DE19603823A1 - Stromrichterschaltungsanordnung, insbesondere zur Energieaufbereitung in Photovoltaik- oder mindestens einphasigen Systemen - Google Patents

Stromrichterschaltungsanordnung, insbesondere zur Energieaufbereitung in Photovoltaik- oder mindestens einphasigen Systemen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Stromrichterschaltungsanordnung insbesondere zur Energieaufbereitung in Photovoltaik- oder mindestens einphasigen Systemen mit einem von einem oder mehreren Treibermodulen getriebenen Wechselrichter mit mindestens einem Gleichspannungswandler für zwei Richtungen des Leistungsflusses.
Entsprechende Stromrichterschaltungsanordnungen nachfolgend auch kurz Anordnung, Schaltungsanordnung oder Wechselrichter genannt, sind beispielsweise aus der JP 1-298952 oder der DE 29 17 926 C2 bekannt.
Immer dann, wenn die Ausgangsspannung eines Photovoltaik-Systems bzw. Photovoltaik-Generators zur Versorgung verschiedenster Wechselstromverbraucher unterhalb einer geforderten Nenngröße einer Wechselspannung liegt, muß eine Energieaufbereitungseinrichtung die Generatorspannung auf das erforderliche Spannungsniveau hochsetzen und gleichzeitig wechselrichten. Die dafür verwendeten Wechselrichter bestehen in der Regel aus einer hochsetzenden Einheit, wie einem Hochsetzsteller, einem potentialgetrennten DC Wandler oder einem 50 Hz-Transformator, und einer wechselrichtenden Einheit, wie einem Pulswechselrichter oder einer 50 Hz-Brücke. Diese beiden Einheiten, also die hochsetzende und wechselrichtende Einheit, werden als Kettenschaltung miteinander verbunden. Wird beispielsweise als hochsetzende Einheit ein DC Wandler mit nachgeschalteter wechselrichtender Einheit eingesetzt, dann wirkt sich die Kettenschaltung zweier Stromrichter negativ auf den Wirkungsgrad der Stromrichterschaltungsanordnung aus. Wird dagegen eine wechselrichtende Einheit mit nachgeschalteter hochsetzender Einheit, z. B. einem 50 Hz-Transformator, gewählt, dann fällt zusätzlich noch das große Gewicht des oder der großen Transformatoren zusätzlich als Nachteil ins Gewicht. Die Verwendung einer Vollbrücke in einer Kettenschaltung mit einer hochsetzenden Einheit ist überdies deshalb notwendig, weil die wechselrichtende Einheit ansich tiefsetzende Eigenschaften hat. D. h., die über eine Kettenschaltung verbundenen Einheiten stellen immer einen gewissen Kompromiß zwischen technischem Aufwand und Wirkungsgrad dar.
Aus der eingangs genannten DE 29 17 926 C2 ist ein Gegentakt-Schalt­ leistungsverstärker bekannt, der entsprechend dessen Fig. 6 mit Beschreibung, u. a. in Spalte 9, Zeile 45 ff., ideal zur Anwendung im Zusammenhang mit Batterielade-/Entladegeräten sein soll, in denen beide Funktionen durch eine einzige Wandlerstruktur verwirklicht werden. Ein Nachteil dieser bekannten Schaltungsanordnung liegt jedoch in der hohen Spannungsbelastung des dort in Fig. 6 vorgesehenen Kondensators C1, die aus der Summe der Eingangs- und Ausgangsspannungen zusammengesetzt ist. Im übrigen betrifft diese DE 29 17 926 C2 grundsätzlich ein anderes technisches Gebiet, nämlich einen Schalleistungsverstärker in Form einer Gegentaktleistungsstufe eines Tonfrequenzverstärkers mit einem Amplitudenfrequenzgang bis 20 kHz zur Anwendung im Niederspannungsbereich und nicht, wie die vorliegende Erfindung, eine Stromrichterschaltungsanordnung zur Spannungsanhebung und Versorgung einer beliebigen Verbrauchsspannungsquelle. Die erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung geht daher von einem Gleichspannungswandler aus, der in der eingangs genannten JP 1-298952 näher beschrieben ist, bei dem die Spannungsbelastung eines entsprechenden Kondensators nur aus der Ausgangsspannung resultiert.
