DE19831151A1 - Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern- oder Regeln der Leistungsab­ gabe eines Wechselrichters, insbesondere eines Wechselrichters in Vollbrücken­ schaltung, wobei der Strom zur Erzeugung einer positiven Halbwelle über einen ersten Strompfad und zur Erzeugung einer negativen Halbwelle über einen zweiten Strompfad geführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Wechsel­ richter, der zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Es sind Wechselrichter in Vollbrückenschaltungen mit mehreren jeweils einen Leistungsschalter aufweisenden Stromzweigen bekannt. Diese Wechselrichter, insbesondere für einphasigen Strombetrieb, weisen zwei parallele Stromzweige mit jeweils zwei in Serie geschalteten Leistungsschaltern auf. Die in Serie ge­ schalteten Leistungsschalter sind gerichtet, d. h. sie leiten im durchgeschalteten Zustand vom positiven zum geringeren Potential, wogegen sie in der entgegen­ gesetzten Richtung sperren. Zwischen den beiden Leistungsschaltern eines Stromzweiges liegt der Brückenpunkt. Zwischen den beiden Brückenpunkten der beiden Stromzweige ist ein Lastkreis, insbesondere ein Serienschwingkreis mit einer verlustbehafteten Lastspule und einem Lastkondensator angeschlossen. Zu jedem Leistungsschalter ist eine antiparallel geschaltete Leistungsdiode vor­ gesehen. Als Leistungsschalter werden neben Transistoren auch Thyristoren ein­ gesetzt.

Zur Steuerung der Leistungsabgabe des Wechselrichters, d. h. zur Steuerung der Leistung im Lastkreis, sind mehrere Verfahren bekannt.

Beim Frequenzsteuerverfahren wird der Wechselrichter mit Frequenzen betrie­ ben, die nicht mit der Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises überein­ stimmen müssen. Bei Betrieb mit Frequenzen weit unterhalb der Resonanzfre­ quenz ist der Wechselstromwiderstand des Reihenkondensators wesentlich grö­ ßer als der ohmsche Anteil des Verbrauchers. Der Strom ist klein und damit ist die Wirkleistung im Verbraucher ebenfalls gering. Bei Betrieb mit Frequenzen weit oberhalb der Resonanz ist der Wechselstromwiderstand des induktiven An­ teils des Lastkreises wesentlich größer als der ohmsche Anteil des Verbrau­ chers. Dadurch ist der Strom klein und damit ist die Wirkleistung im Verbraucher ebenfalls klein.

Bei Betrieb mit Resonanzfrequenz ist der Wechselstromwiderstand des Kon­ densators ebenso groß wie der des induktiven Anteils des Verbrauchers. Da­ durch sind die Spannungen an den beiden Elementen gleich groß, aber von ent­ gegengesetzter Richtung, so daß sie sich in der Summe aufheben. Am ohm­ schen Anteil des Verbrauchers liegt dann eine Spannung an, die dem Wert der Gleichspannung im Gleichstrom-Zwischenkreis entspricht und den höchsten möglichen Wert hat. Dadurch ist bei Resonanzfrequenz die größtmögliche Lei­ stungsaufnahme des Verbrauchers erreicht.

Vorausgesetzt, daß es sich um einen Schwingkreis mit geringer Dämpfung han­ delt, ist in letzterem Fall die Höhe der Spannungen am Kondensator und indukti­ ven Verbraucheranteil um ein Vielfaches größer als die Gleichspannung im Zwi­ schenkreis. Dies wird als Spannungsüberhöhung im Serienschwingkreis be­ zeichnet.

Bei allen Frequenzen ist die Einschaltdauer eines Schalters gleich einer Halbpe­ riode der Schwingung des Stromverlaufs. Der Stromverlauf im Schalter ist dabei immer nahezu sinusförmig. Lediglich bei Resonanzfrequenz des Serien- Schwingkreises, erfolgt das Ein- und Ausschalten im Nulldurchgang des Schal­ terstromes. Bei allen anderen Frequenzen ist die Höhe des Stromes im Schalt­ moment abhängig vom Abstand der Frequenz von der Resonanzfrequenz. Je größer der Abstand, desto größer der Wert des zu schaltenden Stromes. Bei ent­ sprechend großem Abstand erreicht der Wert sein Maximum, nämlich den Scheitelwert des Sinusstromes. Bei diesem Verfahren werden zwei Stromwege abwechselnd zur Erzeugung einer positiven bzw. negativen Halbschwingung be­ nutzt.

Ist die Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis ungesteuert, d. h. weitest­ gehend konstant, so ergibt sich bei diesem Verfahren ein gewisser Leistungs­ stellbereich, der wesentlich von der Höhe der Spannungsüberhöhung und dem Frequenzstellbereich abhängt. Eine kleine Leistungsabgabe nahe Null ist aber nie erreichbar.

Bei einem zweiten Verfahren zur Leistungssteuerung mittels Impulsbreitensteuerung wird der Wechselrichter mit der Resonanzfrequenz des Reihenschwingkrei­ ses betrieben. Die Einschaltdauer eines Leistungsschalters ist nur für die Maxi­ malleistung gleich der Halbperiodendauer. Die Einschaltdauer, d. h. die Impuls­ breite, ist steuerbar zwischen Null und der Halbperiodendauer, je nach ge­ wünschter Leistung. Nur bei maximaler Impulsbreite, d. h. der Halbperioden­ dauer, erfolgt das Ein- und Ausschalten eines Schalters im Nulldurchgang des Schalterstromes. Bei allen kürzeren Impulsbreiten ist die Höhe des Stromes im Schaltmoment ungleich Null. Bei kleinen Impulsbreiten kann der Schalterstrom beim Schalten sein Maximum, nämlich den Scheitelwert des Sinusstromes, er­ reichen, was zu hohen Schaltverlusten führt.

Da die Impulsbreiten- und damit die Leistungs-Verstellung kontinuierlich erfolgt, handelt es sich um eine analoge Leistungssteuerung. Ist die Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis ungesteuert, d. h. weitestgehend konstant, so ergibt sich bei diesem Verfahren der volle Leistungsstellbereich zwischen Null, bei Impulsbreite Null, und Maximalleistung bei maximaler Impulsbreite.

Bei einem dritten Verfahren erfolgt die Leistungssteuerung über die Zwischen­ kreisspannung, wobei der Wechselrichter mit der Resonanzfrequenz des Rei­ henschwingkreises betrieben wird. Die Einschaltdauer eines Leistungsschalters ist immer gleich der Halbperiodendauer. Da die Verstellung ebenfalls stufenlos erfolgt, handelt es sich wieder um eine analoge Leistungssteuerung. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß für die Verstellung der Zwischenkreis-Spannung ein zusätzliches Steuerorgan, sei es ein gesteuerter Netzgleichrichter oder ein Tief­ setzsteller im Zwischenkreis, benötigt wird.

