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ERFINDUNGSGEBIET
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Die Offenbarung betrifft Wechselrichtereinrichtungen, die eine Spannung einer Gleichstromleistung verstärken und die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung konvertieren.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Vorgesehen ist eine Wechselrichtereinrichtung, die veranlasst, dass (i) eine Verstärkerschaltung eine Spannung einer Gleichstromleistung aus natürlicher Energie, wie Solarenergieerzeugung, Windenergieerzeugung, geothermischer Energieerzeugung und Wellenenergieerzeugung, und eine Spannung einer Gleichstromleistung aus Speicherbatterien, Brennstoffzellen usw. verstärkt und (ii) eine Wechselrichterschaltung die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung konvertiert, die mit einem Stromversorgungsnetz synchronisiert ist, und die Wechselstromleistung an das Stromversorgungsnetz liefert.
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Die Verstärkerschaltung schaltet ein Schalterelement periodisch ein und aus und verstärkt eine Spannung einer Gleichstromleistung durch intermittierendes Schicken eines Stroms durch eine Spule. Zu Beispielen für die Verstärkerschaltung zählen eine Zerhackerverstärkerschaltung und eine isolierte Verstärkerschaltung mit einem Transformator. Die Wechselrichterschaltung konvertiert Gleichstromleistung in Wechselstromleistung. Zu Beispielen der Wechselrichterschaltung zählen eine Wechselrichterschaltung mit Schalterelementen, die in einer Einphasenbrücke bzw. einer Mehrphasenbrücke verbunden sind. Die Gleichstromleistung wird durch periodisches Ein- und Ausschalten der Schalterelemente der Wechselrichterschaltung auf der Basis der Pulsweitenmodulation (PWM) in eine Pseudo-Sinuswelle umgewandelt. Diese Pseudo-Sinuswelle wird über eine Filterschaltung, die eine Hochfrequenzkomponente der Pseudo-Sinuswelle dampft, in eine Sinuswelle umgeformt, und die Sinuswelle wird an das Stromversorgungsnetz geliefert.
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Es wird eine Wechselrichtereinrichtung vorgeschlagen, die als eine Frequenz, mit der Schalterelemente einer Wechselrichterschaltung periodisch ein- und ausgeschaltet werden, einen hohen Wert von ungefähr 20 kHz bei fast Null (bei elektrischen Winkeln nahe 0° und 180°) verwendet, wobei ein Istwert eines konvertierten Wechselstrom-Ausgabestroms kleiner oder gleich einem Schwellenwert ist, und, in anderen Fällen, eine Frequenz auf ca. 15 kHz reduziert (siehe beispielsweise die
japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2013-55794 ). Damit ist eine Frequenz, mit der die Schalterelemente ein- und ausgeschaltet werden, niedrig in einem Bereich, in dem der Istwert des Wechselstrom-Ausgabestromes größer oder gleich dem Schwellenwert ist. Damit ändert die Wechselrichtereinrichtung eine Frequenz, mit der die Schalterelemente in einer Periode ein- und ausgeschaltet werden, um die Häufigkeit, mit der die Schalterelemente ein- und ausgeschaltet werden, auf 88 Mal pro Periode zu reduzieren, und unterdrückt entsprechend Schaltverluste in der Wechselrichterschaltung.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Bedauerlicherweise wird gewöhnlich beim Ein- und Ausschalten von Schalterelementen eine Frequenz, mit der die Schalterelemente ein- und ausgeschaltet werden, als Rauschen in die Umgebung emittiert, wenn die Frequenz in einem hörbaren Bereich liegt. Ein menschlicher Hörbereich reicht bis ungefähr 20 kHz. Obwohl der menschliche Hörbereich mit dem Alter und von Individuum zu Individuum variiert, werden hohe Frequenzen zu einem unangenehmen und als Moskitoklang bezeichneten Geräusch. Es ist anzumerken, dass Rauschen, das bei einer Frequenz von ungefähr 20 kHz emittiert wird, normalerweise außerhalb des hörbaren Bereiches liegt und Nutzer somit Schwierigkeiten haben, das Rauschen zu hören und so die Rauschunterdrückung erzielt wird. Von der oben beschriebenen Wechselrichtereinrichtung wird erwartet, einen Rauschunterdrückungseffekt durch Kombinieren einer Frequenz von 20 kHz mit einer Frequenz von 15 kHz zu produzieren, wenn die Frequenz von 20 kHz an der Wechselrichtereinrichtung anliegt, aber der Schaltverlust nimmt zu. Zusätzlich liegt gewöhnlich die Frequenz von 15 kHz häufig an der Wechselrichtereinrichtung an und der Wechselrichtereinrichtung gelingt die Rauschunterdrückung bei dieser Frequenz nicht. Damit ist eine solche Wechselrichtereinrichtung nicht geeignet für einen gewöhnlichen Haushalt, der Ruhe erfordert.
