstromanteil unterdrückt. Ein Prinzipschaltbild
einer derartigen denkbaren Lösung
ist in 3 dargestellt,
bei der wiederum ein zur Gleichstromquelle, beispielsweise einem
Solargenerator 1, parallel geschalteter Pufferkondensator
C vorgesehen ist, dessen Spannung über eine Brückenschaltung mit vier Schaltern
S1 bis S4 in eine Wechselspannung
gewandelt wird. Zur Unterdrückung
des Gleichstromanteils ist in einem Ausgangsleiter des Ausgangskreises
der Kondensator CA geschaltet. Aufgrund
der gerade von Solargeneratoren erzeugten hohen Leistung im Kilowattbereich
ist jedoch eine sehr große
Kapazität
des Kondensators CA erforderlich. Da weiterhin
vergleichsweise hohe Gleichspannungen beider Polarität an ihm
auftreten können,
ist er in der Praxis für derartige
Leistungen nicht ökonomisch
realisierbar.
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Eine weitere Möglichkeit der Unterdrückung eines
Gleichstromanteiles im Ausgangsstrom von Wechsel richtern, die derzeit
aus den nachfolgend genannten Gründen
nach Kenntnis der Anmelderin ebenfalls nicht realisiert wird, besteht
in einer regelungstechnischen Unterdrückung des Gleichstromanteils.
Hierfür
ist es erforderlich, den jeweils vorhandenen Gleichstromanteil zu
kennen. Eine Messung dieses Gleichstromanteils im Ausgangskreis
des Wechselrichters über
sonst in der Leistungselektronik übliche Hall-Stromsensoren scheidet
allerdings aufgrund von Offset- und Dynamikproblemen aus. Eine Messung
mittels Shunt und direkter Strommessung scheitert in der Praxis
aufgrund der hierfür
erforderlichen Dynamik des D/A-Wandlers. Dieser müsste bei
einem Spitzenwert des Netzstromes von ca. + 30 A und einer Auflösung von
1 mA eine Dynamik von > 90
dB haben, entsprechend 16 Bit. Eine Möglichkeit zur Verringerung
dieser Anforderungen könnte
darin bestehen, eine Tiefpassfilterung des Messsignals vor der Abtastung
vorzunehmen, beispielsweise mit einer Grenzfrequenz von 1 Hz. Damit
würde die
Amplitude des netzfrequenten Stromsignals um ca. 34 dB abnehmen
(20 dB/Dekade), bei Filtern höherer
Ordnung auch mehr. Die erforderliche Dynamik des D/A-Wandlers würde entsprechend
reduziert. Die Anforderungen an das Messsystem bleiben jedoch trotz
einer derartigen Maßnahme
sehr hoch. Geht man hierbei von einem Shunt-Widerstand von beispielsweise
3 mΩ aus
(60 mV/20 A), so ergibt ein Gleichstrom von 1 mA ein Spannungssignal
von 3 μV,
welches in einer leistungselektronischen Umgebung gemessen werden
müsste.
Eine regelungstechnische Kompensation des Gleichstromanteiles scheidet
daher für
den Fachmann bisher aufgrund dieses sehr hohen Aufwandes in der
Praxis aus.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung
sowie ein Verfahren zur Unterdrückung
eines Gleichstromanteiles im Ausgangsstrom von Wechselrichtern anzugeben,
bei denen sich der Gleichstromanteil ohne großen Aufwand auf minimale Werte
reduzieren lässt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung
sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bzw.
9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens
sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Die vorliegende Vorrichtung setzt
eine Messeinrichtung zur integrierenden Messung des Gleichstromanteiles
in einem Ausgangsleiter des Wechselrichters sowie eine Regelung
ein, die die Schaltvorgänge
des Wechselrichters in Abhängigkeit
von einem mit der Messeinrichtung gemessenen integralen Gleichstromanteil so
steuert, dass der integrale Gleichstromanteil im Ausgangsleiter
kompensiert wird.
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Die vorliegende Vorrichtung und das
zugehörige
Verfahren beruhen somit auf einer regelungstechnischen Kompensation
des Gleichstromanteils, der über
ein integrierend wirkendes Messverfahren im Ausgangskreis erfasst
wird. Durch die integrierende Wirkung des Messverfahrens werden
die Anforderungen an die Dynamik des nachfolgenden Mess- und Regelungssystems
deutlich vermindert, so dass sich die vorliegende Vorrichtung bzw.
das vorliegende Verfahren relativ kostengünstig und ohne großen Aufwand
realisieren lassen.
