DE3819978A1 - Wechselrichter mit zwischenkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit Zwischen­ kreis gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wechselrichter in Form von Rechteck- oder Sinuswechsel­ richter sind seit langem bekannt. Wechselrichter dieser Art können z.B. in unterbrechungsfreien Stromversorgun­ gen (USV) und bei der Steuerung bzw. Regelung von Wech­ sel- und Drehstrommotoren Anwendung finden.

Hierbei hat es sich gezeigt, daß die Rechteckwechselrich­ ter zwar einfacher zu realisieren sind, daß diese aber eine Reihe von Nachteilen besitzen. So hat beispielsweise die Ausgangsspannung einen sehr hohen Oberschwingungsan­ teil, wodurch die Leistung des Rechteckwechselrichters wesentlich höher gewählt werden muß, als es für den Ver­ braucher erforderlich wäre. Weiterhin ist von Nachteil, daß bei solchen Rechteckwechselrichtern der Wirkungsgrad meistens niedrig ist; diese Rechteckwechselrichter häufig laut sind; die ausgangsseitige Überspannung des Rechteck­ wechselrichters einen sehr hohen Schutzaufwand auf der Verbraucherseite erfordert. Um insbesondere den hohen Oberschwingungsgehalt bei solchen Rechteckwechselrichtern zu vermeiden, wird häufig statt einer Einschaltdauer von 180 Grad pro Halbperiode nur eine solche von 120 Grad ge­ wählt. Dadurch erhält man eine Pseudosinusspannung am Wechselrichterausgang, die für viele Anwendungsfälle aus­ reicht. Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht im Vergleich zum Sinuswechselrichter in einer wesentlich einfacheren Ventilansteuerung. Zur Erläuterung dieses Prinzips wird auf Fig. 1 verwiesen, in der die einzelnen Kurvenverläufe dargestellt sind.

Die Sinuswechselrichter mit konstanter Ausgangsfrequenz (z.B. 50 Hz) sind in verschiedenen Ausführungsformen be­ kannt, welche in den Fig. 2a bis 2e dargestellt sind:

• a) Wechselrichter mit 50-Hz-Rechteckansteuerung Z (180 Grad pro Halbperiode) und mit nachgeschaltetem, abge­ stimmten, magnetischem Sinussignalerzeuger SM.
• Diese Ausführungsform hat zwar einen relativ hohen Wirkungsgrad, ist jedoch relativ schwer und nur mit hohem Aufwand an Kundenanforderungen anpaßbar, da für jede Ausgangsspannung oder Leistung eine gesonderte Abstimmung erforderlich ist.
• b) Wechselrichter mit 50-Hz-Rechteck- oder Pseudosinus­ ansteuerung Z und mit nachgeschaltetem 50-Hz-Filter F und 50-Hz-Transformator T.
• Der Nachteil dieser Ausführungsform ist, daß die hierfür notwendigen Netzfrequenztransformatoren (z. B. für 50 Hz) sehr schwer und groß sind. Das Netzfre­ quenz-Filter ist sehr aufwendig, da schon die erste Oberschwingung des 180-Grad-Rechtecksignals bzw. die dritte Oberschwingung des Pseudosinussignals heraus­ gefiltert werden müssen.
• c) Wechselrichter mit pulsbreitenmodulierter Ausgangs­ spannung PWM (PWM; z.B. mit 20 kHz); 50-Hz-Filter F und 50-Hz-Transformator T.
• Bei diesen Wechselrichtern ist gegenüber solchen der Ausführungsform b) die Filterstruktur zwar einfacher, weil nur hohe Frequenzen (z.B. 20 kHz) auszufiltern sind. Aufgrund der niederspannungsseitigen Anordnung ist das Filter jedoch viel zu aufwendig, denn es muß für hohe Ströme ausgelegt werden, darf aber wegen der magnetischen Sättigung des Eisens nur mit Spulen kleiner Induktivität realisiert werden.
• d) DC/DC Wandler DCW (zerhackter Gleichstrom, diesen transformiert und gleichgerichtet) mit nachgeschalte­ tem Wechselrichter W (50-Hz-Zerhacker) und 50-Hz- Filter.
• Diese Ausführungsform wird nicht für größere Leistun­ gen verwendet und besitzt für das Filter die gleichen Nachteile wie die Ausführungsform zu b).
• e) DC/DC Wandler DCW (z.B. mit 20 kHz) mit nachgeschal­ tetem Wechselrichter W, wobei ein PWM Zerhacker (PWM = Zerhackungssystem, z.B. mit 20 kHz) und ein 50-Hz-Filter vorgesehen sind.
• Diese weitere Ausführungsform benötigt für eine sinusför­ mige Ausgangsspannung ein Filter. Da aber das Filter hochspannungsseitig angeordnet ist, ist es jedoch wesent­ lich kleiner als bei den Ausführungsformen gemäß b), c) und d). Nachteilig (da kostspielig) wirken sich auch die für den wechselrichterseitigen Zerhacker (z.B. mit 20 kHz) erforderlichen, schnellen Schaltelemente und deren entsprechend komplizierte Ansteuerung aus (dieses Problem wird noch kritischer für eine komplett isolierte Aus­ gangsspannung).

