DE4124777C2 - Spannungswandler für Solarenergieanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler für Solarenergie­ anlagen.

Zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Netzspannung ist es nach dem Aufsatz "Satte Leistung in der Prärie" in der Zeitschrift "ELO" Heft 6, 1986 Seite 22-27 bekannt, einen auf der Netzfrequenz schwingenden und in einem Schaltnetzteil IC integrierten Pulsbreitenmodulator sowie zwei Halbleiterschalter zum wechselweisen Schalten der Gleichspannung auf die beiden Primärspulen eines Transformators zu verwenden, dessen Sekundärwicklung die Netzspannung für den Verbraucher liefert und der eine Hilfswicklung besitzt, die in Verbindung mit einer Istwerterfassung ein Meßglied für einen Regler zur Regelung des Effektivwertes der Netzspannung bildet.

Die bekannte Schaltung dient zum Anschluß von netzbetriebenen Geräten für 220 Volt über einen kurzschlußsicheren und geregelten Spannungswandler an einem 12-Volt Autoakku. Während des praktischen Betriebes wird der Autoakku über die Lichtmaschine bei laufendem Motor geladen, wie dies aus der 2. Spalte von links auf Seite 23 hervorgeht. Der Wandler wird bei Inbetriebnahme mit dem Hauptrelais eingeschaltet und nach Betriebsende wieder abgeschaltet (siehe 3. Spalte von links auf Seite 23). Nach Abstellen des Motors wird der Akku nicht mehr geladen, weil die Lichtmaschine nicht mehr angetrieben wird. Demgegenüber bleibt bei einer Solarenergieanlage der Akku und der Spannungswandler dauernd mit den Gleichstrom erzeugenden Solarzellen verbunden, da unter anderem auch Verbraucher angeschlossen sind, die sich selbständig ein- und ausschalten (z. B. Kühlschränke). Der Spannungswandler in einer Solarenergieanlage muß also dauernd betriebsbereit sein im Gegensatz zu dem Wandler, der an einen Autoakku angeschlossen ist und nach Betriebsende wieder abgeschaltet und entfernt wird. Die Lichtmaschine zum Laden des Autoakkus steht jederzeit zur Verfügung, während in einer Solarenergieanlage praktisch nur bei Sonnenschein ein Aufladen des Akkus erfolgt, nicht dagegen bei Dunkelheit und nur in geringem Maße bei bedecktem Himmel. Leerlaufverluste des Wandlers zu verringern ist also nur in Solarenergieanlagen sinnvoll und erübrigt sich bei an Autoakkus angeschlossenen Wandlern. Deshalb sind in dem Aufsatz der Zeitschrift "ELO" keine Maßnahmen zur Verringerung von Leerlaufverlusten genannt.

Die DE 34 03 895 A1 hat eine Schaltungsanordnung für einen Solargenerator zur Umformung von Gleichstrom in Gleichstrom unter Zwischenumformung in Wechselstrom zum Gegenstand. Mit dieser Schaltungsanordnung ist eine einfache Spannungsregelung und Transformation auf hohe Spannungen bei geringem Gewicht möglich. Spannungsreglung und Hochtransformierung der Spannung werden in einer komplexen Schaltungsanordnung kombiniert. Als Spannungsregler wird ein Zweipunktregler mit kapazitivem Speicher benutzt. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung dient jedoch zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom, so daß die bekannte Anordnung nach einem anderem Wirkungsprinzip arbeitet.

In dem Aufsatz "Gleichspannungswandler: 220 V aus dem Autoakku" in der "Funkschau" 21/1984,. Seite 81 bis 85 ist ein Gleichspannungswandler zur Erzeugung von 220 V Wechselstrom aus dem Autoakku beschrieben, bei dem eine Regelung der effektiven Ausgangsspannung erfolgt. In der Schaltung für einen Wandler von 12 Volt nach Bild 1 ist kein Schaltnetzteil-IC mit einem Pulsbreitenmodulator vorgesehen. Weiterhin ist die Schaltung nach Bild 1 nicht für Solarenergieanlagen bestimmt und eine Reduzierung der Leerlaufverluste mit Hilfe einer Einschaltautomatik ist nicht vorhanden, so daß die erfindungs­ gemäße Aufgabe durch die bekannte Schaltung nicht gelöst wird.