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Die eingesetzte Messeinrichtung zur
integrierenden Messung des Gleichstromanteiles umfasst vorzugsweise
lediglich einen Kondensator, der in einen Ausgangsleiter des Wechselrichters
geschaltet ist. Dieser Kondensator dient jedoch nicht der passiven
Unterdrückung
des Gleichstromanteils, wie dies bei der in der Beschreibungseinleitung
als denkbar beschriebenen Lösung
mit dem Kondensator CA beschrieben wurde,
sondern lediglich der Erfassung dieses Gleichstromanteils. Durch
die regelungstechnische Kompensation aufgrund der Messung des Gleichstromanteils
baut sich an dem Messkondensator auch keine große Spannung auf, so dass kein
großer
und teurer Kondensator erforderlich ist. Der über den Messkondensator CM integrierend erfasste Gleichstromanteil
wird der Regelung zugeführt,
die die Schaltvorgänge
des Wechselrichters, die in bekannter Weise in der Regel zur Erzeugung
eines sinusförmigen
Wechselstroms gesteuert werden müssen,
zusätzlich
derart beeinflusst, dass der gemessene Gleichstromanteil am Ausgang
kompensiert wird.
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In einer sehr einfachen Ausgestaltung
der Messeinrichtung der vorliegenden Vorrichtung wird die Spannung
am Kondensator über
einen Differenzverstärker
erfasst und das Ausgangssignal des Differenzverstärkers direkt
der Regelung zugeführt.
Hierbei kann die bereits für
Wechselrichter erforderliche Steuerung oder Regelung genutzt werden,
in die auf Basis des erfassten Gleichstromanteils so eingegriffen
wird, dass dieser im Ausgangsleiter kompensiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Vorrichtung, bei der eine Steuerung bzw. Regelung
für den
Wechselrichter vorgesehen ist, die auf Basis eines zugeführten Sollstromverlaufs
die Schaltvorgänge
im Wechselrichter steuert, wird zu diesem Sollstromverlauf lediglich
der integrierend gemessene Gleichstromanteil mit richtigem Vorzeichen
addiert. Dies kann in einfacher Weise durch einen Addierer erfolgen,
mit dem die bereits bei bekannten Wechselrichtern vorhandene Steuerung
bzw. Regelung ergänzt
wird. Die Regelung kann hierbei für die Steuerung der Schaltvorgänge des
Wechselrichters beispielsweise einen Pulsbreiten-Modulator aufweisen.
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Die vorliegende Vorrichtung ermöglicht es
auch, die mittlere Spannung am Messkondensator CM auf einen
Wert ungleich Null zu regeln. Eine derartige Vorspannung erlaubt
den vorteilhaften Einsatz gepolter Kondensatoren, wie beispielsweise
von Elektrolyt- oder Doppelschicht-Kondensatoren als Messkondensatoren. Zu
diesem Zweck umfasst die Regelung der vorliegenden Vorrichtung vorzugsweise
einen zusätzlichen
Offset-Regler, über den
ein vorgebbarer Offset-Wert zum integrierend gemessenen Gleichstromanteil
addiert oder von diesem subtrahiert werden kann, um die entsprechende
Vorspannung am Messkondensator zu erzeugen.
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In einer weiteren möglichen
Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung kann der Messkondensator CM auch durch eine zusätzliche Schutzschaltung vor
einer Spannungs-Überlastung
geschützt
werden. Diese Begrenzung der Spannung über dem Kondensator CM kann über
bekannte Schaltungen erfolgen, wie beispielsweise durch parallel
geschaltete Diodenstrecken. Diese Schutzschaltungen ermöglichen
den Einsatz von Kondensatoren mit hoher Kapazität und kleiner Spannung in der
vorliegenden Vorrichtung. Durch eine derartige Schutzbeschaltung
des Kondensators wird eine Zerstörung
der Messvorrichtung durch den Ausfall der Regelung oder durch einen
unvorhergesehen hohen Maximalwert des erzeugten Wechselstromes verhindert.
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Die vorliegende Vorrichtung lässt sich
prinzipiell bei allen bekannten Wechselrichterschaltungen einsetzen.
Besondere Vorteile bietet sie bei transformatorlosen Wechselrichtern,
da die resultierenden Wechselrichterschaltungen mit der vorliegenden
Vorrichtung dann einen sehr einfachen Aufbau aufweisen. Selbstverständlich lassen
sich die vorliegende Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren jedoch auch
bei Wechselrichtern mit Transformatoren einsetzen. Auch ein Einsatz
der vorliegenden Vorrichtung bei einer Wechselrichterschaltung gemäß 2 ist selbstverständlich möglich.