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß keine der obigen Ausführungsformen a) bis e) geeignet ist, eine einfache Verminderung der Ausgangsspannung (Leerlaufschaltung, d. h., den Wechselrichter fast abzuschalten) zu ermöglichen, wenn der Energiebedarf unter ein bestimmtes Niveau sinkt.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter nach dem Sinusprinzip dahingehend weiter­ zubilden, daß keine vor- oder nachgeschalteten Filter er­ forderlich werden, und der Wechselrichter zudem einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wechselrich­ ter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Wechselrichter weist eine Reihe von Vorteilen auf, insbesondere daß keine schnellen Halblei­ terventile auf der Hochspannungsseite geschaltet werden, daß der Wechselrichter leicht an unterschiedliche Aus­ gangsspannungen und -leistungen angepaßt werden kann, daß dessen Ausgangsspannung leicht steuerbar und für diese ein geringerer Aufwand für die galvanische Trennung der Ein- und Ausgangsspannung betrieben werden muß, und daß dessen Gewicht durch Fortfall des Netzfrequenztransforma­ tors (50 Hz) und Einsatz anderer Transformationsmöglich­ keiten verringert werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Wechselrichters sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf für rechteckförmige, pseudosinusförmige und sinusförmige Ausgangs­ spannung,

Fig. 2a bis 2b Ausführungsformen von bekannten Sinus­ wechselrichtern und

Fig. 3 das Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit Zwischen­ kreis.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters dargestellt, bei dem die Zwischenkreis­ spannung nicht mehr eine Gleichspannung, sondern eine doppelgleichgerichtete Sinuswechselspannung ist, deren Frequenz das zweifache der gewünschten Ausgangsfrequenz beträgt; z.B. 100 Hz für 50-Hz-Ausgangsfrequenz. Wird als Ausgangsspannung eine von der Sinusform abweichende Spannungsform gefordert, so kann die Zwischenkreisspan­ nung entsprechend vorgeformt werden. Der für den Zwi­ schenkreis ZK erforderliche Filter ZKF wird gleichzeitig als Ausgangsfilter benutzt.

Dem Zwischenkreis ZK wird eine gesteuerte Brücke GB nach­ geschaltet, die jeweils beim Nullwert der gefilterten Zwischenkreisspannung bzw. zu einem Zeitpunkt, der diesem Nullwert entspricht, umgeschaltet wird (möglicherweise erreicht die Zwischenkreisspannung nur ein Minimum jedoch keinen Nullwert). Dadurch, daß diese Umschaltung immer im Spannungsnullwert (entspricht auch dem Spannungsnull­ durchgang der Ausgangsspannung) und bei einer Frequenz, die nur dem Doppelten der Ausgangsfrequenz entspricht, erfolgt, brauchen die Halbleiter nicht schnell zu sein; dies ermöglicht zum Beispiel den Einsatz von Transistoren oder noch besser von sogenannten IGT′s und zusätzlich parallel geschalteten Freilaufdioden. (Die Dioden sind für nichtohmsche Lasten erforderlich.)

Selbstverständlich können die Halbleiterventile isoliert angesteuert werden, z.B. mit Trafos oder mit Piezokopp­ lern (hier existieren viele Schaltungsmöglichkeiten, da die Ansteuerung langsam erfolgen kann).

