WO2007003241A1 - Circuit arrangement and method for controlling a converter - Google Patents

Circuit arrangement and method for controlling a converter Download PDF

Info

Publication number
WO2007003241A1
WO2007003241A1 PCT/EP2006/004178 EP2006004178W WO2007003241A1 WO 2007003241 A1 WO2007003241 A1 WO 2007003241A1 EP 2006004178 W EP2006004178 W EP 2006004178W WO 2007003241 A1 WO2007003241 A1 WO 2007003241A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
switch
circuit
circuit arrangement
current
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/004178
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jochen Hantschel
Original Assignee
Jochen Hantschel
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jochen Hantschel filed Critical Jochen Hantschel
Publication of WO2007003241A1 publication Critical patent/WO2007003241A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion 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
    • H02M7/53Conversion 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
    • H02M7/537Conversion 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
    • H02M7/539Conversion 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 with automatic control of output wave form or frequency
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion 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
    • H02M7/4803Conversion 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 with means for reducing DC component from AC output voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion 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
    • H02M7/53Conversion 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
    • H02M7/537Conversion 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
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with 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
    • H02M7/797Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with 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
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0016Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters
    • H02M1/0022Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters the disturbance parameters being input voltage fluctuations

Definitions

  • the invention relates to a converter for ürafo ⁇ ung two electrical DC voltages in at least one AC voltage or for converting at least one electrical AC voltage into DC voltages.
  • inverters also called inverters
  • DC voltage sources such as e.g. Photovoltaic systems, accumulators or fuel cells are available.
  • Inverters are also used to draw sinusoidal current from the AC mains. At the same time, the power quality with regard to the harmonic content and / or the reactive power must not be impaired.
  • Such extracting converters are often combined with other DC-side connected inverters which convert the power drawn from the grid into a single or multi-phase AC variable frequency network, e.g. To drive motors.
  • an inverter for converting a DC electrical voltage into an AC is known.
  • the inverter has two DC voltage terminals connected to a DC voltage generator, a buffer capacitor and a bridge circuit connected in parallel to the buffer capacitor, and two AC voltage terminals connected to the 50 Hz power network.
  • the bridge circuit is designed as a full bridge with two parallel branches, each having two series-connected switch units, to each of which a rectifier diode is connected in parallel.
  • Each AC voltage connection is connected via a connecting line, which contains a choke coil, with one of the parallel branches of the bridge circuit via a connection node, which lies in each case between two switch units.
  • two separate electrical connection paths each having a switch and a series-connected rectifier diode are provided between the connection lines.
  • the rectifier diodes are connected to each other in the direction VexbjijT ⁇ ujnjgjipfjLC ⁇ .
  • the switch units of the full bridge are clocked symmetrically as a function of the polarity of the mains alternating voltage.
  • a positive half wave of the AC mains voltage for example, two diagonally opposite switch units of the full bridge according to a fixed clock pattern high-frequency and time-synchronously closed and opened, while the other two remain open.
  • a switch is closed in a first connection path. In the closed state of the switch units, the current flows through them to charge the choke coil.
  • an instructcibiliser for the conversion of direct current into alternating current comprising two series-arranged DC voltage generators, two DC voltage branches, two parallel to the generators buffer capacitors and connected to the two DC voltage branches inverter.
  • the inverter is formed by a half-bridge circuit which comprises two symmetrically clocked switches arranged in series with each other, to each of which a rectifier diode is connected in parallel.
  • a supply line connected via a choke coil with the mains voltage is tapped at the midpoint between the switch units.
  • power compensation means are connected upstream of the inverter. These are so effective that the power supplied to the inverter in a DC branch is equal to the power dissipated by the inverter in the other DC branch.
  • the circuit arrangement according to the invention comprises at least three DC terminals, two of which ⁇ voltage branches with equal tension and is connected to a neutral conductor, at least two intermediate energy storage, for example.
  • Pufferkondensa ⁇ gates each connected between a direct voltage branch and the neutral conductor, serially arranged to one another, a bridge circuit between the DC voltage is arranged branches, at least two AC voltage terminals, which are connected on the one hand to the bridge circuit and on the other hand connected to an AC voltage, a point circuit, which allows a deflection of the current paths, and a control device for controlling the operation of the circuit arrangement.
  • the bridge circuit is formed according to the invention by a conventional half-bridge, which requires only a single switch unit per DC branch, to which a freewheeling diode is connected in anti-parallel. In a single-phase configuration, therefore, only two switch units are connected in series.
  • the connection point between the switch units forms a center tap of the bridge circuit, from which branches off a leading to one of the AC voltage leads connecting line in which a storage inductor is arranged.
  • the other AC voltage connection is directly connected to the neutral conductor.
  • the neutral conductor is passed from the DC side to the AC side and can be connected to the ground potential.
  • the switch circuit is connected between the connecting line and the neutral conductor and has two switch paths, in which controlled switchable switch elements are provided, which enable or block a current flow through the switch paths, depending on the state.
  • the controller clocks the switch units of the half-bridge circuit to convert DC to AC or AC to DC, depending on the application.
  • the control device controls the point circuit according to a predetermined control method such that in the freewheeling state, a remindkommuttechnik of the demagnetization of the memory Throttle flowing current to the latches is largely prevented and / or if necessary, a power compensation between the DC voltage branches is achieved.
  • the circuit arrangement according to the invention forms a converter, which is constructed from semiconductor switching elements, preferably uses low-loss IGBT or Mosfet switch, and manages without a transformer.
  • Transformerless converters have a higher efficiency.
  • the invention is also applicable to converters having a voltage-adapting and / or galvanic-separating transformer.
  • the present invention makes it possible to connect at least two DC voltage generators or consumers between the DC voltage branches and the neutral conductor. This extends the scope of application over conventional circuits designed for only one generator or consumer.
  • the invention for feeding electrical energy, for example.
  • electrical energy for example.
  • the energy can be obtained, for example, with photovoltaic generators from sunlight or by accumulators, fuel cells or the like. to be delivered.
  • the generated alternating current is fed to the Konstror ⁇ netz with the correct amplitude, frequency and phase.
  • In the power supply is located during the coil charging part of the clock in both half-waves in the current path only one switch, which is to be switched high frequency. As a result, the conduction losses are low.
  • a catamuttechnik the inductor current in the two intermediate energy storage is effectively minimized by the inventive control of the switch elements in the turnout paths.
  • the switch path opened by these switch elements for each mains voltage half-wave enables a demagnetization of the storage choke, without energy being fed back into the DC circuit with the energy buffers. The efficiency is increased.
  • the circuit arrangement for removing energy from an AC voltage network and for supplying at least two DC consumers is used.
  • the control device according to the invention makes it possible to remove the energy with low loss and sinusoidal.
  • the switch units and switch elements are controlled such that the storage choke on the half sine wave of voltage applied to the AC voltage connections mains voltage largely using the applied tension ⁇ is charged between mains phase and neutral.
  • Le ⁇ is diglich in the area of the zero crossing of the line voltage for a narrow window of time, the use of energy from the energy buffer containing DC circuit erfor ⁇ sary.
  • the circuit arrangement according to the invention can form a single-phase converter configuration or be extended to a three-phase configuration. For each phase, a half-bridge with only two switch units and a switch circuit with only two switch paths is required.
  • the voltage swing at the switches lower because the bridge circuits are connected to the neutral and thus perform on the associated circuit branches only a reduced voltage swing is. The switching losses are significantly reduced. With only one switch per path, the forward losses are also smaller.
  • At least one other inverter can be connected on the DC side.
  • the AC o- of the AC voltage of a public network first to convert a DC or DC voltage to this or these then by means of another inverter in an alternating current with, for example.
  • suitable parameters such as amplitude, frequency and the like. to transform.
  • the inverter may be configured in a conventional manner or preferably according to the invention.
  • the di_e Wei_chenscrien per phase has only two turnout paths, which are each associated with a half-wave.
  • the switch path is a switch with a switch to the switch Rallel connected freewheeling diode and a rectifier diode connected in series.
  • the rectifier diodes in the individual switch paths are connected to one another in the opposite forward direction. If a switch is closed in a switch path, a freewheeling flow is released through this switch path.
  • Each switch with the associated rectifier diode or both switch paths together can be realized in the form of a single integrated component.
  • the controller may switch all switches according to a predetermined timing scheme.
  • the controller detects parameters that characterize operating conditions to drive the switches based on the operating parameters.
  • it preferably has a sensor device with sensor means for detecting the voltages applied to the intermediate energy stores, the currents flowing in the DC voltage branches and / or the alternating voltage applied to the AC voltage terminals.
  • the control device has logic means which serve to compare the detected parameters with each other and optionally with predefinable threshold values and then to switch the switch elements of the point circuit.
  • the logic means are adapted to largely prevent a back-commutation of the storage throttle currents to the energy buffers by enabling the switch paths and, if necessary, to cause a power compensation.
  • the control device with the logic means is preferably realized in the form of a circuit, but can also be a microprocessor, microcontroller or the like.
  • Power balancing when needed, is done both when feeding energy into a grid and when drawing power from a grid.
  • the associated switch path to the neutral conductor is selectively opened in a selected mains voltage half-wave corresponding to the required compensation component and a demagnetization of the storage inductor is forced via the energy store and the freewheeling diode of the opposite direct-voltage branch.
  • the inverter upstream means energy in the other DC voltage branch.
  • the amount of energy transferred is sufficient, for example, to achieve a sufficient degree of compensation for two photovoltaic systems or fuel cells in the operation usually occurring due to manufacturing tolerances or shading effects deviations in performance.
  • the efficiency is hardly affected after the charging of the respective opposite energy buffer is limited to a fraction of only one half-wave.
  • the corresponding switch path is turned on and the current without
  • the inverter "upstream means possible.
  • the above-described method of charging the storage choke according to the invention by means of the existing NEN voltage between the mains phase and neutral and the short-term use of energy from the DC circuit in the range of the zero crossing of the mains voltage further characterized in that only in the positive or negative half wave the time window of the use of energy from the DC circuit is controlled expanded. This achieves a power compensation to the required extent by
  • the caused in the circuit arrangement according to the invention low voltage swings on the storage choke generate an equally low current ripple in which the storage throttle current.
  • the storage choke can be made smaller because of the resulting lower iron losses and lower inductance required. Since the inverted current in the operating case charging the throttle always flows only through one switch unit, lower forward losses occur, while the lower voltage swings reduce the switching losses. Overall, this leads to lower semiconductor losses. As a result, secondary components such as heat sinks can be made smaller. Because back commutation effects are avoided, apart from a desired power compensation, lower cost capacitors designed for lower AC load can be used. Especially in the case of a dreiphasi ⁇ gen arrangement, it is possible to make the DC circuit without the use of electrolytic capacitors, resulting in huge advantages in terms of durability and storability of the Umrichte_r.
  • circuit topology according to the invention By the circuit topology according to the invention and the small number of active components in this is a very compact design of the semiconductor and the components involved in the commutation and thus a reduction of the area spanned by this possible.
  • the circuit arrangement according to the invention causes less electromagnetic interference.
  • Commonly used external filter components, such as chokes or capacitors, to suppress these electromagnetic disturbances can be omitted or at least made smaller and thus made more economical.
  • the invention makes it possible to realis_ie_ren switching power supplies, pulse DC ⁇ rectifiers or inverters, which have _ ⁇ effects a particularly good efficiency and low electromagnetic return and with a simple, inexpensive structure ensure high reliability and long life.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement for a converter according to the invention in a single-phase configuration
  • Figure 2 is a schematic representation of the time course of the voltage across the storage inductor, the currents and the control signals in the Wegungsanorndung of Figure 1 in the case of an injection of energy into a network without power compensation.
  • Figure 3 is a representation similar to Figure 2 in the case of a supply of energy in a network with power compensation.
  • Figure 4 is a schematic representation of the profile of the voltage across the storage inductor, the currents and the control signals in the Wegungsanorndung of Figure 1 in the case of removal of energy from a network without power compensation.
  • Figure 5 is a view similar to Figure 4 tung compensating for the case of a removal of energy from a network with ⁇ Leis.
  • Figure 7 shows a circuit arrangement according to the invention in a three-phase configuration
  • FIG. 8 shows a development of the converter circuit according to the invention according to FIG. 7.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a circuit arrangement 1 of an inverter according to the present invention.
  • the inverter 1 serves as an inverter for generating and supplying an alternating current to an external network.
  • the inverter 1 has three DC voltage terminals 2, 3, 4, two intermediate energy stores 6, 7, a bridge circuit 8, a point circuit 9, a control device 11 and two AC voltage terminals 12, 13.
  • At the DC voltage terminals 2, 3, 4 are here two DC voltage generators 14, 16, for example. Photovoltaic generators, fuel cells, accumulators or the like. , connected in series to each other, while at the AC voltage terminals 12, 13, an external mains voltage U N E TZ is applied.