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Die vorliegende Vorrichtung sowie
das zugehörige
Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen ohne Beschränkung
auf die Ausgestaltungen dieser Ausführungsbeispiele nochmals kurz
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild eines Beispiels eines Wechselrichters mit der
vorliegenden Vorrichtung;
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2 ein
Prinzipschaltbild eines bekannten Wechselrichters mit Gleichstromunterdrückung gemäß dem Stand
der Technik;
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3 ein
Prinzipschaltbild einer möglichen
Ausgestaltung eines Wechselrichters mit einer Vorrichtung zur Unterdrückung des
Gleichstromanteils;
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4 ein
Beispiel für
eine Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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5 drei
Beispiele für
Schutzbeschaltungen des Messkondensators CM der
vorliegenden Vorrichtung.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
anhand eines Beispiels eine Prinzipschaltung eines Wechselrichters
mit einer Vorrichtung zur Unterdrückung des Gleichstromanteils
im Ausgangsstrom des Wechselrichters gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Wechselrichter ist hierbei in bekannter Weise durch Parallelschaltung
eines Kondensators C zum Gleichstromgenerator sowie einer Brückenschaltung
aus vier Schaltern S1 bis S4 realisiert.
Als Gleichstromgenerator kann beispielsweise ein Solargenerator 1 oder
eine Brennstoffzelle dienen. Die vorliegende Vorrichtung sowie das
zugehörige
Verfahren eignen sich hierbei insbesondere für Generatoren, die im kW-Bereich
arbeiten. Der konkrete Aufbau einer Brückenschaltung, wie sie bei
Wechselrichtern eingesetzt wird, ist dem Fachmann bekannt. Die einzelnen
Schalter werden hierbei in der Regel über geeignete Halbleiterschaltelemente
wie beispielsweise MOSFETs realisiert. Einzelheiten hierzu, die
nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind, können der
Fachliteratur entnommen werden.
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Über
die in den Ausgangsleitern des Wechselrichters enthaltenen Drosselspulen 3 wird
bei geeigneter Ansteuerung der einzelnen Schalter S1 bis
S4 ein nahezu sinusförmiger Wechselstrom erzeugt,
der in das Wechselstromnetz 2 eingespeist wird. Mit P ist
hierbei der spannungsführende
Leiter, mit N der Neutralleiter bezeichnet. Selbstverständlich lassen
sich mit einem derartigen Wechselrichter auch Wechselspannungen
erzeugen, die keinen sinusförmigen
Verlauf aufweisen, indem die einzelnen Schalter geeignet angesteuert
werden. Die hierfür
erforderliche Steuerung bzw. Regelung für die Schaltvorgänge, die
in der Regel mit einer Taktfrequenz im kHz-Bereich erfolgen, sind
aus dem Stand der Technik bekannt.
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Im Beispiel der
1 wird in einen der Ausgangsleiter des
Wechselrichters ein Messkondensator C
M eingesetzt,
dessen Spannung über
einen Differenzverstärker
4 einem
Regler
5 zugeführt
wird. Der Differenzverstärker
4 liefert
hierbei die Spannung
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Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 4 repräsentiert
somit das Ergebnis einer Integration über den im Ausgangsleiter aufgetretenen
Gleichstromanteil. Der Regler 5, der die einzelnen Schalter
S1 bis S4 der Schaltungsbrücke des
Wechselrichters zur Erzeugung eines sinusförmigen Wechselstromes entsprechend
einem vorgegebenen Sollverlauf ISOLL ansteuert,
wird zusätzlich
durch die vom Differenzverstärker
gelieferte gemessene Spannung UCM so beeinflusst,
dass der integrale Gleichstromanteil durch die Schaltvorgänge kompensiert
wird. Durch diese Kompensation muss der Messkondensator CM keine hohen Spannungen aufnehmen, da der
resultierende Gleichstromanteil jeweils über den Regler 5 wieder
unterdrückt
wird. Es lässt sich
somit ein sehr kostengünstiger
Messkondensator CM einsetzen. Durch die
integrierende Wirkung der Messeinrichtung werden zudem die Anforderungen
an die Dynamik des Regelungssystems deutlich vermindert.
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Selbst wenn in diesem und den nachfolgenden
Beispielen jeweils nur ein einphasiger Wechselrichter dargestellt
ist, so lässt
sich die vorliegende Vorrichtung selbstverständlich ohne Weiteres auch auf
mehrphasige Wechselrichter anwenden. In diesem Fall ist in einem
Ausgangsleiter jeder Phase eine entsprechende Messeinrichtung vorgesehen,
deren Messsignal dem zugehörigen
Regler zugeführt
wird. Die Regelung der einzelnen Phasen erfolgt dabei unabhängig voneinander.
