SPANNUNGSWANDLER
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungswandler zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Dreiphasen-Wechselspannung im Netzf reque zbereich, mit zumindest einer Induktivität sowie mit mehreren, von einer Steuerschaltung gesteuerten Schaltern.
Will man Energie, die in lokalen Gleichstromgeneratoren, z.B. Fotovoltaik-Generatoren, Brennstoffzellen, etc. erzeugt wird, in ein Wechselstrom-Leitungsnetz eines Elektrizitätsver- sorgerunternehmens einspeisen, so muss die Gleichspannung in eine netzkonforme Wechselspannung mit Hilfe eines Wechselrichters umgeformt werden. Dabei Hegen die Leistungen im Privatanwenderbereich zwischen etwa 1 bis 5 kVA.
Üblicherweise erfolgt für den genannten Leistungsbereich lediglich ein einphasiges Einspeisen in das Netz, doch kann dies bei großer Durchdringung von E eineinspeisern insbesondere im Ortsgebiet zu ungewollten und unerwünschten Asymmetrien des Drehstromnetzes führen. Außerde ist bei einphasiger Einspeisung für den Wechselrichter eine Zwischen- speicherung der Energie erforderlich, da der Gleichstromgenerator, z.B. Fotovoltaik-Genera- tor, zwar konstant Energie liefert, jedoch um die Phasennulldurchgänge des Wechselstroms keine Leistung ins Netz eingespeist werden kann. Beispielsweise müssen in Deutschland Leistungen über 4,6 kVA laut der VDEW-Richtlinie „Parallelbetrieb mit dem Νiederspan- nungsnetz" generell dreiphasig in das Netz der Energieversorger eingespeist werden. Eine einphasige Einspeisung ist nicht erlaubt.
Man versucht daher, auch schon bei geringeren Leistungen, eine dreiphasige Energieeinspeisung vorzunehmen. Dazu wurden Spannungswandler der eingangs angegebenen Art verwendet, wobei entweder drei, an sich getrennte Emphasenwechselrichter gekoppelt wurden oder ein Gleichspannung/ Gleichspannung-Steller und eine Schaltbrücke zu einem zweistufigen Konzept verknüpft wurden. Eine einstufige Ausführung hat jedenfalls den Nachteil, dass sie nur einen bescheidenen Eingangsspannungsbereich abdecken kann, was jedoch z.B. im Hinblick auf die unterschiedlichen Zusammenschaltungsvarianten von Foto- voltaik-Modulen erforderlich wäre.
Ein von einem Mikroprozessor gesteuerter einphasiger Wechsehichter ist beispielsweise aus der DE 19642522 Cl bekannt geworden, wobei fünf gesteuerte Schalter und eine Induktivität verwendet werden. Modifiziert man diesen Wechselrichter auf eine dreiphasige Ausführung, so steigt die Anzahl insbesondere der Schalter erheblich, nämlich auf fünfzehn, und es werden auch drei Induktivitäten benötigt.
Aus der US 5,053,938 A geht ein Spannungswandler zur Versorgung eines Drehstrommotors hervor, welcher einen einzigen Wandlerteil zur Erzeugung einer positiven Spannung enthält. Mit Hilfe einer Brückenschaltung mit sechs Schaltern werden dann positive und negative Spannungen für den dreiphasigen Ausgang erzeugt.
Eine Aufgabe der Erfindung Hegt darin, einen Wechsehichter zu schaffen, der eine Gleichspannung, die z.B. von Solaranlagen, BrennstoffzeUen, Akkumulatoren, Gleichstrommaschinen, etc. geHef ert wird, in eine Dreiphasen- Wechselspannung zur Einspeisung in ein Drehstromnetz wandelt. Dabei soll der Aufwand an gesteuerten Schaltern und Induktivitäten gering bleiben, dennoch aber ein großer Eingangsspannungsbereich abgedeckt werden, wobei die Eingangsspannung nicht nur kleiner als die Ausgangswechselspannung sondern auch größer sein kann.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Spannungswandler der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Wandlerteil zur Erzeugung positiver Ausgangsspannungsteile und ein zweiter Wandlerteil zur Erzeugung negativer Ausgangsspannungsteile vorgesehen sind, und der Ausgang des ersten Wandlerteils über je einen von ersten Phasen-Längsschaltern und der Ausgang des zweiten Wandlerteils über je einen von zweiten Phasen-Längsschaltern mit den Drehstromausgängen verbunden ist.