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Wenngleich eine Wechselrichtereinrichtung vorübergehend die Ein-Aus-Frequenz der Schalterelemente erhöht, wenn erkannt wird, dass sich eine Person der Wechselrichtereinrichtung nähert, ist es zudem schwierig, sowohl Schaltverluste als auch Ruhe zu erzielen, indem lediglich unter Berücksichtigung individueller Unterschiede im hörbaren Bereich eine Frequenz gleichförmig geändert wird. Weiterhin resultiert Rauschen von Schwingungen einer Spule, durch die intermittierend ein Strom geschickt wird, wenn die Schalterelemente ein- und ausgeschaltet werden, und eine Frequenz der Schwingungen basiert auf einer Frequenz, mit der die Schalterelemente ein- und ausgeschaltet werden. Die Spule selbst ist mit Harz oder Ähnlichem vergossen, um die Schwingungen der Spule zu unterdrücken; falls jedoch die Spule an einem Gehäuse befestigt ist, wird sogar eine winzige Schwingung über das Gehäuse verstärkt und als Rauschen emittiert. Eine Aufgabe der Offenbarung ist es, eine Wechselrichtereinrichtung bereitzustellen, die von der Wechselrichtereinrichtung emittiertes Rauschen allgemein unterdrückt.
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Eine Wechselrichtereinrichtung, die Folgende enthält: ein Gehäuse; eine Verstärkerschaltung, die an dem Gehäuse befestigt ist und ein oder mehrere Schalterelemente und eine Verstärkerspule enthält, wobei die Verstärkerschaltung eine Spannung einer Gleichstromleistung auf eine Zielspannung verstärkt, indem ein Strom intermittierend durch die Verstärkerspule geschickt wird, indem das eine oder mehrere Schalterelemente unter Verwendung eines ersten Ein-Aus-Signals angesteuert werden; eine Wechselrichterschaltung, die an dem Gehäuse befestigt ist und mehrere Schalterelemente enthält, wobei die Wechselrichterschaltung die von der Verstärkerschaltung ausgegebene Gleichstromleistung durch die mehreren Schalterelemente, die über ein zweites Ein-Aus-Signal angesteuert werden, in Wechselstromleistung konvertiert; eine Spule für das Filter, die an dem Gehäuse befestigt ist und durch die die aus der Konvertierung durch die Wechselrichterschaltung resultierende Wechselstromleistung durchgeht; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist zum Ansteuern (i) des einen oder der mehreren Schalterelemente unter Verwendung des ersten Ein-Aus-Signals, für das sich ein Tastverhältnis in einer Periode entsprechend einer ersten Frequenz ändert, und (ii) der mehreren Schalterelemente unter Verwendung des zweiten Ein-Aus-Signals, das durch Pulsweitenmodulation (PWM) auf der Basis einer Trägerwelle generiert wird mit einer zweiten Frequenz über der ersten Frequenz und einer Modulationswelle mit einer Frequenz, die mit einer Frequenz eines Stromversorgungsnetzes synchronisiert ist.
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Eine Wechselrichtereinrichtung mit einer Verstärkerschaltung und einer Wechselrichterschaltung unterdrückt Rauschen an einer Ausgabeseite der Wechselrichterschaltung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Figuren zeigen eine oder mehrere Implementierungen gemäß der vorliegenden Lehre lediglich beispielhaft und nicht als Beschränkungen. In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszahlen auf die gleichen oder ähnliche Elemente.
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1 ist ein Diagramm, das eine Wechselrichtereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2 ist ein Diagramm, das Steuerblöcke einer Steuerschaltung darstellt.
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3A ist ein Zeitdiagramm einer Stromversorgungsnetzspannung Vo eines Stromversorgungsnetzes.
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3B ist ein Zeitdiagramm eines ersten Trägersignals C1 und eines ersten Signals t1.
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3C ist ein Zeitdiagramm eines Pulssignals S1, das an einem Schalterelement anliegt.
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3D ist ein Zeitdiagramm eines zweiten Trägersignals C2 und eines Befehlssignals t2.
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3E ist ein Zeitdiagramm eines Abschnitts eines Pulssignals S2a, das an einem Schalterelement anliegt.
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3F ist ein teilweise vergrößertes Diagramm von 3C.
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3G ist ein teilweise vergrößertes Diagramm von 3E.
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4 ist ein Diagramm, das eine Bedieneinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es ist anzumerken, dass dieselben Bezugszeichen denselben oder entsprechenden Teilen in den Figuren zugewiesen sind und Beschreibungen davon ausgelassen sind.
