EP2191562A2 - Verfahren zum betrieb eines elektronisch gesteuerten wechselrichters - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines elektronisch gesteuerten wechselrichters

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EP2191562A2
EP2191562A2 EP08803185A EP08803185A EP2191562A2 EP 2191562 A2 EP2191562 A2 EP 2191562A2 EP 08803185 A EP08803185 A EP 08803185A EP 08803185 A EP08803185 A EP 08803185A EP 2191562 A2 EP2191562 A2 EP 2191562A2
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EP
European Patent Office
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semiconductor switch
voltage
inverter
semiconductor
capacitor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08803185A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jalal Hallak
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2191562A2 publication Critical patent/EP2191562A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/005—Conversion of dc power input into dc power output using Cuk converters

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electronically controlled inverter comprising semiconductor switches, inductors and a capacitor. Furthermore, the invention relates to an arrangement for carrying out the method.
  • Electronically controlled inverters are, for example, US-Z. : C. M. Penalver, et al. "IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol., IE-32, No.3, August 1985, pages 186-191;” They are used, for example, in solar systems, by the solar cells To convert the direct current generated in such a way that a discharge into the public AC grid is possible., This is a virtually unlimited use of the solar energy produced guaranteed.
  • the invention has the object of developing the known from the prior art inverter.
  • this object is achieved by a method of the type mentioned, in which the semiconductor switches of the inverter can be controlled by means of a microcontroller alternately as elements of a Hoch-Tiefsetzstellers and as elements of an inverting Cuk converter with a continuous connection of an output Nulleiters with an input side positive pole.
  • the combination according to the invention of the functions of high-gain and Cuk converters leads to a particularly low-loss inverter, which thus also has a high efficiency and is therefore particularly suitable for use in solar systems. It is ensured by the switching of the positive pole to the neutral of an alternating voltage network that the input side, a current source is connected, which has a negative potential to earth. This is the case, for example, with photovoltaic generators with back-contacted cells (e.g., monocrystalline silicon cells).
  • the semiconductor switches of the inverter by means of
  • Controlled microcontroller in such a way that a DC voltage applied on the input side is converted by means of high-buck converter during a negative half-wave of an AC voltage applied on the output side and that the DC voltage present on the input side is converted by means of a Cuk converter during a positive half-wave of the AC voltage present on the output side.
  • a low-loss method for feeding the current from a DC power source is specified in an AC network.
  • an inverter which comprises a microcontroller which is correspondingly programmed for controlling the semiconductor switches.
  • a microcontroller which is correspondingly programmed for controlling the semiconductor switches.
  • This is conveniently a common microcontroller, which for Forming pulse width modulated signals in response to a controller output signal is suitable.
  • An advantageous method for operating the advantageously pronounced inverter provides that the first, second, third and fourth semiconductor switches are pulsed by microcontroller during the negative half cycle of the AC voltage and the fifth semiconductor switch is permanently turned on, and that first and second semiconductor switch and third and fourth
  • FIG. 1 circuit diagram of the inverter with Hoch- Tiefsetzsteiler and Cuk converter using general semiconductor switches
  • FIG. 2 circuit diagram of the inverter with high-gain and Cuk converter when using n-channel junction MOSFETs
  • FIG. 4 current flow during a switch-off phase of the Cuk converter
  • FIG. 5-8 current flows during operation of the step-up converter with negative half-wave of the AC voltage
  • FIG. 1 A simple exemplary circuit arrangement of an inverter with high-gain and Cuk converter using a few components is shown in Figure 1.
  • a DC voltage U ⁇ N is applied to an input capacitor Ci.
  • the negative pole of this DC voltage U ⁇ N is connected to the first side of a first throttle Ll.
  • the second side of the first choke Ll is connected via a first semiconductor switch Sl to the positive pole of the DC voltage U IN .
  • the second side of the first choke Ll is also connected via the series connection of a second and a third semiconductor switch S2, S3 to the first terminal of a second inductor L2 connected, whose second terminal is connected to the conductor L of an output-side AC voltage U O u ⁇ .
  • the combination of the second and third semiconductor switches S2, S3 is connected via a first capacitor Cc and a fifth semiconductor switch S5 to the neutral conductor N of the alternating voltage U O u ⁇ .
  • a direct connection between positive pole of the DC voltage U IN and the neutral conductor N of the AC voltage U O u ⁇ is provided.
