EP1974446A2 - Wechselrichterschaltung für netzeinspeisung und für netzunabhängigen betrieb - Google Patents

Wechselrichterschaltung für netzeinspeisung und für netzunabhängigen betrieb

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EP1974446A2
EP1974446A2 EP07711361A EP07711361A EP1974446A2 EP 1974446 A2 EP1974446 A2 EP 1974446A2 EP 07711361 A EP07711361 A EP 07711361A EP 07711361 A EP07711361 A EP 07711361A EP 1974446 A2 EP1974446 A2 EP 1974446A2
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EP
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tri
flyback transformer
input
primary
inverter circuit
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EP07711361A
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Hans Oppermann
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SMA Solar Technology AG
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Conergy AG
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Publication date
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Definitions

  • the invention relates to an inverter circuit according to the preamble of patent claim 1 or 2.
  • the input DC voltage is converted into AC pulses with variable pulse width so that a sinusoidal current is formed in a downstream filter that flows into the grid.
  • the input DC voltage is converted into AC pulses with variable pulse width so that a sinusoidal current is formed in a downstream filter that flows into the grid.
  • inverters with HF transformer are also very light, the efficiency is only in the range of 92-94%.
  • All inverters with RF separation is intrinsically that they are elaborately designed, have multiple RF stages and the energy in the magnetic field of the transformer cores, the electric field of storage capacitors and additionally again in filter stages buffering.
  • the object of the invention is therefore to provide an inverter with galvanic isolation, which has only one RF converter and only temporarily stores the energy in the magnetic field of the RF flyback transformer.
  • an inverter which has the features of claim 1 or 2 is used.
  • Figure 1 shows an inverter circuit according to the invention for the supply of electricity in the network
  • FIG. 2 shows a modification of the inverter circuit according to the invention from FIG. 1 for mains-independent operation
  • FIGS. 1 and 2 shows the voltage curve of the circuits according to FIGS. 1 and 2 at the output of the primary side and the secondary side.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention for the supply of electricity in the network, wherein the current may have been generated for example by solar energy or by wind power.
  • the input voltage Ue with its plus pole is on a first side of two parallel-connected flyback transformers Tri and Tr2, whose other sides are connected via semiconductor switches Tl and T2 to the minus pole.
  • a capacitor Cl Between plus and minus is also a capacitor Cl, which is helpful in charging the blocking transformers Tri and Tr2.
  • the circuit consists of a primary side P and a secondary side S.
  • the magnetic energy converts into current, which flows in the secondary side S via a diode Dl and an active power rectifier consisting of T3- T6 in the output capacitor C2.
  • the flyback transformer Tr2 is invited and discharges via a diode D2 and the active power rectifier T3 to T6 in the output capacitor C2.
  • Tri and Tr2 work anticyclically and deliver an almost complete current into the output capacitor C2.
  • FIG. 2 shows an inverter circuit for off-grid operation in which, in a modification of the circuit according to FIG. 1, in the primary side P, the semiconductor switches T 1 and T 2 Diodes D3 and D4 and in the secondary side S, the diodes Dl and D2 are bridged by semiconductor switches T7 and T8. Further, the capacitor C2 is not in the secondary side S at the output, but between the flyback transformers Tri ', Tr2' and the active power rectifier T3-T6. However, it should be noted that the capacitor C2 can also be at the output, as shown in Fig. 2 by C2 'indicated by dotted lines.
  • a current value is impressed on the flyback converter Tri when Tl is switched on, and thus the transformer core is charged with a magnetic energy which corresponds to 0.5 * I 2 * L.
  • the magnetic energy converts into current, which flows into the capacitor C2 and thereby transmits the energy 0.5 * U 2 * C.
  • the voltage curve at C2 can be controlled sinusoidally by the amount of energy delivered by the flyback converter , Depending on the load condition on the capacitor C2 and the energy content of the flyback converter can be varied by changing the impressed current.