  • a first DC voltage terminal 2 is connected to a first DC voltage branch 17 and a second DC voltage terminal 4 is connected to a second DC voltage branch 18, while the central DC voltage terminal 3 is passed through the entire circuit arrangement 1 and forms a neutral conductor 19.
  • This is connected to the AC voltage connection 13 and can be connected to the ground, eg in a control cabinet, by grounding to a defined zero potential.
  • filter elements for the suppression of high-frequency disturbances be included in the neutral ⁇ conductor 19 filter elements for the suppression of high-frequency disturbances be included.
  • the generators 14, 16 are each connected to a DC voltage branch 17 and 18 and to the neutral conductor 19.
  • the intermediate energy storage 6, 7 are arranged parallel to each generator 14, 16, between one of the DC voltage branches 17 and 18 and the neutral conductor '19th They are preferably formed by buffer capacitors Cl and C2. Parallel to the series connection of the intermediate energy stores 6 and 7, the bridge circuit 8 is connected between the DC voltage branches 17, 18.
  • the bridge circuit 8 is formed as a conventional half-bridge having two series-connected switch units Sl and S2, which are switchable at high frequencies of up to 100 kHz.
  • switch units Sl and S2 Preferably, low loss IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOS field effect transistor switches are used, although other switch implementations are possible.
  • Parallel to each switch unit Sl, S2, a freewheeling diode Dl or D2 is arranged in the opposite forward direction.
  • the connection point 20 between the switch units Sl and S2 is connected via a connecting line 21, which contains a storage inductor L, to the AC voltage terminal 12.
  • the switch circuit 9 serves to redirect currents flowing through the storage inductor L as required in a controlled manner.
  • the switch circuit 9 is formed here by a parallel connection of two switch paths 22, 23, which are connected downstream of the bridge circuit, run between the connecting line 21 and the neutral conductor, 1.9.
  • the switch path 22 has a switch element S3 with a conventionally antiparallel connected freewheeling diode D3 and a Rectifier diode D5, which is connected to the parallel arrangement of the switch element S3 and the diode D3 in series.
  • the forward direction of the diode D3 points from the neutral conductor 19 to the connecting line 21.
  • a switch element S4 are provided with an antiparallel freewheeling diode D4 and arranged in series thereto rectifier diode D6.
  • the anode of the rectifier diode D6 is connected to the connection line 21, so that the diode D6 has the opposite forward direction with respect to the rectifier diode D5.
  • the control device 11 which forms part of the circuit 1 or may be partially realized in the form of a separate integrated circuit is used. It may also be a microprocessor or the like. be used. In any case, the control device 11 contains two functional units in the form of blocks 24, 26.
  • the block 24 identifies a sensor device which serves to detect operating parameters of the circuit arrangement 1 and to supply signals 27 indicative thereof.
  • the ⁇ ensor Marie contains suitable furnished sensor means, not shown here for simplicity of illustration 24, for example, to which.
  • Voltmeter for detecting the buffer capacitors Cl and C2 applied DC voltages U DC I ⁇ U DC2 of equal circuits current meter for detecting the DC voltage branches 17, 18 flows through the half-bridge components Sl, Dl or S2, D2 currents Ii and I 2 , a means for detecting the current flowing through the inductor L current I L and / or means belonging to the between the terminals ⁇ 12 and 13 resulting voltage ⁇ _U NE ⁇ z_ capture.
  • Natuer ⁇ Lich the voltages or currents given here can by generally known electro-technical relations also other detectable partial voltages or partial currents in the circuit 1 are derived.
  • the block 26 identifies logic elements of the control device 11 which are adapted to receive and process the signals 27 supplied by the sensor device 24 in order to suitably control the switch units S1 and S2 of the half-bridge 8 as well as the switch elements S3 and S4 of the switch circuit 9 based thereon , This is illustrated in Fig. 1 by dashed lines indicated driving paths, one of which is exemplified by the reference numeral 28.
  • the logic elements 26 may include comparator logic to compare the measured voltages or currents with each other or to predetermined or predeterminable thresholds, as well as decision logic to select the appropriate driving strategy based on the results of the comparisons.
  • the circuit arrangement 1 functions as follows:
  • the switch unit S1 in the positive half-wave of the mains voltage U NETZ, the switch unit S1 is switched to high-frequency. Further, the switch element S3 is closed in the switch path 22, while the switches S2 and S4 remain open, so that a current flow is prevented by this.
  • the switch unit Sl of the half-bridge 8 When closing the switch unit Sl of the half-bridge 8, the voltage U DC i is applied to the choke coil L, whereby the current I L increases and the choke coil is magnetized.
  • the choke coil L is demagnetized, wherein the positive choke current I L continues to flow, but its amount gradually decreases.
  • the inductor current I L commutates via the closed switch S3 and the rectifier diode D5 in the switch path 22, which serves as a freewheeling path.
  • the reactor current I L does not return to the buffer capacitor C2. The associated energy losses and deterioration in efficiency are effectively avoided.
  • the voltage U L falls in the freewheeling phase only to the value zero.
  • the voltage swing which is to be carried out by the switch unit S1 and the freewheeling diode D1 at each cycle is thus based on the value of the DC voltage. limited to DC i and therefore relatively low. This is because the switch paths 22, 23 are connected to the neutral conductor 19 to which also the generator 14 and the buffer capacitor Cl are connected.
  • the switch unit S1 is repeatedly clocked in the positive mains voltage half-wave, wherein the closing times in the range of the peak value of the mains voltage U NETZ are longer than in the vicinity of their zero crossings to the respective instantaneous value of the mains voltage U NE ⁇ z in the magnetization and demagnetization of the storage inductor L to meet.
  • This switch operation is achieved by pulse width modulation of the control signals supplied by the controller 11 28 or by another suitable, the duty cycle predetermining type of modulation.
  • the generated alternating current I L as it results in the course of the clock average and is indicated in dotted lines in Fig. 2, with respect to the phase angle and the amplitude to the potential curve of the AC voltage U NE ⁇ z adapted well.
  • the voltage swings at the storage inductor L are less and cause only a small ripple or relatively small ripple in the coil current I L. This allows a proper feed of energy into the external network.
  • the control device 11 controls not only the bridge 8 and the switch device 9 in the sense of an advantageous operation of the circuit arrangement 1 according to the invention, in particular in the freewheeling state, but also ensures an optionally required power compensation. If, for example, the generators 14, 16 are designed in the form of photovoltaic generators, which are shaded to different degrees, or for other reasons, for example, give different powers due to tolerances due to manufacturing tolerances, the alternating current I L fed into the network would become one DC component to be prevented. The controller 11 causes in this case, such an energy exchange between the generators 14 and 16 that can be operated at ⁇ de in their optimal operating range.
  • FIG. 3 illustrates by way of example a maximum possible 50% power compensation from the upper DC voltage branch 17 into the lower DC voltage branch 18.
  • the different power output of the generators 14, 16 is determined, for example, by the logic means 26 of the control device 11 on the basis of the voltages U D ci / U DC 2 detected by the sensor device 24 and / or currents Ii, I 2 .
  • the logic means 26 then causes the switch element S3 to remain open during a certain time portion of the positive half cycle corresponding to the required power compensation level. In the closed state of the switch unit Sl the operation is outlined as above.
  • the inductor current I L does not commutate the switch path 22, but via the freewheeling diode D2 back to the buffer capacitor C2, which is thereby charged accordingly.
  • Half of the energy supplied by the generator 14 is transferred from the upper 17 to the lower DC branch 18.
  • the entire opening duration of the switch element S3 is correspondingly shortened or lengthened in each positive half cycle. This can also be accomplished by repeatedly opening and closing the switch S3 per half-wave. If the switch S3 is closed or opened during the entire positive half-cycle, no or maximum power compensation takes place. Regardless of the compensation direction, the maximum power compensation of the respective ratio of the DC voltages U D ci ? U DC2 depends on the peak value of the mains voltage U NETZ . For the applications provided here, in particular energy generation and feeding by means of series-connected photovoltaic or fuel cell generators, the possible measure of the power compensation is sufficient.
  • a power balance from the lower DC branch 18 to the upper DC branch 17 is required accomplished accordingly by the switch element S4 remains open during a part of the negative half cycle of the mains voltage U NETZ and a remindkommuttechnik of the inductor current I L is made possible to the capacitor Cl targeted.
  • the circuit arrangement 1 forms a bidirectional converter which is also set up for the extraction of energy from an external network.
  • the generators 14, 16 in Fig. 1 indicate corresponding consumers.
  • the operation is illustrated in FIG. 4 for the case where no power compensation takes place, and in FIG. 5 for the case with power compensation.
  • the positive half-wave of the mains voltage U NETZ should be considered under the assumption that all switches S1 to S4 are open.
  • the mains voltage U NET against the neutral conductor 19 is insufficient to magnetize the inductor L. Therefore, the switch unit S2 is firstly driven in a high-frequency manner so as to bring the potential of the voltage U L to almost the potential -UD C2 of the DC voltage branch 4 in the closed state in order to allow a current flow from the choke coil L via the switch unit S2. This results in a rising current I 2 flowing to the DC branch 18 and the capacitor C2.
  • the switch unit S2 As soon as the mains voltage is sufficiently high, the switch unit S2 remains open. Instead, the switching element ment S4 switched in the switch path 23. In the closed state of the switch element S4, the inductor L is charged by the mains voltage ÜNETZ. The inductor current I L flows through the switch element S4 and is dissipated via the neutral loss. In the opening state of the switch element S4, the throttle L discharges, as described above, via the freewheeling diode Dl to the capacitor Cl. In this way, a consumption of energy from the energy buffer 7 over the entire duration of the positive half-wave is prevented. In the transition region between the positive half-wave of the mains voltage U NETZ and its negative half-wave, the switch unit S2 is driven again in the manner described above in the absence of a sufficient potential.
  • the switch element ⁇ 3 instead of S4 is used analogously, wherein in the closed state of the switch element S3, the inductor L is charged and in the open state, the freewheeling diode D2 is conductive, whereby the capacitor C2 is charged. In the region of the zero crossing, the opposite switching unit S1 of the half bridge 8 is used.
  • a power compensation is achieved according to the invention if one of the consumers 14, 16 has a greater energy requirement. For example.
  • the time window in the vicinity of the zero crossing, in which S2 is clocked is correspondingly extended in order to amplify a discharge of the capacitor C2 by means of the current I 2 .
  • a corresponding amount of energy transfer from the lower 18 to the upper DC voltage branch 17 is achieved per half-wave.
  • a power compensation from the upper 17 in the lower DC voltage branch 18 can be achieved to the extent necessary during the negative half cycle of the mains voltage U NE ⁇ z by appropriate determination of the duty cycle between the switches Sl and S3.
  • the circuit arrangement 1 can be extended to use more than two DC voltage generators connected in series, which are then to be connected to a plurality of DC voltage terminals and for each of which an energy buffer is to be provided.
  • the bridge circuit 8, the switch circuit 9 and the control logic 26 must be adjusted accordingly to start from the.
  • DC voltages at the intermediate energy stores 6, 7 to generate an AC voltage of the desired frequency and amplitude.
  • an AC voltage U NETZ an external network can be rectified and distributed to several consumers.
  • a plurality of storage chokes L may be inserted in the connection path 21.
  • filter means may be provided for suppression.
  • the control method according to the invention can also be implemented in the form of firmware or software.
  • the diodes D3, D4 protect the respective semiconductor switch S3, S4, but may be omitted if necessary. This is particularly the case when integrated semiconductor switches with reverse blocking capability, for example self-blocking IGBT switches, are used, provided that they are suitable for high-frequency applications.
  • the voltage U DC i or U D c 2 in the respective DC circuit must be greater than the peak value of the mains voltage U NE ⁇ z.
  • 6a and 6b show schematic diagrams of developments of the converter according to the invention, which make it possible to use even smaller voltages U DC i and U D c 2 .
  • the circuit arrangement 1 is shown therein for simplicity only in the form of a block 1.
  • boost converters 29a and 29b which are also referred to as DC regulators, are inserted in the DC voltage branches 17, 18.
  • Such Hochsetz- plates are known from the art in different forms, for example.
  • each step-up converter 29a, 29b has the task of raising the potential of the voltage generated by the generator 14 or 16_ to a level U DC i or U D c2 suitable for operation. This can be used to solve problems that arise when generators of different types or in the case of severe partial shading can be effortlessly mastered.
  • the inverter 1 can be operated in the large power range with maximum yield.
  • boost converters 29a, 29b The operation of the boost converters 29a, 29b is preferably controlled by a regulator, which may be part of the control device 11.
  • a switch S5a or S5b is further arranged parallel to each boost converter 29a or 29b, which can be closed in order to bridge the associated boost converter 29a or 29b when not in use. This minimizes losses.
  • the illustrated in Fig. 6b embodiment of an inverter 1 according to the invention has instead of the arranged on the Gleiwoodsseite boost converter 29a, 29b on the AC side of a blanking circuit 31, which is inserted in the leading to the AC voltage connection 12 connecting line 21.