  • a connection point between the first capacitor Cc and the fifth semiconductor switch is via a fourth
  • the method according to the invention can also be carried out with other circuit arrangements, for example with a parallel connection of a step-up converter and a cuk converter.
  • FIGS. 3 and 4 show the switching states of
  • Semiconductor switch Sl, S2, S3, S4, S5 during a positive half cycle of the AC voltage U O u ⁇ •
  • the conversion of the DC voltage U ⁇ N in an AC voltage U O u ⁇ takes place by means of Cuk converter.
  • the second and fourth semiconductor switches S2, S4 are permanently switched on and the third semiconductor switch S3 is permanently switched off, as can also be seen in FIGS. 9 and 10.
  • the first and the fifth semiconductor switch Sl, S5 are switched pulsed in push-pull.
  • a turn-on of the Cuk-converter is by turning off the fifth semiconductor switch S5 and the
  • a turn-off of the Cuk converter begins with the turning on of the fifth semiconductor switch S5 and dam off the first semiconductor switch Sl, as shown in Figure 4.
  • the current commutates from the first semiconductor switch Sl to the series circuit of the fifth
  • Figures 5 to 8 show the switching states during a negative half-wave of the AC voltage U O u ⁇ •
  • the voltage conversion is performed medium High-down converter.
  • the first, second, third and fourth semiconductor switches Sl, S2, S3, S4 are pulsed and the fifth semiconductor switch S5 remains permanently switched on, wherein the first and second semiconductor switches Sl, S2 and third and fourth semiconductor switches S3, S4 are each switched in push-pull.
  • the inverter receives energy from an input-side DC voltage source. For this purpose, a current path between the positive pole of the DC voltage U IN via the first semiconductor switch Sl and the first choke Ll and the negative pole of the DC voltage U IN is given.
  • the first choke Ll stores energy which is output in the next step, as shown in Figure 6, after opening the first semiconductor switch Sl now closed second and third semiconductor switch S2, S3 via the second inductor L2 to an output side AC mains or load ,
  • the resulting circuit runs from the positive pole of the DC voltage U IN via the AC voltage network or the load, the second inductor L2, the third and second semiconductor switches S3, S2 and the first throttle Ll to negative pole of the DC voltage U IN .
  • the second throttle L2 stores energy.
  • the first capacitor Cc is charged due to the also closed fifth semiconductor switch S5.
  • the third semiconductor switch S3 is opened and the fourth semiconductor switch S4 closed. It forms a circuit via the second inductor L2, the fourth and fifth semiconductor switches S4, S5 and the
  • Switching element S5, S2, the first capacitor Cc and the first choke Ll to the negative pole of the DC voltage U IN .
  • the first semiconductor switch Sl is closed and thus a current path between the positive pole of the DC voltage U ⁇ N via the first semiconductor switch Sl and the first choke Ll given to the negative pole of the DC voltage U ⁇ N .
  • the inverter receives electrical energy from the DC voltage source.
  • the second inductor L2 still gives off energy to the alternating voltage network since the corresponding circuit is still closed via the fourth and fifth semiconductor switches S4, S5. This circuit is only interrupted again with opening of the fourth semiconductor switch S4.
  • FIGS. 9 and 10 each show the exemplary profile of the control signals for the semiconductor switches S1, S2, S3, S4 and S5, the two figures being conceivable show different switching variants during the period of the negative half cycle of the AC voltage U O u ⁇ .
  • Step-up element and the third semiconductor switch S3 with the function of a buck converter element are switched pulsed throughout.
  • the second semiconductor switch S2 acts as a synchronous rectifier, which is synchronously connected in push-pull with the first semiconductor switch Sl.
  • FIG. 10 a switching variant is shown in Figure 10, in which the inverter operates during the negative half cycle either as a buck converter or as boost converter.
  • the third semiconductor switch S3 and in push-pull to the fourth semiconductor switch S4 is pulsed. Meanwhile, the first semiconductor switch S1 remains turned off and the second semiconductor switch S2 is turned on continuously.
  • Semiconductor switch S2 switched pulsed.