Ein weiterer Nachteil der aus der DE-29 17 926 C2 bekannten Schaltungsanordnung ist, daß sie nicht so ohne weiteres auf eine dreiphasiges Ausgangsspannungssystem zu übertragen ist.
Die im Stand der Technik bekannten Stromrichterschaltungsanordnungen können daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht befriedigend lösen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromrichterschaltungs­ anordnung insbesondere zur Energieaufbereitung in Photovoltaik- oder mindestens einphasigen Systemen bereitzustellen, die die Funktionen des Spannungshoch-/tiefsetzens und des Wechselrichtens bei
Wechselrichterbetrieb und des Spannungstiefsetzens bei Gleichrichterbetrieb mit nur einer einzigen Einheit mit in Anzahl und Größe reduzierten Bauteilen im low cost Bereich gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Verbindung zwischen einer Gleichspannungsquelle und Wechselspannungsquellen mindestens ein erster und ein zweiter Gleichspannungswandler mit spannungshoch-/tiefsetzendem wechselrichtenden sowie spannungstiefsetzendem gleichrichtenden Verhalten angeordnet ist, und daß die Gleichspannungswandler auf der Seite der Gleichspannungsquelle parallel und auf der Seite der Wechselspannungsquelle in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Völlig überraschend hat sich gezeigt, daß die Verwendung von mehreren Gleichspannungwandlern in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zu den gewünschten Ergebnissen führt, d. h., es kann mit einfachsten Maßnahmen eine zu niedrige Generatorspannung, beispielsweise eines Photovoltaik- Generatorsystems, gleichzeitig auf das gewünschte Spannungsniveau hochgesetzt und wechselgerichtet werden, ohne daß dazu eine Kettenschaltung aus den aus dem Stand der Technik bekannten Funktionseinheiten mit den genannten Nachteilen notwendig ist.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der erste und der zweite Gleichspannungswandler eine Beschaltung für das Betreiben von Blindlasten und/oder einen Leistungsfluß in beiden Richtungen aufweist. Wie bereits erwähnt, sind aus dem Stand der Technik Stromrichterschaltungsanordnungen bekannt, die für zwei Richtungen des Leistungsflusses geeignet sind. Überraschenderweise wurde ferner erkannt, daß an sich ebenfalls bekannte Beschaltungen für diesen Zweck völlig ausreichend sind, um die erfindungsgemäße Aufgabe mit einer einfachen Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers, beispielsweise eines Zeta-Wandlers, zu lösen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in jedem Gleichspannungswandler die Gleichspannungsquelle mit der Teilausgangsspannungsquelle über einen abschaltbaren ersten Leistungshalb­ leiterschalter, einen ersten Kondensator und eine Glättungsinduktivität mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist und der erste Kondensator auf der Seite der Gleichspannungsquelle über eine erste Induktivität und auf seiner anderen Seite über eine Freilaufdiode mit Erde verbunden ist und die Beschaltung derart ausgebildet ist, daß dem ersten Leistungshalbleiterschalter eine parallel angeordnete Leistungsdiode und der Freilaufdiode ein zweiter abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter zugeordnet sind. Ein im Stand der Technik oft notwendiger zweiter Kondensator zwischen den Polen der Teilausgangsspannungsquelle kann entfallen. Wie bereits ausgeführt wurde, kann überraschenderweise eine einfache Schaltung des Gleichspannungs­ wandlers (Zeta-Wandler) mit der entsprechenden Beschaltung verwendet werden. Die erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung kann somit im low cost Bereich angesiedelt werden.