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Die unten beschriebene Ausführungsform zeigt ein spezifisches Beispiel der vorliegenden Erfindung. Die in der folgenden Ausführungsform gezeigten Zahlenwerte, Formen, Materialien, Strukturelemente, die Anordnung und Verbindung der Strukturelemente, Schritte, die Verarbeitungsabfolge der Schritte usw. sind lediglich Beispiele und sollen deshalb den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken. Die vorliegende Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche spezifiziert. Deshalb sind unter den Strukturelementen in der folgenden Ausführungsform Strukturelemente, die in dem unabhängigen Anspruch, der den generischsten Teil des Erfindungskonzepts definiert, nicht genannt sind, zur Lösung eines Problems der vorliegenden Erfindung nicht immer notwendig, werden aber als Elemente beschrieben, die eine besonders bevorzugte Ausführungsform bilden.
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Die Ausführungsform erzeugt einen Rauschunterdrückungseffekt für eine Ausgabeseite einer Wechselrichterschaltung, indem eine Schaltperiode von Schalterelementen in der Wechselrichterschaltung kürzer eingestellt wird als eine Schaltperiode eines Schalterelements in einer Verstärkerschaltung.
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(Ausführungsform)
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1 ist ein Diagramm, das eine Wechselrichtereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 dargestellt, ist eine Wechselrichtereinrichtung 1 mit einem Solarpanel 8 verbunden, konvertiert die von dem Solarpanel 8 ausgegebene Gleichstromleistung in Wechselstromleistung, die mit einem Stromversorgungsnetz 2 synchronisiert ist, und liefert die Wechselstromleistung an das Stromversorgungsnetz 2.
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Die Wechselrichtereinrichtung 1 enthält eine Verstärkerschaltung 3, eine Wechselrichterschaltung 4, eine Filterschaltung 5, eine Steuerschaltung (Steuereinheit) 6 und eine Bedieneinheit 7.
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Die Verstärkerschaltung 3 konfiguriert eine nicht-isolierte Zerhackerschaltung (Drosselwandler), die einen Gleichstromreaktor (Reaktor zum Verstärken) 31 verwendet, ein Schalterelement 32 zum Zerhacken, eine Diode 33 und einen Kondensator 34. Der Gleichstromreaktor 31 ist eine Spule, die um ein Kernmaterial gewickelt ist, um eine vorbestimmte Induktanz aufzuweisen, und ist an einem nicht gezeigten Gehäuse befestigt (einem kastenartigen Gehäuse, das durch Aluminiumdruckguss oder Blechbearbeitung geformt ist und an einer Wandoberfläche eines Hauses oder Gestells befestigt ist), ohne dabei die Wärmeleitfähigkeit (Wärmeableitung) zu verlieren. Es ist anzumerken, dass der Gleichstromreaktor 31 an einer Kühlkörpereinheit befestigt sein kann. Somit strahlt der Gleichstromreaktor 31 nicht nur Wärme an das Gehäuse oder die Kühlkörpereinheit ab, sondern überträgt auch Schwingungen auf das Gehäuse bzw. die Kühlkörpereinheit. Es ist anzumerken, dass die Verstärkerschaltung 3 nicht auf die Zerhackerschaltung beschränkt ist, sondern eine isolierte Durchflusswandlerschaltung sein kann, die verstärkt, indem sie einen Stromfluss durch eine Spule auf einer Primärseite eines Transformators intermittierend steuert, eine Stromquellenverstärkerschaltung usw. In der Verstärkerschaltung 3 kann die Primärseite des Transformators als Halbbrückenkonfiguration oder Vollbrückenkonfiguration unter Verwendung von Schalterelementen ausgebildet sein.
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Beim Gleichstromreaktor 31 ist ein Ende mit einem Ende (einer Anodenseite) der Diode 33 verbunden, und beim Schalterelement 32 ist ein Ende mit dem Verbindungspunkt verbunden. Beim Gleichstromreaktor 31 ist das andere Ende mit einer positiven Seite des Solarpanels 8 verbunden, und beim Schalterelement 32 ist das andere Ende mit einer negativen Seite des Solarpanels 8 verbunden.
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Der Kondensator 34 ist mit dem anderen Ende (einer Kathodenseite) der Diode 33 und der negativen Seite des Solarpanels 8 (dem anderen Ende des Schalterelements 32) verbunden. Ein vom Solarpanel 8 ausgegebener Gleichstrom wird intermittierend durch den Gleichstromreaktor 31 geschickt, indem das Schalterelement 32 periodisch ein- und ausgeschaltet wird und eine Spannung der Gleichstromleistung verstärkt wird. Der Kondensator 34 dampft (glättet) eine Hochfrequenzkomponente, die aus einer Frequenz resultiert, mit der das Schalterelement 32 ein- und ausgeschaltet wird. Die (Gleichstromleistungs-)Ausgabe des Kondensators 34 wird an die Wechselrichterschaltung 4 geliefert. Die Verstärkerschaltung 3 steuert ein Tastverhältnis, mit dem das Schalterelement 32 periodisch ein- und ausgeschaltet wird, variabel, so dass eine Ausgangsspannung Vm auf einer Zielspannung gehalten wird. Wenn die Gleichstromleistung von dem Solarpanel 8 empfangen wird, führt die Verstärkerschaltung 3 eine Nachverfolgung des maximalen Betriebspunkts (MPPT – maximum power point tracking) durch, um einen Wert der Zielspannung Vm variabel so zu steuern, dass die generierte Leistung (Produkt aus Eingangsstrom Ii und Eingangsspannung Vi) des Solarpanels 8 die Maximalleistung erreicht. Es ist anzumerken, dass der Sollwert Vm bei Verwendung einer Speicherbatterie ein fester Wert sein kann, wenn beispielsweise die Ausgangsspannung der Speicherbatterie stabil ist. Ein Ein-Aus-Betrieb für das Schalterelement 32 ist an späterer Stelle beschrieben.
