WO2003041248A2 - Spannungswandler - Google Patents

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WO2003041248A2
WO2003041248A2 PCT/AT2002/000308 AT0200308W WO03041248A2 WO 2003041248 A2 WO2003041248 A2 WO 2003041248A2 AT 0200308 W AT0200308 W AT 0200308W WO 03041248 A2 WO03041248 A2 WO 03041248A2
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WO
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voltage
phase
series
converter
switches
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PCT/AT2002/000308
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WO2003041248A3 (de
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Roland Burger
Wilhelm Appel
Peter Kremer
Ernst PLÖTZ
Original Assignee
Siemens Ag Österreich
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Publication date
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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
    • H02M7/53—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53875—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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a voltage converter for converting a DC input voltage into a three-phase AC voltage in the Netzf reque z range, with at least one inductor and with a plurality of switches controlled by a control circuit.
  • the DC voltage must be converted into a network-compliant AC voltage with the help of an inverter.
  • the services in the private user area are between about 1 to 5 kVA.
  • a single-phase changer controlled by a microprocessor has become known, for example, from DE 19642522 C1, using five controlled switches and one inductor. If you modify this inverter to a three-phase version, the number of switches in particular increases considerably, namely to fifteen, and three inductors are also required.
  • No. 5,053,938 A discloses a voltage converter for supplying a three-phase motor, which contains a single converter part for generating a positive voltage. With the help of a bridge circuit with six switches, positive and negative voltages are then generated for the three-phase output.
  • a DC voltage e.g. of solar systems, fuel cells, accumulators, DC machines, etc.
  • the effort involved in controlled switches and inductances should remain low, but a large input voltage range should nevertheless be covered, the input voltage not only being smaller than the AC output voltage but also being greater.
  • this object is achieved according to the invention in that a first converter part is provided for generating positive output voltage parts and a second converter part for generating negative output voltage parts, and the output of the first converter part is in each case via one of first phase series switches and the output of the second converter part is connected to the three-phase outputs via one of two phase series switches.
  • a voltage converter is created which not only satisfactorily solves the task or tasks, but which also offers the possibility of permitting a continuous ground connection between the negative (or positive) pole of the input DC voltage and the neutral conductor of the three-phase network, which means that DC voltage source, e.g. the photovoltaic generator, no capacitive leakage currents towards the end and no grid frequency (50 Hz) fields.
  • DC voltage source e.g. the photovoltaic generator
  • An advantageous variant of an implementation of the invention is characterized in that a pole of the direct voltage is galvanically connected to the neutral conductor of the three-phase output, between a pole of the direct voltage and ground there is the series connection of a first cross switch and a cross inductance, the connection point of this series connection via one each the second phase series switch is connected to the three-phase outputs, a pole of the direct voltage is also connected to a series switch and a series inductor leads to a series inductance via one of the first phase series switches to the three-phase outputs and a second cross switch to ground, and the connection point the series circuit of the series switch with the series inductor is connected to ground via a diode with respect to the input voltage in the reverse direction, the series inductance together with the series switch and the second cross switch and one of the first longitudinal switch and the diode as an up / down converter the first Converter and the cross inductance together with the first cross switch and the second series switch as the inverse converter forms the second converter.
  • control circuit has:
  • An input monitor which is set up to monitor at least input voltage and / or input current
  • a network monitoring system which is set up to monitor the voltage and / or current and / or phase position of the three-phase AC voltage
  • a hierarchical operational management to which the output signals of the input monitoring and the network monitoring are fed and which is set up to determine default values relating to the voltage values to be generated,
  • a converter control to which default values for the generation of the positive and negative output voltage parts on the part of the management are supplied in order to control the switches of the first and second converter, and
  • ⁇ a phase control, to which the operational management is supplied with default values for switching over the first and second phase series switches in order to control these series switches.
  • the output of the first converter part is led in the forward direction to the first phase series switches via a first series diode and / or the output of the second voltage converter part is led in the blocking direction to the second phase series switches via a second series diode.
  • the advantage of this design lies in the fact that in this FaU the requirements for hierarchical management are less complex.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a voltage converter according to the invention, omitting the control and details not known to the person skilled in the art,
  • FIG. 2 shows a control circuit for the converter according to FIG. 1, 3 shows the time course of a three-phase AC voltage for feeding into an AC network,
  • FIG. 1 there is a DC input voltage U E for the voltage converter according to the invention, which comes from a photovoltaic generator (not shown) or another DC voltage source.
  • This voltage is connected to an input pole p of the converter with its positive pole and to a ground input pole m with its negative pole.
  • An input capacitor CE smoothes switching peaks and is used for interference suppression, although other known interference suppression measures, not shown here, such as interference suppression chokes can be provided on both the input and the output side.