  • the circuit 31 is formed here by a parallel connection of two self-blocking IGBT switches S ⁇ a, S6b, which have opposite passage directions.
  • the switches S ⁇ a, S6b By suitable activation of the switches S ⁇ a, S6b, the mains voltage U NE ⁇ z can be masked out during periods in which its instantaneous value exceeds the DC voltage U DC i or U DC 2 that is currently being used in order to use the DC voltages also during these periods.
  • other circuits can be used for this purpose. For example.
  • the normally-off IGBT switches S ⁇ a, S ⁇ b can also be replaced by other types of switches with rectifier diodes each oriented in the respective forward direction.
  • the circuit 31 may include another switch S7 to bypass the switches S ⁇ a, S ⁇ b when not in use.
  • FIG. 7 shows, in a simplified manner, a circuit arrangement 1 'according to the invention in the three-phase converter configuration.
  • the circuit arrangement 1 contains three circuits Ia, Ib, Ic which are identical to the circuit arrangement 1 according to FIG. 1 as well as to one another and whose components are identified by adding the indices a, b or c.
  • the circuits Ia, Ib, Ic are connected in common to the DC voltage terminals 2, 4, between which energy producers or consumers can be connected in series with each other and to which two intermediate energy storage 6, 7 are arranged in parallel in the form of buffer capacitors Cl and C2.
  • a third DC voltage terminal 3 is connected to a neutral conductor 19, which is assigned to all the circuits Ia, Ib, Ic together and is preferably connected in operation to the ground.
  • Half bridge circuits 8a, 8b, 8c are arranged parallel to the buffer capacitors, of which the connecting lines 21a, 21b, 21c branch off, which are connected via choke coils L to the AC voltage terminals 12a, 12b, 12c. Between the connecting lines 21a, 21b, 21c and the neutral line 19 turnouts 9a, 9b, 9c according to the invention are provided.
  • the control device 11 according to the invention is omitted in Fig. 7 for reasons of handled fixtures ⁇ .
  • circuit arrangement 1 can be used both for the alternating direction in order to generate a three-phase alternating current (so-called three-phase current) from the direct voltages U DC i and U D c2, and also for rectification in order to start from a three-phase current fed from the outside to generate the DC voltages U D ci and U DC2 .
  • control device 11 controls the half-bridge and switch circuits 8a and 9a, 8b and 9b and 8c and 9c suitably according to the control method according to the invention to either to each 120 ° phase-shifted inductor currents I La / ILb and I Lc to produce in the Are fed three-phase network, or to take the three-phase network in an advantageous manner with respect to the phase position and the harmonic content of energy to supply the DC consumers.
  • only one bridge switch SIa, SIb, Sic or S2a, S2b, S2c is switched to high-frequency per phase Ua, Ub, Uc and half-wave.
  • a further inyerter 1 is connected to the DC voltage side of the converter 1 '.
  • the direct current generated by energy extraction from the three-phase network with the inverter 1 'or the DC voltage is by means of of the inverter 1 '' converted into a suitable for driving a motor three-phase current.
  • the inverter 1 '' can be configured as desired, but is preferably identical to the inverter 1 'and also has a switch circuit 9 in order to minimize losses during operation and to compensate for power.
  • the inverter 1 is connected directly to the neutral conductor, whereby the occurrence of voltage fluctuations caused by the timing of the switches and the associated electromagnetic interference signals are minimized. Lower voltage swings at the winding terminals of motors, for example, their insulation load is significantly reduced.
  • the circuit arrangement according to FIG. 8 can also be used to supply an external three-phase network by means of an alternator.
  • a circuit arrangement 1 for a bidirectional converter has, in a single-phase configuration, two DC voltage generators or consumers 14, 16 connected in series between DC branches 17, 18, the connection point of which is connected to a neutral conductor 19 and to which energy buffer memories 6, 7 and one between the DC voltage branches 17, 18 arranged bridge circuit 8 are connected.
  • the bridge circuit 8 is designed as a half-bridge with two switch units S1, S2 connected in series, to each of which a freewheeling diode D1, D2 is connected in antiparallel.
  • the center tap 20 of the bridge circuit 8 is connected via a connecting line 21, which contains a storage inductor L, to a first AC voltage terminal 12, while the neutral conductor 19 is connected to a second AC voltage terminal 13.
  • a switch circuit 9 is arranged with switch elements S3, S4.
  • a control device 11 controls ert the switch circuit 9 in response to detected operating conditions or according to a fixed timing scheme to, if necessary, to prevent commutation of the freewheeling current flowing through the storage inductor L current to the latches 6, 7 and / or to accomplish a power compensation between the DC voltage branches 17, 18 , In a development, a three-phase converter configuration is created.

Abstract

The invention relates to a one phase circuit arrangement (1) for two-directional converter comprising two direct voltage generators or consumers (14, 16), which are in series interconnected between two direct voltage branches (17, 18), whose connection bridge is connected to a neutral line (19) and to which two energy storage units (6, 7) and a half-bridge (8) positioned between the two direct voltage branches (17, 18) are in parallel connected. The central tap (20) of the bridge circuit (8) is connected to the first alternating current connection (12) by means of a connecting line (21) comprising a storage choke (L), whereas the neutral line (19) is connected to a second alternating current connection (13). A switch circuit (9) provided with switching elements (S3, S4) is located between the connecting line (21) and the neutral line (19). A control device (11) is used for controlling the switch circuit (9) in such a way that it makes it possible to prevent, when necessary, switching of a neutral flowing current through the storage choke (L) in the direction of the energy storage units (6, 7) and/or to carry out a power compensation between the direct voltage branches (17, 18). An improved embodiment of a three-phase converter is also disclosed.

Description

Schaltunσsanordntmg und Steuerungsverfahren für einen Umrich- terSchaltunσsanordntmg and control method for a converter
Die Erfindung betrifft einen Umrichter zur ürafoπαung zweier elektrischer Gleichspannungen in wenigstens eine Wech- selspannung oder zur Umformung wenigstens einer elektrischen Wechselspannung in Gleichspannungen.The invention relates to a converter for ürafoπαung two electrical DC voltages in at least one AC voltage or for converting at least one electrical AC voltage into DC voltages.
Derartige Umrichter, auch Inverter genannt, werden insbesondere zur Einspeisung elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz eingesetzt, wenn bspw. Gleichspannungsquellen, wie z.B. Fotovoltaikanlagen, Akkumulatoren oder Brennstoffzellen, zur Verfügung stehen. Dabei gilt es, aus einem oder mehreren Gleichspannungspctenzialεn einen Wechselstrom zu erzeugen, der_ in Bezug auf die Phasenlage und Amplitude an den Potenzialverlauf der Wechselspannung, bspw. einer sinusförmigen Netzspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60Hz, anzugleichenSuch inverters, also called inverters, are used in particular for feeding electrical energy into the public power grid, if, for example, DC voltage sources, such as e.g. Photovoltaic systems, accumulators or fuel cells are available. In this case, it is necessary to generate an alternating current from one or more direct voltage potentials, which is to be adjusted in relation to the phase position and amplitude to the potential curve of the alternating voltage, for example a sinusoidal mains voltage having a frequency of 50 or 60 Hz
- i - ist. Zu diesem Zweck sind ein- oder dreiphasige Wechselrichter mit und ohne Transformator bekannt.- i - is. For this purpose, single or three-phase inverters with and without transformer are known.
Umrichter werden auch eingesetzt, um dem Wechselspannungsnetz sinusförmig Strom zu entnehmen. Dabei darf die Netzqualität hinsichtlich des Oberschwingungsgehaltes und/oder der Blindleistung nicht beeinträchtigt werden. Solche entnehmenden Stromrichter werden häufig mit weiteren, gleichstromseitig angeschlossenen Invertern kombiniert, die die dem Netz entnommene Energie in ein ein- oder mehrphasiges Wechselstromnetz variabler Frequenz umwandeln, um damit z.B. Motoren anzutreiben.Inverters are also used to draw sinusoidal current from the AC mains. At the same time, the power quality with regard to the harmonic content and / or the reactive power must not be impaired. Such extracting converters are often combined with other DC-side connected inverters which convert the power drawn from the grid into a single or multi-phase AC variable frequency network, e.g. To drive motors.
Aus der DE 102 21 592 Al ist ein Wechselrichter zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung in einen Wechselstrom bekannt. Der Wechselrichter weist zwei Gleichspannungsanschlüsse, die mit einem Gleichspannungserzeuger verbunden sind, einen Pufferkondensator und eine Brückenschaltung, die parallel zu dem Pufferkondensator angeschlossen sind, und zwei Wechselspannungsanschlüsse auf, die mit dem 50 Hz-Stromnetz verbunden sind. Die Brückenschaltung ist als Vollbrücke mit zwei Parallelästen ausgebildet, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Schaltereinheiten aufweisen, zu denen jeweils eine Gleichrichterdiode parallel geschaltet ist. Jeder Wechselspan- nungsanschluss ist über eine Verbindungsleitung, die eine Drosselspule enthält, mit einem der Paralleläste der Brückenschaltung über einen Verbindungsknoten verbunden, der jeweils zwischen zwei Schaltereinheiten liegt. Zwischen den Verbindungsleitungen sind ferner zwei getrennte elektrische Verbindungspfade mit jeweils einem Schalter sowie einer in Reihe geschalteten Gleichrichterdiode vorgesehen. Die Gleichrichterdioden sind in den VexbjijT^ujnjgjipfjLC^^ lassrichtung zueinander geschaltet. Im Betrieb werden die Schaltereinheiten der Vollbrücke in Abhängigkeit von der Polarität der Netzwechselspannung symmetrisch getaktet. Bei einer positiven Halbwelle der Netzwechselspannung werden bspw. zwei sich diagonal gegenüberliegende Schaltereinheiten der Vollbrücke gemäß einem festgelegten Taktmuster hochfrequent und zeitsynchron geschlossen und geöffnet, während die anderen beiden geöffnet bleiben. Außerdem ist ein Schalter in einem ersten Verbindungspfad geschlossen. Im Schließzustand der Schaltereinheiten fließt der Strom über diese, um die Drosselspule aufzuladen. Beim Öffnen der Schaltereinheiten kommutiert der aufgrund der Abmagnetisierung innerhalb der Drosselinduktivitäten weiter fließende Spulenstrom während der sog. „Freilaufphase" über den geschlossenen Schalter und die zugehörige Gleichrichterdiode in dem ersten Ver- bindungspfad. Dadurch wird verhindert, dass der Spulenstrom über Dioden der Vollbrücke zurück in den Pufferkondensator kommutiert und somit zu Verlusten führt. Sobald die Halbwelle der Netzwechselspannung negativ ist, werden die anderen, diagonal gegenüberliegenden Schaltereinheiten und der Schalter in dem anderen Verbindungspfad eingesetzt.From DE 102 21 592 Al an inverter for converting a DC electrical voltage into an AC is known. The inverter has two DC voltage terminals connected to a DC voltage generator, a buffer capacitor and a bridge circuit connected in parallel to the buffer capacitor, and two AC voltage terminals connected to the 50 Hz power network. The bridge circuit is designed as a full bridge with two parallel branches, each having two series-connected switch units, to each of which a rectifier diode is connected in parallel. Each AC voltage connection is connected via a connecting line, which contains a choke coil, with one of the parallel branches of the bridge circuit via a connection node, which lies in each case between two switch units. Furthermore, two separate electrical connection paths each having a switch and a series-connected rectifier diode are provided between the connection lines. The rectifier diodes are connected to each other in the direction VexbjijT ^ ujnjgjipfjLC ^^. During operation, the switch units of the full bridge are clocked symmetrically as a function of the polarity of the mains alternating voltage. In a positive half wave of the AC mains voltage, for example, two diagonally opposite switch units of the full bridge according to a fixed clock pattern high-frequency and time-synchronously closed and opened, while the other two remain open. In addition, a switch is closed in a first connection path. In the closed state of the switch units, the current flows through them to charge the choke coil. When the switch units are opened, the coil current which continues to flow due to the demagnetization within the inductance inductors commutates via the closed switch and the associated rectifier diode in the first connection path during the so-called "freewheeling phase." This prevents the coil current from returning across full-bridge diodes As soon as the half-wave of the mains AC voltage is negative, the other, diagonally opposite switch units and the switch are inserted in the other connection path.
Bei dem vorbekannten Wechselrichter befinden sich im die Spule aufladenden Schaltzustand zwei verlustbehaftete Schaltereinheiten im Strompfad, die hochfrequent geschaltet werden. Dies führt zu Schaltverlusten, die den Wirkungsgrad des Wechselrichters erheblich beeinträchtigen. Außerdem ist der Spannungshub, der von den Schalteinheiten bei jedem Takt ausgeführt werden muss, verhältnismäßig hoch. Abgesehen von den er¬ heblichen Schaltverlusten verursacht dieser Spannungshub aufgrund der hierfür notwendigen hohen Steilheiten von Spannung und Strom nicht unerhebliche—elektromagnetische Störungen.In the prior art inverter located in the coil charging switching state, two lossy switch units in the current path, which are switched high frequency. This leads to switching losses that significantly affect the efficiency of the inverter. In addition, the voltage swing that must be performed by the switching units at each cycle is relatively high. Apart from the ¬ he heblichen switching losses this voltage swing caused considerable electromagnetic interference because of the required high rates of rise of voltage and current not.