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Die Wechselrichterschaltung 4 besitzt Schalterelemente 41 bis 44 für den Wechselrichter und enthält eine Einphasen-Brückenschaltung, bei der eine Reihenschaltung, bei der die Schalterelemente 41 und 42 nacheinander in Reihe geschaltet sind, und eine Reihenschaltung, bei der die Schalterelemente 43 und 44 nacheinander in Reihe geschaltet sind, parallel geschaltet sind. Ein Verbindungspunkt der beiden Reihenschaltungen ist an das andere Ende der Diode 33 der Verstärkerschaltung 3 angeschlossen (Ausgang von Kondensator 34) und der andere Verbindungspunkt der beiden Reihenschaltungen ist an das andere Ende des Schalterelements 32 der Verstärkerschaltung 3 angeschlossen. Es ist anzumerken, dass die Wechselrichterschaltung 4 eine mehrstufige Wechselrichterschaltung sein kann, wie ein Neutral-Point-Clamped-Wechselrichter (NPC) und ein Abstufungswechselrichter, solange der mehrstufige Wechselrichter einen Gleichstrom in einen Wechselstrom konvertiert (eine bei einer hohen Frequenz abgeschnittene Pseudo-Sinuswelle). Zudem ist es durch Verwendung einer Mehrphasen-Brückenschaltung einschließlich einer Dreiphasen-Brückenschaltung, jedoch nicht beschränkt auf eine Einphasen-Brückenschaltung, auch möglich, einen Gleichstrom in einen Mehrphasen-Wechselstrom zu konvertieren.
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Diese Schalterelemente 41 bis 44 werden über Ein-Aus-Signale auf der Basis der Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert, in der eine Trägerwelle einer vorbestimmten Frequenz (einer zweiten Frequenz) und eine Modulationswelle einer Frequenz, die mit dem Stromversorgungsnetz 2 synchronisiert ist, verwendet werden. Es ist anzumerken, dass bei der PWM nicht nur eine Trägerwelle und eine Modulationswelle direkt verglichen werden, sondern ebenso kann eine direkte Berechnung durch Computerberechnung oder eine Nachschlagetabelle mit vorab berechneten Daten verwendet werden. Ein-Aus-Operationen für die Schalterelemente 41 bis 44 werden später beschrieben.
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Die Filterschaltung 5 konfiguriert ein Tiefpassfilter, das zwischen die Wechselrichterschaltung 4 und das Stromversorgungsnetz 2 geschaltet ist, und eine Hochfrequenzkomponente der Wechselstromleistung, die von der Wechselrichterschaltung 4 ausgegeben wird, zu einer Wellenform dampft ähnlich der einer Sinuswelle. Diese Wellenform wird über ein Relais als die Wechselstromleistung an das Stromversorgungsnetz 2 geliefert. Insbesondere enthält die Filterschaltung 5: Wechselstromreaktoren (Spulen für Filter) 51a und 51b, die auf einem Paar Leitungen angeordnet sind, die zwischen den Schalterelementen 41 und 42 und zwischen den Schalterelementen 43 und 44 verlaufen; und einen Kondensator 52, der die Wechselstromreaktoren 51a und 51b und das Stromversorgungsnetz 2 verbindet. Die Wechselstromreaktoren 51a und 51b sind Spulen, die um dieselben Kernmaterialien gewickelt sind, um eine vorbestimmte Induktanz zu haben, und sind an einem Gehäuse befestigt, ohne die Wärmeleitfähigkeit zu verlieren (Wärmeableitung). Damit strahlen die Wechselstromreaktoren 51a und 51b nicht nur Wärme an das Gehäuse ab, sondern übertragen auch Schwingungen auf das Gehäuse.