  • the third semiconductor switch S3 remains switched on continuously and the fourth semiconductor switch S4 is switched off continuously.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters, welcher Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5), Drosseln (L1, L2) und einen ersten Kondensator (Cc) umfasst, wobei die Halbleiterschalter (S1, S2, S3, S4, S5) des Wechselrichters mittels eines Mikrocontrollers alternierend als Elemente eines Hoch-Tiefsetzstellers und als Elemente eines invertierenden Cuk-Konverters mit einer durchgehender Verbindung eines Ausgangs-Nulleiters (N) mit einem eingangsseitigen positiven Pol angesteuert werden.

Description

Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters, welcher Halbleiterschalter, Drosseln und einen Kondensator umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Elektronisch gesteuerte Wechselrichter sind beispielsweise aus US-Z. :C. M. Penalver, u.a. „Microprocessor Control of DC/AC Static Converters"; IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No.3, August 1985, S.186 -191; bekannt. Sie werden beispielsweise in Solaranlagen dazu eingesetzt, den durch die Solarzellen erzeugten Gleichstrom so umzuformen, dass eine Abgabe in das öffentliche Wechselstrom-Netz möglich ist. Erst damit ist eine praktisch uneingeschränkte Nutzung der solar produzierten Energie gewährleistet .
Die Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für Wechselrichter hat unter anderem dazu geführt, die Grundtypen von Hochsetzsteller, Hochtiefsetzsteller und Tiefsetzsteller für spezielle Anwendungsfälle abzuwandeln. Als Beispiel sei hier eine Veröffentlichung in der Zeitschrift EDN vom 17. Okt.
2002 „Slave Converters power auxiliary Outputs", Sanjaya
Maniktala; angeführt, in der verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Wechselrichter-Grundtypen beschrieben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichter weiterzubilden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Halbleiterschalter des Wechselrichters mittels eines MikroControllers alternierend als Elemente eines Hoch-Tiefsetzstellers und als Elemente eines invertierenden Cuk-Konverters mit einer durchgehender Verbindung eines Ausgangs-Nulleiters mit einem eingangsseitigen positiven Pol angesteuert werden.
Die erfindungsgemäße Kombination der Funktionen von Hoch- Tiefsetzsteiler und Cuk-Konverter führt zu einem besonders verlustarmen Wechselrichter, der damit auch einen hohen Wirkungsgrad aufweist und daher insbesondere für den Einsatz in Solaranlagen geeignet ist. Dabei ist durch die Durchschaltung des positiven Pols an den Nullleiter eines Wechselspannungsnetzes sichergestellt, dass eingangsseitig eine Stromquelle anschließbar ist, welche ein negatives Potenzial gegenüber Erde aufweist. Das ist beispielsweise bei Photovoltaikgeneratoren mit rückseitenkontaktierten Zellen (z.B. monokristalline Siliziumzellen) der Fall.
In einer vorteilhaften Ausprägung des Verfahrens werden die Halbleiterschalter des Wechselrichters mittels
MikroController in der Weise angesteuert, dass eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung während einer negativen Halbwelle einer ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung mittels Hoch-Tiefsetzsteller umgewandelt wird und dass die eingangsseitig anliegende Gleichspannung während einer positiven Halbwelle der ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung mittels Cuk-Konverter umgewandelt wird. Damit ist ein verlustarmes Verfahren zur Einspeisung des Stromes aus einer Gleichstromquelle in ein Wechselstromnetz angegeben.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Wechselrichter vorgesehen, welcher einen MikroController umfasst, der zur Steuerung der Halbleiterschalter entsprechend programmiert ist. Dabei handelt es sich günstigerweise um einen gängigen MikroController, welcher zur Bildung pulsweitenmodulierter Signale in Abhängigkeit eines Reglerausgangsignals geeignet ist.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Wechselrichter eine erste Drossel umfasst, deren erste Seite mit dem negativen PoIl einer Gleichspannung verbunden ist und deren zweite Seite über einen ersten Halbleiterschalter mit dem positiven Pol der Gleichspannung verbunden ist, dass die zweite Seite der ersten Drossel über die Serienschaltung eines zweiten Halbleiterschalters und eines dritten Halbleiterschalters mit dem ersten Anschluss einer zweiten Drossel verbunden ist, deren zweiter Anschluss an einen Leiter der Wechselspannung angeschlossen ist, dass die Verbindung von zweitem und drittem Halbleiterschalter über den ersten Kondensator und einen fünften Halbleiterschalter mit dem Nulleiter der