Der Wechselrichter und das angegebene SteuerungsverfahrenThe inverter and the specified control method
_ O _ sind nicht zur Entnahme von Energie aus dem Netz vorgesehen, sondern dienen lediglich der Energieeinspeisung in das Netz. Hierbei ist nur ein einzelner Gleichspannungserzeuger anschließbar. Bei der Energieerzeugung mit einer Solaranlage bspw. werden aber mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet, so dass durch diese Teilgeneratoren der gleiche Strom fließt. Wenn auf einen der Teilgeneratoren ein Schatten fällt, ist die erzeugbare Gesamtleistung unzureichend, weil sich nur Betriebspunkte mit gleichen Strömen einstellen können._ O _ are not intended to extract energy from the grid, but merely serve to feed energy into the grid. In this case, only a single DC voltage generator can be connected. In the power generation with a solar system, for example, but several solar cells are connected in series, so that flows through these sub-generators, the same stream. If a shadow falls on one of the subgenerators, the overall generative power is insufficient because only operating points with the same currents can be set.
Aus der DE 102 25 020 Al ist eine Ξchaltungsanordnung zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom bekannt, die zwei in Reihe zueinander angeordnete Gleichspannungsgeneratoren, zwei Gleichspannungszweige, zwei zu den Generatoren parallelgeschaltete Pufferkondensatoren und einen mit den beiden Gleichspannungszweigen verbundenen Wechselrichter aufweist. Der Wechselrichter ist durch eine Halbbrückenschaltung gebildet, die zwei in Reihe zueinander angeordnete, symmetrisch getaktete Schalter umfasst, zu denen jeweils eine Gleichrichterdiode parallel geschaltet ist. Eine über eine Drosselspule mit der Netzspannung verbundene Versorgungsleitung ist an dem Mittelpunkt zwischen den Schaltereinheiten abgegriffen. Zur Vermeidung von Gleichspannungsanteilen des Wechselstroms bei ungleicher Leistung der zuführenden Gleichspannungsgeneratoren sind dem Wechselrichter Leistungskompensationsmittel vorgeschaltet. Diese sind derart wirksam, dass die zu dem Wechselrichter in einem Gleichspannungszweig zugeführte Leistung gleich der vom Wechselrichter in dem anderen Gleichspannungszweig abgeführten Leistung ist.From DE 102 25 020 Al a anordnungchaltungsanordnung for the conversion of direct current into alternating current is known, comprising two series-arranged DC voltage generators, two DC voltage branches, two parallel to the generators buffer capacitors and connected to the two DC voltage branches inverter. The inverter is formed by a half-bridge circuit which comprises two symmetrically clocked switches arranged in series with each other, to each of which a rectifier diode is connected in parallel. A supply line connected via a choke coil with the mains voltage is tapped at the midpoint between the switch units. To avoid DC voltage components of the alternating current with unequal power of the feeding DC voltage generators power compensation means are connected upstream of the inverter. These are so effective that the power supplied to the inverter in a DC branch is equal to the power dissipated by the inverter in the other DC branch.
Bei diesem Wechsej-ri.chte_r_wird_jDei^ j^d^r__H_a_lbwe_lJ,e_le_di_g^ lieh ein Schalter hochfrequent getaktet, wodurch sich die Schaltverluste reduzieren. Es findet jedoch während der Frei- laufphase eine verlustbehaftete Rückkommutierung des Drosselspulenstroms zu den Pufferkondensatoren statt. Vorteilhafterweise wird zwar für eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen gesorgt, die dringend erforderlich ist, weil im Betrieb auch nur geringe Unterschiede in der Leistung der Gleichspannungszweige Gleichstromanteile im Netz hervorrufen. Allerdings werden hierzu zusätzliche, dem Wechselrichter vorgeschaltete Mittel benötigt, die den Aufwand und die Kosten der Schaltungsrealisierung erhöhen. Eine Entnahme von Energie aus dem Netz ist nicht vorgesehen.In this Wechsej-ri.chte_r_wird_jDei ^ j ^ d ^ r__H_a_lbwe_lJ, e_le_di_g ^ lent a switch clocked at high frequency, whereby the switching losses reduce. However, it takes place during the free run phase lossy Rückkommutierung the reactor current to the buffer capacitors instead. Advantageously, although provided for a power compensation between the DC voltage branches, which is urgently needed, because in operation even small differences in the performance of the DC branches cause DC components in the network. However, this additional, the inverter upstream means are required, which increase the complexity and cost of the circuit realization. An extraction of energy from the network is not provided.
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zu schaffen, die die schaltungsbedingten Nachteile des Standes der Technik überwinden und vorzugsweise sowohl zur Einspeisung von Energie in ein Wechselspannungsnetz als auch zur Entnahme von Energie aus dem Netz geeignet sind. Insbesondere sollte eine Rückkommutierung des von Abmagnetisierungsvorgängen der Drosselinduktivitäten herrührenden Drosselstromes zu einem Pufferkondensator weitgehend vermieden und bei einfachem Aufbau ein zumindest teilweiser Leistungsausgleich ermöglicht sein.On this basis, it is an object of the present invention to provide a circuit arrangement and a method which overcome the circuit-related disadvantages of the prior art and are preferably suitable both for feeding energy into an alternating voltage network and for removing energy from the network. In particular, a Rückkommutierung of deriving from Abmagnetisierungsvorgängen the inductor inductor inductor current to a buffer capacitor should be largely avoided and with a simple structure, an at least partial power compensation may be possible.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 13 gelöst.This object is achieved by the circuit arrangement according to the invention with the features of claim 1 and the inventive method according to claim 13.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist wenigstens drei Gleichspannungsanschlüsse, von denen zwei mit Gleichspan¬ nungszweigen und einer mit einem Neutralleiter verbunden ist, wenigstens zwei Energiezwischenspeicher, bspw. Pufferkondensa¬ toren, die jeweils zwischen einem Gleichspannungszweig und dem Neutralleiter in serieller Anordnung zueinander angeschlossen sind, eine Brückenschaltung, die zwischen den Gleichspannungs- zweigen angeordnet ist, wenigstens zwei Wechselspannungsanschlüsse, die einerseits mit der Brückenschaltung verbunden und andererseits an eine Wechselspannung anschließbar sind, eine Weichenschaltung, die eine Umlenkung der Strompfade ermöglicht, und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Betriebs der Schaltungsanordnung auf.The circuit arrangement according to the invention comprises at least three DC terminals, two of which ¬ voltage branches with equal tension and is connected to a neutral conductor, at least two intermediate energy storage, for example. Pufferkondensa ¬ gates, each connected between a direct voltage branch and the neutral conductor, serially arranged to one another, a bridge circuit between the DC voltage is arranged branches, at least two AC voltage terminals, which are connected on the one hand to the bridge circuit and on the other hand connected to an AC voltage, a point circuit, which allows a deflection of the current paths, and a control device for controlling the operation of the circuit arrangement.
Die Brückenschaltung ist gemäß der Erfindung durch eine herkömmliche Halbbrücke gebildet, die pro Gleichspannungszweig lediglich eine einzige Schaltereinheit benötigt, zu der eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist. In einer einphasigen Konfiguration sind also lediglich zwei Schaltereinheiten in Reihe miteinander verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Schaltereinheiten bildet einen Mittelabgriff der Brückenschaltung, von dem aus eine zu einem der Wechselspannungsanschlüsse führende Verbindungsleitung abzweigt, in der eine Speicherdrossel angeordnet ist. Der andere Wechselspannungsan- schluss ist unmittelbar mit dem Neutralleiter verbunden. Vorteilhafterweise ist der Neutralleiter von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite hindurchgeführt und kann an das Erdpotenzial angeschlossen werden.The bridge circuit is formed according to the invention by a conventional half-bridge, which requires only a single switch unit per DC branch, to which a freewheeling diode is connected in anti-parallel. In a single-phase configuration, therefore, only two switch units are connected in series. The connection point between the switch units forms a center tap of the bridge circuit, from which branches off a leading to one of the AC voltage leads connecting line in which a storage inductor is arranged. The other AC voltage connection is directly connected to the neutral conductor. Advantageously, the neutral conductor is passed from the DC side to the AC side and can be connected to the ground potential.
Die Weichenschaltung ist zwischen der Verbindungsleitung und dem Neutralleiter angeschlossen und weist zwei Weichenpfade auf, in denen gesteuert schaltbare Schalterelemente vorgesehen sind, die je nach Zustand einen Stromfluss durch die Weichenpfade freigeben oder sperren. Die Steuerungseinrichtung taktet die Schaltereinheiten der Halbbrückenschaltung, um je nach Anwendung Gleichstrom in Wechselstrom oder Wechselstrom in Gleichstrom zu wandeln. Zusätzlich steuert die Steuerungseinrichtung die Weichenschaltung gemäß einem vorgegebenen Steuerungsverfahren derart an, dass im Freilaufzustand eine Rückkommutierung des bei der Abmagnetisierung der Speicher- drossel fließenden Stromes zu den Zwischenspeichern weitgehend verhindert wird und/oder bei Bedarf eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen erreicht wird. Beides wird bewerkstelligt, indem die Schalterelemente in den Weichenpfaden durch die Steuerungseinrichtung gezielt geschlossen bzw. geöffnet werden, um die Weichenpfade wahlweise entweder als Freilaufpfade für die Freilaufströme zu verwenden und/oder die Ströme auf Leistungskompensationspfade zur gezielten Aufladung der Zwischenspeicher umzuleiten. Durch die vorteilhafte, der Brückenschaltung nachgelagerte Anordnung der Weichenschaltung und das ausgeklügelte Ansteuerungsverfahren gemäß der Erfindung können diese beiden Aufgaben mit lediglich einem Mittel, nämlich der Weiche, bewerkstelligt werden. Der Schaltungsaufbau ist wesentlich vereinfacht.The switch circuit is connected between the connecting line and the neutral conductor and has two switch paths, in which controlled switchable switch elements are provided, which enable or block a current flow through the switch paths, depending on the state. The controller clocks the switch units of the half-bridge circuit to convert DC to AC or AC to DC, depending on the application. In addition, the control device controls the point circuit according to a predetermined control method such that in the freewheeling state, a Rückkommutierung of the demagnetization of the memory Throttle flowing current to the latches is largely prevented and / or if necessary, a power compensation between the DC voltage branches is achieved. Both are accomplished by the switch elements are selectively closed or opened in the turnout paths by the controller to either use the turnout paths as freewheeling paths for the freewheeling currents and / or redirect the streams on Leistungsungskompensationspfade for targeted charging of the buffer. Due to the advantageous, the bridge circuit downstream arrangement of the switch circuit and the sophisticated control method according to the invention, these two tasks can be accomplished with only one means, namely the switch. The circuit construction is considerably simplified.
Vorzugsweise bildet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Umrichter, der aus Halbleiter-Schaltelementen aufgebaut ist, vorzugsweise verlustarme IGBT- oder Mosfet- Schalter verwendet, und ohne einen Transformator auskommt. Transformatorlose Umrichter weisen einen höheren Wirkungsgrad auf. Jedoch ist die Erfindung auch auf Umrichter mit einem spannungsanpassenden und/oder galvanisch trennenden Transformator anwendbar.Preferably, the circuit arrangement according to the invention forms a converter, which is constructed from semiconductor switching elements, preferably uses low-loss IGBT or Mosfet switch, and manages without a transformer. Transformerless converters have a higher efficiency. However, the invention is also applicable to converters having a voltage-adapting and / or galvanic-separating transformer.
Vorteilhafterweise ermöglicht die vorliegende Erfindung, zwischen den Gleichspannungszweigen und dem Neutralleiter wenigstens zwei Gleichspannungserzeuger oder -Verbraucher anzuschließen. Dies erweitert den Anwendungsbereich gegenüber herkömmlichen Schaltungen, die für lediglich einen Generator oder Verbraucher ausgelegt sind.Advantageously, the present invention makes it possible to connect at least two DC voltage generators or consumers between the DC voltage branches and the neutral conductor. This extends the scope of application over conventional circuits designed for only one generator or consumer.