Bei Wechselrichterschaltungen mit dem ersten und zweiten Verfahren kommt es im Zusammenhang mit den Leistungsschaltern, insbesondere bei hohen Schalt­ frequenzen, zu erheblichen Schaltverlusten. Die Schaltverluste entstehen da­ durch, daß an den Leistungsschaltern beim Einschalten eine Spannung anliegt, die in einer vom Leistungsschalter abhängigen Schaltzeit vom vollen Wert der Blockierspannung vor dem Einschalten bis zur normalen Durchlaßspannung ab­ nimmt, während gleichzeitig in diesem Zeitraum ein Strom durch den Schalter fließt. Verluste ergeben sich auch beim Ausschalten, wenn die Spannung schon ansteigt, während der Strom nach Null fällt. Die Ein-/Ausschaltzeiten liegen bei MOSFET's in der Größenordnung von 100 Nanosekunden und bei IGBT's bei einer Mikrosekunde. Das Integral des Produkts von diesem Spannungs- und Stromverlauf über der Einschaltzeit ergibt eine Verlustenergiemenge, die multi­ pliziert mit der Wiederholfrequenz dieser Schaltvorgänge die Schaltverlustlei­ stung ergibt.

Bei den ersten beiden Leistungssteuerungsverfahren tritt die Verlustminimierung nur jeweils in einem einzigen Arbeitspunkt ein, nämlich bei maximaler Leistungs­ abgabe. Bei dem dritten Leistungssteuerungsverfahren ist zusätzlich ein Lei­ stungsteil zur Erzeugung einer steuerbaren Gleichspannungsversorgung erfor­ derlich. Will man diesen Aufwand jedoch vermeiden, so muß das dritte Lei­ stungssteuerungsverfahren gepulst betrieben werden. Dieses Verfahren erlaubt zwar die Minimierung der Schaltverluste und damit die volle Ausnutzung des Frequenzvermögens eines Leistungshalbleiters, aber diese digitale Leistungs­ verstellung ist auf der einen Seite nur recht grobstufig zu bewerkstelligen und auf der anderen Seite wegen der auftretenden Leistungspakete mit voller Spitzenlei­ stung nicht bei jeder Anwendungsform einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen mit diesem einsetzbaren Wechselrichter derart weiterzuentwickeln, daß eine Mini­ mierung der Schaltverluste erzielt werden kann wobei eine feinstufige Lei­ stungssteuerung des Wechselrichters ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich eines Verfahrens nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird die Leistungsabgabe des Wechselrichters über das Durchschalten und Sperren mehrerer alternativer Strompfade für die positive bzw. negative Halbwelle gesteuert.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß bei einer optimalen Ausnutzung der unter­ schiedlichen Strompfade im Wechselrichter eine feinstufigere digitale Leistungs­ steuerung ermöglicht wird, ohne daß zusätzliche Leistungsteile zur Steuerung einer Zwischenkreisspannung erforderlich sind. Eine intelligente Steuerschaltung kann bei einer Vollbrückenschaltung alle acht möglichen Strompfade unter Be­ achtung der Verlustminimierung derart ansteuern, daß die gewünschte Lei­ stungsabgabe erzielbar ist.

Bevorzugt wird über den Wechselrichter ein Lastkreis mit induktiven und kapazi­ tiven Elementen, insbesondere ein Serienschwingkreis gespeist. Der Schwing­ kreisstrom und die Spannung nehmen dabei abschnittsweise einen sinusförmi­ gen Verlauf ein.

Die acht möglichen Strompfade können in jeweils zwei möglichen Richtungen durch den Lastkreis in grundsätzlich drei verschiedenen Phasen eingeteilt wer­ den:

Zwei Ladephasen

Der Verbraucher wird durch jeweils zwei diagonal angeordnete Leistungsschalter der Wechselrichterbrücke mit abwechselnder Polarität mit den Klemmen des den Wechselrichter speisenden Gleichspannungs-Zwischenkreis verbunden. Dabei wird durch pausenlose Abfolge der Schaltvorgänge die maximal mögliche Lei­ stungsabgabe erreicht.

Vier Freilaufphasen

Der Verbraucher-Schwingkreis wird entweder über die obere oder untere Brücken­ hälfte kurzgeschlossen. Es wird also vom Zwischenkreis keine Energie zu­ geführt. Es findet eine gedämpfte Schwingung statt, die mehr oder weniger schnell, je nach Schwingkreisdämpfung, abklingt.

Zwei Bremsphasen

Der Verbraucherschwingkreis wird durch die in der Wechselrichterbrücke anti­ parallel zu den Leistungsschaltern befindlichen Dioden mit dem Gleichspan­ nungs-Zwischenkreis verbunden, so daß die im Schwingkreis gespeicherte Energie auf den Zwischenkreis-Kondensator zurückgespeist wird. Dies funktio­ niert jedoch nur solange, bis die Spannung am Schwingkreis-Kondensator die Zwischenkreis-Gleichspannung unterschreitet. Bis zu diesem Zeitpunkt klingt die Schwingung beschleunigt ab.

Bei der digitalen Leistungssteuerung werden die Schalter so geschaltet, daß zur Erhöhung der Leistungsabgabe Ladephasen, zur Verringerung der Leistungsab­ gabe Freilaufphasen und zur beschleunigten Verringerung Bremsphasen einge­ setzt werden.

Die maximal mögliche Leistung wird erreicht, wenn die zwei Ladephasen ständig abwechselnd mit der Resonanzfrequenz des Serien-Schwingkreises geschaltet werden. Dabei sind die Spannungen am induktiven Teil des Verbrauchers und am Schwingkreiskondensator betraglich gleich aber von entgegengesetzter Richtung, so daß deren Summe gleich Null ist. Die Spannung am ohmschen Teil des Verbrauchers entspricht dann der Zwischenkreis-Spannung und hat damit ihren höchsten Wert. Die Spannung am Kondensator ist dann bei genügend ge­ ringer Dämpfung größer als die Zwischenkreisspannung und zwar um den Faktor der Schwingkreisgüte Q = ω.L/R.

Die minimale Leistung ergibt sich, wenn nur eine Ladephase geschaltet wird. Die Länge der anschließenden Pause bis zur nächsten (entgegengesetzten) Lade­ phase bestimmt die mittlere Leistung. Strebt die Pausendauer gegen unendlich, fällt die mittlere Leistung also auf Null.

Während der Ladephase fließt zunächst eine Strom-Sinushalbwelle durch die diagonal angeordneten Leistungsschalter der Wechselrichterbrücke. Bei genü­ gend kleiner Dämpfung wird der Kondensator des Lastkreises auf nahezu den doppelten Wert der Zwischenkreis-Gleichspannung aufgeladen. Anschließend entlädt sich der Kondensator des Lastkreises wieder auf eine Spannung von na­ hezu Null, wobei eine Strom-Sinushalbwelle in entgegengesetzter Richtung durch die antiparallel geschalteten Dioden derselben Leistungsschalter fließt.

Bei einem besonders bevorzugten Verfahren werden die Leistungsschalter des Wechselrichters jeweils im Strom-Nulldurchgang ein- und/oder ausgeschaltet. Das Umschalten von einem Strompfad auf den nächsten soll nur zu dem Zeit­ punkt erfolgen, in dem die Strom-Halbwelle des letzten Stromweges gerade auf Null abgeklungen ist. Damit wird nicht nur die Minimierung der Schaltverluste erreicht, sondern es werden auch sogenannte cross over currents vermieden. Dies sind Kurzschlußströme in zwei übereinanderstehenden Leistungsschaltern in der linken oder rechten Brückenhälfte, die auftreten können, wenn ein Lei­ stungsschalter schon eingeschaltet wird, während der andere beim Abschalten noch Strom in positiver Richtung leitet. Denn Leistungsschalter, zum Beispiel IGBT's, haben die Eigenschaft nach dem Abschalten ihres Gates noch einen kurzen Moment Strom zu leiten, bis ihre Ladungsträger im Halbleitersubstrat ab­ gebaut sind. Man spricht vom sogenannten tail current.