  • the series circuit of a first controlled cross-switch S3 and a cross-inductor L2 lies between the pole p and ground m, the connection point v g of this series circuit being led to three second phase series switches S7, S8, S9 and via one of these switches in each case to one of the outputs R, S, T of the three-phase system can be switched.
  • a second series diode D 2 L can be connected in the line from the connection point v g to the series switches S7, S8, S9 in order to prevent current from the positive pole p from being directly connected to one of the phases R, S or T fHeessen if it occurs due to technical switching times of the semiconductor switches used that both S3 and one of the switches S7, S8, S9 are switched through.
  • adding the diodes DIL and D 2 L results in additional component costs and a loss in the efficiency of the inverter.
  • the - in this exemplary embodiment - positive pole p of the input DC voltage UE is further led via a series switch S1 and in series with a series inductor Ll via a first phase series switch S4, S5, S6 to the three-phase outputs R, S, T, also here in front of the common inputs of the phase switches S4, S5, S6, a first series diode D IL can be switched on in order to prevent current from one of the phases R, S or T from being able to reach the negative pole m of the input if it is due to technical reasons. te switching times or semiconductor switches used, both S2 and one of the switches S4, S5, S6 are switched through.
  • connection point v e of the series switch S1 and the series inductor L1 is connected to ground m via a diode D1 which is in the reverse direction with respect to the input voltage UE.
  • the input ground pole m is looped through to the output neutral conductor N of the three-phase output, and smoothing and interference suppression capacitors Gr, Cs, CR are connected between the outputs R, S, T and the NulHeiter N.
  • the function of the converter consists of two converters.
  • the first converter has a first converter part, consisting of the series switch S1, the series inductor L1, the diode D1 and the second cross switch S2, which together with the first series switches S4, S5, S6 or, alternatively, the diode DIL, provides the first converter, which serves as an up / down converter for generating positive output voltage parts.
  • the second converter is formed by a second converter part, namely the cross switch S3 and the cross inductance L2, and the second series switches S7, S8, S9 or alternatively the diode D 2 L.
  • the second converter serves as an inverse converter for generating negative output voltage parts.
  • a hierarchical management HBF is fed from an input monitor EUW and from a network monitor NUW obtained and prepared from input and output data.
  • the input monitoring EUW determines in particular how much power an upstream generator generates or can generate, the level of the voltage etc.
  • the output monitoring determines, for example, the level of the linked voltages, the current phase position, etc.
  • the hierarchical operational management HBF now determines default values VA, VB for a converter control WAS and for a phase control PAS from the output signals of the input monitoring EUW and the network monitoring NUW.
  • the WAS converter control has the task, based on the default values VH, of the switches S1, S2 and S3 for generating positive and negative output voltage parts head for.
  • sine sections are calculated or generated according to the principle of pulse width modulation, with the corresponding switches having a high frequency compared to the mains frequency, e.g. B. 50 kHz can be switched on and off (see the explanations for Fig. 5 below).
  • the phase control PAS calculates the values for switching over the positive and negative voltages previously generated in the two converter parts, taking into account the default values VB obtained by the HBF management.
  • the first and second phase series switches S4, S5, S6 and S7, S8, S9 are switched again with the high switching frequency compared to the mains frequency. Depending on the current phase constellation, some switches remain switched through. If, for example, only one phase is "rated" during a certain period of time, the corresponding switch of switches S4 to S6 or S7 to S9 simply switches through. If two phases are to be added, there is a switch between the two associated switches in the sense of pulse width modulation switched with the high switching frequency and divided the voltage previously generated in the converter part accordingly.
  • the cross switch S2 of the first converter part Sl, Dl, Ll, S2 opens and shoots here with an arbitrarily selected duty cycle of 1: 2 with the high switching frequency.
  • the duty cycle of the switch S4 belonging to phase R (see FIG. 1) is still approx. 1: 1 at the beginning of the considerable period and then decreases in the sense of a missing sine to NuU, whereas the duty cycle of the phase S belonging Switch S5 is initially NuU and then goes against 2: 1 in the sense of a rising sine.
  • the switch S6 belonging to phase T is continuously open during the transition period under consideration.
  • the converter step-up / step-down converter or inverse converter
  • the converter thus constantly applies voltage to either one or two phases of the output, it being true that the sum of the voltages on two phases corresponds in height to the time course of the voltage on the individual phase ,
  • the output voltage U S0 n to be controlled by the converter is a series of six sine sections (from 60 ° to 120 °) per 50 Hz phase.
  • the SoU value of the output voltage for the control of the converter thus moves in a narrow band of ⁇ 8th %.
  • the corresponding switch e.g. B. S4 for the phase R in push-pull to the switch S1 or S2, depending on whether the input voltage is set high or low soU actuated. This was explained using the example of step-up with reference to FIG. 5. You can also see that when two phases are added, the closing time is divided proportionally to the amount of SoH voltage among the two switches of the three phase switches S4, S5, S6 assigned to the phases.
  • the two converter parts can generate both a higher and a lower voltage than is present at their input, so that a large input voltage range can be covered.
  • the converter can completely from the DC voltage input z.
  • Photovoltaic generator can be disconnected, if this is required ("DC disconnection").
  • the six phase series switches S4 ... S9 can be used together with mains isolating relays, not shown here, to separate the inverter from the mains in several stages, for regulations or standards.