In einer bevorzugten Anwendungsform wird die Erfindung zur Einspeisung elektrischer Energie bspw. in ein öffentliches Stromnetz eingesetzt. Die Energie kann z.B. mit Fotovoltaik- Generatoren aus Sonnenlicht gewonnen oder durch Akkumulatoren, Brennstoffzellen oder dgl . geliefert werden. Der erzeugte Wechselstrom wird dem Wechselstrorαnetz mit der richtigen Amplitude, Frequenz und Phasenlage zugeführt. Bei der Energieeinspeisung befindet sich während des die Spule aufladenden Teils der Taktung in beiden Halbwellen in dem Strompfad jeweils nur ein Schalter, der hochfrequent zu schalten ist. Folglich sind die Durchlassverluste gering. Eine Rückkommutierung des Drosselstromes in die zwei Energiezwischenspeicher wird durch die erfindungsgemäße Ansteuerung der Schalterelemente in den Weichenpfaden wirksam minimiert . Der durch diese Schalterelemente für jede Netzspannungshalbwelle eröffnete Weichenpfad ermöglicht eine Abmagnetisierung der Speicherdrossel, ohne dass E- nergie zurück in den Gleichstromkreis mit den Energiezwischenspeichern zurückgeführt wird. Der Wirkungsgrad ist erhöht.In a preferred embodiment, the invention for feeding electrical energy, for example. In a public Electricity network used. The energy can be obtained, for example, with photovoltaic generators from sunlight or by accumulators, fuel cells or the like. to be delivered. The generated alternating current is fed to the Wechselstrorαnetz with the correct amplitude, frequency and phase. In the power supply is located during the coil charging part of the clock in both half-waves in the current path only one switch, which is to be switched high frequency. As a result, the conduction losses are low. A Rückkommutierung the inductor current in the two intermediate energy storage is effectively minimized by the inventive control of the switch elements in the turnout paths. The switch path opened by these switch elements for each mains voltage half-wave enables a demagnetization of the storage choke, without energy being fed back into the DC circuit with the energy buffers. The efficiency is increased.
In einer anderen Anwendungsform wird die Schaltungsanordnung zur Entnahme von Energie aus einem Wechselspannungsnetz und zur Versorgung von wenigstens zwei Gleichspannungsverbrauchern eingesetzt. Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ermöglicht es, die Energie verlustarm und sinusförmig zu entnehmen. Hierzu werden die Schaltereinheiten und Schalterelemente derart angesteuert, dass die Speicherdrossel über die Sinushalbwelle einer an den Wechselspannungsanschlüssen angelegten Netzspannung weitgehend unter Verwendung der anliegenden Span¬ nung zwischen Netzphase und Neutralleiter aufgeladen wird. Le¬ diglich im Bereich des Nulldurchgangs der Netzspannung ist für ein schmales Zeitfenster der Einsatz von Energie aus dem die Energiezwischenspeicher enthaltenden Gleichstromkreis erfor¬ derlich. Hier wird in Ermangelung_ einer ausreichenden Spannung zwischen Netzphase und Neutralleiter auf die konventionelle Taktung des gegenüberliegenden Schalters zur Aufladung der Drossel zurückgegriffen.In another embodiment, the circuit arrangement for removing energy from an AC voltage network and for supplying at least two DC consumers is used. The control device according to the invention makes it possible to remove the energy with low loss and sinusoidal. For this, the switch units and switch elements are controlled such that the storage choke on the half sine wave of voltage applied to the AC voltage connections mains voltage largely using the applied tension ¬ is charged between mains phase and neutral. Le ¬ is diglich in the area of the zero crossing of the line voltage for a narrow window of time, the use of energy from the energy buffer containing DC circuit erfor ¬ sary. Here, in the absence of a sufficient voltage between mains phase and neutral conductor to the conventional clocking of the opposite switch for charging the Choke used.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann eine einphasige Umrichterkonfiguration bilden oder zu einer dreiphasigen Konfiguration erweitert werden. Für jede Phase ist eine Halbbrücke mit lediglich zwei Schaltereinheiten und eine Weichenschaltung mit nur zwei Weichenpfaden erforderlich. Insbesondere in der dreiphasigen Konfiguration ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungstopologien, die eine Vollbrückenschaltung mit drei Brückenzweigen verwenden, der Spannungshub an den Schaltern geringer, weil die Brückenschaltungen an den Neutralleiter angebunden sind und somit über die zugehörigen Schaltungsäste nur ein reduzierter Spannungshub auszuführen ist. Die Schaltverluste sind deutlich verringert. Mit nur einem Schalter pro Pfad sind auch die Durchlassverluste kleiner.The circuit arrangement according to the invention can form a single-phase converter configuration or be extended to a three-phase configuration. For each phase, a half-bridge with only two switch units and a switch circuit with only two switch paths is required. In particular, in the three-phase configuration is in the embodiment of the invention compared to conventional circuit topologies using a full bridge circuit with three bridge arms, the voltage swing at the switches lower because the bridge circuits are connected to the neutral and thus perform on the associated circuit branches only a reduced voltage swing is. The switching losses are significantly reduced. With only one switch per path, the forward losses are also smaller.
Sowohl bei der ein- als auch bei der dreiphasigen Konfiguration kann auf der Gleichstromseite wenigstens ein weiterer Wechselrichter angeschlossen sein. Dadurch ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung den Wechselstrom o- der die Wechselspannung eines öffentlichen Netzes zunächst in einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung umzuwandeln, um diesen bzw. diese anschließend mittels des weiteren Wechselrichters in einen Wechselstrom mit bspw. zum Antrieb eines Motors geeigneten Parametern, wie Amplitude, Frequenz und dgl . , umzuwandeln. Der Wechselrichter kann auf herkömmliche Weise oder vorzugsweise gemäß der Erfindung ausgestaltet sein.Both in the one-and three-phase configuration, at least one other inverter can be connected on the DC side. This makes it possible with the circuit arrangement according to the invention, the AC o- of the AC voltage of a public network first to convert a DC or DC voltage to this or these then by means of another inverter in an alternating current with, for example. For driving a motor suitable parameters such as amplitude, frequency and the like. to transform. The inverter may be configured in a conventional manner or preferably according to the invention.
In einer bevorzugten, einfach aufgebauten Ausführungsform weist di_e Wei_chenschaltung pro Phase lediglich zwei Weichenpfade auf, die jeweils einer Halbwelle zugeordnet sind. In je¬ dem Weichenpfad ist ein Schalter mit einer zu dem Schalter pa- rallel angeschlossenen Freilaufdiode und eine in Reihe geschaltete Gleichrichterdiode angeordnet. Die Gleichrichterdioden in den einzelnen Weichenpfaden sind zueinander in entgegengesetzter Durchlassrichtung geschaltet. Ist ein Schalter in einem Weichenpfad geschlossen, ist ein Freilaufström durch diesen Weichenpfad freigegeben. Jeder Schalter mit der zugehörigen Gleichrichterdiode kann oder beide Weichenpfade gemeinsam können in Form eines einzigen integrierten Bauelementes realisiert sein.In a preferred, simply constructed embodiment, the di_e Wei_chenschaltung per phase has only two turnout paths, which are each associated with a half-wave. In each ¬ the switch path is a switch with a switch to the switch Rallel connected freewheeling diode and a rectifier diode connected in series. The rectifier diodes in the individual switch paths are connected to one another in the opposite forward direction. If a switch is closed in a switch path, a freewheeling flow is released through this switch path. Each switch with the associated rectifier diode or both switch paths together can be realized in the form of a single integrated component.
Die Steuerungseinrichtung kann sämtliche Schalter gemäß einem im Voraus festgelegten Taktschema schalten. In einer bevorzugten Ausführungsform erfasst die Steuerungseinrichtung aber Parameter, die Betriebsbedingungen kennzeichnen, um basierend auf den Betriebsparametern die Schalter anzusteuern. Hierzu weist sie vorzugsweise eine Sensoreinrichtung mit Sensormitteln zur Erfassung der an den Energiezwischenspeichern anliegenden Spannungen, der in den Gleichspannungszweigen fließenden Ströme und/oder der an den Wechselspannungsanschlüssen anliegenden Wechselspannung auf. Ferner weist die Steuerungseinrichtung logische Mittel auf, die dazu dienen, die erfassten Parameter miteinander und gegebenenfalls mit vorgebbaren Schwellenwerten zu vergleichen und daraufhin die Schalterelemente der Weichenschaltung zu schalten. Insbesondere sind die Logikmittel dazu eingerichtet, durch Freischaltung der Weichenpfade eine Rückkommutierung der Speicherdrosselströme zu den Energiezwischenspeichern weitgehend zu verhindern und erforderlichenfalls eine Leistungskompensation zu veranlassen. Somit können angeschlossene Gleichspannungsgeneratoren oder -Verbraucher im Wesentlichen in ihren optimalen Betriebspunkten betrieben werden . Die Steμerungseinrichtung mit den Logikmitteln ist vorzugsweise in Form einer Schaltung realisiert, kann aber auch einen Mikroprozessor, Mikrocontrol- ler oder dgl. umfassen.The controller may switch all switches according to a predetermined timing scheme. In a preferred embodiment, however, the controller detects parameters that characterize operating conditions to drive the switches based on the operating parameters. For this purpose, it preferably has a sensor device with sensor means for detecting the voltages applied to the intermediate energy stores, the currents flowing in the DC voltage branches and / or the alternating voltage applied to the AC voltage terminals. Furthermore, the control device has logic means which serve to compare the detected parameters with each other and optionally with predefinable threshold values and then to switch the switch elements of the point circuit. In particular, the logic means are adapted to largely prevent a back-commutation of the storage throttle currents to the energy buffers by enabling the switch paths and, if necessary, to cause a power compensation. Thus, connected DC generators or consumers can be operated substantially at their optimum operating points. The control device with the logic means is preferably realized in the form of a circuit, but can also be a microprocessor, microcontroller or the like.
Ein Leistungsausgleich wird, wenn er erforderlich ist, sowohl bei der Einspeisung von Energie in ein Netz als auch bei der Entnahme von Energie aus einem Netz vorgenommen. Im Falle der Energieeinspeisung wird in einer ausgewählten Netzspannungshalbwelle entsprechend dem geforderten Ausgleichsanteil gezielt der zugehörige Weichenpfad zum Neutralleiter geöffnet und eine Abmagnetisierung der Speicherdrossel über den Energiespeicher und die Freilaufdiode des gegenüberliegenden Gleichspannungszweiges erzwungen. Durch diesen, auf die positive oder negative Halbwelle beschränkten, kontrollierten kurzzeitigen Übergang auf eine herkömmliche Art der Rückkommutierung wird erfindungsgemäß ohne zusätzliche, dem Wechselrichter vorgeschaltete Mittel Energie in den jeweils anderen Gleichspannungszweig übertragen. Die übertragene Energiemenge reicht aus, um bspw. für zwei Fotovoltaikanlagen oder Brennstoffzellen bei den im Betrieb gewöhnlich vorkommenden, durch Herstellungstoleranzen oder Abschattungseffekte bedingten Leistungsabweichungen ein ausreichendes Maß an Kompensation zu erzielen. Der Wirkungsgrad ist kaum beeinträchtigt, nachdem die Aufladung des jeweils gegenüberliegenden Energiezwischenspeichers nur auf einen Bruchteil lediglich einer Halbwelle beschränkt ist. Bei der anderen Halbwelle wird erfindungsgemäß in der Freilaufphase der entsprechende Weichenpfad durchgeschaltet und der Strom ohne Rückkommutierungseffekte, verlustarm ins Netz gespeist.Power balancing, when needed, is done both when feeding energy into a grid and when drawing power from a grid. In the case of energy supply, the associated switch path to the neutral conductor is selectively opened in a selected mains voltage half-wave corresponding to the required compensation component and a demagnetization of the storage inductor is forced via the energy store and the freewheeling diode of the opposite direct-voltage branch. By this, limited to the positive or negative half wave, controlled short-term transition to a conventional way of Rückkommutierung invention is transferred without additional, the inverter upstream means energy in the other DC voltage branch. The amount of energy transferred is sufficient, for example, to achieve a sufficient degree of compensation for two photovoltaic systems or fuel cells in the operation usually occurring due to manufacturing tolerances or shading effects deviations in performance. The efficiency is hardly affected after the charging of the respective opposite energy buffer is limited to a fraction of only one half-wave. In the other half wave according to the invention in the freewheeling phase, the corresponding switch path is turned on and the current without Rückkommutierungseffekte, low-loss fed into the network.
Im Falle der Energieentnahme ist ebenfalls ein Leistungs¬ ausgleich zwischen den beiden Gleichspannungszweigen ohne zusätzliche, dem Wechselrichter„vorgeschaltete Mittel möglich. Hierzu wird das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren der Aufladung der Speicherdrossel mittels der vorhande- nen Spannung zwischen Netzphase und Neutralleiter und der kurzzeitigen Verwendung von Energie aus dem Gleichstromkreis im Bereich des Nulldurchgangs der Netzspannung dadurch weitergebildet, dass ausschließlich im Bereich der positiven bzw. negativen Halbwelle das Zeitfenster des Einsatzes von Energie aus dem Gleichstromkreis kontrolliert erweitert wird. Dadurch wird durch Rückkommutierung des Speicherdrosselstromes in den gegenüberliegenden Gleichspannungszweig ein Leistungsausgleich in dem erforderlichen Maße erzielt. Wie im Einspeisebetrieb wird auch hier der Wirkungsgrad unwesentlich beeinträchtigt.In the case of energy extraction is also a power ¬ compensation between the two DC voltage branches without additional, the inverter "upstream means possible. For this purpose, the above-described method of charging the storage choke according to the invention by means of the existing NEN voltage between the mains phase and neutral and the short-term use of energy from the DC circuit in the range of the zero crossing of the mains voltage further characterized in that only in the positive or negative half wave the time window of the use of energy from the DC circuit is controlled expanded. This achieves a power compensation to the required extent by Rückkommutierung the storage throttle current in the opposite DC voltage branch. As in the feed-in operation, the efficiency is negligibly affected here as well.