Um die gleichgerichtete Sinusspannung des Zwischenkreises zu realisieren, wird dieser Kreis belastet, vorzugsweise mit einer Stromsenke S. Zur Minimierung der Verlustlei­ stung wird die Stromsenke S gesteuert. Vorzugsweise wird diese Stromsenke S sinusförmig gesteuert, und zwar um 180 Grad phasenverschoben gegenüber der Zwischenkreisspan­ nung.

Wenn keine galvanische Trennung von Primär- und Sekundär­ spannung erforderlich ist, kann, für Regelungszwecke, die stabilisierte Zwischenkreisspannung direkt zurückgeführt werden. Vorzugsweise wird die Spannung jedoch vom Ausgang der gesteuerten Brücke GB zurückgeführt, z.B. über einen Transformator T 1.

Um nicht-ohmsche Lasten zu betreiben, wird die Zwischen­ kreisspannung zusätzlich "belastet". Diese Belastung ist aber eine Energierückgewinnung. Denn induktive Lasten la­ den nach dem Spannungsnulldurchgang den Zwischenkreiskon­ densator C auf und kapazitive Lasten verhindern vor dem Spannungsnullwert bzw. nach dem Spannungsmaximum die Ent­ ladung dessen. Diese Belastung wird vorzugsweise als ein Längsschaltregler ausgebildet, der die Energie in den Primärkreis (Batterie) zurückspeist, wobei dieser Regler nicht mehr, wie üblich, von der Ausgangsspannung gesteu­ ert wird, sondern von der Zwischenkreisspannung (Unter­ schied zwischen Soll- und Istwert). Selbstverständlich darf dieser Regler andere Ausführungsformen, wie z.B. Sperrwandler, aufnehmen.

Um eine kurzschlußfeste Schaltung zu erhalten, kann der Strom im Zwischenkreis gemessen werden Meßwiderstand R. Da dort ein unipolarer Strom fließt, ist, wenn keine gal­ vanische Trennung gewünscht ist, eine Regelung direkt möglich, andernfalls wird der Strom über ein galvanisch getrenntes Element, z.B. einen Optokoppler, rückgeführt.

Die sinusförmige Zwischenkreisspannung wird durch einen sogenannten DC/DC Wandler DDW realisiert. Dieser Wandler DDW kann ein Gegentaktwandler sein, vorzugsweise ein Ge­ gentakt-Durchflußwandler. Die Spule SP (Glättungsindukti­ vität) ist entweder eine Spule mit festem Luftspalt oder mit veränderbarem LuftspaIt. Vorzugsweise wird sie durch zwei Spulen realisiert, wobei die eine eine relativ hohe Induktanz, aber keinen oder nur einen kleinen Luftspalt besitzt, nur für kleinere Ströme geeignet ist und gezielt bei höheren Strömen in die Sättigung gefahren wird, und die andere einen relativ großen Luftspalt besitzt, so daß sie auch bei höheren Strömen nicht in die Sättigung ge­ langen kann.

Diese Spulen bilden zusammen mit einem relativ kleinen Kondensator C das Zwischenkreisfilter ZKF, das das einzi­ ge Filter in der Schaltung ist.

Um das Übersetzungsverhältnis klein zu halten, bzw. um den Übertrager klein zu halten, wird die Leistungsüber­ tragung nicht mit einem einzigen Transformator durchge­ führt, sondern vorzugsweise durch mehrere Transformato­ ren, die jeweils nur eine Teilleistung (von z.B. 100 W) übertragen. (Kleine Übersetzungsverhältnisse verkleinern die Streuinduktivität und die Wickelkapazität und ermög­ lichen damit höhere Arbeitsfrequenzen.)

Diese Übertrager werden vorzugsweise so geschaltet, daß die Primäransteuerung parallel oder quasi-parallel er­ folgt.

Die Sekundärwicklungen werden vorzugsweise seriell be­ schaltet. Vorzugsweise wird jede Stufe durch Gleichrich­ ter getrennt. Die Spule(n) (Glättungsinduktivität (en)) kann (können), auf einem gemeinsamen Kern angeordnet, auch unterteilt werden.

Für eine Änderung der Ausgangsspannung bedarf es nur ei­ ner gleichsinnigen Änderung der Steuerspannung. Dies kann auch über Fernsteuerung erfolgen.