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Glättungsinduktivität des ersten Gleichspannungswandlers über eine Glättungskapazität, über der die Wechselspannung an liegt, direkt mit dem ersten Kondensator des zweiten Gleichspannungswandlers verbunden ist und die ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter stormbidirektional ausgelegt sind und der erste Leistungshalbleiterschalter des zweiten Gleichspannungs­ wandlers eingangsseitig mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist und die Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiterschalters des ersten Gleich­ spannungswandlers zusammen mit dem zweiten Leistungshalbleiterschalter des zweiten Gleichspannungswandlers eine positive Wechselspannungsschwingung und die Ansteuerung des zweiten Leistungshalbleiterschalters des ersten Gleichspannungswandlers und des ersten Leistungshalbleiterschalters des zweiten Gleichspannungswandlers eine negative Wechselspannungs­ schwingung an der Last erzeugt. Die besonderen Vorteile dieser Ausgestaltung werden weiter unten näher erläutert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß durch das Treibermodul eine sinusmodulierte Aussteuerung der ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter der Gleichspannungswandler erfolgt, so daß auf der Seite der Wechselspannungsquelle im Wechselrichterbetrieb eine sinusförmige Wechselspannung zur Verfügung steht. Hierdurch können bekannte Treibermodule eingesetzt werden, die die erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung ebenfalls für den low cost Bereich verfügbar machen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Treibermodule bei netzgekoppeltem Betrieb die zweiten Leistungshalbleiter­ schalter der Gleichspannungswandler mit einer hohen Schaltfrequenz bis einige hundert Kiloherz und die ersten Leistungshalbleiterschalter mit einer niedrigen Schaltfrequenz von einigen zehn Herz insbesondere 50 Hz mit einem Tastverhältnis um 0,5 taktet und die hochfrequent getakteten zweiten Leistungshalbleiterschalter ferner gegentaktig sinusmoduliert und die ersten Leistungshalbleiterschalter ebenfalls gegentaktig ansteuert, so daß eine Kombination aus dem angesteuerten ersten Leistungshalbleiterschalters des ersten Gleichspannungswandlers mit dem zweiten Leistungshalbleiterschalter des zweiten Gleichspannungswandlers die positive Halbschwingung und eine Kombination aus dem angesteuerten zweiten Leistungshalbleiterschalters des ersten Gleichspannungswandlers mit dem ersten Leistungshalbleiterschalter des zweiten Gleichspannungswandlers die negative Halbschwingung im Wechselrichterbetrieb an der Wechselspannungsquelle erzeugt. Hieraus ergeben sich mehrere Vorteile, die auch zu der o.g. besonderen Ausgestaltung gehören.
Bei der Ansteuerung gibt es im Stand der Technik lange Pulse für die positive Halbwelle vom ersten Schalter des ersten Wandlers und vom zweiten Schalter des zweiten Wandlers und kurze Pulse für die negative Halbwelle, wobei dann der erste Schalter des zweiten und der zweite Schalter des ersten Wandlers takten, bzw. insgesamt umgekehrt, wenn die negative Halbwelle zuerst kommt. Nachteilig findet hierbei ein hochfrequenter Potentialwechsel zwischen Plus und Minus der Gleichspannungsquelle statt. Das bedeutet, daß aufgrund des Spannungswechsels bei hoher Frequenz Störungen auftreten, die die elektromagnetische Verträglichkeit negativ beeinflussen, die das Maß der Störung angibt.
Erfindungsgemäß ergibt sich eine Pulsbreitensteuerung für eine positive und negative Halbwelle in Form eines abgewandelten Dreipunktverfahrens, d. h., es wird im ersten Punkt von positiven Spannungswerten bis 0 und im zweiten Punkt von 0 zu negativen Spannungswerten gepulst, wobei der Nulldurchgang den dritten Punkt bildet. Dadurch, daß zeitweise im positiven und zeitweise im negativen Bereich gepulst wird, werden die Störeinflüsse stark vermindert. Vorteilhaft treten weniger Schaltverluste auf, weil, wenn die ersten Schalter hochfrequent getaktet werden, dann schalten die zweiten Schalter nur mit einer Taktfrequenz von z. B. 50 Hz, wobei es dann egal ist, welche der Schalterpaare getaktet werden.