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2 ist ein Diagramm zur Darstellung von Steuerblöcken einer Steuerschaltung. Die Steuerschaltung 6 generiert Pulssignale (Ein-Aus-Signale) S1, S2a und S2b und steuert eine Ein-Aus-Operation für das Schalterelement 32 der Verstärkerschaltung 3 mit dem Pulssignal S1 (einem ersten Pulssignal) und Ein-Aus-Operationen für die Schalterelemente 41 bis 44 der Wechselrichterschaltung 4 mit den Pulssignalen S2a und S2b (zweiten Pulssignalen). Es ist anzumerken, dass, da das Pulssignal S2b eine Umkehrung des Pulssignals S2a ist, sich folgende Beschreibung hauptsächlich auf das Pulssignal S2a konzentriert. Wie in 2 dargestellt, enthält die Steuerschaltung 6 eine Recheneinheit 61, eine erste Pulssignalerzeugungsschaltung 62, eine zweite Pulssignalerzeugungsschaltung 63, eine erste Trägersignalerzeugungsschaltung 64, die ein erstes Trägersignal C1 erzeugt, und eine zweite Trägersignalerzeugungsschaltung 65, die ein zweites Trägersignal C2 erzeugt. [0022] Das in 3C gezeigte Pulssignal S1 ist ein erstes Ein-Aus-Signal, das durch Modulieren (Vergleichen der Größe von) einer Trägerwelle (eines ersten Trägersignals) C1 in einer vorbestimmten Periode hp1 (entsprechend einer ersten Frequenz), wie in 3B dargestellt, und eines ersten Signals t1 erhalten wird. 3F ist eine teilweise vergrößerte Darstellung von 3C mit einer EIN-Signal-Komponente in der Periode hp1. Dieses EIN-Signal dient dem wiederholten Ein- und Ausschalten des Schalterelements 32 in jeder Periode hp1 und wird als das Pulssignal 51 an das Schalterelement 32 gegeben. Das Schalterelement 32 wird gemäß diesem Signal wiederholt ein- und ausgeschaltet und zusammen mit der Diode 33 und dem Kondensator 34 erlaubt, dass ein Strom intermittierend durch den Gleichstromreaktor 31 (Spule zum Verstärken) geschickt wird und eine Gleichstromspannung verstärkt wird. Ein Verstärkungsverhältnis (Verstärkungsausmaß) kann angepasst werden durch Ändern einer Einschaltzeit (Tastverhältnis) in der Periode hp1, indem ein Wert (Pegel) des ersten Signals t1, wie in 3B dargestellt, geändert wird. Die Steuerschaltung 6 steuert eine Einschaltzeit (Tastverhältnis) des Pulssignals S1, so dass eine Abgabeleistung des Solarpanels 8 das Maximum erreicht. Es ist anzumerken, dass die Spule des Gleichstromreaktors 31 entsprechend der Periode hp1 aufgrund der intermittierenden Lieferung des Stroms an den Gleichstromreaktor 31 schwingt und diese Schwingungen auf das Gehäuse übertragen und in die Umgebung emittiert werden. Die Größe der Schwingungen wird durch eine Welligkeit einer Spannungsvariation des Kondensators 34 beeinflusst.
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Die Recheneinheit 61 ändert das erste Signal t1, so dass die Leistung P, berechnet aus Eingangsstrom Ii und Eingangsspannung Vi an der Verstärkerschaltung 3, die maximale Leistung erreicht.
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Die Steuerung des ersten Signals t1 durch die Recheneinheit 61 geschieht wie folgt. Die Recheneinheit 61 zeichnet auf, ob das erste Signal t1 (ein Wert, der eine Größe darstellt) zuvor zunimmt oder abnimmt, und passt das erste Signal t1 in dieselbe Richtung an wie zuvor (vergrößert das erste Signal t1 im Fall, dass das erste Signal t1 zuvor zunahm, bzw. verkleinert das erste Signal t1 im Fall, dass das erste Signal t1 zuvor abnahm), wenn die Leistung P zunimmt. Zusätzlich passt die Recheneinheit 61 das erste Signal t1 in entgegengesetzter Richtung zu der vorherigen Richtung an (verkleinert das erste Signal t1 im Fall, dass das erste Signal t1 zuvor zunahm, bzw. vergrößert das erste Signal t1 im Fall, dass das erste Signal t1 vorher abnahm), wenn die Leistung P vorher abnimmt.
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3B ist ein Zeitdiagramm eines ersten Signals t1 und eines ersten Trägersignals C1 (ein Wert, der sich ständig stufenlos in einer Dreieckswellenform ändert). 3C ist ein Zeitdiagramm eines Pulssignals S1. Wenn die Recheneinheit 61 das erste Signal t1 generiert, steuert (generiert) die erste Pulssignalerzeugungsschaltung 62 das erste Pulssignal S1 unter Verwendung des ersten Signals t1 und des ersten Trägersignals C1. Die erste Pulssignalerzeugungsschaltung 62 vergleicht hier Werte des ersten Signals t1 und des ersten Trägersignals C1 und generiert beispielsweise das Pulssignal 51 im AUS-Zustand (niedrig) im Fall, dass das erste Signal t1 größer ist als das erste Trägersignal C1, und das Pulssignal S1 im EIN-Zustand (hoch) im Fall, dass das erste Signal t1 kleiner ist als das erste Trägersignal C1. Damit wird die Pulsbreite des Pulssignals S1 (EIN-Zeit für ein Schalterelement) gemäß dem Wert des ersten Signals t1 gesteuert und eine Periode hp1 des Pulssignals S1 wird gleich einer Periode h1 des ersten Trägersignals C1 eingestellt.