Die Steuerschaltung muß deshalb den Wechselrichter-Ausgangsstrom erfassen und erst dann auf den nächsten Stromweg umschalten, wenn der Ausgangs­ strom Null geworden ist und seine Richtung sich umzukehren beginnt. Die Steue­ rung kann dabei mit einer direkten Stromrückkopplung arbeiten. Bei höheren Frequenzen ist jedoch ein Phase Locked Loop-System oder eine andere Me­ thode, die auf der Messung der vorangegangenen Welle basiert, vorteilhaft, da auch die Laufzeiten zwischen Steuerung und Reaktion der Leistungsschalter zu kompensieren sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden acht verschiedene Stromwege so geschaltet, daß sich die gewünschte Leistungsabgabe zwischen nahezu Null und dem maximal möglichen Leistungswert ergibt. Dabei wird vor einer jeden Schwingungshalbperiode entschieden, ob eine Ladephase zur Leistungserhö­ hung durch Leistungszufuhr aus dem Zwischenkreis, eine Freilaufphase zur Lei­ stungsverminderung über eine gedämpfte Schwingung im Schwingkreis oder eine Bremsphase zur raschen Leistungsverminderung durch Energierückspei­ sung in den Zwischenkreis erfolgen soll.

Während einer Freilaufphase, in der die Stromstärke des Laststroms entspre­ chend der Dämpfung im Lastkreis abnimmt, wird entweder nur die obere oder die untere Brückenhälfte benutzt. Über eine Folge solcher Freilaufphasen können die beiden beteiligten Leistungsschalter vorteilhafterweise eingeschaltet bleiben, während die Leistungsschalter der jeweils anderen Brückenhälfte gesperrt blei­ ben. Dadurch gibt es hierbei lediglich Durchlaßverluste der beteiligten Leistungs­ halbleiter.

Die vorliegende Aufgabe wird bezüglich eines Wechselrichters auch durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Danach weist der Wechselrichter mehrere, jeweils einen Leistungsschalter aufweisende Stromzweige, einen mit den Strom­ zweigen verbundenen Lastkreis und ein Regel- oder Steuermittel auf, das den Pfad des Laststroms mittels Durchschalten oder Sperren eines oder mehrerer Leistungsschalter bestimmt, wobei das Regel- oder Steuermittel bzw. der Wech­ selrichter derart ausgebildet sind, daß mittels Durchschalten oder Sperren eines oder mehrerer der Leistungsschalter der Laststrom zur Leistungssteuerung über alternative Stromphasen schaltbar ist.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß durch die Steuerung der Strompfade im Wechselrichter eine besonders vorteilhafte Leistungssteuerung möglich ist. Da­ bei wird der Strom über verschiedene Strompfade geführt, insbesondere Strompfade, bei denen die Leistung im Lastkreis zunimmt, ungefähr gleichbleibt oder abnimmt. Ein ganz besonderer Vorteil ist dabei, daß die Leistungsschalter immer im Nulldurchgang des Stroms schaltbar sind, so daß die Schaltverluste nahezu gleich Null sind. Es ist dabei also nicht erforderlich, die Schaltfrequenz der Leistungsschalter im Wechselrichter oder die Eingangsspannung am Wech­ selrichter zu steuern, um die Leistungen im Lastkreis zu verändern.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Wechselrichters ist dieser als Vollbrückenschaltung mit Brückenzweigen mit jeweils einem Leistungsschal­ ter ausgebildet. Bevorzugt weist der Wechselrichter genau vier Brückenzweige mit jeweils einem Leistungstransistor auf.

Je zwei Leistungsschalter sind dabei in Serie geschaltet mit dazwischen liegen­ den Brückenpunkten, an denen der Lastkreis angeschlossen ist. Jeweils anti­ parallel zu den Leistungsschaltern sind Leistungsdioden vorgesehen. Die ein­ gangsseitige Gleichspannungsquelle kann über einen parallel geschalteten Zwi­ schenkreis mit Speicherkondensator gepuffert sein und dessen positives Poten­ tial ist mit den zwei Leistungsschaltern des oberen Brückenkreises verbunden und das Nullpotential des Speicherkondensators ist mit den beiden Leistungs­ schaltern des unteren Brückenkreises verbunden.

Der Speicherkondensator übernimmt den Wechselstrom-Anteil des Wechsel­ richter-Eingangsstromes und entlastet so die Gleichspannungsquelle, die ihrer­ seits nur noch den Gleichstrom zur Deckung des Leistungsverbrauches des Wechselrichters zu liefern braucht.

Als Leistungsschalter sind bevorzugt Transistoren, insbesondere IGB-Transisto­ ren vorgesehen. Diese Transistoren haben bevorzugt eine besonders geringe Durchlaß-Verlustleistung und sind über das Regel- oder Steuermittel einfach zu schalten. In bezug auf die folgende Beschreibung ist dabei zwischen einer Steu­ erklemme und einer Eingangs- bzw. Ausgangsklemme zu unterscheiden. Die Eingangs- und Ausgangsklemme sind jeweils die den Laststrom führenden An­ schlüsse bzw. Kontakte, währende die Steuerklemme mit dem Regel- oder Steu­ ermittel verbunden ist. Die Unterscheidung der Eingangs- und Ausgangsklemme soll hierbei lediglich die Beschaltung des Leistungsschalters verdeutlichen, wobei die Eingangsklemme gegenüber der Ausgangsklemme am positiveren Potential anliegt und der durchgeschaltete Transistor von der Eingangsklemme zur Aus­ gangsklemme den Strom führt.

Bevorzugt ist das Regel- oder Steuermittel derart ausgebildet, daß die Lei­ stungsschalter durchgeschaltet oder gesperrt werden können, so daß der Last­ strom über mehrere alternative Stromwege schaltbar ist. Über einen Spannungs­ zwischenkreis mit Speicherkondensator kann dem System während der Lade­ phase Energie zugeführt werden und während der Bremsphase kann die Energie des Lastkreises wieder in den Speicherkondensator rückgeführt werden.

Bevorzugt sind die Eingangskontakte zweier Leistungsschalter mit einem Kontakt des Speicherkondensators (z. B. Pluspol) des Zwischenkreises verbunden und die Ausgangskontakte der beiden Leistungsschalter sind mit je einer Klemme des Lastzweigs verbunden. Ferner können die Eingangskontakte zweier weiterer Leistungsschalter mit einer Klemme des Lastzweigs verbunden sein und die Ausgangskontakte der beiden Leistungsschalter können mit dem anderen Kon­ takt des Speicherkondensators (z. B. Minuspol) verbunden sein.

Zwischen der Eingangs- und Ausgangsklemme mindestens eines Leistungs­ schalters ist eine antiparallel angeordnete Diode angeschlossen. Die Diode hat die Aufgabe bei gesperrtem Leistungsschalter den Strom, insbesondere im Frei­ lauf, entgegen der Stromrichtung am Leistungsschalter vorbeizuführen. Bei Ver­ wendung eines Leistungsschalters, der den Strom in zwei verschiedene Richtun­ gen führen kann, könnte auf die Anordnung der antiparallel geschalteten Diode verzichtet werden.

Bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist das Regel- und Steuermittel mit den Steuerklemmen des Leistungsschalters verbunden. Zur Erzeugung einer positiven bzw. negativen Halbwelle der Wechselspannung ist eine Stromphase von einer ersten Anschlußklemme des Speicherkondensators über einen Lei­ stungsschalter in eine erste Richtung durch den Lastkreis und über einen weite­ ren Leistungsschalter zur zweiten Anschlußklemme des Speicherkondensators schaltbar. Zur Erzeugung der anderen Halbwelle ist der Strom dann in der ent­ gegengesetzten Richtung durch den Lastkreis schaltbar.

Während der Freilaufphase kreist der Strom lediglich in einer oberen oder unte­ ren Brückenhälfte, wobei zur Erzeugung der Halbwelle des Wechselstromes ein Strompfad in einer ersten Richtung durch den Lastkreis über einen Leistungs­ schalter und eine antiparallel geschaltete Diode eines weiteren Leistungsschal­ ters führbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen und der Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen, je­ weils in schematischer Darstellung,

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem ersten Strompfad in der Ladephase,

Fig. 2 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem zweiten Strompfad in der Ladephase,

Fig. 3 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem dritten Strompfad in der unteren Freilaufphase,

Fig. 4 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem vierten Strompfad in der unteren Freilaufphase,

Fig. 5 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem fünften Strompfad in der oberen Freilaufphase,

Fig. 6 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem sechsten Strompfad in der oberen Freilaufphase,

Fig. 7 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem siebten Strompfad in der Bremsphase und

Fig. 8 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem achten Strompfad in der Bremsphase.

Der in Fig. 1 dargestellte Wechselrichter 1 weist zwei Anschlußklemmen 2, 3 zur eingangsseitigen Verbindung des Wechselrichters 1 mit einer Gleichspannungs­ versorgung auf. Der Wechselrichter 1 ist als Brückenschaltung mit einem ersten Brückenzweig 4 mit einem ersten Leistungsschalter 5 und einer ersten zum Lei­ stungsschalter 5 antiparallel geschalteten Diode 6 ausgebildet. In Serie mit dem ersten Brückenzweig 4 ist ein zweiter Brückenzweig 7 vorgesehen mit einem zweiten Leistungsschalter 8 und einer antiparallel dazu geschalteten Diode 9. Zwischen dem ersten Brückzweig 4 und dem zweiten Brückenzweig 7 ist ein er­ ster Brückenpunkt 10 vorgesehen. Parallel zu dem Brückenzweig 4 ist ein dritter Brückenzweig 11 mit einem dritten Leistungsschalter 12 und einer antiparallel dazu geschalteten Diode 13 vorgesehen. Wiederum in Serie zum dritten Brücken­ zweig 11 und parallel zum zweiten Brückenzweig 7 ist ein vierter Brücken­ zweig 14 mit einem vierten Leistungsschalter 15 und einer antiparallel geschal­ teten Diode 16 vorgesehen. Zwischen dem dritten Brückenzweig 11 und dem vierten Brückenzweig 14 ist ein zweiter Brückenpunkt 17 vorgesehen.

Zwischen dem ersten Brückenpunkt 10 und dem zweiten Brückenpunkt 17 ist ein Lastkreis 18 vorgesehen, der als serieller Schwingkreis mit einem Lastkonden­ sator 19 einer Lastspule 20 und einem ohmschen Lastwiderstand 21 ausgebildet ist. Der ohmsche Lastwiderstand 21 gibt zumindest den ohmschen Widerstand der Spulenwicklungen wieder. Zwischen den Anschlußklemmen 2 und 3 ist ein­ gangsseitig am Wechselrichter 1 ein Spannungszwischenkreis 22 mit einem Speicherkondensator 23 vorgesehen.

Jeder Leistungsschalter 5, 8, 12, 15 weist zumindest drei Klemmen zur elektri­ schen Verbindung auf. Ein Steuer- und/oder Regelungsmittel ist mit der Steuer­ klemme 24 eines jeden Leistungsschalters 5, 8, 12, 15 verbunden, um ein Sper­ ren oder Durchschalten der Leistungsschalter 5, 8, 12, 15 zu ermöglichen. Jeder Leistungsschalter 5, 8, 12,15 weist zwei laststromführende Klemmen 25, 26, in der Beschreibung als Eingangsklemme 25 und Ausgangsklemme 26 bezeichnet, auf. Dabei liegt die Eingangsklemme 25 der Leistungsschalter 5, 8, 12, 15 jeweils auf dem höheren (positiveren) Potential und die Ausgangsklemme 26 auf niedri­ geren (negativeren) Potential.

Der Wechselrichter 1 ist in Vollbrückenschaltung ausgebildet und weist genau vier Brückenzweige 4, 7, 11, 14 auf. Der als Serienschwingkreis ausgebildete Lastkreis 18 weist eine sehr geringe Dämpfung durch den ohmschen Anteil des Lastwiderstands 21 auf. Daher kann eine einmal angeregte Schwingung nur über mehrere Vollwellen abklingen, wenn die beiden Enden des Lastkreises 18 über jeweils entweder einen Leistungsschalter 5, 12 und eine Diode 13, 6 oder einen Leistungsschalter 8, 15 und eine Diode 16, 9 im Freilauf quasi kurz geschlossen sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine Minimierung der Schaltverluste durch Ein- und Ausschalten der Leistungsschalter 5, 8, 12, 15 vor, da diese le­ diglich im Nulldurchgang des zeitlich sinusförmig verlaufenden Laststroms ge­ sperrt oder durchgeschaltet werden. Eine feinstufige Leistungseinstellung ist trotz nicht steuerbarer Gleichspannungsversorgung an den Anschlußklemmen 2, 3 durch Schalten von insgesamt acht verschiedenen Stromwegen im Vollwellen­ verfahren möglich. Das Strom- oder Regelmittel erzwingt den Pfad des Last­ stroms mittels Durchschalten und Sperren der Leistungsschalter 5, 8, 12, 15.

Die Fig. 1 und 2 stellen die Ladephase des erfindungsgemäßen Steuer- oder Regelverfahrens für Wechselrichter 1 dar. Während der Ladephase können die Stromwerte im Lastkreis erhöht werden, d. h. die Ladephase findet Anwendung, wenn der Iststromwert geringer als der Sollstromwert ist. Dadurch kann die Lei­ stungsabgabe des Wechselrichters 1 erhöht werden.

In Fig. 1 ist der Strompfad 27 geschaltet, in dem der Leistungsschalter 5 und der Leistungsschalter 15 durchgeschaltet sind und der Laststrom deswegen von der Anschlußklemme 2 über den ersten Leistungsschalter 5, über den Lastkreis 18 zum vierten Leistungsschalter 15 und zur Anschlußklemme 3 fließt. Hierbei kann der Strom einen Maximalwert erreichen, der dem Wert der Gleichspannung ge­ teilt durch den ohmschen Widerstand des Serienkreises entspricht und die Spannung am Lastkondensator 19 wie auch bei umgekehrter Richtung an der Lastspule 20 kann einen Wert erreichen, der dem Wert der Gleichspannung mal Verhältnis von Blindleistung zu Wirkleistung des als Serienschwingkreis ausge­ bildeten Lastkreises 18 entspricht.