Dank der Erfindung wird ein Spannungswandler geschaffen, der nicht nur die gestellte Aufgabe bzw. Aufgaben zufriedenstellend löst, sondern der auch die Möglichkeit bietet, eine durchgehende Masseverbindung zwischen negativem (oder positivem) Pol der Eingangsgleichspannung und dem Nullleiter des Drehstromnetzes zu ermöglichen, wodurch von der Gleichspannungsquelle, z.B. dem Fotovoltaik-Generator, keine kapazitiven Ableitströme gegen Ende und keine Netzfrequenz (50 Hz)-Felder ausgehen.
Eine vorteilhafte Variante einer Realisierung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Pol der Gleichspannung mit dem Nullleiter des Drehstromausgangs galvanisch verbunden ist, zwischen einem Pol der Gleichspannung und Masse die Serienschaltung eines ersten Querschalters und einer Querinduktivität liegt, der Verbindungspunkt dieser Serienschaltung über je einen der zweiten Phasen-Längsschalter mit den Drehstromausgängen verbunden ist, der eine Pol der Gleichspannung weiters über einen Längsschalter und in Serie dazu eine Längsinduktivität über je einen der ersten Phasen-Längsschalter zu den Drehstromausgängen und über einen zweiten Querschalter gegen Masse geführt ist, und der Verbindungspunkt der Serienschaltung des Längsschalters mit der Längsinduktivität über eine bezüglich der Eingangsspannung in Sperrrichtung Hegende Diode mit Masse verbunden ist, wobei die Längsinduktivität zusammen mit dem Längsschalter und dem zweiten Querschalter und einem der ersten Längsschalter sowie der Diode als Auf/ Abwärts Wandler den ersten
Wandler und die Querinduktivität zusammen mit dem ersten Querschalter und einem den zweiten Längsschalter als Inverswandler den zweiten Wandler bildet. Bei dieser Variante ist ein durchgehender NuHeiter reaHsiert und die Anzahl der gesteuerten Schalter beträgt ledigHch neun.
Bei einer auf Mikroprozessorbasis leicht reaHsierbaren Variante ist vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung aufweist:
■ eine Eingangsüberwachung, welche zur Überwachung zumindest von Eingangsspannung und/ oder Eingangsstrom eingerichtet ist,
■ eine Netzüberwachung, welche zur Überwachung von Spannung und/ oder Strom und/ oder Phasenlage der Dreiphasen- Wechselspannung eingerichtet ist,
■ eine hierarchische Betriebsführung, welcher die Ausgangssignale der Eingangsüberwachung und der Netzüberwachung zugeführt sind und die dazu eingerichtet ist, Vorgabewerte betreffend der zu erzeugenden Spannungswerte zu ermitteln,
■ eine Wandleransteuerung, welcher Vorgabewerte für die Erzeugung der positiven und negativen Ausgangsspannungsteile seitens der Betriebsführung zugeführt sind, um die Schalter des ersten und zweiten Wandlers anzusteuern, und
■ eine Phasenansteuerung, welcher seitens der Betriebsführung Vorgabewerte für das Umschalten der ersten und zweiten Phasen-Längsschalter zugeführt sind, um diese Längsschalter anzusteuern.
