DE19727616A1

DE19727616A1 - Pulswechselrichter mit verbessertem Wirkungsgrad

Info

Publication number: DE19727616A1
Application number: DE19727616A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-28
Filing date: 1997-06-28
Publication date: 1998-02-05

Description

Zur Umsetzung der in Kleinkraftanlagen (z. B. Blockheizwerke, Wind- und Wasser kraft) gewonnenen Elektroenergie sowie zur Bereitstellung von Energie mittels unterbrechungsfreier Stromversorgung werden in zunehmendem Maße Wechsel richter (1), wie in Fig. 1 dargestellt, mit IGBT- oder Thyristor-Endstufen eingesetzt. Diese Technik hat den Vorteil, daß die Generatordrehzahl optimal an die jeweils verfügbare Leistung angepaßt werden kann. Das Funktionsprinzip der Wechsel richter erfordert den Einsatz von drehstromseitigen Drosseln (2). Um den Ober schwingungsanteil bei höheren Ordnungszahlen in den vorgeschriebenen Grenzen zu halten, werden Drosseln mit großen Induktivitäten verwendet. Alternativ dazu kann zur Reduzierung der Stromwelligkeit die Pulsfrequenz erhöht werden. Die Erhöhung der Pulsfrequenz der Wechselrichter-Endstufe hat jedoch eine Ver schlechterung des Wirkungsgrades zur Folge. Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt, daß bei gleichbleibender Drosselgröße und beim Betrieb paralleler Leistungsendstufen eine Verbesserung des Wechselrichter-Wirkungsgrades durch niedrigere Umschaltverluste entsteht.

Zum parallelen Betrieb von Wechselrichtern oder Stromrichtern gibt es bereits Patentanmeldungen, die im folgenden analysiert werden. In 88 G3342 DE wird ein Stromrichter mit Gleichstromzwischenkreis beschrieben, der aus parallelen Umrichtern besteht, die phasenversetzt getaktet werden. Hauptinhalt dieses Patentes ist die magnetische Verkopplung der Zwischenkreisdrosseln zur Ver ringerung der Sättigung.

Versetzt getaktete Eingangsstromrichter werden in DE-AS 22 17 023 beschrieben, wobei als Merkmale die Rückspeisefähigkeit, die Leistungsfaktorregelung und die Oberschwingungsminimierung genannt sind.

Probleme, die durch die versetzte Pulsung mit der PWM nach dem Sinus-Unterschwingungsverfahren im Bereich der Sinusspannungs-Nulldurchgänge auftreten, werden mit einem speziellen Synchronisationsverfahren entsprechend der Ansprüche in 293 469 25 gelöst. Der Parallelbetrieb mehrerer Wechselrichter an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis mit synchroner Pulsung wird in 0 489 971 A1 vorgestellt. Es wird ein Verfahren beschrieben, das die von verschiedenen Toleranzen verursachte Differenz der Phasenströme zwischen den einzelnen Wechselrichtern auf ein Minimum ausregelt. In der Veröffentlichung WO 92/09137 wird die Parallelschaltung von Umrichtern beschrieben mit dem Ziel, die Leistung, die Verfügbarkeit und den Verkopplungsgrad zu erhöhen. Weitere Ansprüche dieses Patentes beschreiben die Schaltgeräte zur leistungsseitigen Verbindung der Umrichter sowie verschiedene Betriebszustände, die durch Zu- und Wegschalten einzelner oder mehrerer Umrichter realisiert werden können.

Der im Patentanspruch 1-6 beschriebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, daß die Pulsfrequenz der parallelen Wechselrichter-Leistungsendstufen reduziert werden kann und dadurch der Wirkungsgrad des Wechselrichters verbessert wird und dies bei gleichbleibender Drosselinduktivität und bei gleichbleibender Rest welligkeit des Ausgangstromes.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die parallelen Wechselrichter mit gleicher Pulsfrequenz getaktet werden, jedoch mit zeitlichem Versatz. Über Drosseln (2) speist jeder Wechselrichter in den Netzanschlußpunkt einen Strom ein. Im Stromknoten (3) überlagern sich die einzelnen Stromkom ponenten (4) hoher Welligkeit zu einem Summenstrom kleinerer Welligkeit (5) (Fig. 4). Die Realisierung setzt für jeden Wechselrichter einen eigenen Mikro controller (11, 12) voraus. Die Controller werden von einem gemeinsamen Taktgenerator (10) synchronisiert. Einer der Controller arbeitet als Master (11) und führt die übergeordneten Regelfunktionen für den Leistungsfaktor, die Zwischenkreisspannung und eventuell vorhandene Oberschwingungen aus. Alle anderen Controller werden als Slave (12) betrieben. Ihre Aufgabe besteht in der Realisierung der Stellerstromregelung, der Pulsweitenmodulation für die Endstufe und der Schutzfunktionen bezüglich der Hardware.

Alternativ dazu besteht einen Variante nach Fig. 3 darin, daß nur ein Controller für die übergeordneten Regelfunktionen und die Stromregelung benötigt wird.

Da bei Wechselrichtern mit höheren Leistungen zur Stromaufteilung ohnehin immer mehrere Module parallel betrieben werden müssen, besteht diese erfindungsgemäße Anordnung darin, daß jeder Leistungshalbleiter eine eigene zeitversetzt getaktete PWM-Ansteuerung (7) mit demselben Sollwert (13) erhält, die vom Controller zeitversetzt synchronisiert (8) wird.

Claims

1. Pulswechselrichter mit verbessertem Wirkungsgrad, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Pulswechselrichterblöcke (6) mit zugeordneten Drosseln (2) auf einen Stromknoten (3) arbeiten und die Pulse der einzelnen Wechselrichterblöcke zeitlich so versetzt sind, daß bei gleicher Amplitude der pulsfrequenten Stromwelligkeit im Stromknoten (3) der Wirkungsgrad der Wechselrichter verbessert wird durch Reduzierung der Endstufen-Taktfrequenz und daß eine gleichmäßige Verteilung des Stromes und somit auch der Leistung auf alle Wechselrichterblöcke erfolgt.

2. Pulswechselrichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pulswechselrichterblock (6) einen eigenen Controller besitzt und einer dieser Controller als Master (11) alle Regelaufgaben bearbeitet und die anderen Controller im Slavebetrieb (12) synchron, aber zeitversetzt die Pulsweitenmodulation und Stellerstromregelung ausführen.

3. Pulswechselrichter nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall des Master-Controllers (11) ein Slave-Controller die Master-Funktion über nimmt und somit das Wechselrichtersystem mit verminderter Leistung funktions fähig bleibt.

4. Pulswechselrichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Regeleinrichtung (11), Controller genannt, die Stellgröße (13) be rechnet und die zeitverschobenen Pulstakte (8) für die einzelnen Pulsweiten modulatoren (7) erzeugt.

5. Pulswechselrichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter sowohl als Netzwechselrichter und auch als Motor- oder Generatorwechselrichter eingesetzt werden kann.