Wechselspannung verbunden ist und dass die Verbindung von erstem Kondensator und fünftem Halbleiterschalter über einen vierten Halbleiterschalter mit dem ersten Anschluss der zweiten Drossel verbunden ist. Dieser Schaltungsaufbau ist mit wenigen Schaltungselementen realisierbar, wodurch die
Verluste gering gehalten und somit ein hoher Wirkungsgrad der Schaltung erreicht wird.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum betreiben des vorteilhaft ausgeprägten Wechselrichters sieht vor, dass mittels MikroController während der negativen Halbwelle der Wechselspannung der erste, zweite, dritte und vierte Halbleiterschalter gepulst und der fünfte Halbleiterschalter permanent eingeschaltet werden, und dass dabei erster und zweiter Halbleiterschalter sowie dritter und vierter
Halbleiterschalter jeweils im Gegentakt geschaltet werden und dass während der positiven Halbwelle der Wechselspannung erster und fünfter Halbleiterschalter im Gegentakt gepulst geschaltet werden und dass in diesem Zeitraum der zweite und der vierte Halbleiterschalter dauerhaft eingeschaltet und der dritte Halbleiterschalter dauerhaft ausgeschaltet werden. Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Schaltplan des Wechselrichters mit Hoch- Tiefsetzsteiler und Cuk-Wandler bei Verwendung allgemeiner Halbleiterschalter
Fig. 2 Schaltplan des Wechselrichters mit Hoch- Tiefsetzsteiler und Cuk-Wandler bei Verwendung von n-Kanal Sperrschicht MOSFETs
Fig. 3 Stromfluss während einer Einschaltphase des Cuk- Wandlers
Fig. 4 Stromfluss während einer Ausschaltphase des Cuk- Wandlers Fig. 5-8 Stromflüsse während eines Betriebs des Hoch- Tiefsetzstellers bei negativer Halbwelle der WechselSpannung
Fig. 9 Signalverläufe des Wechselrichters mit Hoch- Tiefsetzsteiler- und Cuk-Wandlerbetrieb Fig. 10 Alternative Signalverläufe des Wechselrichters mit Hoch-Tiefsetzsteiler- und Cuk-Wandlerbetrieb
Eine einfache beispielhafte Schaltungsanordnung eines Wechselrichters mit Hoch-Tiefsetzsteiler und Cuk-Wandler unter Verwendung weniger Bauelemente ist in Figur 1 dargestellt. Eingangsseitig liegt an einem Eingangskondensator Ci eine Gleichspannung UΣN an. Der negative Pol dieser Gleichspannung UΣN ist mit der ersten Seite einer ersten Drossel Ll verbunden. Die zweite Seite der ersten Drossel Ll ist über einen ersten Halbleiterschalter Sl mit dem positiven Pol der Gleichspannung UIN verbunden.
Die zweite Seite der ersten Drossel Ll ist zudem über die Serienschaltung eines zweiten und eines dritten Halbleiterschalters S2, S3 mit dem ersten Anschluss einer zweiten Drossel L2 verbunden, deren zweiter Anschluss an den Leiter L einer ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ angeschlossen ist. Die Verbindung von zweitem und drittem Halbleiterschalter S2, S3 ist über einen ersten Kondensator Cc und einen fünften Halbleiterschalter S5 mit dem Nullleiter N der Wechselspannung UOuτ verbunden. Des Weiteren ist eine direkte Verbindung zwischen positiven Pol der Gleichspannung UIN und dem Nullleiter N der Wechselspannung UOuτ vorgesehen. Ein Verbindungspunkt zwischen erstem Kondensator Cc und fünftem Halbleiterschalter ist über einen vierten
Halbleiterschalter S4 mit dem ersten Anschluss der zweiten Drossel L2 verbunden. Als Ausgangsfilter ist zwischen Leiter L und Nullleiter N der Wechselspannung UOuτ optional ein Ausgangskondensator Co geschaltet.
Alternativ zu dieser Anordnung ist das erfindungsgemäße Verfahren auch mit anderen Schaltungsanordnungen durchführbar, beispielsweise mit einer Parallelschaltung eines Hoch-Tiefsetzstellers und eines Cuk-Konverters .