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Die Pulssignale S2a und S2b (Invertieren des Pulssignals S2a) sind jeweils ein zweites Ein-Aus-Signal zum wiederholten Ein- und Ausschalten der Schalterelemente 41 bis 44 in jeder vorbestimmten Periode hp2. Die Schalterelemente 41 bis 44 werden als Reaktion auf die Pulssignale S2a und S2b wiederholt ein- und ausgeschaltet. 3A ist ein Zeitdiagramm einer Stromversorgungsspannung Vo des Stromversorgungsnetzes 2. 3D ist ein Zeitdiagramm eines Befehlssignals t2 und eines zweiten Trägersignals C2 (ein Wert, der sich ständig stufenlos in einer Dreieckswellenform ändert), und 3E ist ein Zeitdiagramm eines Abschnitts des Pulssignals S2a. 3G ist ein teilweise vergrößertes Diagramm von 3E. Wie in diesen Figuren dargestellt, resultiert das Pulssignal S2a aus dem Vergleich von Werten eines Befehlssignals (einer Modulationswelle) t2 mit einer Frequenz, die mit dem Stromversorgungsnetz Vo synchronisiert ist, und dem zweiten Trägersignal C2. Zusätzlich ist das Pulssignal S2b ein Wert, der durch Invertieren des Pulssignals S2a erhalten wird.
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Das Pulssignal S2a wird in die Schalterelemente 41 und 44 eingegeben, und das Pulssignal S2b wird in die Schalterelemente 42 und 43 eingegeben. Damit schaltet die Wechselrichterschaltung 4 abwechselnd die Schalterelemente 41 und 44 und die Schalterelemente 42 und 43 ein und aus, um Gleichstromleistung in Wechselstromleistung zu konvertieren. Es ist anzumerken, dass die Übertragung der Pulssignale S2a und S2b zum Ein-/Aussteuern der Schalterelemente 41 bis 44 verzögert werden kann, so dass die Schalterelemente 41 bis 44, die dieselben Reihenschaltungen konfigurieren, nicht gleichzeitig eingeschaltet sind bzw. angepasst werden können, wenn die Pulssignale S2a und S2b generiert werden.
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Ein Timing, mit dem die Pulssignale S2a und S2b wiederholt in den EIN-Zustand und den AUS-Zustand versetzt werden, wird durch die Recheneinheit 61 bestimmt, die ein Befehlssignal eines Ausgangsstromes berechnet (ein Befehlssignal wird chronologisch zu einer Sinuswellenform, die mit der Stromversorgungsnetzspannung Vo synchronisiert ist), und indem die zweite Pulssignalerzeugungsschaltung 63 die Werte des zweiten Trägersignals C2 und des Befehlssignals t2 (eines zweiten Signals) vergleicht.
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Das Pulssignal S2a im AUS-Zustand (niedrig) wird beispielsweise in dem Fall generiert, dass das Befehlssignal t2 größer ist als das zweite Trägersignal C2, und das Pulssignal S2a im EIN-Zustand (hoch) wird in dem Fall generiert, dass das Befehlssignal t2 kleiner ist als das zweite Trägersignal C2.
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Auf diese Weise steuert die Steuerschaltung 6 die Ein-Aus-Operationen für die Schalterelemente 41 bis 44 für den Wechselrichter gemäß den Pulssignalen S2a und S2b, so dass eine Frequenz mit einer Wechselstrom-Wellenform des Stromversorgungsnetzes synchronisiert ist. Es ist anzumerken, dass dieses Synchronisationstiming verzögert werden kann, wenn Blindleistung gesteuert wird.
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Da die Pulssignale S2a und S2b zudem wie oben festgestellt generiert werden, sind Perioden der Pulssignale S2a und S2b dieselben wie eine Periode einer Trägerwelle, und die Pulsweiten (Tastverhältnisse) der Pulssignale S2a und S2b nehmen synchron mit der Amplitude des Befehlssignals t2 zu oder ab.
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Es ist anzumerken, dass das erste Signal t1, das Pulssignal S1, das Befehlssignal t2 und die Pulssignale S2a und S2b in einem Mikroprozessor berechnet oder in einer analogen Schaltung oder dergleichen generiert werden können. Zusätzlich können diese Signale aus vorab berechneten Daten und einer Nachschlagetabelle extrahiert werden.
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Ein Nutzer kann mit der Bedieneinheit 7 manuell auswählen, ob die Wechselrichtereinrichtung 1 (die Verstärkerschaltung 3 und die Wechselrichterschaltung 4) gemäß der Ausführungsform in einem Leistungsmodus (einem ersten Modus) mit hoher Konversionseffizienz oder in einem Ruhemodus (einem zweiten Modus) mit Rauschunterdrückung arbeiten sollen.