Die bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hervorgerufenen geringen Spannungshübe an der Speicherdrossel erzeugen eine ebenso geringe Stromwelligkeit in dem die Speicherdrosselstrom. Die Speicherdrossel kann wegen der dadurch geringeren Eisenverluste und geringeren erforderlichen Induktivität kleiner dimensioniert werden. Da der invertierte Strom in dem die Drossel aufladenden Betriebsfall stets nur durch eine Schaltereinheit fließt, entstehen geringere Durchlassverluste, während sich durch die geringeren Spannungshübe die Schaltverluste verringern. Insgesamt führt dies zu geringeren Halbleiterverlusten. Folglich können sekundäre Bauteile, wie z.B. Kühlkörper, kleiner dimensioniert werden. Weil, abgesehen von einer gewollten Leistungskompensation, Rückkommutierungs- effekte vermieden werden, können kostengünstigere Kondensatoren eingesetzt werden, die auf eine geringere Wechselstrombelastung ausgelegt sind. Insbesondere im Falle einer dreiphasi¬ gen Anordnung ist es möglich, den Gleichstromkreis ohne Einsatz von Elektrolytkondensatoren auszuführen, was enorme Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer und der Lagerfähigkeit der Umrichte_r ergibt.The caused in the circuit arrangement according to the invention low voltage swings on the storage choke generate an equally low current ripple in which the storage throttle current. The storage choke can be made smaller because of the resulting lower iron losses and lower inductance required. Since the inverted current in the operating case charging the throttle always flows only through one switch unit, lower forward losses occur, while the lower voltage swings reduce the switching losses. Overall, this leads to lower semiconductor losses. As a result, secondary components such as heat sinks can be made smaller. Because back commutation effects are avoided, apart from a desired power compensation, lower cost capacitors designed for lower AC load can be used. Especially in the case of a dreiphasi ¬ gen arrangement, it is possible to make the DC circuit without the use of electrolytic capacitors, resulting in huge advantages in terms of durability and storability of the Umrichte_r.
Durch die erfindungsgemäße Schaltungstopologie und die geringe Anzahl jeweils aktiver Bauteile in dieser ist ein sehr kompakter Aufbau der Halbleiter und der an der Kommutierung beteiligten Bauteile und damit eine Reduktion der von diesen aufgespannten Fläche möglich. Da zusätzlich die Änderungen des Stromes und der Spannung pro Zeiteinheit geringer ausfallen können, verursacht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung geringere elektromagnetische Störungen. Gewöhnlich verwendete externe Filterbauteile, wie Drosseln oder Kondensatoren, zur Unterdrückung dieser elektromagnetischen Störungen können weggelassen oder zumindest kleiner dimensioniert und damit wirtschaftlicher ausgeführt werden.By the circuit topology according to the invention and the small number of active components in this is a very compact design of the semiconductor and the components involved in the commutation and thus a reduction of the area spanned by this possible. In addition, since the changes of the current and the voltage per unit time can be smaller, the circuit arrangement according to the invention causes less electromagnetic interference. Commonly used external filter components, such as chokes or capacitors, to suppress these electromagnetic disturbances can be omitted or at least made smaller and thus made more economical.
Die Möglichkeit des gleichspannungsseitigen Anschlusses eines Pols der Gleichspannungsquellen/-senken an den durch den Inverter hindurchgeführten Neutralleiter stellt sicher, dass an den angeschlossenen Geräten keine durch die Taktung des In- verters bedingten hoch- oder niederfrequenten Spannungsschwankungen auftreten können, welche zu Ableitströmen über parasitäre Kapazitäten führen könnten. Dadurch wird die elektromagnetische Verträglichkeit weiter verbessert. Das beträchtliche Gefährdungspotenzial durch hochfrequente Spannungssprünge bei Berührung der isolierten Moduloberflächen, z.B. eines Solargenerators, wird eliminiert. Für den Betrieb der Schaltungsanordnung in einer dreiphasigen ümrichterkonfiguration führt die direkte Anbindung des motorseitigen Wechselrichters über den Neutralleiter zu einer wesentlich geringeren Isolationsbelastung des Motors hinsichtlich der Maximalamplitude der anliegenden Spannung gegenüber dem Erdpotenzial.The possibility of DC-side connection of one pole of the DC voltage sources / sinks to the neutral conductor passed through the inverter ensures that no high-frequency or low-frequency voltage fluctuations due to the clocking of the inverter can occur at the connected devices, which leads to leakage currents via parasitic capacitances could lead. As a result, the electromagnetic compatibility is further improved. The considerable hazard potential due to high-frequency voltage jumps when touching the isolated module surfaces, e.g. a solar generator is eliminated. For the operation of the circuit arrangement in a three-phase Ümrichterkonfiguration the direct connection of the motor-side inverter via the neutral leads to a much lower isolation load of the motor with respect to the maximum amplitude of the applied voltage to the ground potential.
Die Erfindung ermöglicht es, Schaltnetzteile, Pulsgleich¬ richter oder Wechselrichter zu realis_ie_ren, _ die einen besonders guten Wirkungsgrad und geringe elektromagnetische Rück¬ wirkungen aufweisen und bei einfachem, kostengünstigem Aufbau eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer sicherstellen.The invention makes it possible to realis_ie_ren switching power supplies, pulse DC ¬ rectifiers or inverters, which have _ ¬ effects a particularly good efficiency and low electromagnetic return and with a simple, inexpensive structure ensure high reliability and long life.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen .Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of the drawing, the description or subclaims.
In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:In the drawings, embodiments of the invention are illustrated. Show it:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung für einen Umrichter gemäß der Erfindung in einer einphasigen Konfiguration;1 shows a circuit arrangement for a converter according to the invention in a single-phase configuration;
Figur 2 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Spannung an der Speicherdrossel, der Ströme und der Steuersignale bei der Schaltungsanorndung nach Fig. 1 im Falle einer Einspeisung von Energie in ein Netz ohne Leistungsausgleich;Figure 2 is a schematic representation of the time course of the voltage across the storage inductor, the currents and the control signals in the Schaltungsanorndung of Figure 1 in the case of an injection of energy into a network without power compensation.
Figur 3 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung für den Fall einer Einspeisung von Energie in ein Netz mit Leistungsausgleich;Figure 3 is a representation similar to Figure 2 in the case of a supply of energy in a network with power compensation.
Figur 4 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Spannung an der Speicherdrossel, der Ströme und der Steuersignale bei der Schaltungsanorndung nach Fig. 1 im Falle einer Entnahme von Energie aus einem Netz ohne Leistungsausgleich;Figure 4 is a schematic representation of the profile of the voltage across the storage inductor, the currents and the control signals in the Schaltungsanorndung of Figure 1 in the case of removal of energy from a network without power compensation.
Figur 5 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung für den Fall einer Entnahme von Energie aus einem Netz mit Leis¬ tungsausgleich;Figure 5 is a view similar to Figure 4 tung compensating for the case of a removal of energy from a network with ¬ Leis.
Figur 6a und 6b Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aus- führungsform nach Fig. 1;6a and 6b further developments of the invention guide mold according to Fig. 1;
Figur 7 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer dreiphasigen Konfiguration undFigure 7 shows a circuit arrangement according to the invention in a three-phase configuration and
Figur 8 eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Umrichter- schaltung nach Fig. 7.8 shows a development of the converter circuit according to the invention according to FIG. 7.
Fig. 1 zeigt leicht schematisiert eine Schaltungsanordnung 1 eines Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung. In der veranschaulichten einphasigen, transformatorlosen Konfiguration dient der Umrichter 1 als Wechselrichter zur Erzeugung und Einspeisung eines Wechselstromes in ein externes Netz. Hierzu weist der Umrichter 1 drei Gleichspannungsanschlüsse 2, 3, 4, zwei Energiezwischenspeicher 6, 7, eine Brückenschaltung 8, eine Weichenschaltung 9, eine Steuerungseinrichtung 11 und zwei Wechselspannungsanschlüsse 12, 13 auf. An den Gleichspannungsanschlüssen 2, 3, 4 sind hier zwei Gleichspannungsgeneratoren 14, 16, bspw. Fotovoltaikgeneratoren, Brennstoffzellen, Akkumulatoren oder dgl . , in Reihe zueinander angeschlossen, während an den Wechselspannungsanschlüssen 12, 13 eine externe Netzspannung UNETZ angelegt ist.Fig. 1 shows a schematic diagram of a circuit arrangement 1 of an inverter according to the present invention. In the illustrated single-phase, transformerless configuration, the inverter 1 serves as an inverter for generating and supplying an alternating current to an external network. For this purpose, the inverter 1 has three DC voltage terminals 2, 3, 4, two intermediate energy stores 6, 7, a bridge circuit 8, a point circuit 9, a control device 11 and two AC voltage terminals 12, 13. At the DC voltage terminals 2, 3, 4 are here two DC voltage generators 14, 16, for example. Photovoltaic generators, fuel cells, accumulators or the like. , connected in series to each other, while at the AC voltage terminals 12, 13, an external mains voltage U N E TZ is applied.
Ein erster Gleichspannungsanschluss 2 ist mit einem ersten Gleichspannungszweig 17 und ein zweiter Gleichspannungsanschluss 4 mit einem zweiten Gleichspannungszweig 18 verbunden, während der in der Mitte befindliche Gleichspannungsanschluss 3 durch die gesamte Schaltungsanordnung 1 hindurchgeführt ist und einen Neutralleiter 19 bildet. Dieser ist mit dem Wechsel- spannungsanschluss 13 verbunden und kann netzseitig, bspw. in einem Schaltschrank, durch Erdung auf ein definiertes Null- Potenzial gelegt werden. Gegebenenfalls können in dem Neutral¬ leiter 19 Filterelemente zur Unterdrückung hochfreguenter Stö- rungen enthalten sein. Die Generatoren 14, 16 sind jeweils an einem Gleichspannungszweig 17 bzw. 18 und an dem Neutralleiter 19 angeschlossen.A first DC voltage terminal 2 is connected to a first DC voltage branch 17 and a second DC voltage terminal 4 is connected to a second DC voltage branch 18, while the central DC voltage terminal 3 is passed through the entire circuit arrangement 1 and forms a neutral conductor 19. This is connected to the AC voltage connection 13 and can be connected to the ground, eg in a control cabinet, by grounding to a defined zero potential. Optionally, in the neutral ¬ conductor 19 filter elements for the suppression of high-frequency disturbances be included. The generators 14, 16 are each connected to a DC voltage branch 17 and 18 and to the neutral conductor 19.
Die Energiezwischenspeicher 6, 7 sind parallel zu jedem Generator 14, 16, jeweils zwischen einem der Gleichspannungszweige 17 bzw. 18 und dem Neutralleiter ' 19 angeordnet. Sie sind vorzugsweise durch Pufferkondensatoren Cl und C2 gebildet. Parallel zu der Reihenschaltung aus den Energiezwischenspeichern 6 und 7 ist zwischen den Gleichspannungszweigen 17, 18 die Brückenschaltung 8 angeschlossen.The intermediate energy storage 6, 7 are arranged parallel to each generator 14, 16, between one of the DC voltage branches 17 and 18 and the neutral conductor '19th They are preferably formed by buffer capacitors Cl and C2. Parallel to the series connection of the intermediate energy stores 6 and 7, the bridge circuit 8 is connected between the DC voltage branches 17, 18.
Die Brückenschaltung 8 ist als herkömmliche Halbbrücke ausgebildet, die zwei in Reihe miteinander verbundene Schaltereinheiten Sl und S2 aufweist, die mit hohen Frequenzen von bis zu 100 kHz schaltbar sind. Bevorzugterweise werden hierzu verlustarme IGBT- (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOS-Feldeffekttansistor-Schalter eingesetzt, obwohl auch andere Schalterrealisierungen möglich sind. Parallel zu jeder Schaltereinheit Sl, S2 ist eine Freilaufdiode Dl bzw. D2 in entgegengesetzter Durchlassrichtung angeordnet. Der Verbindungspunkt 20 zwischen den Schaltereinheiten Sl und S2 ist ü- ber eine Verbindungsleitung 21, die eine Speicherdrossel L enthält, an den Wechselspannungsanschluss 12 angeschlossen.The bridge circuit 8 is formed as a conventional half-bridge having two series-connected switch units Sl and S2, which are switchable at high frequencies of up to 100 kHz. Preferably, low loss IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOS field effect transistor switches are used, although other switch implementations are possible. Parallel to each switch unit Sl, S2, a freewheeling diode Dl or D2 is arranged in the opposite forward direction. The connection point 20 between the switch units Sl and S2 is connected via a connecting line 21, which contains a storage inductor L, to the AC voltage terminal 12.