Das Schaltnetzteil nach der DE 26 51 196 A1 ist für Geräte der Nachrichtentechnik bestimmt. Hier wird Netzspannung in Gleichspannung und dann wieder in Wechselspannung umgewandelt, während nach der Erfindung nur Gleichspannung in Wechselspannung umgewandelt werden soll. Durch das bekannte Netzteil soll eine Verkleinerung und Verbilligung des Netztransformators von Fernsehgeräten erreicht werden, indem mit der gleichgerichteten Netzspannung, einem elektronischen Schalter und einer schwingfähigen Schaltung in der Primärwicklung eines Trenntransformators Stromimpulse mit einer gegenüber der Netzfrequenz hohen Frequenz von etwa 20-28 kHz erzeugt werden. Diese Stromimpulse erzeugen in der Sekundärwicklung des Transformators Spannungsimpulse, aus denen mit Gleichrichterschaltungen die gewünschten Betriebsspannungen für die einzelnen Stufen des Fernsehempfängers gewonnen werden. Diese Art von Schaltnetzteilen haben den Nachteil, daß die Arbeitsfrequenz der durch den elektronischen Schalter im Primärkreis des Trenntransformators fließenden Stromimpulse mit wachsender Belastung stark abfällt und in den menschlichen Hörbereich gelangen kann, was sich durch unerwünschtes Pfeifen, Knattern und Heulen bemerkbar macht. Diese Störung soll bei dem bekannten Schaltnetzteil im Bereitschaftsbetrieb des Fernsehers vermieden werden. Es handelt sich also um eine völlig andere Aufgabenstellung, denn der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leerlaufverluste des Spannungswandlers möglichst gering zu halten, um elektrische Energie einzusparen. Hierzu wird eine Einschaltautomatik benötigt, die auch auf leistungsschwache Verbraucher, insbesondere Leuchtstofflampen, die mit einer Stater-Drossel-Vorschaltgerät betrieben werden, und Energiesparlampen mit einem elektronischen Vorschaltgerät anspricht.

In einer Solarenergieanlage, wie sie beispielsweise in Wochen­ endhäusern oder Gartenhütten installiert sind, muß die in 12 oder 24 Volt Akkumulatoren gespeicherte Sonnenenergie in eine Wechselspannung von 220 Volt, 50 Hertz umgewandelt werden, damit die üblichen 220 Volt-Geräte (Lampen, Kühlschränke, Bohr­ maschinen, Rasenmäher und dergl.) angeschlossen und betrieben werden können. Der dazu erforderliche Wandler muß die Netz­ spannung rund um die Uhr bereitstellen, und zwar auch dann, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist, also im Leerlauf. Im Leerlauf verbraucht der Wandler ebenfalls elektrische Energie, die größtenteils in Wärme umgewandelt wird (Verlustleistung).

Aufgabe der Erfindung ist es, die Leerlaufverluste eines Spannungswandlers für Solarenergieanlagen möglichst gering zu halten, was durch die in Anspruch 1 bezeichnete Erfindung erreicht wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Die erfindungsgemäße Einschaltautomatik hat den Vorteil, daß sie auch auf leistungsschwache Verbraucher, insbesondere Leuchtstofflampen, die mit einem Starter-Drossel-Vorschaltgerät betrieben werden, und Energiesparlampen mit einem elektronischen Vorschaltgerät anspricht. Problematisch ist das Umschalten des Wandlers auf den energiesparenden Leerlaufbetrieb durch die Einschaltautomatik, wenn der letzte Verbraucher im Netz abgeschaltet wird. Sind in der Solarenergieanlage relativ lange Netzleitungen vorhanden, dann treten bedingt durch die Kabel­ kapazitäten Blindströme auf, die ein einwandfreies Einschalten der Einschaltautomatik im Leerlaufbetrieb verhindern können. Alle Verbraucher, deren Leistungsaufnahme beispielsweise 15 Watt übersteigt, bewirken das Abschalten der Einschaltautomatik und das Ansteigen der Netzspannung von etwa 60 Volt auf 220 Volt, und zwar bei einer maximalen Dauerleistung von 1500 Watt. Durch die erfindungsgemäße Einschaltautomatik lassen sich die Leer­ laufverluste des Wandlers auf etwa 35% senken, indem der Spitzenwert der Ausgangsspannung des Wandlers von ca. 310 Volt im Leerlauf beibehalten wird, während der Effektivwert der Ausgangsspannung durch Reduzierung der Pulsbreite durch die Einschaltautomatik von 220 Volt auf etwa 60 Volt abgesenkt wird, wodurch die Leerlaufverluste ( Kernverluste des Transformators durch magnetische Induktion) wesentlich verringert werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt und zwar zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Spannungswandlers zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit Regel­ kreis und Einschaltautomatik,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild des Spannungswandlers nach Fig. 1,