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Die Bedieneinheit 7 ist in der Lage, drahtgebunden oder drahtlos mit der Steuerschaltung 6 zu kommunizieren. Darüber hinaus enthält, wie in 4 dargestellt, die Bedieneinheit 7: eine Anzeigeeinheit 71; einen ersten Taster 72 zur Auswahl eines Betriebs im Leistungsmodus; einen zweiten Taster 73 zur Auswahl eines Betriebs im Ruhemodus; und einen dritten Taster 74 zur Auswahl Betrieb/Stopp der Wechselrichtereinrichtung 1.
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Die Anzeigeeinheit 71 zeigt an, welcher Modus verwendet wird. Hier sind Zeichen, die einen Betriebsmodus anzeigen, von einer fetten Linie umgeben. Zusätzlich zeigt die Anzeigeeinheit 71 auch gleichzeitig beispielsweise die vom Solarpanel 8 generierte Leistung an. Im Leistungsmodus (ein Fall, dass für die erste Trägersignalerzeugungsschaltung 64 und die zweite Trägersignalerzeugungsschaltung 65 gewählt ist, dass sie sich in einem in 2 gezeigten Zustand befinden) sind das erste Trägersignal C1, ausgegeben von der ersten Trägersignalerzeugungsschaltung 64, und das zweite Trägersignal C2, ausgegeben von der zweiten Trägersignalerzeugungsschaltung 65, jeweils auf 8 kHz (eine Periode von 0,125 ms) und auf 11 kHz (eine Periode von 0,09 ms) eingestellt. Wenn der Leistungsmodus gewählt wird, werden die Perioden der Pulssignale S2a und S2b so eingestellt, dass sie kürzer als die Periode des Pulssignals S1 sind (die Frequenzen der Pulssignale S2a und S2b sind so eingestellt, dass sie höher sind). Eine Frequenz eines Trägersignals ist nicht auf einen dieser Werte beschränkt, sondern kann um einen Wert, wie beispielsweise 10 kHz, 13 kHz und 15 kHz, höher sein als die Frequenz des ersten Trägersignals C1.
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Wenn beispielsweise ein FET als das Schalterelement 32 verwendet wird, führt das Einstellen der Frequenz des ersten Trägersignals C1 auf etwa 8 kHz aufgrund der FET-Kennlinien zu einer hohen Konversionseffizienz. Die Frequenz des ersten Trägersignals C1 jedoch ist nicht auf 8 kHz beschränkt. Wenn ein Schalterelement wie ein MOSFET, ein IGBT und ein SiC-Transistor verwendet wird, kann abhängig von der Kennlinie des zu verwendenden Schalterelements eine Frequenz verwendet werden, bei der die Konversionseffizienz vergrößert ist. Wenn die Periode des zweiten Trägersignals C2 gleich der des ersten Trägersignals C1 eingestellt ist, ist die Konversionseffizienz der Wechselrichterschaltung 4 vergrößert, aber die Wechselrichterschaltung 4 emittiert zusammen mit dem Schalterelement 32 mehr Rauschen an die Umgebung.
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Durch Einstellen der Frequenz des zweiten Trägersignals C2 auf eine höhere Frequenz als die des ersten Trägersignals C1 wird die Häufigkeit, mit der das Schalterelement der Wechselrichterschaltung 4 ein- und ausgeschaltet wird, um eine Häufigkeit erhöht auf der Basis einer Differenzfrequenz, und damit nehmen auch die Schaltverluste zu. Die Filterschaltung 5 jedoch reduziert eine Spannungsschwankung (ein Ausmaß der Wellenverzerrung) für eine der Wechselstromleistung (einer Sinuswelle) überlagerte Welligkeitskomponente in dem Umfang, wie die Frequenz zunimmt. Als ein Ergebnis nimmt der Schalldruck des an die Umgebung emittierten Rauschens ab und das gesamte Rauschausmaß wird entsprechend reduziert. Da darüber hinaus das zweite Trägersignal C2 die höhere Frequenz hat, haben einige Nutzer aufgrund individueller Variation Schwierigkeiten, diese Frequenz zu hören, und insgesamt ist ein Rauschunterdrückungseffekt zu erwarten. Es ist möglich, die Frequenz des zweiten Trägersignal C2 angemessen einzustellen, da der Rauschunterdrückungseffekt mit der Frequenz steigt. Da die Anzahl der für die Wechselrichterschaltung 4 verwendeten Schalterelemente größer ist als die Anzahl der für die Verstärkerschaltung 3 verwendeten Schalterelemente, wird der Rauschunterdrückungseffekt leichter erzeugt, indem die Frequenz des zweiten Trägersignals C2 auf einen größeren Wert als den des ersten Trägersignals C1 eingestellt wird.