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Abstract

Ein Spannungswandler zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung (UE) in eine Dreiphasen- Wechselspannung (UR, US, UT) im Netzfrequenzbereich, mit zumindest einer Induk-tivität (L1, L2) sowie mit mehreren, von einer Steuerschaltung (AST) gesteuerten Schaltern (S1, ..., S9), bei welchem ein erster Wandlerteil (S1, D1, L1, S2) zur Erzeugung positiver Ausgangsspannungsteile und ein zweiter Wandlerteil (S3, L2) zur Erzeugung negativer Ausgangsspannungsteile vorgesehen sind, und der Ausgang des ersten Wandlerteils über je einen von ersten Phasen-Längsschaltern (S4, S5, S6) und der Ausgang des zweiten Wandlerteils über je einen von zweiten Phasen-Längsschaltern (S7, S8, S9) mit den Drehstromaus-gängen (R, S, T) verbunden ist.

Description

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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Spannungswandler zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung (UE) in eine Dreiphasen-Wechselspannung (UR, US, UT) im Netzfrequenzbereich, mit zumindest einer Induktivität (Ll, L2) sowie mit mehreren, von einer Steuerschaltung (AST) gesteuerten Schaltern (Sl, ..., S9), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wandlerteil (Sl, Dl, Ll, S2) zur Erzeugung positiver Ausgangsspannungsteile und ein zweiter Wandlerteil (S3, L2) zur Erzeugung negativer Ausgangsspannungsteile vorgesehen sind, und der Ausgang des ersten Wandlerteils über je einen von ersten Phasen-Längsschaltern (S4, S5, S6) und der Ausgang des zweiten Wandlerteils über je einen von zweiten Phasen-Längsschaltern (S7, S8, S9) mit den Drehstromausgängen (R, S, T) verbunden ist.
2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pol (m) der Gleichspannung (UE) mit dem NulUeiter (N) des Drehstromausgangs galvanisch verbunden ist, zwischen einem Pol (p) der Gleichspannung und Masse (m) die Serienschaltung eines ersten Querschalters (S3) und einer Querinduktivität (L2) Hegt, der Verbindungspunkt dieser Serienschaltung (S3, L2) über je einen der zweiten Phasen- Längsschalter (S7, S8, S9) mit den Drehstromausgängen (R, S, T) verbunden ist, der eine Pol (p) der Gleichspannung weiters über einen Längsschalter (Sl) und in Serie dazu eine Längsinduktivität (Ll) über je einen der ersten Phasen-Längsschalter (S4, S5, S6) zu den Drehstromausgängen (R, S, T) und über einen zweiten Querschalter (S2) gegen Masse geführt ist, und der Verbindungspunkt der Serienschaltung des Längsschalters (Sl) mit der Längsinduktivität (Ll) über eine bezügHch der Eingangsspannung in Sperrrichtung Hegende Diode (Dl) mit Masse (m) verbunden ist, wobei die Längsinduktivität (Ll) zusammen mit dem Längsschalter (Sl) und dem zweiten Querschalter (S2) und einem der ersten Längsschalter (S4, S5, S6) sowie der Diode (Dl) als Auf/ Abwärtswandler den ersten Wandler (Sl, Dl, Ll, S2) und die Querinduktivität (L2) zusammen mit dem ersten Querschalter (S3) und einem den zweiten Längsschalter (S7, S8, S9) als Inverswandler den zweiten Wandler (S3, L2) bildet.
3. Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (AST) aufweist: eine Eingangsüberwachung (EUW), welche zur Überwachung zumindest von Eingangsspannung (UE) und/ oder Eingangsstrom eingerichtet ist, eine Netzüberwachung (NUW), welche zur Überwachung von Spannung und/ oder Strom und/ oder Phasenlage der Dreiphasen- Wechselspannung eingerichtet ist, eine hierarchische Betriebsführung (HBF), welcher die Ausgangssignale der Eingangsüberwachung und der Netzüberwachung zugeführt sind und die dazu eingerichtet ist, Vorgabewerte (va, V ) betreffend der zu erzeugenden Spannungswerte zu ermitteln, eine Wandleransteuerung (WAS), welcher Vorgabewerte (va) für die Erzeugung der positiven und negativen Ausgangsspannungsteile seitens der Betriebsführung (HBF) zugeführt sind, um die Schalter (Sl, S2, S3) des ersten und zweiten Wandlerteils anzusteuern, und eine Phasenansteuerung (PAS), welcher seitens der Betriebsführung (HBF) Vorgabewerte (vt,) für das Umschalten der ersten und zweiten Phasen-Längsschalter (S4, ..., S9) zugeführt sind, um diese Längsschalter anzusteuern.
4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des ersten Wandlerteils (Sl, Dl, Ll, S2) über eine erste Längsdiode (DIL) in Durchlassrichtung zu den ersten Phasen-Längsschaltern (S4, S5, S6) geführt ist.
5. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des zweiten Spannungswandlerteils (S7, S8, S9) über eine zweite Längsdiode (D2L) in Sperrrichtung zu den zweiten Phasen-Längsschaltern (S7, S8, S9) geführt ist.
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