Fig. 3 die Ausgangsspannung des Wandlers bei Belastung und

Fig. 4 die Ausgangsspannung des Wandlers im Leerlauf mit aktivierter Einschaltautomatik.

Das Leistungsteil 20 des Spannungswandlers besteht aus dem Transformator 21 mit den beiden Primärwicklungen 22 und 23, der Sekundärwicklung 24, der Hilfswicklung 25 und den beiden Halbleiterschaltern 26 und 27. Mit Hilfe dieser beiden Schalter 26 und 27 wird die Gleichspannung Ub der vom Solargenerator gespeisten Batterie 28 zerhackt und abwechselnd den Primärwicklungen 22 und 23 zugeführt, so daß an der Sekundärwicklung 24, eine Netzspannung Un von 220 Volt, 50 Hertz liegt, um übliche Wechselstromverbraucher (Lampen, Staubsauger, Bohrmaschinen, Kühlschränke und dergl.) anschließen zu können.

Der Transformator 21 und der Halbleiterschalter 26 und 27 bilden die Regelstrecke 31, und die Hilfswicklung 25 in Verbin­ dung mit der Istwerterfassung 32 bildet das Meßglied 33 zur Regelung des Effektivwertes der Netzspannung Un durch den Regelkreis 35 nach Fig. 1. Der Regler 40 des Regelkreises 35 besteht aus einem Operationsverstärker 41, der als Summations­ glied mit hoher Verstärkung und Tiefpaßverhalten ausgebildet ist. Der Regler 40 ist zusammen mit dem Stellglied 42 des Regelkreises 35 und einem Pulsbreitenmodulator in ein Schaltnetzteil-IC 45 (Siemens TDA 4716) integriert. Die wichtigsten benutzten Anschlußpins dieses Schaltnetzteil-ICs sind mit 1 bis 4, 6 und 9 bis 12 bezeichnet.

Durch die an die Pins 10 und 11 angeschlossenen Widerstände 48 und 49 und den Kondensator 50 wird die Verstärkung und die Grenzfrequenz des in dem IC 45 integrierten Operationsverstär­ kers 41 eingestellt. Der Widerstand 51 am Pin 6 und der Kondensator 52 am Pin 9 bestimmen die Frequenz der Ausgangsspannung des Leistungsteils 20. Die Istwerterfassung 32 besitzt einen verstellbaren Widerstand 55, einen Filterkonden­ sator 56 und eine Gleichrichterdiode 57.