Werden, wie in Figur 2 dargestellt, Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4, S5 mit Inversdioden verwendet (n-Kanal Sperrschicht MOSFETs oder IGBTs) , müssen die Durchflussrichtungen dieser Dioden beachtet werden. Dabei ist die Durchflussrichtung der Inversdiode des ersten
Halbleiterschalters Sl vom negativen Pol zum positiven Pol der Gleichspannung UIN festgelegt. Die Durchflussrichtungen der Inversdioden des zweiten und dritten Halbleiterschalters S2, S3 sind vom ersten Kondensator Cc zu den Drosseln Ll, L2 geschaltet. Die Inversdiode des vierten Halbleiterschalters S4 ist von der zweiten Drossel L2 zum ersten Kondensator Cc in Durchlassrichtung geschaltet. Die Durchlassrichtung der Inversdiode des fünften Halbleiterschalters S5 ist schließlich von der Verbindungsleitung zwischen positivem Pol der Gleichspannung UIN und Nullleiter der Wechselspannung UOuτ zum ersten Kondensator Cc festgelegt. Eine derartige Anordnung verhindert unerwünschte Stromflüsse durch die Inversdioden in den einzelnen Schaltphasen des Wechselrichters .
In den Figuren 3 bis 8 sind Schaltanordnungen mit allgemeinen Halbleiterschaltern Sl, S2, S3, S4, S5 dargestellt. Die Schaltzustände gelten dabei auch für Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4, S5 mit Inversdiode.
Die Figuren 3 und 4 zeigen die Schaltzustände der
Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4, S5 während einer positiven Halbwelle der Wechselspannung UOuτ • Die Umwandlung der Gleichspannung UΣN in eine Wechselspannung UOuτ erfolgt dabei mittels Cuk-Konverter . Der zweite und vierte Halbleiterschalter S2, S4 sind dauerhaft eingeschaltet und der dritte Halbleiterschalter S3 ist dauerhaft ausgeschaltet, wie auch in Figur 9 und 10 ersichtlich. Der erste und der fünfte Halbleiterschalter Sl, S5 werden im Gegentakt gepulst geschaltet. Ein Einschaltvorgang des Cuk-Konverters ist durch das Ausschalten des fünften Halbleiterschalters S5 und das
Einschalten des ersten Halbleiterschalters Sl gekennzeichnet, wie in Figur 3 dargestellt. Es fließt Strom vom positiven Pol der Gleichspannung UΣN über das erste Schaltelement Sl und die erste Drossel Ll zum negativen Pol der Gleichspannung UIN. Gleichzeitig fließt Strom vom Nullleiter N der
Wechselspannung UOuτ über den ersten Halbleiterschalter Sl, den zweiten Halbleiterschalter S2, den ersten Kondensator Cc, den vierten Halbleiterschalter S4 und die zweite Drossel L2 zum Leiter L der Wechselspannung UOuτ •
Eine Ausschaltphase des Cuk-Konverters beginnt mit dem Einschalten des fünften Halbleiterschalters S5 und dam Ausschalten des ersten Halbleiterschalters Sl, wie in Figur 4 dargestellt. Im Eingangskreis kommutiert der Strom vom ersten Halbleiterschalter Sl zur Reihenschaltung aus fünftem
Halbleiterschalter S5, erstem Kondensator Cc und durchgehend geschlossenem zweiten Halbleiterschalter S2. Im Ausgangskreis verläuft der Strom vom Nullleiter N der Wechselspannung UOuτ über den fünften Halbleiterschalter S5, den vierten Halbleiterschalter S4 und die zweite Drossel L2 zum Leiter L der Wechselspannung UOuτ •
Die Figuren 5 bis 8 zeigen die Schaltzustände während einer negativen Halbwelle der Wechselspannung UOuτ • Dabei erfolgt die Spannungsumwandlung mittel Hoch-Tiefsetzsteiler . Der erste, zweite, dritte und vierte Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 werden gepulst und der fünfte Halbleiterschalter S5 bleibt permanent eingeschaltet, wobei erster und zweiter Halbleiterschalter Sl, S2 sowie dritter und vierter Halbleiterschalter S3, S4 jeweils im Gegentakt geschaltet werden .