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Die 2 und 3, die bekannte oder denkbare
Ausgestaltungen des Standes der Technik darstellen, wurden bereits
in der Beschreibungseinleitung diskutiert.
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4 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Prinzipschaltung der vorliegenden Vorrichtung.
In dieser Figur sind die Schalter des Wechselrichters nur über einen,
eine Brückenschaltung
repräsentierenden,
Block 6 dargestellt. Die Schaltvorgänge der Brückenschaltung werden in diesem
Beispiel über
einen Pulsbreiten-Modulator 7 gesteuert,
dem der Sollstromverlauf ISOLL vorgegeben
wird. Auch in diesem Beispiel ist in einem Ausgangsleiter des Wechselrichters
wiederum der Messkondensator CM vorgesehen,
dessen Spannung UCM über den Differenzverstärker 4 erfasst
wird. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 wird in diesem
Beispiel einem Regler 8 zugeführt, dessen Sollwert der Offset-Spannung
UOS einstellbar ist. Vom Sollwert der Offset-Spannung
wird durch den Offset-Regler 8 die vom Differenzverstärker gemessene
Spannung UCM subtrahiert. Das Ausgangssignal
des Offset-Reglers 8 gelangt auf einen Addierer 9,
der das Ausgangssignal des Offset-Reglers 8 zu dem Sollstromverlauf
ISOLL addiert. Das in den Pulsbreiten-Modulator 7 gelangende
Signal des Sollstromes ist somit bereits ein um den zu korrigierenden
Gleichstromanteil und die Offset-Spannung korrigiertes Signal, so
dass der Wechselrichter auf Basis dieses korrigierten Sollverlaufs
angesteuert wird. Diese Ansteuerung bewirkt dann eine Kompensation
des gemessenen Gleichstromanteils sowie die Erzeugung einer entsprechenden
Offset-Spannung am Messkondensator CM. Dies
ermöglicht
den vorteilhaften Einsatz von Kondensatoren, die eine unipolare
Spannung benötigen,
wie beispielsweise von Elektrolyt- oder Doppelschicht-Kondensatoren als
Messkondensator CM. Die Vorspannung wird
hierbei über
den Sollwert des Offset-Reglers 8 eingestellt.
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Als Beispiel für die Dimensionierung des Kondensators
CM wird beispielsweise angenommen, dass
ein effektiver Netzstrom INETZ,eff von INETZ,eff = 20 A, entsprechend einer Maximalamplitude
von ca. 30 A, erzeugt werden soll. Bei diesem Netzstrom soll am
Messkondensator CM eine effektive Wechselspannung
von 0,8 V abfallen. Der Spitzenwert liegt dann bei ca. 1,2 V. Wird
die mittlere Spannung an CM auf 1,2 V geregelt,
so ergibt sich ein Spannungshub zwischen 0 V und 2,4 V, dem zulässigen Bereich
für Doppelschichtkondensatoren.
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Bei dieser Berechnung wurde kein äquivalenter
Serienwiderstand (ESR) berücksichtigt.
Dieser sollte jedoch im Bereich weniger mΩ liegen. Derartige Bauteilwerte
für den
Kondensator CM können mit Doppelschichtkondensatoren,
wie beispielsweise Super-Caps, oder beispielsweise durch Parallelschaltung
von Tantalkondensatoren erreicht werden.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden
Vorrichtung besteht in der sehr kostengünstigen Umsetzbarkeit, so dass
bei einem 5 kW-Wechselrichter nur geringe Zusatzkosten für die Vorrichtung
anfallen. Sollten die in der Beschreibungseinleitung genannten niedrigen
Grenzwerte für
den Gleichstromanteil von Wechselrichtern zur Vorschrift werden,
so ließe
sich mit der vorliegenden Schaltung dieser Grenzwert in einfacher
und kostengünstiger
Weise realisieren.
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5 zeigt
schließlich
noch beispielhaft mögliche
Schutzschaltungen des Kondensators CM, bei
denen im Fall a) Leistungsdioden, im Fall b) eine Zenerdiode und
im Fall c) ein Leistungstransistor zusammen mit einer Leistungsdiode
eingesetzt werden. Diese Beispiele beziehen sich auf gepolte Kondensatoren
CM, so dass die dargestellte unsymmetrische
Beschaltung erforderlich ist. Selbstverständlich bieten sich dem Fachmann
zahlreiche weitere Möglichkeiten,
eine derartige Schutzbeschaltung vorzunehmen, so dass dieses Beispiel
nur als Illustration anzusehen ist.
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