Es kann auch zweckmäßig sein, wenn der Ausgang des ersten Wandlerteils über eine erste Längsdiode in Durchlassrichtung zu den ersten Phasen-Längsschaltern geführt ist und/ oder der Ausgang des zweiten Spannungswandlerteils über eine zweite Längsdiode in Sperrrichtung zu den zweiten Phasen-Längsschaltern geführt ist. Der Vorteil dieser Ausführung Hegt darin, dass in diesem FaU die Anforderungen an die hierarchische Betriebsführung weniger komplex sind.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
■ Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers unter Weglassen der Ansteuerung sowie von die Erfindung nicht betreffenden, dem Fachmann bekannten Details,
■ Fig. 2 eine Ansteuerschaltung für den Wandler nach Fig.1,
■ Fig. 3 den zeitHchen Verlauf einer Dreiphasen- Wechselspannung zur Einspeisung in ein Wechselstromnetz,
■ Fig. 4 in einem anderen Zeit- und AmpHtudenmaßstab die Erzeigung der positiven Spannungsanteile und fett gezeichnet den SoHwert der Ausgangsspannung des Auf/ Abwärtswandlers, und
■ Fig. 5 das SchHeßen und Öffnen bestimmter gesteuerter Schalter bei einem Übergang der Phase R der Ausgangsspannung zu deren Phase S.
Gemäß Fig. 1 Hegt für den Spannungswandler nach der Erfindung eine Eingangsgleichspannung UE vor, die von einem nicht gezeigten Fotovoltaik-Generator oder einer anderen GleichspannungsqueUe stammt. Diese Spannung Hegt mit ihrem Pluspol an einem Eingangspol p des Wandlers und mit ihrem Minuspol an einem Masseeingangspol m. Ein Eingangskondensator CE glättet Schaltspitzen und dient der Entstörung, wobei auch andere bekannte hier nicht gezeigte Entstörungsmaßnahmen, wie Entstördrosseln sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig vorgesehen sein können.
Zwischen dem Pol p und Masse m Hegt die Serienschaltung eines ersten gesteuerten Querschalters S3 und einer Querinduktivität L2, wobei der Verbindungspunkt vg dieser Serienschaltung zu drei zweiten Phasenlängsschaltern S7, S8, S9 geführt ist und über jeweils einen dieser Schalter zu einem der Ausgänge R, S, T des Drehstromsystems geschaltet werden kann. GegebenenfaUs kann - dies ist strichHert angedeutet - eine zweite Längsdiode D2L in die Leitung von dem Verbindungspunkt vg zu den Längsschaltern S7, S8, S9 geschaltet sein, um zu verhindern, dass Strom vom Pluspol p direkt auf eine der Phasen R, S oder T fHeßen kann, wenn es durch technisch bedingte Schaltzeiten der benutzten Halbleiterschalter dazu kommt, dass sowohl S3 als auch einer der Schalter S7, S8, S9 durchgeschaltet sind. Eine Überwachung dahingehend, dass Schalter S2 niemals geschlossen sein darf, wenn einer der Schalter S4, S5 oder S6 geschlossen ist, oder dass Schalter S3 nicht gleichzeitig mit einem der Schalter S7, S8 oder S9 geschlossen sein darf, kann entfaHen und die hierarchische Betriebsführung wird weniger komplex. AUerdings entstehen durch das Einfügen der Dioden DIL und D2L zusätzHche Bauteilkosten und eine Einbuße im Wirkungsgrad des Wechselrichters.
Der - bei diesem Ausführungsbeispiel positive - Pol p der Eingangsgleichspannung UE ist weiters über einen Längsschalter Sl und in Serie dazu eine Längsinduktivität Ll über je einen ersten Phasen-Längsschalter S4, S5, S6 zu den Drehstromausgängen R, S, T geführt, wobei auch hier vor den gemeinsamen Eingängen der Phasenschalter S4, S5, S6 eine erste Längsdiode DIL eingeschaltet sein kann, um zu verhindern, dass Strom von einer der Phasen R, S oder T auf den Minuspol m des Eingangs fHeßen kann, wenn es durch technisch beding-
te Schaltzeiten oder benutzten Halbleiterschalter dazu kommt, dass sowohl S2 als auch einer der Schalter S4, S5, S6 durchgeschaltet sind.
Der Verbindungspunkt ve von Längsschalter Sl und Längsinduktivität Ll ist über eine bezügHch der Eingangsspannung UE in Sperrrichtung Hegende Diode Dl mit Masse m verbunden.
Der Eingangsmassepol m ist bis zu dem Ausgangsnullleiter N des Drehstromausgangs durchgeschleift, und zwischen die Ausgänge R, S, T und den NulHeiter N sind Glättungsund Entstörkondensatoren Gr, Cs, CR geschaltet.