  • the flyback converter Tr2 is controlled by T2 anticyclically to the flyback converter Tri and transmits the current via D2 in the output capacitor C2. In order to be able to realize a sinusoidal profile of the voltage half-waves at C2 with rising and decreasing voltage under variable load conditions, the flyback converters Tri and Tr2 are operated forward for increasing voltage and reverse for falling voltage on capacitor C2.
  • the diode D3 and on the secondary side of the transistor T7 are active for the primary-side flyback converter Tri on the primary side and for the primary-side flyback converter Tr2, the primary-side diode D4 and the secondary-side transistor T8.
  • the subsequent active mains rectifier or polarity switch which consists of the semiconductor switches T3 - T6 with bridging diodes D5 - D8 for the reverse operation, switches every other half cycle to negative voltage and thus realizes the complete sinusoid.
  • FIG. 3 shows the profile of the voltage Uc across the capacitor C2 in the circuit according to FIG. 2 as a function of the time t. Two positive sine half-waves are recognized, the second of which is turned down by the polarity switches T3-T6 to form a complete sine wave in the direction -Ua.

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Inverter Devices (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung auf Basis des Sperrwandler- prinzips für die Einspeisung von Solarstrom oder Windstrom in ein Netz oder für netzunabhängigen Betrieb. Sie zeichnet sich durch eine minimale Anzahl von Bauteilen aus, so dass sie sehr klein gehalten werden kann.

Description

Wechselrichterschaltung für Netzeinspeisung und für netz- unabhängigen Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2.
Es gibt verschiedene Wechselrichtertechniken für die solare Netzeinspeisung und für den netzunabhängigen Betrieb. Nachstehend sollen diese kurz dargestellt werden:
Für die Netzeinspeisung wird die Eingangsgleichspannung in Wechselspannungsimpulse mit variabler Pulsbreite so umgewandelt, dass sich in einem nachgeschalteten Filter ein sinusförmiger Strom ausbildet, der in das Netz fließt. Aus Gründen des geringeren Gewichtes und des besseren Wirkungsgrades (95- 97% statt 92-94%) werden dabei mehr und mehr Wechselrichter ohne Netztrafo hergestellt.
Wechselrichter mit HF-Trafo sind zwar auch sehr leicht, aber der Wirkungsgrad liegt nur im Bereich von 92-94%. Allen Wechselrichtern mit HF-Trennung ist zu Eigen, dass sie aufwendig gestaltet sind, mehrfache HF-Stufen besitzen und die Energie im Magnetfeld der Trafokerne, dem elektrischen Feld von Speicherkondensatoren und zusätzlich noch einmal in Filterstufen Zwischenspeichern.
Aufgabe der Erfindung ist es also, einen Wechselrichter mit galvanischer Trennung zu schaffen, der nur einen HF-Wandler besitzt und nur einmal die Energie im Magnetfeld des HF- Sperrwandlertrafo zwischenspeichert . Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Wechselrichter, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 2 aufweist.
Dadurch wird erreicht, dass der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wechselrichters wie bei den trafolosen Wechselrichtern bei 95 bis 97% liegt und das Gewicht aufgrund der wenigen Bauteile, die für die Funktionen des Wechselrichters notwendig sind, deutlich niedriger als bei den bekannten Wechselrichtern ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Wechselrichterschaltung für die Einspeisung von Strom in das Netz;
Figur 2 eine Abwandlung der- erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung aus Fig. 1 für netzunabhängigen Betrieb; und
Figur 3 den Spannungsverlauf der Schaltungen nach Fig. 1 und 2 am Ausgang der Primärseite und der Sekundärseite.
Es wird darauf hingewiesen, dass in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung für die Einspeisung von Strom in das Netz, wobei der Strom beispielsweise durch Sonnenenergie oder durch Windkraft erzeugt worden sein kann. Am Eingang des Wechselrichters liegt die Eingangspannung Ue mit ihrem plus Pol an einer ersten Seite von zwei parallel geschalteten Sperrwandlertransformatoren Tri und Tr2, deren jeweils andere Seiten über Halbleiterschalter Tl und T2 an den minus Pol angeschlossen sind. Zwischen plus und minus liegt außerdem ein Kondensator Cl, der beim Aufladen der Sperrtransformatoren Tri und Tr2 behilflich ist. Die Schaltung besteht im übrigen aus einer Primärseite P und einer Sekundärseite S.