Mit dem obengenannten Schaltungsaufbau ist es einfach, die Ausgangsspannung zu reduzieren, wenn die Last einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet (Leerlaufschal­ tung). Für diesen Fall wird nur ein Teil der Übertrager unter gleichzeitiger Reduzierung der Steuerspannung bzw. unter Änderung der Spannungsrückführung angesteuert. Die­ ses Vorgehen hat den Vorteil, daß nur der Magnetisie­ rungsstrom für die eingeschalteten Stufen benötigt wird. Die Zu- und Abschaltung von Stufen wird vorzugsweise durch Überwachung des Verbrauchsstroms realisiert.

Bei einer Ausführungsform laut vorstehender Erfindung werden z.B. für einen 1000 VA Wechselrichter 12 Stufen zu je 100 W für eine Ausgangsspannung von 220 V 50 Hz eingesetzt, bei "Leerlaufschaltung" aber nur eine Stufe, die dann eine Ausgangsspannung von 20 V 50 Hz und eine Leistung von 50 W liefert.

In der dargestellten Ausführung ist als Regler ein Längs­ regler vorgesehen. Selbstverständlich kann dieser Regler auch andere Ausführungsformen annehmen, so etwa als Sperrwandler ausgeführt sein. Auch kann dieser Regler als Ladeeinrichtung für die Gleichspannungsquelle Q Verwen­ dung finden.

Claims (11)

1. Wechselrichter mit Zwischenkreis, dadurch gekennzeich­ net, daß im Zwischenkreis (ZK) eine doppelgleichge­ richtete Sinuswechselgröße erzeugt wird.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die sinusförmige Ausgangsspannung des Wech­ selrichters durch eine dem Zwischenkreis (ZK) nachge­ schaltete, gesteuerte Gleichrichter-Brückenschaltung (GB) erzeugt wird, welche jeweils im Nulldurchgang oder im Minimum der Zwischenkreis-Spannung schaltet.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die doppelgleichgerichtete Sinuswechselspan­ nung mittels eines, mit einer Gleichspannungsquelle (Q) verbundenen, gesteuerten DC/DC-Wandler (DDW) und eines, diesem nachgeschalteten Zwischenkreisfilter (ZKF), wenn dieses nicht im DC/DC-Wandler enthalten ist, erzeugt wird.

4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der DC/DC-Wandler (DDW) einen HF-Übertrager (Ü) aufweist, mit dessen Primärwicklung mindestens ein Zerhacker (Z), welcher mit hoher Frequenz von einem Pulsbreitenmodulator (PWM) getaktet wird, und mit des­ sen SekundärwickIung mindestens eine Gleichrichterdio­ de (D 1, D 2) verbunden ist.

5. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Zwischenkreisfilter (ZKF) aus einer Spule (Sp) mit konstantem oder veränderbarem Luftspalt und einem mit der Spule (Sp) verbundenen Kondensator (C) besteht, mit dessen Anschlüssen die beiden Klemmen des DC/DC-Wandlers (DDW) verbunden sind.

6. Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spule (Sp) aus zwei Spulen besteht, wobei die erste Spule eine relativ hohe Induktivität, aber keinen oder nur einen kleinen Luftspalt aufweist und bei hohen Strömen in die Sättigung gelangt und wobei die zweite Spule einen relativ großen Luftspalt auf­ weist und bei hohen Strömen nicht in die Sättigung ge­ langt.

7. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zwischenkreis (ZK) belastet ist, indem parallel zu den KIemmen des Zwischenkreisfilters (ZKF) eine Stromsenke (S) angeordnet ist.

8. Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stromsenke (S) sinusförmig und um 180° phasenverschoben zur Zwischenkreisausgangsspannung an­ gesteuert wird.

9. Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Belastung zur Energierückführung dient, indem die induktive Last nach dem Spannungsnulldurch­ gang den Zwischenkreiskondensator (C) aufladen.

10. Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Belastung als Längsregler ausgebildet ist, welcher die Energie in den Primärkreis zurück­ speist, wobei dieser mittels der Zwischenkreisspan­ nung gesteuert wird.

11. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hochfrequenz-Übertrager (Ü) des DC/DC-Wandlers (DDW) aus mehreren, kleineren Hochfre­ quenz-Übertragern besteht, welche primärseitig parallel und sekundärseitig in Reihe liegende Wick­ lungen aufweisen.