Beim in Fig. 2 dargestellten zweiten Strompfad 28 sind der zweite Leistungs­ schalter 8 und der dritte Leistungsschalter 12 durchgeschaltet. Der Laststrom fließ dabei von der Anschlußklemme 2 über den dritten Leistungsschalter 12, dann durch den Lastkreis 18 zum zweiten Leistungsschalter 8 und zurück zum Speicherkondensator 23.

Ist der Ist-Stromwert größer als der Soll-Stromwert, so gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten den Stromwert zu verringern. Die erste Möglichkeit ist ein Verfah­ ren, das mit der unteren Freilaufphase in den Fig. 3 und 4 und mit der oberen Freilaufphase in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist. Bei der unteren Freilaufphase mit dem dritten Strompfad 29 ist der vierte Leistungsschalter 15 durchgeschaltet und sämtliche anderen Leistungsschalter 5, 8, 12 gesperrt. Da die Stromstärke wegen der energietragenden Lastspule 20 im Lastkreis 18 nicht springen kann, fließt der Strom vom Lastkondensator 19 über die Lastspule 20 und den vierten Leistungsschalter 15 und dann über die Diode 9 zurück zum Lastkondensator 19.

Zur Erzeugung des vierten Strompfads 30 ist der zweite Leistungsschalter 8 durchgeschaltet und sämtliche andere Leistungsschalter 5, 12, 15 gesperrt. Während der unteren Freilaufphase fließt der Strom entlang des vierten Strompfads 30 vom Lastkondensator 19 über den zweiten Leistungsschalter 8 zur antiparallelen Diode 16 des vierten Leistungsschalters 15 und über die Lastspule 20 zurück zum Lastkondensator 19.

In dieser unteren Freilaufphase fließt der Strom abwechselnd auf den Strom­ pfaden 29 und 30. Abwechselnd sind also der Leistungsschalter 15 und die dazu antiparallele Diode 16 bzw. der Leistungsschalter 8 und die dazu antiparallele Diode 9 leitend, weswegen besonders bei mehreren aufeinanderfolgenden Frei­ laufphasen vorteilhafterweise zur Minimierung der Schaltverluste beide Lei­ stungsschalter 8 und 15 der unteren Brückenhälfte während dieser Freilaufphase eingeschaltet bleiben können.

In Fig. 5 ist die obere Freilaufphase für eine nächste positive Laststromhalbwelle dargestellt, bei der der erste Leistungsschalter 5 durchgeschaltet ist, während die anderen Leistungsschalter 8, 12, 15 gesperrt sind. Der Strom fließt entlang des fünften Strompfads 31 vom Lastkondensator 19 über die Lastspule 20 und die antiparallele Diode 13 des dritten Leistungsschalters 12 und über den ersten Lei­ stungsschalter 5 zurück zum Lastkondensator 19.

Zur Bildung der negativen Halbwelle des Lastwechselstroms ist der dritte Lei­ stungsschalter 12, wie in Fig. 6 dargestellt, durchgeschaltet, so daß der Strom vom Lastkondensator 19 über die antiparallele Diode 6 des ersten Leistungs­ schalters 5 und über den dritten Leistungsschalter 12 und die Lastspule 20 zu­ rück zum Lastkondensator 19 fließt.

In dieser oberen Freilaufphase fließt der Strom abwechselnd auf Strompfad 31 und 32. Abwechselnd sind also der Leistungsschalter 5 und die dazu antiparal­ lele Diode 6 bzw. der Leistungsschalter 12 und die dazu antiparallele Diode 13 leitend, weswegen besonders bei mehreren aufeinanderfolgenden Freilaufpha­ sen vorteilhafterweise zur Minimierung der Schaltverluste beide Leistungsschal­ ter 5 und 12 der oberen Brückenhälfte während dieser Freilaufphase einge­ schaltet bleiben können.

Die zweite und sehr effektive Methode die Leistung zu verkleinern, ist in den Fig. 7 und 8 mit der Bremsphase dargestellt. Dazu wird abwechselnd der siebte Strompfad 33 und der achte Strompfad 34 geschaltet. Zur Erzwingung der Strompfade 33, 34 sind sämtliche Leistungsschalter 5, 8,12,15 gesperrt. Die im Lastkondensator 19 und der Lastspule 20 gespeicherte Energie wird über die zu den Leistungsschaltern 8 und 12 antiparallel geschalteten Dioden 9 und 13 bzw. den Leistungsschaltern 5 und 15 antiparallel geschalteten Dioden 6 und 16 an den Speicherkondensator 23 zurückgespeist. Diese Methode funktioniert nur solange, bis der Maximalwert der sinusförmig verlaufenden Spannung am Spei­ cherkondensator 23 auf den Wert der eingangsseitigen Gleichspannung abge­ sunken ist.

Der Laststrom entlang dem siebten Strompfad 33 fließt über die antiparallele Diode 9 durch den Lastkreis 18 und die antiparallele Diode 13 zum Speicherkon­ densator 23. Bei negativer Halbwelle fließt der Strom entlang des achten Strompfads 34 vom Speicherkondensator 23 über die Diode 16 des vierten Lei­ stungsschalters 15 und den Lastkreis 18 und die antiparallele Diode 6 des ersten Leistungsschalters 5 zurück zum Speicherkondensator 23. Ist der Maximalwert der sinusförmig verlaufenden Spannung am Speicherkondensator 23 auf den Wert der Gleichspannung abgesunken, muß anschließend auf eine der Freilauf­ phasen umgeschaltet werden, wenn man den Lastkreis 18 auf Null entladen will.

Das Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Strompfad 27 bzw. 28, dem dritten und vierten Strompfad 29 bzw. 30, dem fünften und sechsten Strompfad 31 bzw. 32 und dem siebten und achten Strompfad 33 bzw. 34 ist jeweils nur bei Nulldurchgang des Schwingkreisstromes des Lastkreises 18 zulässig. Dadurch werden Schaltverluste vorteilhaft vermieden. Bei Verwendung eines Transfor­ mators, bspw. zwischen dem Wechselrichterausgang und dem Lastkreis 18, ist auf die magnetischen Eigenschaften des Transformators zu achten, damit keine einseitige Magnetisierung des Eisenkerns auftritt.

Im folgenden werden noch mehrere Verfahren zur Auswahl der acht möglichen Stromwege 27 bis 34 beschrieben. Die maximal mögliche Leistung ergibt sich, wenn dauernd und ohne Pause die Strompfade 27 und 28 geschaltet werden.

Die Spannung am Ohm'schen Anteil des Lastwiderstands 21 entspricht der Hö­ he der Gleichspannung im Spannungszwischenkreis 22. Die Spannung an der Lastspule 20 des Lastkreises 18 und am Lastkondensator 19 des Lastkreises 18 sind betraglich gleich und entsprechen dem Wert der Gleichspannung multipli­ ziert mit der Schwingkreis-Güte Q=ω.L/R. Da die Spannungen bei Lastkonden­ sator 19 und Lastspule 20 jedoch entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, ist deren Summe Null.