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Wenn der Ruhemodus ausgewählt ist, sind die Periode des Pulssignals S1 und die Perioden der Pulssignale S2a und S2b im Wesentlichen gleich eingestellt. (Die Perioden des ersten und zweiten Trägersignals werden geändert.) Im Ruhemodus (einem Fall, wo die erste Trägersignalerzeugungsschaltung 64 und die zweite Trägersignalerzeugungsschaltung 65 so gewählt sind, dass sie sich in einem Zustand befinden, der dem in 2 dargestellten Zustand entgegengesetzt ist) sind die Frequenz des ersten Trägersignals C1, ausgegeben von der ersten Trägersignalerzeugungsschaltung 64, und die Frequenz des zweiten Trägersignals C2 auf 15 kHz eingestellt (eine Periode von 0,067 ms). Einige Nutzer haben aufgrund von individueller Variation Schwierigkeiten, diese Frequenz zu hören, und es wird erwartet, dass die Frequenz einen Ruheeffekt bringt. Es ist anzumerken, dass die Frequenz wesentlich höher sein kann, wenn ein dafür eingehandelter Schaltverlust günstig ist. In diesem Fall nimmt der Schaltverlust, wenn die Schalterelemente ein- und ausgeschaltet werden, mit den jeweiligen Frequenzen zu, aber der Ruheeffekt kann vorzugsweise erwartet werden.
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In der Ausführungsform, wie in 4 dargestellt, enthalten die erste Trägersignalerzeugungsschaltung 64 und die zweite Trägersignalerzeugungsschaltung 65 jeweils Trägersignalerzeugungsschaltungen 64a, 64b, 65a, und 65b mit unterschiedlichen Frequenzen, und die Trägersignalerzeugungsschaltungen, die das erste Trägersignal C1 und das zweite Trägersignal C2 zu der ersten Pulssignalerzeugungsschaltung 62 und der zweiten Pulssignalerzeugungsschaltung 63 übertragen, können über die Schaltkreise 64c und 65c ausgewählt werden.
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Beim Ein- und Ausschalten generieren das Schalterelement 32 der Verstärkerschaltung 3 und die Schalterelemente 41 bis 44 der Wechselrichterschaltung 4 Rauschen an den Ausgabeseiten aufgrund eines Einflusses der Ein-Aus-Operationen. Die Verstärkerschaltung 3 jedoch besitzt den Kondensator 34, der an einer Ausgangsseite angeordnet ist und im Wesentlichen als Tiefpassfilter dient und somit wenig Einfluss auf von der Wechselrichterschaltung 4 generiertes Rauschen hat, sogar wenn eine Periode einer Ein-Aus-Operation im Vergleich zu den Schalterelementen 41 bis 44 für den Wechselrichter verkürzt ist.
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Somit ist es wie in der Ausführungsform möglich, indem die Periode des zweiten Pulssignals (eine Periode einer Ein-Aus-Operation für die Wechselrichterschaltung 4) so eingestellt wird, dass sie kürzer ist als die des an die Verstärkerschaltung 3 gelieferten ersten Pulssignals (eine Periode der Ein-Aus-Operation für die Verstärkerschaltung 3), den Schaltverlust der Verstärkerschaltung 3 zu reduzieren bei gleichzeitiger Unterdrückung des Rauschens der Wechselrichterschaltung 4 zu der Ausgangsseite.
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Darüber hinaus schwingen aufgrund der Ein-Aus-Operation für das Schalterelement 32 der Verstärkerschaltung 3 und der Ein-Aus-Operationen für die Schalterelemente 41 bis 44 der Wechselrichterschaltung 4 der Gleichstromreaktor 31 und die Wechselstromreaktoren 51a und 51b mit im Wesentlichen derselben Frequenz (Periode) wie einer Frequenz (Periode) derjenigen Ein-Aus-Operationen, und diese Vibration wird als Schall nach außen übertragen. Dass dieser Schall leicht gehört wird, ist mit zunehmender Frequenz weniger wahrscheinlich, und damit ist es wie in der Ausführungsform möglich zu bewirken, dass die Wechselrichtereinrichtung 1 im Ruhemodus, wenn Schall im Leistungsmodus stört (die Periode der Ein-Aus-Operation lang ist), ruhig arbeitet (Verkürzen einer Periode einer Ein-Aus-Operation), indem die Periode des ersten Pulssignals und der Periode des zweiten Pulssignals variable gemacht wird, damit die Wechselrichtereinrichtung 1 im Leistungsmodus und im Ruhemodus betrieben werden können.
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Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bisher beschrieben worden ist, dient die obige Beschreibung dem leichteren Verständnis der vorliegenden Erfindung und beschränkt nicht die vorliegende Erfindung. Die Ausführungsform kann innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung modifiziert oder variiert werden, und es versteht sich von selbst, dass Äquivalente davon in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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Die Wechselrichtereinrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise als ein solares Stromerzeugungssystem mit dem Solarpanel 8 Anwendung finden. Zusätzlich dient die Wechselrichtereinrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Ausgabe von einphasiger Wechselstromleistung, kann aber auch für die Ausgabe von dreiphasiger Wechselstromleistung genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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