Vorteilhaft ist vorgesehen, daß die Treibermodule eine hohe Schaltfrequenz von 16 bis 200 kHz und eine niedrige Schaltfrequenz von 50 Hz mit einem Tastverhältnis von 0,5 bereitstellt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß für ein dreiphasiges Wechselstromsystem drei gleiche Gleichspannungswandler vorgesehen sind, welche auf der Seite der Gleichspannungsquelle parallel geschaltet sind und deren Glättungsinduktivitäten jeweils eine Phase des Wechselstromsystems bilden, die stromausgangsseitig über einen Verbraucher in Stern geschaltet sind, derart, daß die Kollektoren (drain) der ersten Leistungshalbleiterschalter mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle und die Emitter (source) der zweiten Leistungshalbleiterschalter mit Erde verbunden sind. Durch diese einfache um einen Gleichspannungswandler ergänzte Stromrichterschaltungsanordnung ist die Erzeugung eines Drehstromnetzes mit einfachsten Mitteln möglich. D. h., durch drei Gleichspannungswandler kann eine Eingangsspannung von z. B. 100 Volt auf maximal 380 Volt effektiv erhöht werden, wobei die drei Gleichspannungs­ wandler durch eine Dreieck- oder Sternschaltung über eine Last verknüpft werden.
Vorteilhaft ist ferner vorgesehen, daß die ersten Induktivitäten, die Glättungsinduktivitäten und die ersten Kapazitäten derart dimensioniert sind, daß ihre Strom- und Spannungsgrößen als eingeprägt bezüglich der Schaltperiode bezeichnet werden können.
Ferner ist vorgesehen, daß das oder die Treibermodule zur Ansteuerung der ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter der ersten, zweiten und dritten Gleichspannungswandler bekannte Ansteuerverfahren verwirklichen.
Insgesamt wird noch auf folgendes hingewiesen werden: Da die Baugröße eines Kondensators proportional zur zu speichernden Energie ist und die Energie ihrerseits proportional zur quadratischen Spannungsbelastung, zeigt die erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung eine Ersparnis bei der Baugröße und deren Gewicht auf, die ebenso quadratisch eingeht. Die Ersparnis kommt wegen der dreifachen Ausführung aller Elemente vor allem bei der dreiphasigen Anwendung zum Tragen. Die Anordnung der Halbleiterelemente und der passiven Bauelemente der erfindungsgemäßen Stromrichterschaltungsanordnung führen hingegen zu einphasigen bzw. dreiphasigen Brückenstrukturen, die bekannten Pulswechelsrichtern sehr ähnlich sind. Es können daher auch hier die speziell für Pulswechselrichter entwickelten Ansteuerbausteine und Treibermodule verwendet werden. Selbst in der dreiphasigen Anordnung besitzt die neue Stromrichterschaltungsanordnung eine übersichtliche Brückenstruktur. Mit der erfindungsgemäßen Stromrichterschaltungsanordnung läßt sich zudem im Gegensatz zum Stand der Technik, insbesondere der DE 29 17 926 C2 ein Glättungskondensator und eine Glättungsinduktivität einsparen, jedenfalls für die einphasige Schaltungsanordnung.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung mit zwei Gleichspannungswandlern in Parallel-/Reihenschaltung,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung mit zwei Gleichspannungswandlern in Parallel-/Parallelschaltung,
Fig. 3 einen prinzipiellen Schaltungsaufbau eines Gleichspannungs­ wandlers für zwei Richtungen des Leistungsflusses,
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen inneren Schaltungsaufbau der Stromrichterschaltungsanordnung nach Fig. 1, und
Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau einer Stromrichterschaltungsanordnung für ein dreiphasiges Drehstromnetz.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung 10, bestehend aus einem ersten und zweiten DC/DC Gleichspannungswandler 11 und 12, die eingangsseitig parallel von einer Gleichspannungsquelle UE gespeist werden und ausgangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle UA in einer Reihenschaltung verbunden sind. Es ist selbstverständlich, daß die Wechselspannungsquelle UA auch eine Last darstellen kann, je nachdem, wie der Leistungsfluß erfolgt. D. h., auch die Gleichspannungsquelle UE kann eine Last darstellen. In dieser Patentanmeldung werden die Begriffe gleichbedeutend sinngemäß verwandt. Eingang und Ausgang der Stromrichterschaltungs­ anordnung 10 entsprechen sprachgebräuchlich einem Leistungsfluß von der Gleichspannungsquelle UE hin zur Wechselspannungsquelle UA bzw. der Last, also dem Wechselspannungsverbraucher. Am Ausgang des Gleichspannungs­ wandlers 11 steht die Teilausgangsspannung UA1 und am Ausgang des zweiten Gleichspannungswandlers 12 die Teilausgangsspannung UA2 zur Verfügung.