Die minimale Leistung ergibt sich, wenn der Strompfad 27 lediglich einmal ge­ schaltet wird. In diesem Fall fließt zunächst eine Sinushalbwelle des Stroms durch die Transistoren 5 und 15. Bei entsprechend geringer Dämpfung wird der Lastkondensator 19 auf nahezu den doppelten Wert der Gleichspannung des Spannungszwischenkreises 22 aufgeladen. Anschließend entlädt sich der Last­ kondensator 19 wieder auf eine Spannung nahe Null, wobei eine Strom-Sinus­ halbwelle auf dem Stromweg 34 durch die Dioden 16 und 6 fließt.

Nach einer willkürlich festlegbaren Wartezeit, die den Wert der mittleren Minimal­ leistung beeinflußt, kann nun der Strompfad 28 geschaltet werden. Dadurch wird wiederum der Lastkondensator 19 aufgeladen, jedoch diesmal in umgekehrter Richtung, und nach Beenden der Rückladung wird dieser über den Stromweg 33 durch die Dioden 9 und 13 auf eine Spannung nahe Null entladen.

Ein weiteres Verfahren, eine minimale Leistung zu erzielen, wobei der Lastkon­ densator 19 auf Null entladen wird, wird nun beschrieben. Der Strompfad 27 wird über Betätigen der Leistungsschalter 5 und 15 geschaltet. Nach dem Strom-Null­ durchgang am Leistungsschalter 5 wird dieser abgeschaltet und statt dessen der Leistungsschalter 8 durchgeschaltet. Der Leistungsschalter 15 bleibt dabei durchgeschaltet. Es ergibt sich dadurch der Strompfad 30. Nach dem nächsten Strom-Nulldurchgang bleiben die Leistungsschalter 8 und 15 eingeschaltet und es ergibt sich der Strompfad 29. Bleiben nun die Leistungsschalter 8 und 15 lang genug eingeschaltet, wechseln sich die Strompfade 29 und 30 solange ab, bis der Lastkondensator 19 entladen und der Schwingkreisstrom auf Null abgeklun­ gen ist. Es handelt sich dabei um eine gedämpfte Schwingung, deren Dauer von der Dämpfung des Lastkreises 18 und den Wechselrichterverlusten abhängt.

Die folgende gedämpfte Schwingung kann nun in umgekehrter Reihenfolge ein­ geleitet werden, um eine gleichmäßige Belastung aller Brückenzweige zu ge­ währleisten. Dazu wird der Strompfad 28 mittels Durchschalten der Leistungs­ schalter 8 und 12 geschaltet. Nach Strom-Nulldurchgang wird dann der Lei­ stungsschalter 8 abgeschaltet und dafür der Leistungsschalter 5 durchgeschal­ tet, wobei der Leistungsschalter 12 eingeschaltet bleibt. Dadurch ergibt sich der Stromweg 31. Nach dem nächsten Strom-Nulldurchgang bleiben die Leistungs­ schalter 5 und 12 eingeschaltet und es ergibt sich der Strompfad 32.

Bleiben nun die Leistungsschalter 5 und 12 lang genug eingeschaltet, wechseln sich die Strompfade 31 und 32 solange ab, bis der Lastkondensator 19 entladen und der Schwingkreisstrom auf Null abgeklungen ist. Es handelt sich also um die gleiche gedämpfte Schwingung wie beim letzten Beispiel, jedoch in der oberen statt der unteren Brückenhälfte.

Die beiden Schwingungsvorgänge können nun mit gleichbleibenden Pausen be­ liebig oft wiederholt werden. Die mittlere Leistungsabgabe hängt im wesentlichen von der Länge der stromlosen Pausen ab. Die mittlere Leistung sinkt mit stei­ gender Pausenzeit weiter ab. In umgekehrter Weise kann durch Verkürzen der stromlosen Pausen die mittlere Leistung kontinuierlich hochgefahren werden.

Wenn keine stromlosen Pausen mehr vorhanden sind, dann erfolgt die Lei­ stungsverstellung lediglich über die Wahl der Strompfade, da das Umschalten nur bei Strom-Nulldurchgängen erfolgen soll, um hohe Schaltverluste zu vermei­ den. Soll die mittlere Leistung ohne die stromlosen Pausen gesteuert werden, so ergibt sich die Betriebsart mit digitaler Leistungsverstellung. Dabei wird die Lei­ stung durch Wahl der Strompfade eingestellt. Hier lassen sich wiederum zwei getrennte Verfahren durchführen:
Bei der digitalen Leistungssteuerung im Halbwellenstart wird zunächst in einer Ladephase der Strompfad 27 durchgeschaltet, dann folgt in der ersten Freilauf­ phase zunächst der Strompfad 30 und der Strompfad 29, darauf folgt eine wei­ tere Ladephase über den Strompfad 28 und zwei weitere Freilaufphasen über die Strompfade 31 und 32. Die Leistungsschalter 5, 8, 12 und 15 werden dabei durch die Regel- und Steuereinrichtung entsprechend durchgeschaltet bzw. gesperrt. Die mittlere Leistungsabgabe wird durch die relative Einschaltdauer, während der in einem betrachteten Zeitraum nur Leistung übertragen werden kann (also hier nur während der Ladephasen-Halbwelle) bestimmt. Die relative Einschaltdauer beträgt dann bei der Leistungssteuerung im Halbwellenstart nur maximal 33%, wenn die beschriebene Abfolge der Phasen ständig wiederholt wird.

Durch ein Wiederholen der Freilaufphasen, zweimal hintereinander, sinkt die re­ lative Einschaltdauer auf 20%. Die Freilaufphasen können auch mehrfach zwi­ schen den Ladephasen wiederholt werden, um die Leistungsabgabe des Wech­ selrichters noch weiter zu verringern.

Das Verfahren ist nur für kleinere Leistungsabgaben geeignet, wobei sich eine relativ grob gestufte Leistungsverstellung ergibt. Man kann jedoch durch beliebi­ ges Mischen der Ladephase und der Anzahl der dazwischen liegenden Freilauf­ phase noch eine feinstufigere digitale Leistungssteuerung erzielen.

Das zweite Verfahren ist die digitale Leistungssteuerung im Vollwellenverfahren. Dieses Verfahren ist für kleine und große Leistungsabgaben gleichermaßen ge­ eignet, da es erlaubt, mehrere Ladephasen hintereinander zu wiederholen und dadurch beliebige Mischungen der Anzahlen von Lade- und Freilaufphasen her­ zustellen.

Beispielsweise kann bei einem digitalen Vollwellen-Leistungs-Steuerungs-Ver­ fahren für mittlere Leistung zunächst der Strompfad 27 geschaltet werden, wobei nach dem nächsten Strom-Nulldurchgang sowohl die Leistungsschalter 5 und 15 gesperrt werden und die Leistungsschalter 8 und 12 durchgeschaltet werden. Dadurch ergibt sich der Strompfad 28.

Damit ist eine Strom-Vollwelle bestehend aus einer positiven Sinushalbwelle über Strompfad 27 und einer negativen Sinushalbwelle über Strompfad 28 durch den Lastkreis 18 geflossen, wobei beide Halbwellen dem Spannungs-Zwischen- Kreis 21 entnommen wurden und somit dem Lastkreis 18 Leistung zugeführt wurde.