TatsächHch besteht der Wandler seiner Funktion nach aus zwei Wandlern.
Der erste Wandler weist einen ersten Wandlerteil, bestehend aus dem Längsschalter Sl, der Längsinduktivität Ll, der Diode Dl und dem zweiten Querschalter S2, auf, der zusammen mit den ersten Längsschaltern S4, S5, S6 oder alternativ der Diode DIL den ersten Wandler vervoUständigt, welcher als Auf/ Abwärts Wandler zur Erzeugung positiver Ausgangsspannungsteile dient.
Der zweite Wandler ist von einem zweiten Wandlerteil, närrύich dem Querschalter S3 und der Querinduktivität L2, und den zweiten Längsschaltern S7, S8, S9 oder alternativ der Diode D2L gebildet. Der zweite Wandler dient als Inverswandler zur Erzeugung negativer Ausgangsspannungsteile.
Der prinzipieUe Aufbau einer Ansteuerschaltung AST für die neun gesteuerten Schalter Sl ... S9 geht aus Fig. 2 hervor. Einer hierarchischen Betriebsführung HBF werden von einer Eingangsüberwachung EUW und von einer Netzüberwachung NUW gewonnene, aUenf aUs aufbereitete Ein- und Ausgangsdaten zugeführt. Die Eingangsüberwachung EUW ermittelt insbesondere wie viel Leistung ein vorgeschalteter Generator augenbHckHch erzeugt, bzw. erzeugen kann, die Höhe der Spannung etc. Die Ausgangsüberwachung ermittelt beispielsweise die Höhe der verketteten Spannungen, die augenbHckHche Phasenlage, etc.
Aus den Ausgangssignalen der Eingangsüberwachung EUW und der Netzüberwachung NUW ermittelt die hierarchische Betriebsführung HBF nun Vorgabewerte VA, VB für eine Wandleransteuerung WAS sowie für eine Phasenansteuerung PAS.
Der Wandleransteuerung WAS kommt die Aufgabe zu, an Hand der Vorgabewerte VH die Schalter Sl, S2 und S3 zur Erzeugung positiver und negativer Ausgangsspannungsteile
anzusteuern. Hier werden Sinusteilstücke nach dem Prinzip einer Pulsweitenmodulation berechnet bzw. erzeugt, wobei die entsprechenden Schalter mit einer gegenüber der Netzfrequenz hohen Frequenz, z. B. 50 kHz ein- und ausgeschaltet werden (siehe weiter unten die Erläuterungen zu Fig.5).
Die Phasenansteuerung PAS berechnet die Werte für das Umschalten der zuvor in den beiden Wandlerteilen entstandenen positiven und negativen Spannungen unter Berücksichtigung der seitens der Betriebsführung HBF erhaltenen Vorgabewerte VB. Geschaltet werden dabei die ersten und zweiten Phasen-Längsschalter S4, S5, S6 und S7, S8, S9, wieder mit der gegenüber der Netzfrequenz hohen Schaltfrequenz. Je nach augenbHckHcher Phasenkonstellation bleiben dabei mache Schalter durchgeschaltet. SoH beispielsweise nur eine Phase während eines bestimmten Zeitabschnitts „beHef ert" werden, so schaltet der entsprechende Schalter der Schalter S4 bis S6 bzw. S7 bis S9 einfach durch. SoUen zwei Phase beHefert werden, so wird zwischen den beiden zugehörigen Schaltern im Sinne der Pulsweitenmodulation mit der hohen Schaltfrequenz umgeschaltet und die zuvor in dem Wandlerteil erzeugte Spannung entsprechend aufgeteilt.