Fig. 2 zeigt eine Stromrichterschaltungsanordnung 10, die ebenfalls einen ersten Gleichspannungswandler 11 und einen zweiten Gleichspannungs­ wandler 12 mit Teilausgangsspannungen UA1 und UA2 aufweist, welche eingangsseitig parallel mit einer Gleichspannungsquelle UE verbunden sind. Die Wechselspannungsquelle UA ist in Fig. 1 über eine Parallelschaltung gebildet.
Fig. 3 zeigt beispielhaft am Aufbau des Gleichspannungswandlers 11 den inneren Schaltungsaufbau des ersten, des zweiten und jedes weiteren Gleichspannungswandlers 11, 12; 21. Ausgehend von einem Knotpunkt A, der dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle UE entspricht, ist mit diesem der entsprechende Pol der Wechselspannungsquelle UA über einen ersten abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 13, einem Knotenpunkt B, einem ersten Kondensator 14 und in der Regel einer Glättungsinduktivität 15 miteinander verbunden. Der negative Pol der Gleichspannungsquelle UE stellt das Erdepotential dar und ist mit dem entsprechenden Pol der Teilausgangsspannungsquelle UA1 verbunden. Ferner ist eine Induktivität 16 vorgesehen, die einerseits mit Knotenpunkt B und andererseits mit Erde verbunden ist. Eine Freilaufdiode 17 ist für den Lastkreis vorgesehen und verbindet den Knotenpunkt C mit Erde. Um einen bidirektionalen Leistungsfluß zu gewährleisten, ist zu dem ersten Leistungshalbleiterschalter 13 eine Leistungsdiode 18 und zu der Freilaufdiode 17 ein zweiter abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter 19 parallel geschaltet. Mit Ausnahme der Glättungsinduktivität 15 sind dies die mindestens erforderlichen Schaltungselemente eines jeden Gleichspannungswandlers. Die Beschaltung für bidirektionalen Leistungsfluß besteht somit mindestens aus der Leistungsdiode 18 und dem zweiten Leistungshalbleiterschalter 19.
Diese besondere Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 11 entspricht prinzipiell einem sogenannten bidirektionalen Zeta-Wandler.
Werden derartige Gleichspannungswandler entsprechend Fig. 1 und Fig. 2 eingesetzt, dann sind auf einfache Weise sowohl Hoch-/Tiefsetzen und Wechselrichten bei gleichzeitiger Reduzierung von Bauteilgrößen gewährleistet. D. h., die erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung nach Fig. 1 oder Fig. 2 kann mittels der vorstehenden Maßnahmen eine niedrigere Generatorspannung auf ein gewünschtes Niveau hochsetzen und gleichzeitig wechselrichten, ohne daß die aus dem Stand der Technik bekannte und nachteilige Kettenschaltung aus zwei Funktionseinheiten mit den eingangs Nachteilen notwendig ist.