Nach dem nächsten Strom-Nulldurchgang wird der Leistungsschalter 12 abge­ schaltet und dafür der Leistungsschalter 15 eingeschaltet, wobei der Leistungs­ schalter 8 durchgeschaltet bleibt. Dadurch ergibt sich eine Freilaufphase nach dem Strompfad 29. Nach dem nächsten Strom-Nulldurchgang bleiben die Lei­ stungsschalter 8 und 15 durchgeschaltet und es ergibt sich der Strompfad 30.

Damit ist eine Strom-Vollwelle bestehend aus einer positiven Sinushalbwelle gemäß Strompfad 29 und einer negativen Sinushalbwelle gemäß Strompfad 30 durch den Lastkreis 18 geflossen und dem Lastkreis wurde dabei keine Leistung zugeführt, da beide Brückenzweige 7, 14 den Lastkreis 18 kurzgeschlossen hat­ ten.

Die nächsten vier Schritte wirken sich auf den Lastkreis und seine Versorgung in der gleichen Art aus, wobei die Freilaufphase in der oberen Brückenhälfte gemäß den Strompfaden 31 und 32 ausgeführt wird. Dazu wird nach dem nächsten Strom-Nulldurchgang der Leistungsschalter 8 abgeschaltet und dafür der Lei­ stungsschalter 5 eingeschaltet, wobei der Leistungsschalter 15 durchgeschaltet bleibt. Es ergibt sich zunächst der Strompfad 27 und nach dem nächsten Strom- Nulldurchgang werden die Leistungsschalter 5 und 15 gesperrt und dafür die Leistungsschalter 8 und 12 durchgeschaltet. Es ergibt sich infolgedessen der Strompfad 28. Während dieser Stromwelle wird dem Lastkreis 18 Energie aus dem Spannungszwischenkreis 22 zugeführt.

Nach dem nächsten Strom-Nulldurchgang wird dann der Leistungsschalter 8 ab­ geschaltet und dafür der Leistungsschalter 5 eingeschaltet, wobei der Leistungs­ schalter 12 durchgeschaltet bleibt. Auf diese Weise ergibt sich der Strompfad 31. Nach dem nächsten Strom-Nulldurchgang bleiben die Leistungsschalter 5 und 12 durchgeschaltet und es ergibt sich der Strompfad 32.

Wieder wird während der Strom-Vollwelle aus dem Spannungszwischenkreis 22 keine Energie dem Lastkreis 18 zugeführt, da es sich um eine Freilaufphase handelt.

Damit ist ein kompletter Zyklus in der Leistungssteuerung nach dem Vollwellen­ verfahren an einem Beispiel mit einer relativen Einschaltdauer von 50% be­ schrieben.

Um eine quantitative Aussage über die Ausgangsleistung eines "digitalgesteuer­ ten" Wechselrichters machen zu können, muß hier noch eine Definition für die relative Einschaltdauer und die sich daraus ergebende relative Leistungsabgabe erfolgen.

Die relative Einschaltdauer ED bestimmt die Höhe der Ausgangsleistung. ED ist das Verhältnis der Zeitdauer von Ladephasen zur Zykluszeit, wobei die Zyklus­ zeit die Summe der Ladephasen und der Freilaufphasen in einem betrachteten Zeitraum ist.

Bei ED = 100% ergibt sich die mögliche Maximalleistung. Bezeichnet man mit p die relative Leistung, das ist das Verhältnis der mittleren Leistung zur Maximal­ leistung, so gilt: P = (ED)².

Diese Beziehung gilt nur näherungsweise, in Wirklichkeit ist die Leistung immer geringfügig höher, da wegen der Speisung aus dem Gleichspannungs-Zwi­ schenkreis die Wechselrichter-Ausgangsspannung zeitlich rechteckförmig ver­ läuft, und die in ihr enthaltenen Oberwellen auch noch zur Leistungsabgabe bei­ tragen.

Bei der folgenden Betriebsart, bei der sich gleich lange Ladephasen und Frei­ laufphasen immer abwechseln, ergibt sich beispielsweise die relative Einschalt­ dauer zu ED = 50% und die relative Leistung zu p = ca. 25%:

Weniger Leistung wird erreicht, wenn man die Anzahl der Freilaufphasen vergrö­ ßert. Die Schaltfolge A, B, C, D, C, D, A, B, G, H, G, H und wieder von vorne er­ gibt, daß die Dauer der gedämpften Schwingung doppelt so lange ist wie die Dauer der Leistungszufuhr, wodurch sich eine mittlere relative Einschaltdauer von ED = 1/3 der Zykluszeit und eine relative Leistung von p = ca. 1/9 ergibt.

Benutzt man nur eine Leistungsvollwelle A+B und variiert die Anzahl n_aus von Freilaufphasen 1 (C+D) bzw. Freilaufphasen 2 (G+H) von 1 bis n, dann ergibt sich folgender Zusammenhang:

Mehr Leistung wird erreicht, wenn man die Zahl der Ladephasen vergrößert. Die Schaltfolge A, B, A, B, C, D, A, B, A, B, G, H und wieder von vorne ergibt, daß die Dauer der Leistungszufuhr doppelt solange ist, wie die Dauer der gedämpften Schwingung, wodurch sich eine mittlere relative Einschaltdauer von ED = 2/3 der Zykluszeit und eine relative Leistung von p = ca. 4/9 ergibt.

Die relative Einschaltdauer ED bestimmt wieder die Höhe der Ausgangsleistung. Benutzt man nur eine Freilaufvollwelle C+D bzw. G+H und variiert die Anzahl n_ein von Ladephasen A+B von 1 bis n, dann ergibt sich folgender Zusammenhang:

Auf diese Art und Weise ergibt sich eine relativ grobe Stufung der Leistungsab­ gabe, aber da ja nicht zwangsweise immer mit gleichbleibenden Wellenpaketen wiederholt werden muß, sondern jede Mischung beliebig langer oder kurzer Pa­ kete sowohl von Leistungs- wie Freilauf-Vollwellen erlaubt ist, ergeben sich be­ liebig viele Zwischenstufen, die umso feinstufiger sind, je mehr verschiedene Abfolgen pro Schaltzyklus aneinandergereiht werden können.

So ergibt sich beispielsweise eine Mischung von ED = ¼ = 0,2500
und ED = 1/9 = 0,1111
ein "Misch-ED" von: Ed_mix = ½ × (0.25+0,1111) = 0,1806.

Die Aufgabe der Steuerung und Regelung ist es, vor jeder Wahl eines Strompfa­ des zu berechnen, welche Anzahl von Vollwellen in Lade-, Freilauf- oder gar Bremsphasen fallen muß, um die gewünschte mittlere Leistungsabgabe so ge­ nau wie möglich zu treffen.