Beim Einschalten von Tl wird dabei dem Sperrwandlertrafo Tri ein Stromwert eingeprägt und damit dem Trafokern eine magnetische Energie eingeladen, die 0,5*I2 *L entspricht. Darin sind I der eingespeiste Strom und L die Induktivität des jeweiligen Sperrwandlertransformators Tri oder Tr2.
Nach dem Abschalten von Tl wandelt sich die magnetische Energie in Strom um, welcher in der Sekundärseite S über eine Diode Dl und einen aktiven Netzgleichrichter, bestehend aus T3- T6 in den Ausgangskondensator C2 fließt. Während der Ausladephase von Tri wird der Sperrwandlertrafo Tr2 eingeladen und entlädt sich über eine Diode D2 und den aktiven Netzgleichrichter T3 bis T6 in den Ausgangskondensator C2. Tri und Tr2 arbeiten dabei antizyklisch und liefern einen fast lückenlosen Strom in den Ausgangskondensator C2. Die von den Sperrwandlern aufgenommene Leistung beträgt Pin = 0,5*I2 *L*f. Darin bedeuten: Pin die Eingangsleistung für die Sperrwandlertrafos Tri und Tr2, I der Strom, L die Induktivität und f die Frequenz .
Figur 2 zeigt eine Wechselrichterschaltung für den netzunabhängigen Betrieb, bei der in Abwandlung der Schaltung nach Figur 1 in der Primärseite P die Halbleiterschalter Tl und T2 durch Dioden D3 und D4 und in der Sekundärseite S die Dioden Dl und D2 durch Halbleiterschalter T7 und T8 überbrückt sind. Ferner liegt der Kondensator C2 in der Sekundärseite S nicht am Ausgang, sondern zwischen den Sperrwandlertransformatoren Tri', Tr2' und dem aktiven Netzgleichrichter T3-T6. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Kondensator C2 auch am Ausgang liegen kann, wie dies in Fig. 2 durch C2' durch punktierte Linien angedeutet dargestellt ist.
Am Eingang des Wechselrichters wird beim Einschalten von Tl dem Sperrwandler Tri ein Stromwert eingeprägt und damit dem Trafokern eine magnetische Energie eingeladen, die 0,5*I2 *L entspricht. Nach dem Abschalten von Tl wandelt sich die magnetische Energie in Strom um, der in den Kondensator C2 fließt und überträgt dabei die Energie 0,5*U2 *C. Der Spannungsverlauf an C2 kann durch die Menge der vom Sperrwandler gelieferten Energieportionen sinusförmig gesteuert werden. Je nach Lastbedingung am Kondensator C2 kann auch der dem Sperrwandler eingeladene Energieinhalt durch Veränderung des eingeprägten Stromes variiert werden.
Der Sperrwandler Tr2 wird durch T2 antizyklisch zum Sperrwandler Tri gesteuert und überträgt den Strom über D2 in den Ausgangskondensator C2. Um einen sinusförmigen Verlauf der Spannungshalbwellen an C2 mit steigender und mit abnehmender Spannung bei variablen Lastbedingungen realisieren zu können, werden die Sperrwandler Tri und Tr2 für steigende Spannung vorwärts und für fallende Spannung am Kondensator C2 rückwärts betrieben.
Beim Rückwärtsbetrieb werden für den primärseitigen Sperrwandler Tri auf der Primärseite die Diode D3 und auf der Sekundärseite der Transistor T7 aktiv und für den primärseitigen Sperrwandler Tr2 die primärseitige Diode D4 und der sekundärseitige Transistor T8.
Der nachfolgende aktive Netzgleichrichter oder Polaritätsschalter, der aus den Halbleiterschaltern T3 - T6 mit überbrückenden Dioden D5 - D8 für den Rückwärtsbetrieb gebildet ist, schaltet jede zweite Halbwelle auf negative Spannung um und realisiert so die vollständige Sinuskurve.