Fig. 4 zeigt den Innenaufbau einer erfindungsgemäßen Stromrichter­ schaltungsanordnung 10 für eine einphasige Wechselspannungsquelle UA am Ausgang entsprechend Fig. 1. Durch unterbrochene Linien sind der erste Gleichspannungswandler 11 und der zweite Gleichspannungswandler 12 angedeutet. Der erste Gleichspannungswandler 11 weist die Induktivität 16 auf, die den Knotenpunkt B mit dem Potential Erde verbindet und ferner die Glättungsinduktivität 15, die den Knotenpunkt C mit einer Glättungskapazität 20 verbindet. Über der Glättungsinduktivität 20 kann die Ausgangswechsel­ spannung UA abgegriffen werden. Der zweite Gleichspannungswandler 12 benötigt erfindungsgemäß nur eine Induktivität 16, die den Knotenpunkt C über den ersten Kondensator 14 und den Knotenpunkt B mit Erde verbindet. Durch die stromausgangsseitige Reihenschaltung des ersten und zweiten Gleichspannungswandlers 11 und 12 kann erfindungsgemäß auf die ausgangsseitige Glättungsinduktivität im zweiten Gleichspannungswandler 12 verzichtet werden, so daß die beiden Knotenpunkte C des ersten und zweiten Gleichspannungswandlers 11 und 12 über nur eine Ausgangsinduktivität 15 und die Last verbunden sind. Weiterhin fällt der zweite Kondensator 22 weg, der parallel zur Teilausgangsspannungsquelle UA1 angeordnet sein kann. Beide Gleichspannungswandler 11 und 12 weisen einen ersten Kondensator 14 zwischen den Knotenpunkten B und C auf. Die ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter 13 und 19 der Gleichspannungswandler 11 und 12 sind strombidirektional ausgelegt und verbinden die Knotenpunkte A und B und den Knotenpunkt C mit Erdpotential. Erfindungsgemäß entsteht hierdurch eine symmetrische Anordnung der ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter 13 und 19 der beiden Gleichspannungswandler 11 und 12 bezüglich der nicht dargestellten Last.
Durch Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiterschalters 13 des ersten Gleichspannungswandler 12 und des zweiten Leistungshalbleiterschalters 19 des zweiten Gleichspannungswandlers 12 ist das Anlegen einer positiven Spannung und durch die Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters 13 des zweiten Gleichspannungswandlers 12 und des zweiten Leistungshalbleiter­ schalters 19 des ersten Gleichspannungswandlers 11 das Anlegen einer negativen Spannung an der Last möglich.
Obgleich die aus dem Stand der Technik bekannten Treibermodule verwendet werden können und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch für deren Verwendung ausgelegt ist, sollen die Treibermodule mindestens eine sinusmodulierte Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter 13 und 19 der Gleichspannungswandler 11 und 12 gewährleisten, so daß eine sinusförmige Wechselspannung UA für eine Last zur Verfügung steht.
Hinsichtlich des Treibermoduls kann ferner vorteilhaft vorgesehen sein, daß bei netzgekoppeltem Betrieb die zweiten Leistungshalbleiterschalter 19 vorzugsweise mit einer hohen Schaltfrequenz, etwa 16 bis 200 kHz getaktet werden, während die ersten Leistungshalbleiterschalter 13 mit einer niedrigen Schaltfrequenz von ca. 50 Hz mit einem Taktverhältnis von ca. 0,5 getaktet werden. Wie bereits erwähnt, sollen die hochfrequent getakteten zweiten Leistungshalbleiterschalter 19 sinusmoduliert angesteuert und gegentaktig betrieben werden und die ersten Leistungshalbleiterschalter 13 gegentaktig angesteuert werden. Hierdurch erzeugt die Kombination der ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter die positive Halbschwingung und die Kombination der zweiten und ersten Leistungshalbleiterschalter die negative Halbschwingung der Ausgangswechselspannung UA. Mit diesen Maßnahmen lassen sich die Störungen beeinflussen, und die elektromagnetische Verträglichkeit herab­ setzen.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnung 10, aufgebaut aus einem ersten, zweiten und dritten Gleichspannungswandler 11, 12 und 21, die alle entsprechend Fig. 3 ausgebildet sind, zur Erzeugung eines dreiphasigen Drehstromnetzes mit Erdpotential als Rückleiter. Die Gleichspannungswandler 11, 12 und 21 sind einerseits über ihre Knotenpunkte A miteinander verbunden und andererseits über ihre Erdpotentiale. Jeder der drei Gleichspannungswandler weist erste und zweite abschaltbare Leistungshalbleiterschalter 13 und 19 auf, zu denen parallel entsprechende Leistungsdioden 18 bzw. Freilaufdioden 17 geschaltet sind. Die Knotenpunkte B der drei Gleichspannungswandler 11, 12 und 21 sind einerseits über jeweils eine Induktivität 16 mit Erdpotential verbunden und andererseits über jeweils einen ersten Kondensator 14 und den Knotenpunkt C mit je einer Glättungsinduktivität 15, an deren anderem Ende jeweils eine Phase des zu erzeugenden dreiphasigen Drehstromes zur Verfügung steht.