Fig.4 zeigt als Beispiel das Aufteilen der positiven Spannungsanteile auf die Phasen R, S, T. Dabei ist die SoUspannung US0u fett eingezeichnet. Während eines Zeitabschnitts ti Hegt am Ausgang der Längsinduktivität Ll eine positive Spannung. Diese wird über den Schalter S4 direkt auf die Phase R geschaltet. Ist keine Diode DIL eingefügt, muss beachtet werden, dass Schalter S4 nur geschlossen sein darf, wenn S2 geöffnet ist. Mit der Längsdiode DIL kann S4 für den gesamten Zeitabschnitt ti geschlossen werden. Während des darauffolgenden Zeitabschnitts t3 wird die positive Spannung am Ausgang der Querinduktivität Ll nach obigem Muster komplett auf S geschaltet. Sinngemäß Gleiches gilt für die Aufteilung der negativen Spannungsanteile.
Fig. 5 zeigt an dem Beispiel des Übergangs von der Phase R zu der Phase S, Zeitabschnitts t2 in Fig.4, das „Spiel" der Schalter S2, S4, S5 und S6 unter der Annahme, dass die Eingangsspannung UE kleiner als die Ausgangsspannung UR, US, UΓ und somit der Querschalter Sl dauernd geschlossen ist.
Der Querschalter S2 des ersten Wandlerteils Sl, Dl, Ll, S2 öffnet und schHeßt hier mit einem willkürHch gewählten Tastverhältnis von 1 : 2 mit der hohen Schaltfrequenz. Das Tastver- hältnis des zur Phase R gehörigen Schalters S4 (siehe Fig. 1) ist zu Beginn des beträchtHchen Zeitabschnitts noch ca. 1 : 1 und nimmt dann im Sinne eines fehlenden Sinus bis auf NuU ab, wogegen das Tastverhältnis der zur Phase S gehörigen Schalter S5 zunächst NuU ist und dann im Sinne eines steigenden Sinus gegen z.B. 2 : 1 geht.
Der zur Phase T gehörige Schalter S6 ist während des betrachteten Übergangszeitabschnitts ständig offen.
Da sowohl die positiven als auch die negativen Spannungsanteile der drei verketteten Wechselspannungen UR, US, UΓ nach dem gleichen Verfahren gebildet werden, wurde vorstehend nur die positive Spannung betrachtet. Der Wandler (Auf/ Abwärtswandler bzw. Inverswandler) nach der Erfindung beaufschlagt somit ständig entweder eine oder zwei Phasen des Ausgangs mit Spannung, wobei gilt, dass die Summe der Spannungen an zwei Phasen in der Höhe dem zeitHchen Verlauf der Spannung an der einzelnen Phase entspricht. Somit steUt sich die zu regelnde Ausgangsspannung US0n des Wandlers als Aneinanderreihung von sechs Sinusteilstücken (von 60 ° bis 120 °) pro 50 Hz-Phase dar. Der SoUwert der Ausgangsspannung für die Regelung des Wandlers bewegt sich somit in einem engen Band von ± 8 %. Wird nur eine Phase mit Spannung beaufschlagt, so wird der entsprechende Schalter, z. B. S4 für die Phase R in Gegentakt zu dem Schalter Sl bzw. S2, je nachdem, ob die Eingangsspannung hoch - oder tief gesetzt werden soU, betätigt. Am Beispiel des Hochsetzens wurde dies anhand der Fig.5 erläutert. Da sieht man auch, dass bei BeHeferung von zwei Phasen sich die SchHeßendzeit proportional zur Höhe der SoHspannung unter den beiden, den Phasen zugeordneten Schaltern der drei Phasen-Längsschalter S4, S5, S6 aufteilt.
Wie bereits erwähnt, können die beiden Wandlerteile sowohl eine höhere, als auch eine niedrigere Spannung erzeugen, als an ihrem Eingang ansteht, sodass ein großer Eingangsspannungsbereich abgedeckt werden kann. Durch den Längsschalter Sl und den Querschalter S3 kann der Wandler voHständig von dem Gleichspannungseingang z. B. Fotovoltaikge- nerator getrennt werden, faUs dies gefordert ist („Gleichstrom-Freischaltung"). Überdies können die sechs Phasen-Längsschalter S4 ... S9 zusammen mit hier nicht gezeigten Netztrennrelais dazu verwendet werden, den Wechsehichter mehrstufig vom Netz zu trennen, f aUs Vorschriften oder Normen dies erfordern.