Die Weichenschaltung 9 dient dazu, bei Bedarf auf gesteuerte Weise durch die Speicherdrossel L fließende Ströme umzuleiten. Die Weichenschaltung 9 ist hier durch eine Parallelschaltung zweier Weichenpfade 22, 23 gebildet, die der Brückenschaltung nachgeschaltet, zwischen der Verbindungsleitung 21 und dem -Neutralleiter, 1.9 verlaufen. Der Weichenpfad 22 weist ein Schalterelement S3 mit einer auf herkömmliche Weise antiparallel hierzu angeschlossenen Freilaufdiode D3 und eine Gleichrichterdiode D5 auf, die zu der Parallelanordnung aus dem Schalterelement S3 und der Diode D3 in Reihe liegt. Die Durchlassrichtung der Diode D3 weist von dem Neutralleiter 19 zu der Verbindungsleitung 21 hin. In ähnlicher Weise sind in dem Weichenpfad 23 ein Schalterelement S4 mit einer antiparallelen Freilaufdiode D4 sowie eine in Reihe hierzu angeordnete Gleichrichterdiode D6 vorgesehen. Die Anode der Gleichrichterdiode D6 ist mit der Verbindungsleitung 21 verbunden, so dass die Diode D6 in Bezug auf die Gleichrichterdiode D5 die entgegengesetzte Durchlassrichtung aufweist.The switch circuit 9 serves to redirect currents flowing through the storage inductor L as required in a controlled manner. The switch circuit 9 is formed here by a parallel connection of two switch paths 22, 23, which are connected downstream of the bridge circuit, run between the connecting line 21 and the neutral conductor, 1.9. The switch path 22 has a switch element S3 with a conventionally antiparallel connected freewheeling diode D3 and a Rectifier diode D5, which is connected to the parallel arrangement of the switch element S3 and the diode D3 in series. The forward direction of the diode D3 points from the neutral conductor 19 to the connecting line 21. Similarly, in the switch path 23, a switch element S4 are provided with an antiparallel freewheeling diode D4 and arranged in series thereto rectifier diode D6. The anode of the rectifier diode D6 is connected to the connection line 21, so that the diode D6 has the opposite forward direction with respect to the rectifier diode D5.
Zur Überwachung und Steuerung der Betriebsweise der Schaltungsanordnung 1 dient die Steuerungseinrichtung 11, die Teil der Schaltung 1 bildet oder auch teilweise in Form einer hiervon gesonderten integrierten Schaltung realisiert sein kann. Es kann auch ein Mikroprozessor oder dgl . verwendet werden. Jedenfalls enthält die Steuerungseinrichtung 11 zwei in Form von Blöcken 24, 26 dargestellte Funktionseinheiten. Der Block 24 kennzeichnet eine Sensoreinrichtung, die dazu dient, Betriebsparameter der Schaltungsanordnung 1 zu erfassen und hierfür kennzeichnende Signale 27 zu liefern. Hierzu enthält die Ξensoreinrichtung 24 geeignet eingerichtete, hier zur Vereinfachung der Veranschaulichung nicht näher dargestellte Sensormittel, zu denen bspw. Spannungsmesser zur Erfassung der an den Pufferkondensatoren Cl und C2 anliegenden Gleichspannungen UDCIΛ UDC2 der Gleichstromkreise, Strommesser zur Erfassung der in den Gleichspannungszweigen 17, 18 durch die Halbbrückenkomponenten Sl, Dl bzw. S2, D2 fließenden Ströme Ii bzw. I2, ein Mittel zur Erfassung des durch die Drosselspule L fließenden Stromes IL und/oder Mittel gehören, die die zwischen den Anschlüssen^ 12 und 13 anfallende ^Spannung _UNEτz_ erfassen. Natür¬ lich können die hier angegebenen Spannungen oder Ströme anhand allgemein bekannter elektrotechnischer Beziehungen auch aus anderen erfassbaren Teilspannungen oder Teilströmen in der Schaltungsanordnung 1 hergeleitet werden.For monitoring and controlling the operation of the circuit arrangement 1, the control device 11, which forms part of the circuit 1 or may be partially realized in the form of a separate integrated circuit is used. It may also be a microprocessor or the like. be used. In any case, the control device 11 contains two functional units in the form of blocks 24, 26. The block 24 identifies a sensor device which serves to detect operating parameters of the circuit arrangement 1 and to supply signals 27 indicative thereof. For this purpose the Ξensoreinrichtung contains suitable furnished sensor means, not shown here for simplicity of illustration 24, for example, to which. Voltmeter for detecting the buffer capacitors Cl and C2 applied DC voltages U DC I Λ U DC2 of equal circuits, current meter for detecting the DC voltage branches 17, 18 flows through the half-bridge components Sl, Dl or S2, D2 currents Ii and I 2 , a means for detecting the current flowing through the inductor L current I L and / or means belonging to the between the terminals ^ 12 and 13 resulting voltage ^ _U NE τz_ capture. Natuer ¬ Lich the voltages or currents given here can by generally known electro-technical relations also other detectable partial voltages or partial currents in the circuit 1 are derived.
Der Block 26 kennzeichnet Logikelemente der Steuerungseinrichtung 11, die dazu eingerichtet sind, die von der Sensoreinrichtung 24 gelieferten Signale 27 entgegenzunehmen und zu verarbeiten, um basierend darauf die Schaltereinheiten Sl und S2 der Halbbrücke 8 wie auch die Schalterelemente S3 und S4 der Weichenschaltung 9 geeignet anzusteuern. Dies ist in Fig. 1 durch gestrichelt angedeutete Ansteuerungspfade veranschaulicht, von denen einer exemplarisch mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist. Die Logikelemente 26 können insbesondere eine Vergleicherlogik, um die gemessenen Spannungen oder Ströme miteinander oder mit vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwerten zu vergleichen, sowie eine Entscheidungslogik enthalten, um basieren auf den Ergebnissen der Vergleiche die geeignete Ansteuerungsstrategie zu wählen.The block 26 identifies logic elements of the control device 11 which are adapted to receive and process the signals 27 supplied by the sensor device 24 in order to suitably control the switch units S1 and S2 of the half-bridge 8 as well as the switch elements S3 and S4 of the switch circuit 9 based thereon , This is illustrated in Fig. 1 by dashed lines indicated driving paths, one of which is exemplified by the reference numeral 28. In particular, the logic elements 26 may include comparator logic to compare the measured voltages or currents with each other or to predetermined or predeterminable thresholds, as well as decision logic to select the appropriate driving strategy based on the results of the comparisons.
Die Funktionsweise der insoweit beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 ist nachstehend mit Bezug auf Fig. 2 und 3 beschrieben, die vereinfachte Diagramme mit Zeitverläufen wichtigster Spannungen und Ströme sowie Steuerungssignale in der Schaltungsanordnung 1 für den in Fig. 1 veranschaulichten Fall der Einspeisung von Energie in ein Netz veranschaulichen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 funktioniert wie folgt:The operation of the inventive circuit arrangement 1 described so far is described below with reference to FIGS. 2 and 3, the simplified diagrams with time histories of the most important voltages and currents and control signals in the circuit arrangement 1 for the illustrated in Fig. 1 case of the supply of energy into a network illustrate. The circuit arrangement 1 according to the invention functions as follows:
Es wird angenommen, dass an den Wechselspannungsanschlüssen eine Wechselspannung UNETZ mit einer Scheitelspannung von Λ/2-230 Volt und einer Frequenz von 50 Hz anliegt, wie sie aus der obersten- Diagrammdarstellung in Frg. ~2 für eine Periode - ersichtlich ist. Zur Wechselrichtung der von den Generatoren 14, 16 erzeugten Gleichspannung werden die Schalter Sl bis S4 in Abhängigkeit von der Polarität der Netzspannung UNETz durch die Steuerungseinrichtung 11 nach einem bestimmten Taktmuster geschlossen und geöffnet. Es sollte beachtet werden, dass aus Übersichtlichkeitsgründen in der Diagrammdarstellung die Tastverhältnisse der Schaltereinheiten Sl und S2 in jeweiligen Zeitabschnitten der Netzspannungshalbwelle beispielhaft eingezeichnet sind. In Wirklichkeit beträgt deren Schaltfrequenz bspw. 16 kHz oder mehr. Vorteilhafterweise wird pro Halbwelle nur eine Schaltereinheit Sl bzw. S2 geschaltet, was die Durchlassverluste minimiert und einen hohen Wirkungsgrad fördert.It is assumed that there is an AC voltage U NETZ with a peak voltage of Λ / 2-230 V and a frequency of 50 Hz at the AC voltage terminals, as shown in the uppermost diagram in Frg. ~ 2 for one period - can be seen. For the direction of change of the DC voltage generated by the generators 14, 16, the switches Sl to S4 as a function of the polarity of the mains voltage U NET z closed and opened by the controller 11 according to a specific clock pattern. It should be noted that for reasons of clarity in the diagram representation of the duty cycles of the switch units Sl and S2 are shown in each time segments of the mains voltage half-wave by way of example. In reality, their switching frequency is, for example, 16 kHz or more. Advantageously, only one switch unit Sl or S2 is switched per half-wave, which minimizes the forward losses and promotes high efficiency.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen, wird in der positiven Halbwelle der Netzspannung ÜNETZ die Schaltereinheit Sl hochfrequent geschaltet. Ferner ist das Schalterelement S3 in dem Weichenpfad 22 geschlossen, während die Schalter S2 und S4 geöffnet bleiben, so dass ein Stromfluss durch diese verhindert ist. Beim Schließen der Schaltereinheit Sl der Halbbrücke 8 liegt die Spannung UDCi an der Drosselspule L an, wodurch der Strom IL ansteigt und die Drosselspule aufmagnetisiert wird.As can be seen from FIG. 2, in the positive half-wave of the mains voltage U NETZ, the switch unit S1 is switched to high-frequency. Further, the switch element S3 is closed in the switch path 22, while the switches S2 and S4 remain open, so that a current flow is prevented by this. When closing the switch unit Sl of the half-bridge 8, the voltage U DC i is applied to the choke coil L, whereby the current I L increases and the choke coil is magnetized.
Während der Freilaufphase, wenn die Schaltereinheit Sl geöffnet ist, wird die Drosselspule L abmagnetisiert, wobei der positive Drosselspulenstrom IL weiter fließt, sein Betrag jedoch allmählich abnimmt. Der Drosselspulenstrom IL kommutiert dabei über die geschlossenen Schalter S3 und die Gleichrichterdiode D5 in dem Weichenpfad 22, der als Freilaufpfad dient. Der Drosselspulenstrom IL gelangt nicht zurück zu dem Pufferkondensator C2. Die damit verbundenen Energieverluste und Wir- kungsgradverschlechterungen werden wirksam vermieden.During the freewheeling phase, when the switch unit S1 is opened, the choke coil L is demagnetized, wherein the positive choke current I L continues to flow, but its amount gradually decreases. The inductor current I L commutates via the closed switch S3 and the rectifier diode D5 in the switch path 22, which serves as a freewheeling path. The reactor current I L does not return to the buffer capacitor C2. The associated energy losses and deterioration in efficiency are effectively avoided.
Vorteilhafterweise fällt die Spannung UL in der Freilaufphase lediglich auf den Wert Null ab. Der Spannungshub, der von der Schaltereinheit Sl und der Freilaufdiode Dl bei jedem Takt auszuführen ist, ist somit auf den Wert der Gleichspan- nung üDCi beschränkt und somit relativ gering. Dies rührt daher, weil die Weichenpfade 22, 23 mit dem Neutralleiter 19 verbunden sind, an den auch der Generator 14 und der Pufferkondensator Cl angeschlossen sind.Advantageously, the voltage U L falls in the freewheeling phase only to the value zero. The voltage swing which is to be carried out by the switch unit S1 and the freewheeling diode D1 at each cycle is thus based on the value of the DC voltage. limited to DC i and therefore relatively low. This is because the switch paths 22, 23 are connected to the neutral conductor 19 to which also the generator 14 and the buffer capacitor Cl are connected.