Claims (27)

1. Verfahren zum Steuern- oder Regeln der Leistungsabgabe eines Wech­ selrichters (1), insbesondere eines Wechselrichters in Vollbrückenschaltung, wo­ bei der Strom zur Erzeugung einer positiven Halbwelle über einen ersten Strompfad und zur Erzeugung einer negativen Halbwelle über einen zweiten Strompfad geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsab­ gabe des Wechselrichters (1) über das Durchschalten und Sperren mehrerer al­ ternativer Strompfade (27 bis 34) für die positive bzw. negative Halbwelle ge­ steuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungs­ abgabe des Wechselrichters (1) über das Durchschalten und Sperren einzelner Leistungsschalter (5, 8, 12, 15), insbesondere mit antiparallelen Dioden, gesteu­ ert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über den Wechselrichter ein Lastkreis mit induktiven und kapazitiven Ele­ menten, insbesondere ein Serienschwingkreis, gespeist wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (5, 8, 12, 15) des Wechselrichters (1) jeweils im Strom- Nulldurchgang ein- und/oder ausgeschaltet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wechselrichter (1) in Vollbrückenschaltung mehrere alternative Strompfade (27 bis 34) geschaltet werden, so daß sich eine möglichst feinstufige Steuerung der Leistungsabgabe zwischen Null und dem maximal möglichen Lei­ stungsabgabewert ergibt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem periodischen Stromverlauf ein alternativer Strompfad (27 bis 34) erst nach einer vordefinierten Anzahl von Halbperioden geschaltet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (1) eingangsseitig über einen Gleichspannungs-Zwi­ schenkreis (22) mit einem Speicherkondensator (23) mit Strom versorgt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleich­ spannungs-Zwischenkreis (22) mit nicht gesteuerter Gleichspannung verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die alternativen Strompfade (27 bis 34) eine Ladephase zur Lei­ stungsabgabe-Erhöhung, mindestens eine Freilaufphase zur Leistungsverminde­ rung oder/und eine Bremsphase zur forcierten Leistungsabgabeverminderung geschaltet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Ladephasen zur Erzeugung einer positiven bzw. negativen Halbwelle ei­ ner Wechselspannung am Lastkreis (18) ein Strompfad von einer ersten An­ schlußklemme (2) des Wechselrichters (1) über einen ersten Leistungsschalter (5 bzw. 12), in einer Richtung durch den Lastkreis (18) und dann über einen weite­ ren Leistungsschalter (15 bzw. 8) zu einer zweiten Anschlußklemme (3) des Wechselrichters (1) geschaltet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Freilaufphase, in der die Stromstärke des Laststroms ab­ nimmt, zur Erzeugung einer positiven bzw. negativen Stromhalbwelle ein Strompfad (29 bis 32) in einer Richtung durch den Lastkreis (18), über einen Lei­ stungsschalter (15 bzw. 8 oder 5 bzw. 12) und über eine antiparallel geschaltete Diode (9 bzw. 16 oder 13 bzw. 6) eines weiteren Leistungsschalters (8 bzw. 15 oder 12 bzw. 5) geschaltet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bremsphase alle Leistungsschalter (5, 8,12, 15) gesperrt wer­ den.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Bremsphase zur Erzeugung einer Halbwelle einer Wechselspan­ nung ein Strompfad (33, 34) von einer Anschlußklemme (3) des Wechselrichters (1) über eine antiparallele Diode (9 bzw. 16) eines ersten Leistungsschalters (8 bzw. 15), in einer Richtung durch den Lastkreis (18) und dann über die antipar­ allele Diode (13 bzw. 6) eines zweiten Leistungsschalters (12 bzw. 5) zur ersten Anschlußklemme (2) des Wechselrichters (1) geschaltet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der mittleren Leistung am Lastkreis (18) auch Strompausen während einer oder mehrerer Halbperioden eingesetzt werden.

15. Wechselrichter mit mehreren, jeweils einen Leistungsschalter (5, 8, 12, 15) aufweisenden Stromzweigen (4, 7, 11, 14), einem mit den Stromzweigen (4, 7, 11, 14) verbundenen Lastkreis (18) und einem Regel- oder Steuermittel, das den Strompfad des Laststroms mittels Durchschalten oder Sperren eines oder mehre­ rer Leistungsschalter (5, 8, 12, 15) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Regel- oder Steuermittel bzw. der Wechselrichter (1) derart ausgebildet sind, daß mittels Durchschalten oder Sperren eines oder mehrerer der Lei­ stungsschalter (5, 8, 12, 15) der Laststrom zur Leistungssteuerung über alterna­ tive Strompfade (27-34) schaltbar ist.

16. Wechselrichter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (1) als Vollbrückenschaltung mit Brückenzweigen (4, 7, 11, 14) mit jeweils einem Leistungsschalter (5, 8, 12, 15) ausgebildet ist.

17. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leistungsschalter (5, 8, 12, 15) Transistoren, insbesondere IGB- oder MOSFET-Transistoren sind.

18. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wechselrichter (1) eingangsseitig einen Spannungszwischen­ kreis (22) mit Speicherkondensator (23) aufweist.

19. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Klemmen (25), insbesondere die Eingangsklemmen zweier Lei­ stungsschalter (5,12), mit einer Anschlußklemme (2) des Speicherkondensators (23) verbunden sind.

20. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Klemme, insbesondere die Ausgangsklemme (26) des Lei­ stungsschalters (5) an einem ersten Brückenpunkt (10), mit dem Lastkreis (18) und eine Klemme, insbesondere die Ausgangsklemme (26) eines Leistungs­ schalters (12) an einem zweiten Brückenpunkt (17) mit dem Lastkreis (18) ver­ bunden ist.

21. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Klemme, insbesondere die Eingangsklemme (25) zweier wei­ terer Leistungsschalter (8, 15) mit je einer Klemme des Lastkreises (18) an ei­ nem ersten Brückenpunkt (10) bzw. zweiten Brückenpunkt (17) verbunden und je eine weitere Klemme, insbesondere die Ausgangsklemme (26) der beiden Lei­ stungsschalter (8, 15) mit der anderen Anschlußklemme (3) des Speicherkon­ densators (23) verbunden sind.

22. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen einer Klemme, insbesondere der Eingangsklemme (25) und einer weiteren Klemme, insbesondere der Ausgangsklemme (26), minde­ stens eines Leistungsschalters (5, 8, 12, 15) eine antiparallel angeordnete Diode (6, 9, 13, 16) angeschlossen ist.

23. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Regel- und Steuermittel mit den Steuerklemmen (24) der Lei­ stungsschalter (5, 8, 12,15) verbunden ist.

24. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Energieversorgung des Verbrauchers in einer Ladephase zur Erzeugung einer Halbwelle der Wechselspannung ein Strompfad von der ersten Anschlußklemme (2) des Wechselrichters (1) über einen Leistungsschalter (5 bzw. 12), in einer Richtung durch den Lastkreis (18) und dann über einen ande­ ren Leistungsschalter (15 bzw. 8) zur zweiten Anschlußklemme (3) des Wechsel­ richters (1) schaltbar ist.

25. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer Freilaufphase ohne Energieversorgung des Verbrauchers zur Erzeugung einer positiven bzw. negativen Strom-Halbwelle ein Strompfad in einer Richtung durch den Lastkreis (18), über einen Leistungsschalter (12 bzw.

5) und über eine antiparallel geschaltete Diode (9 bzw. 16) eines weiteren Lei­ stungsschalters (8 bzw. 15) schaltbar ist.

26. Wechselrichter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß in einer anderen Freilaufphase zur Erzeugung einer negativen bzw. positiven Halbwelle ein Strompfad in eine Richtung durch den Lastkreis (18) über einen weiteren Lei­ stungsschalter (8 bzw. 15) und über eine antiparallel geschaltete Diode (13 bzw. 6) eines anderen Leistungsschalters (12 bzw. 5) schaltbar ist.