D. h., der in Fig. 4 beschriebene Wechselrichter ist um einen dritten Gleichspannungswandler 21 erweitert worden, derart, daß alle drei Gleichspannungswandler 11, 12 und 21 spannungseingangsseitig parallel und stromausgangsseitig über den Verbraucher in Stern geschaltet werden, so daß die Kollektoren (drain) der ersten Leistungshalbleiterschalter 13 mit den Knotenpunkten A und die Emitter (source) der zweiten Leistungshalb­ leiterschalter 19 mit Erdpotential verbunden sind und alle drei Gleich­ spannungswandler 11, 12 und 21 Glättungsinduktivitäten 15 am Ausgang aufweisen, welche über die Last mit einem Sternpunkt verbunden sind. Die Induktivitäten 16 und die Glättungsinduktivitäten 15 und die ersten Kapazitäten 14 sind derart dimensioniert, daß ihre Strom- bzw. Spannungsgrößen als eingeprägt bezüglich der Schaltperiode gezeichnet werden können. Die dreiphasige Brückenschaltung ist mit allen bekannten Ansteuerverfahren über das Treibermodul betreibbar.

Claims (10)

1. Stromrichterschaltungsanordnung insbesondere zur Energieaufbereitung in Photovoltaik- oder mindestens einphasigen Systemen mit einem von einem oder mehreren Treibermodulen getriebenen Wechselrichter mit mindestens einem Gleichspannungswandler für zwei Richtungen des Leistungsflusses, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung zwischen einer Gleichspannungsquelle (UE) und Wechselspannungs­ quellen (UA) mindestens ein erster und ein zweiter Gleichspannungs­ wandler (11, 12; 21) mit spannungshoch-/tiefsetzendem wechselrichtenden sowie spannungstiefsetzendem gleichrichtenden Verhalten angeordnet ist, und daß die Gleichspannungswandler (11, 12; 21) auf der Seite der Gleichspannungsquelle (UE) parallel und auf der Seite der Wechselspannungsquelle (UA) in Reihe oder parallel geschaltet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Gleichspannungswandler (11, 12) eine Beschaltung für das Betreiben von Blindlasten und/oder einen Leistungsfluß in beiden Richtungen aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Gleichspannungswandler (11, 12) die Gleichspannungsquelle (UE) mit der Teilausgangsspannungsquelle (UA1) über einen abschaltbaren ersten Leistungshalbleiterschalter (13), einen ersten Kondensator (14) und eine Glättungsinduktivität (15) mit der Wechselspannungsquelle (UA1) verbunden ist und der Kondensator (14) in einem Knotenpunkt B auf der Seite der Gleichspannungsquelle (UE) über eine erste Induktivität (16) und auf seiner anderen Seite über einen Knotenpunkt C und eine Freilauf­ diode (17) mit Erde verbunden ist und die Beschaltung derart ausgebildet ist, daß dem ersten Leistungshalbleiterschalter (13) eine parallel angeordnete erste Leistungsdiode (18) und der Freilaufdiode (17) ein zweiter abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter (19) zugeordnet sind.