Im Nulldurchgang von der positiven zur negativen Halbwelle wird der erste Halbleiterschalter Sl eingeschaltet und der zweite und der vierte Halbleiterschalter S2, S4 ausgeschaltet, wie in Figur 5 dargestellt. In diesem Schaltzustand nimmt der Wechselrichter aus einer eingangsseitigen Gleichspannungsquelle Energie auf. Dazu ist ein Strompfad zwischen dem positiven Pol der Gleichspannung UIN über den ersten Halbleiterschalter Sl sowie die erste Drossel Ll und dem negativen Pol der Gleichspannung UIN gegeben.
Dabei speichert die ersten Drossel Ll Energie, die im nächsten Schritt, wie in Figur 6 dargestellt, nach dem Öffnen des ersten Halbleiterschalters Sl bei nunmehr geschlossenem zweiten und dritten Halbleiterschalter S2, S3 über die zweite Drossel L2 an ein ausgangsseitiges Wechselspannungsnetz oder ein Last abgegeben wird.
Der dabei entstehende Stromkreis verläuft vom positiven Pol der Gleichspannung UIN über das Wechselspannungsnetz bzw. die Last, die zweite Drossel L2, den dritten und zweiten Halbleiterschalter S3, S2 und die erste Drossel Ll zum negativen Pol der Gleichspannung UIN. Die zweite Drossel L2 speichert dabei Energie. Gleichzeitig wird aufgrund des ebenfalls geschlossenen fünften Halbleiterschalters S5 der erste Kondensator Cc geladen.
Im nächsten Schaltvorgang wird, wie in Figur 7 dargestellt, der dritte Halbleiterschalter S3 geöffnet und der vierte Halbleiterschalter S4 geschlossen. Es bildet sich ein Stromkreis über die zweite Drossel L2, den vierten und fünften Halbleiterschalter S4, S5 und das
Wechselspannungsnetz, wobei die zweite Drossel L2 die gespeicherte Energie an das Wechselspannungsnetz abgibt.
Gleichzeitig verläuft ein weiterer Stromkreis vom positiven Pol der Gleichspannung UΣN über das fünfte und zweite
Schaltelement S5, S2, den ersten Kondensator Cc und die erste Drossel Ll zum negativen Pol der Gleichspannung UIN.
Mit dem in Figur 8 dargestellten Schaltzustand wird ein Schaltzyklus während der negativen Halbwelle abgeschlossen.
Der erste Halbleiterschalter Sl ist geschlossen und damit ein Strompfad zwischen dem positiven Pol der Gleichspannung UΣN über den ersten Halbleiterschalter Sl und die erste Drossel Ll zum negativen Pol der Gleichspannung UΣN gegeben. Der Wechselrichter nimmt elektrische Energie aus der Gleichspannungsquelle auf.
Gleichzeitig gibt noch die zweite Drossel L2 Energie an das Wechselspannungsnetz ab, da über den vierten und den fünften Halbleiterschalter S4, S5 der entsprechende Stromkreis noch geschlossen ist. Dieser Stromkreis wird erst wieder mit Öffnen des vierten Halbleiterschalters S4 unterbrochen.
In Figur 9 und 10 ist jeweils der beispielhafte Verlauf der Steuersignale für die Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 und S5 dargestellt, wobei die beiden Figuren vorstellbare unterschiedliche Schaltvarianten während des Zeitraums der negativen Halbwelle der Wechselspannung UOuτ zeigen.
Bei der in Figur 9 dargestellten Schaltvariante während einer negativen Halbwelle erfolgt ein gleichzeitiger Betrieb als Hochsetzsteller und als Tiefsetzsteiler . Der erste Halbleiterschalter Sl mit der Funktion eines
Hochsetzstellerelements und der dritte Halbleiterschalter S3 mit der Funktion eines Tiefsetzstellerelements werden durchgehend gepulst geschaltet. Dabei fungiert der zweite Halbleiterschalter S2 als Synchrongleichrichter, welcher synchron im Gegentakt mit dem ersten Halbleiterschalter Sl geschaltet wird.
Alternativ dazu ist in Figur 10 eine Schaltvariante dargestellt, bei welcher der Wechselrichter während der negativen Halbwelle entweder als Tiefsetzsteiler oder als Hochsetzsteller arbeitet.
Während der Zeitspannen, in welchen die Wechselspannung UOuτ tiefer als die Gleichspannung UΣN ist, wird der dritte Halbleiterschalter S3 und im Gegentakt dazu der vierte Halbleiterschalter S4 gepulst geschaltet. Der erste Halbleiterschalter Sl bleibt währenddessen durchgehend ausgeschaltet und der zweite Halbleiterschalter S2 durchgehend eingeschaltet.