Mit dem Regler 40 des Regelkreises 35 ist die Einschaltautomatik 60 verbunden, die von dem Leistungsteil 20 gesteuert wird, wobei der durch die Halbleiterschalter 26 und 27 fließende Strom durch einen an Masse liegenden, niederohmigen Shuntwiderstand 63 erfaßt wird. Der Widerstand 63 ist über eine Leitung 64 an den + Pol des Operationsverstärkers 68 mit einstellbarer Verstärkung angeschlossen. Der mit dem Verstärker 68 verbundene Inverter 69 steuert eine Spannungsteileranordnung 70, die einen als Halbleiterschalter ausgebildeten Transistor-Schwellwertschalter 71 (npn Transistor) und einen aus zwei Widerständen 72 und 73 bestehenden Spannungsteiler aufweist. Der Widerstand 73 ist mit einer als Sollwertgeber 75 dienenden Konstantspannungsquelle (Referenzspannung) verbunden, die in den Schaltnetzteil-IC 45 integriert ist. Zur Einstellung der Verstärkung des Operations­ verstärkers 68 sind der verstellbare Widerstand 78 und der Gegenkopplungswiderstand 79 vorgesehen. Der Inverter 69 enthält ein Glättungsglied, das aus einer Diode 82, drei Widerständen 83, 84 und 85 sowie einem Glättungskondensator 86 besteht, und einen Transistor-Schwellwertschalter 87 (npn Transistor). Der als Inverter wirkende Transistor-Schwellwertschalter 87 schaltet über den Widerstand 88 die Ansteuerspannung für den Transistor- Schwellwertschalter 71.

Der Widerstand 90 der Spannungsteileranordnung 70 ist mit dem Transistor-Schwellwertschalter 71 verbunden, der den Spannungs­ teiler 72, 73 umschaltet. Der als Zeitglied dienende Kondensator 91 sorgt in Verbindung mit dem Widerstand 73 für ein langsames Ansteigen und in Verbindung mit den Widerständen 72 und 73 für ein langsames Abfallen des Sollwertes (Führungsgröße) des Regelkreises 35.

Wenn das Leistungsteil 20 des Spannungswandlers im Leerlauf betrieben wird, ist seine Stromaufnahme am geringsten, und es fließt nur ein sehr schwacher Strom durch den Widerstand 63 Die am Widerstand 63 liegende Spannung wird über die Leitung 64 an den + Pol des Operationsverstärkers 68 der Einschaltautomatik 60 gelegt und durch diesen verstärkt. Die verstärkte Spannung wird über die Diode 82 und das RC-Glättungsglied 83-86 an die Basis des Transistor-Schwellwertschalters 87 gelegt. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 68 wird mit Hilfe des ver­ stellbaren Widerstandes 78 so eingestellt, daß im Leerlauf des Leistungsteils 20 der Transistor-Schwellwertschalter 87 nicht durchgeschaltet ist. Wenn der Transistor-Schwellwertschalter 71 über die Widerstände 88 und 90 mit Basisstrom versorgt wird, schaltet er durch. Dadurch wird der Spannungsteiler 72, 73 eingeschaltet und die Sollwertspannung Us für den Regelkreis 35 wird um mehr als die Hälfte reduziert, was zur Folge hat, daß die Netzspannung Un ebenfalls um mehr als die Hälfte reduziert wird (Fig. 4). Der Leistungsverbrauch des Transformators 21 wird auf diese Weise im Leerlauf erheblich herabgesetzt und dadurch die Entladung der Batterie 28 verringert.

Wird an die Sekundärwicklung 24 des Transformators 21 ein Verbraucher angeschlossen, so wird über die Einschaltautomatik 60 die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung auf die Netzspannung Un von 220 Volt, 50 Hertz erhöht. Der angeschlos­ sene Verbraucher bewirkt, daß durch den Widerstand 63 ein höherer Strom als im Leerlaufbetrieb fließt, so daß der Operationsverstärker 68 den Transistor-Schwellwertschalter 87 durchschaltet und der Basisstrom für den Transistor- Schwellwertschalter 71 den Wert Null annimmt. Der Transistor- Schwellwertschalter 71 sperrt und schaltet dadurch die Spannungsteileranordnung 70 ab. Über den Widerstand 73 wird nunmehr der Kondensator 91 langsam aufgeladen, so daß die Sollwertspannung langsam ihren Endwert erreicht. Über den Regelkreis 35 wird dann die Spannung an der Sekundärwicklung 24 auf die Netzspannung Un von 220 Volt langsam hochgeregelt.