4. Anordnung nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsinduktivität (15) des ersten Gleichspannungswandlers (11) über eine Glättungskapazität (20), über der die Wechselspannung (UA) anliegt, direkt mit dem ersten Kondensator (14) des zweiten Gleichspannungswandlers (12) verbunden ist, und die ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter (13, 19) strombidirektional ausgelegt sind und der erste Leistungshalbleiter­ schalter (13) des zweiten Gleichspannungswandlers (12) eingangsseitig mit der Gleichspannungsquelle (UE) verbunden ist und die Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiterschalters (13) des ersten Gleichspannungs­ wandlers (11) zusammen mit dem zweiten Leistungshalbleiterschalter (19) des zweiten Gleichspannungswandlers (12) eine positive Wechselspannungshalbschwingung und die Ansteuerung des zweiten Leistungshalbschalters (19) des ersten Gleichspannungswandlers (11) und des ersten Leistungshalbleiterschalters (13) des zweiten Gleichspannungswandlers (12) eine negative Wechselspannungshalb­ schwingung an der Last erzeugt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch das oder die Treibermodule eine sinusmodulierte Ansteuerung der ersten und zweiten Leistungshalbleiterschalter (13, 19) der Gleichspannungs­ wandler (11, 12) erfolgt, so daß auf der Seite der Wechselspannungs­ quelle (UA) im Wechselrichterbetrieb eine sinusförmige Wechselspannung zur Verfügung steht.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibermodul bei netzgekoppeltem Betrieb die zweiten Leistungshalb­ leiterschalter (19) der Gleichspannungswandler (11, 12) mit einer hohen Schaltfrequenz bis einige hundert Kiloherz und die ersten Leistungshalbleiterschalter (13) mit einer niedrigen Schaltfrequenz von einigen zehn Herz und einem Tastverhältnis um 0,5 taktet und die hochfrequent getakteten zweiten Leistungshalbleiterschalter (13, 19) ferner gegentaktig sinusmoduliert und die ersten Leistungshalbleiterschalter (13) ebenfalls gegentaktig ansteuert, so daß die Kombination aus angesteuertem ersten Leistungshalbleiter­ schalter (13) des ersten Gleichspannungswandlers (11) mit dem zweiten Leistungshalbleiterschalter (19) des zweiten Gleichspannungs­ wandlers (12) die positive Halbschwingung und die Kombination aus angesteuertem zweiten Leistungshalbleiterschalters (19) des ersten Gleichspannungswandlers (11) mit dem ersten Leistungshalbleiter­ schalters (13) des zweiten Gleichspannungswandlers (12) die negative Halbschwingung im Wechselrichterbetrieb an der Wechselspannungs­ quelle (UA) erzeugt.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Treibermodule eine hohe Schaltfrequenz von 16 bis 200 KHz und eine niedrige Schaltfrequenz von 50 Hz mit einem Tastverhältnis von 0,5 bereitstellen.
8. Anordnung nach einem oder mehreren der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für ein dreiphasiges Wechselstromsystem drei gleiche Gleichspannungswandler (11, 12; 21) vorgesehen sind, welche auf der Seite der Gleichspannungsquelle (UE) parallel geschaltet sind und deren Glättungsinduktivitäten (15) jeweils eine Phase bilden, die stromausgangsseitig über einen Verbraucher in Stern geschaltet sind, derart, daß die Kollektoren (drain) der ersten Leistungshalbleiter­ schalter (13) mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (UE) und die Emitter (source) der zweiten Leistungshalbleiterschalter (19) mit Erde verbunden sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten (16), die Glättungsinduktivitäten (15) und die ersten Kapazitäten (14) derart dimensioniert sind, daß ihre Strom- und Spannungsgrößen als eingeprägt bezüglich der Schaltperiode bezeichnet werden können.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibermodul zur Ansteuerung der ersten und zweiten Leistungs­ halbleiterschalter (13, 19) der ersten, zweiten und dritten Gleichspannungswandler (11, 12; 21) bekannte Ansteuerverfahren verwirklicht.
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