In der Zeitspanne, in welchen die Wechselspannung UOuτ höher als die Gleichspannung UΣN ist, wird der erste Halbleiterschalter Sl und im Gegentakt dazu der zweite
Halbleiterschalter S2 gepulst geschaltet. Dabei bleibt der dritte Halbleiterschalter S3 durchgehend eingeschaltet und der vierte Halbleiterschalter S4 durchgehend ausgeschaltet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters, welcher Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4, S5) , Drosseln (Ll, L2) und einen ersten Kondensator (Cc) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die
Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4, S5) des Wechselrichters mittels eines MikroControllers alternierend als Elemente eines Hoch-Tiefsetzstellers und als Elemente eines invertierenden Cuk-Konverters mit einer durchgehender Verbindung eines Ausgangs-Nulleiters (N) mit einem eingangsseitigen positiven Pol angesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4, S5) des
Wechselrichters mittels MikroController in der Weise angesteuert werden, dass eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung (UIN) während einer negativen Halbwelle einer ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung (UOuτ) mittels Hoch-Tiefsetzsteiler umgewandelt wird und dass die eingangsseitig anliegende Gleichspannung (UIN) während einer positiven Halbwelle der ausgangsseitig anliegenden Wechselspannung (UOuτ) mittels Cuk-Konverter umgewandelt wird.
3. Wechselrichter zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein
MikroController vorgesehen ist, welcher zur Steuerung der Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4, S5) entsprechend programmiert ist.
4. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine erste Drossel (Ll) umfasst, deren erste Seite mit dem negativen PoIl einer Gleichspannung (UΣN) verbunden ist und deren zweite Seite über einen ersten Halbleiterschalter (Sl) mit dem positiven Pol der Gleichspannung (UΣN) verbunden ist, dass die zweite Seite der ersten Drossel (Ll) über die Serienschaltung eines zweiten Halbleiterschalters (S2) und eines dritten Halbleiterschalters (S3) mit dem ersten Anschluss einer zweiten Drossel (L2) verbunden ist, deren zweiter Anschluss an einen Leiter (L) der Wechselspannung (UOuτ) angeschlossen ist, dass die Verbindung von zweitem und drittem
Halbleiterschalter (S2, S3) über den ersten Kondensator (Cc) und einen fünften Halbleiterschalter (S5) mit dem Nullleiter (N) der Wechselspannung (UOuτ) verbunden ist und dass die Verbindung von erstem Kondensator (Cc) und fünftem Halbleiterschalter (S5) über einen vierten Halbleiterschalter (S4) mit dem ersten Anschluss der zweiten Drossel (L2) verbunden ist.
5. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels MikroController während der negativen Halbwelle der Wechselspannung (UOuτ) der erste, zweite, dritte und vierte Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4) gepulst und der fünfte Halbleiterschalter (S5) permanent eingeschaltet werden, und dass dabei erster und zweiter Halbleiterschalter (Sl, S2) sowie dritter und vierter Halbleiterschalter (S3, S4) jeweils im Gegentakt geschaltet werden und dass während der positiven Halbwelle der Wechselspannung (UOuτ) erster und fünfter Halbleiterschalter (Sl, S5) im Gegentakt gepulst geschaltet werden und dass in diesem Zeitraum der zweite und der vierte Halbleiterschalter (S2, S4) dauerhaft eingeschaltet und der dritte Halbleiterschalter (S3) dauerhaft ausgeschaltet werden .
EP08803185A 2007-09-20 2008-08-25 Verfahren zum betrieb eines elektronisch gesteuerten wechselrichters Withdrawn EP2191562A2 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA1473/2007A AT505801B1 (de) 2007-09-20 2007-09-20 Verfahren zum betrieb eines elektronisch gesteuerten wechselrichters
PCT/EP2008/061066 WO2009040199A2 (de) 2007-09-20 2008-08-25 Verfahren zum betrieb eines elektronisch gesteuerten wechselrichters

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EP2191562A2 true EP2191562A2 (de) 2010-06-02

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP08803185A Withdrawn EP2191562A2 (de) 2007-09-20 2008-08-25 Verfahren zum betrieb eines elektronisch gesteuerten wechselrichters

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US (1) US8681522B2 (de)
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