Figur 3 zeigt den Verlauf der Spannung Uc am Kondensator C2 in der Schaltung nach Figur 2 in Abhängigkeit von der Zeit t. Man erkennt zwei positive Sinus-Halbwellen, von denen die zweite durch die Polaritätsschalter T3 - T6 zur Bildung einer vollständigen Sinuswelle nach unten in Richtung -Ua umgeklappt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Wechselrichterschaltung für die Einspeisung von Solarstrom oder Windstrom in ein Netz, das mit einer Spannung Ua betrieben wird, mit einem Sperrwandlertrafo (Tr) , der sowohl primärseitig, als auch sekundärseitig je zwei zueinander parallel liegende Wicklungen (Tri, Tr2; Tri1, Tr2 ' ) aufweist, an deren primärseitiges eines Ende der positive Eingang der Eingangsspannung (Ue) gelegt ist, während der negative Eingang über je einen Halbleiterschalter (Tl, T2) an das jeweils andere Ende der primärseitigen Wicklungen (Tri, Tr2) des Sperrwandlertrafos führt, wobei zwischen dem positiven und dem negativen Eingang vor dem Sperrwandlertrafo (Tr) ein Kondensator (Cl) liegt, der dazu dient, das Einladen von Energie in die primärseitigen Wicklungen (Tri, Tr2) des Sperrwandlertrafos zu unterstützen, und durch zwei Dioden (Dl, D2), die auf der Sekundärseite jeweils in Reihe mit der zugehörigen Sekundärwicklung (Tri, Tr2) des Sperrwandlertrafos und damit parallel zueinander liegen und mit ihrer Anode mit einem Eingangspunkt eines aktiven Netzgleichrichters (T3-T6) verbunden sind, an dessen anderen Eingangspunkt der Sperrwandlertrafo (Tri, Tr2) angeschlossen ist, und wobei über dem Ausgang des aktiven Netzgleichrichters (T3-T6) ein weiterer Kondensator (C2) liegt.
2. Wechselrichterschaltung für die Einspeisung von Solarstrom oder Windstrom in einen Verbraucher und damit für netzunabhängigen Betrieb, wobei der Verbraucher mit einer Spannung Ua betrieben wird, mit einem Sperrwandlertrafo (Tr) , der sowohl primärseitig, als auch sekundärseitig je zwei zueinander parallel liegende Wicklungen (Tri, Tr2; Tri', Tr2 ' ) aufweist, an deren primärseitiges eines Ende der positive Eingang der Eingangsspannung (Ue) gelegt ist, während der negative Eingang über je einen Halbleiterschalter (Tl, T2) und eine den Halbleiterschalter überbrückende Diode (D3, D4) an das jeweils andere Ende der primärseitigen Wicklungen (Tri, Tr2) des Sperrwandlertrafos führt, wobei zwischen dem positiven und dem negativen Eingang vor dem Sperrwandlertrafo (Tr) ein Kondensator (Cl) liegt, der dazu dient, das Einladen von Energie in die primärseitigen Wicklungen (Tri, Tr2) des Sperrwandlertrafos zu unterstützen, und durch zwei Dioden (Dl, D2) , die auf der Sekundärseite jeweils in Reihe mit der zugehörigen Sekundärwicklung (Tri1, Tr2 ' ) des Sperrwandlertrafos und damit parallel zueinander liegen und mit ihrer Anode mit einem Eingangspunkt eines aktiven Netzgleichrichters (T3-T6) verbunden sind, an dessen anderen Eingangspunkt der Sperrwandlertrafo (Tri1, Tr2 ' ) angeschlossen ist, wobei ferner zwei Halbleiterschalter (T7, T8) die Dioden (Dl, D2) überbrücken, und wobei ein weiterer Kondensator (C2) zwischen dem Sperrwandlertrafo (Tri1, Tr2 ' ) und dem aktiven Netzgleichrichter (T3-T6) liegt.
3. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren T3-T6 des Netzgleichrichters für den Rückwärtsbetrieb durch Dioden (D5-D8) überbrückt sind.
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