In Fig. 3 ist die Ausgangsspannung Un an der Sekundärwicklung 24 des Transformators 21 abgebildet. Die durch die Halbleiter­ schalter 26 und 27 erzeugten Spannungsimpulse haben die Pulsbreite t1 und die Frequenz beträgt 50 Hertz. Der Effektivwert der Netzspannung Un wird über den Regelkreis 35 mit Hilfe der Pulsbreite t1 auf 220 Volt Effektivwert geregelt, so daß unabhängig von der Größe der Belastung durch Verbraucher immer eine Spannung von 220 Volt an der Sekundärwicklung 24 des Transformators 21 vorhanden ist. Wird die Einschaltautomatik 60 aktiviert, dann wird die Pulsbreite im Leerlauf auf den Wert t2 kleiner als t1 reduziert (Fig. 4). Die Spitzenspannung von ca. 310 Volt wird nicht geregelt sondern bleibt konstant, solange sich die Batteriespannung Ub nicht ändert.

Ist keiner der Halbleiterschalter 26 und 27 eingeschaltet, dann wird die Hilfswicklung 25 durch einen von einer Verknüpfungs­ logik gesteuerten Halbleiterschalter 29 kurzgeschlossen, damit die Netzspannung Un in den Schaltpausen t3 und t4 zwischen den einzelnen Impulsen in Fig. 3 und 4 Null ist.

Claims (6)

1. Spannungswandler für Solarenergieanlagen zur Umwandlung einer Gleichspannung Ub in eine Netzspannung Un, mit einem auf der Netzfrequenz schwingenden und in einem Schaltnetzteil-IC (45) integrierten Pulsbreitenmodulator und mit zwei Halbleiter­ schaltern (26, 27) zum wechselweisen Schalten der Gleich­ spannung Ub auf die beiden Primärspulen (22, 23) eines Transformators (21), dessen Sekundärwicklung (24) die Netzspannung für den Verbraucher liefert und der eine Hilfswicklung (25) besitzt, die in Verbindung mit einer Istwert­ erfassung (32) ein Meßglied (33) für einen Regler (40) zur Regelung des Effektivwertes der Netzspannung bildet, wobei

• - eine an den Regler (40) angeschlossene Einschaltautomatik (60) eine lastabhängig geschaltete Spannungsteileranordnung (70) zur Reduzierung des Effektivwertes der Netzspannung Un im Leerlauf des Spannungswandlers aufweist, die durch den durch einen im Gleichstromkreis liegenden Shuntwiderstand (63) fließenden Strom und mittels elektronischer Transistor-Schwellwertschalter (87, 71) im Leerlauf des Spannungswandlers eingeschaltet wird, währenddessen der Spitzenwert der Netzspannung konstant bleibt, und wobei
• - der sehr geringe Spannungsabfall am Shuntwiderstand (63) durch einen Operationsverstärker (68) mit einstellbarer Verstärkung (verstellbarer Widerstand 78) verstärkt wird und der verstärkte Spannungsabfall ab einem bestimmten Schwellwert den als Inverter wirkenden Transistor-Schwellwertschalter (87) durchschaltet, um über den Transistor-Schwellwertschalter (71) die Abschaltung der Spannungsteileranordnung (70) zu erreichen, wenn die Sekundärwicklung (24) des Transformators (21) durch einen Verbraucher belastet wird.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Operationsverstärker (68) und dem Transistor- Schwellwertschalter (87) ein aus Diode (82), drei Widerständen (83 bis 85) und Kondensator (86) bestehendes Glättungsglied angeordnet ist.

3. Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor-Schwellwertschalter (71) der Spannungsteileranordnung (70) über einen mit dem als Inverter wirkenden Transistor-Schwellwertschalter (87) verbundenen Widerstand (90) angesteuert wird.

4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der zwei Widerstände (72, 73) enthaltenden Spannungsteileranordnung (70) an den Kollektor des Transistor-Schwellwertschalter (71) angeschlossen ist.

5. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Spannungsteileranordnung (70) über einen Kondensator (91) eines RC-Zeitgliedes an den Operationsverstärker (41) des Reglers (40) angeschlossen ist.

6. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (25) des Transformators (21) durch einen von einer Verknüpfungslogik gesteuerten Halbleiterschalter (29) kurzgeschlossen wird, wenn keiner der Halbleiterschalter (26 oder 27) eingeschaltet ist.