Die Schaltereinheit Sl wird in der positiven Netzspannungshalbwelle wiederholt getaktet, wobei die Schließdauern im Bereich des Scheitelwertes der Netzspannung UNETZ länger sind als in der Nähe deren Nulldurchgänge, um dem jeweiligen Augenblickswert der Netzspannung UNEτz bei der Auf- und Abmagnetisie- rung der Speicherdrossel L gerecht zu werden. Diese Schalterbetätigung wird durch Pulsweitenmodulation der von der Steuerungseinrichtung 11 gelieferten Ansteuersignale 28 oder durch eine andere geeignete, das Tastverhältnis vorgebende Modulationsart erzielt. Der erzeugte Wechselstrom IL, wie er sich im Verlauf der Taktung im Mittel ergibt und in Fig. 2 punktiert angedeutet ist, ist hinsichtlich der Phasenlage und der Amplitude an den Potenzialverlauf der Wechselspannung UNEτz gut ange- passt. Gegenüber einer herkömmlichen Vollbrückenschaltung sind die Spannungshübe an der Speicherdrossel L geringer und verursachen eine nur geringe Welligkeit oder verhältnismäßig kleine Rippel in dem Spulenstrom IL. Dadurch ist eine ordnungsgemäße Einspeisung von Energie in das externe Netz möglich.The switch unit S1 is repeatedly clocked in the positive mains voltage half-wave, wherein the closing times in the range of the peak value of the mains voltage U NETZ are longer than in the vicinity of their zero crossings to the respective instantaneous value of the mains voltage U NE τz in the magnetization and demagnetization of the storage inductor L to meet. This switch operation is achieved by pulse width modulation of the control signals supplied by the controller 11 28 or by another suitable, the duty cycle predetermining type of modulation. The generated alternating current I L , as it results in the course of the clock average and is indicated in dotted lines in Fig. 2, with respect to the phase angle and the amplitude to the potential curve of the AC voltage U NE τz adapted well. Compared to a conventional full bridge circuit, the voltage swings at the storage inductor L are less and cause only a small ripple or relatively small ripple in the coil current I L. This allows a proper feed of energy into the external network.
In analoger Weise wird in der negativen Halbwelle der Netzspannung UNEτz bei geschlossenem Schalterelement S4 in dem Weichenpfad 23 und geöffneten Schaltern Sl und S3 die Schal¬ tereinheit S2 der Halbbrücke 8 geeignet angesteuert. Der Drosselspulenstrom IL fließt im Schließzustand der Schaltereinheit S2 von dem Gleichspannungszweig 18 über diese zu der Drosselspule L, _um_ sie aufzumagnetisieren, während er im Öffnungszustand der Schaltereinheit S2 über den nunmehr als Freilaufpfad dienenden Weichenpfad 23 mit dem geschlossen Schalterelement S4 kommutiert. Eine Rückführung der Energie in den Pufferkondensator Cl wird wiederum verhindert. Es gelten die obigen Ausführungen zum Betrieb während der positiven Halbwelle entsprechend.In a manner analogous to the mains voltage U NE τz closed switch element S4 is in the course path 23, and open switches Sl and S3, the scarf ¬ tereinheit S2 of the half-bridge 8 is suitably driven in the negative half-wave. The choke coil current I L flows in the closed state of the switch unit S2 of the DC branch 18 via this to the inductor L _um_ they aufzumagnetisieren while in the opening state of the switch unit S2 via the now serving as a freewheel path switch path 23 with the closed switch element S4 commutes. A return of the energy in the buffer capacitor Cl is again prevented. The above statements regarding operation during the positive half cycle apply accordingly.
Die Steuerungseinrichtung 11 steuert nicht nur die Brücke 8 und die Weicheneinrichtung 9 im Sinne eines vorteilhaften Betriebs der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1, insbesondere im Freilaufzustand, sondern sorgt darüber hinaus für eine gegebenenfalls erforderliche Leistungskompensation. Wenn bspw. die Generatoren 14, 16 in Form von Fotovoltaik-Generato- ren ausgebildet sind, die unterschiedlich stark abgeschattet sind, oder aus sonstigen Gründen, bspw. aufgrund von herstellungsbedingten Toleranzabweichungen unterschiedliche Leistungen abgeben, würde der in das Netz eingespeiste Wechselstrom IL einen Gleichanteil enthalten, der zu verhindern ist. Die Steuerungseinrichtung 11 bewirkt in diesem Fall einen derartigen Energieaustausch zwischen den Generatoren 14 und 16, dass bei¬ de in ihrem optimalen Betriebsbereich betrieben werden können.The control device 11 controls not only the bridge 8 and the switch device 9 in the sense of an advantageous operation of the circuit arrangement 1 according to the invention, in particular in the freewheeling state, but also ensures an optionally required power compensation. If, for example, the generators 14, 16 are designed in the form of photovoltaic generators, which are shaded to different degrees, or for other reasons, for example, give different powers due to tolerances due to manufacturing tolerances, the alternating current I L fed into the network would become one DC component to be prevented. The controller 11 causes in this case, such an energy exchange between the generators 14 and 16 that can be operated at ¬ de in their optimal operating range.
In Fig. 3 ist als Beispiel ein bezüglich des maximal möglichen 50%iger Leistungsausgleich von dem oberen Gleichspannungszweig 17 in den unteren Gleichspannungszweig 18 veranschaulicht. Die unterschiedliche Leistungsabgabe der Generatoren 14, 16 wird bspw. durch die Logikmittel 26 der Steuerungseinrichtung 11 anhand der mit der Sensoreinrichtung 24 erfass- ten Spannungen UDci/ UDC2 und/oder Ströme Ii, I2 festgestellt. Die Logikmittel 26 veranlassen daraufhin, dass das Schalterelement S3 während eines bestimmten Zeitanteils der positiven Halbwelle, der dem benötigten Leistungskompensationsgrad entspricht, geöffnete bleibt . Im Schließzustand der Schaltereinheit Sl ist die Funktionsweise wie oben skizziert. Im Freilaufzustand kommutiert nun aber der Drosselstrom IL nicht über den Weichenpfad 22, sondern über die Freilaufdiode D2 zu dem Pufferkondensator C2 zurück, der dadurch entsprechend aufgeladen wird. Die Hälfte der von dem Generator 14 zugeführten E- nergie wird von dem oberen 17 auf den unteren Gleichspannungszweig 18 übertragen.FIG. 3 illustrates by way of example a maximum possible 50% power compensation from the upper DC voltage branch 17 into the lower DC voltage branch 18. The different power output of the generators 14, 16 is determined, for example, by the logic means 26 of the control device 11 on the basis of the voltages U D ci / U DC 2 detected by the sensor device 24 and / or currents Ii, I 2 . The logic means 26 then causes the switch element S3 to remain open during a certain time portion of the positive half cycle corresponding to the required power compensation level. In the closed state of the switch unit Sl the operation is outlined as above. However, in the freewheel state, the inductor current I L does not commutate the switch path 22, but via the freewheeling diode D2 back to the buffer capacitor C2, which is thereby charged accordingly. Half of the energy supplied by the generator 14 is transferred from the upper 17 to the lower DC branch 18.
Während des Leistungsausgleichs erhöhen sich zwar die Spannungspotentialsprünge an der Halbbrücke 8 auf die Summe der Gleichspannungen UDci und UDC2, wie aus dem Verlauf der Spannung UL ersichtlich, und die Stromrippel in dem Drosselspulenstrom IL nehmen zu. Dies tritt aber nur während eines Bruchteils lediglich der positiven Halbwelle statt und ist für den Gesamtwirkungsgrad wenig schädlich. Im Gegenzug wird jedoch ein gezielter Leistungsausgleich ermöglicht.During power equalization, although the voltage potential jumps at the half-bridge 8 increase to the sum of the DC voltages U D ci and U DC 2, as can be seen from the course of the voltage U L , and the current ripple in the inductor current I L increase. However, this occurs only during a fraction of only the positive half-wave and is little harmful to the overall efficiency. In return, however, a targeted compensation is possible.
Ist ein geringerer oder höherer Grad an Leistungskompensation erforderlich, wird die gesamte Öffnungsdauer des Schalterelementes S3 in jeder positiven Halbwelle entsprechend verkürzt bzw. verlängert. Dies kann auch durch mehrmaliges Öffnen und Schließen des Schalters S3 pro Halbwelle bewerkstelligt werden. Ist der Schalter S3 während der gesamten positiven Halbwelle geschlossen bzw. geöffnet, findet kein bzw. maximaler Leistungsausgleich statt. Unabhängig von der Ausgleichsrichtung ist der maximale Leistungsausgleich vom jeweiligen Verhältnis der Gleichspannungen UDci? UDC2 ZU dem Scheitelwert der Netzspannung UNETZ abhängig. Für die hier vorgesehenen Anwendungen, insbesondere Energiegewinnung und -einspeisung mittels in Reihe geschalteter Fotovoltaik- oder Brennstoffzellen- Generatoren, ist das mögliche Maß der Leistungskompensation ausreichend.If a lower or higher degree of power compensation is required, the entire opening duration of the switch element S3 is correspondingly shortened or lengthened in each positive half cycle. This can also be accomplished by repeatedly opening and closing the switch S3 per half-wave. If the switch S3 is closed or opened during the entire positive half-cycle, no or maximum power compensation takes place. Regardless of the compensation direction, the maximum power compensation of the respective ratio of the DC voltages U D ci ? U DC2 depends on the peak value of the mains voltage U NETZ . For the applications provided here, in particular energy generation and feeding by means of series-connected photovoltaic or fuel cell generators, the possible measure of the power compensation is sufficient.
Ein Leistungsausgleich von dem unteren Gleichspannungszweig 18 in den oberen Gleichspannungszweig 17 wird bei Bedarf entsprechend bewerkstelligt, indem das Schalterelement S4 während eines Teils der negativen Halbwelle der Netzspannung UNETZ geöffnet bleibt und eine Rückkommutierung des Drosselspulenstromes IL auf den Kondensator Cl gezielt ermöglicht wird.A power balance from the lower DC branch 18 to the upper DC branch 17 is required accomplished accordingly by the switch element S4 remains open during a part of the negative half cycle of the mains voltage U NETZ and a Rückkommutierung of the inductor current I L is made possible to the capacitor Cl targeted.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 bildet einen bidirektionalen Umrichter, der auch zur Entnahme von Energie aus einem externen Netz eingerichtet ist. Hierzu sollen die Generatoren 14, 16 in Fig. 1 entsprechende Verbraucher kennzeichnen. Die Funktionsweise ist in Fig. 4 für den Fall, dass kein Leistungsausgleich stattfindet, und in Fig. 5 für den Fall mit Leistungsausgleich veranschaulicht.The circuit arrangement 1 according to the invention forms a bidirectional converter which is also set up for the extraction of energy from an external network. For this purpose, the generators 14, 16 in Fig. 1 indicate corresponding consumers. The operation is illustrated in FIG. 4 for the case where no power compensation takes place, and in FIG. 5 for the case with power compensation.
Es soll zunächst die positive Halbwelle der Netzspannung ÜNETZ unter der Annahme betrachtet werden, dass sämtliche Schalter Sl bis S4 geöffnet sind. Im Nulldurchgang reicht die Netzspannung UNETZ gegen den Nullleiter 19 nicht aus, um die Drossel L aufzumagnetisieren. Deshalb wird zunächst die Schaltereinheit S2 hochfrequent angesteuert, um im geschlossenen Zustand das Potenzial der Spannung UL jeweils auf nahezu das Potenzial -UDC2 des Gleichspannungszweiges 4 zu bringen, um einen Strom- fluss von der Drosselspule L über die Schaltereinheit S2 zu ermöglichen. Dies ergibt einen ansteigenden Strom I2, der zu dem Gleichspannungszweig 18 und dem Kondensator C2 fließt. Im Öffnungszustand der Schaltereinheit S2 stellt sich ein Potential +UDCi an der Verbindungsleitung 21 ein und der dabei abnehmende Drosselspulenstrom I1, fließt über die Freilaufdiode Dl der Halbbrücke 8 auf den Gleichspannungszweig 17, was einen Strom Ii zur Aufladung des Kondensators Cl zur Folge hat, vgl. Fig. 4.First of all, the positive half-wave of the mains voltage U NETZ should be considered under the assumption that all switches S1 to S4 are open. At zero crossing, the mains voltage U NET against the neutral conductor 19 is insufficient to magnetize the inductor L. Therefore, the switch unit S2 is firstly driven in a high-frequency manner so as to bring the potential of the voltage U L to almost the potential -UD C2 of the DC voltage branch 4 in the closed state in order to allow a current flow from the choke coil L via the switch unit S2. This results in a rising current I 2 flowing to the DC branch 18 and the capacitor C2. In the open state of the switch unit S2, a potential + U DC i adjusts itself to the connecting line 21 and the thereby decreasing inductor current I 1 , flows via the freewheeling diode Dl of the half-bridge 8 to the DC voltage branch 17, resulting in a current Ii for charging the capacitor Cl has, cf. Fig. 4.
Sobald die Netzspannung ausreichend groß ist, bleibt die Schaltereinheit S2 geöffnet. Statt dessen wird das Schaltele- ment S4 in dem Weichenpfad 23 geschaltet. Im Schließzustand des Schalterelementes S4 wird die Drossel L von der Netzspannung ÜNETZ aufgeladen. Der Drosselspulenstrom IL fließt über das Schalterelement S4 und wird über den Neutralleiter verlustarm abgeleitet. Im Öffnungszustand des Schalterelementes S4 entlädt sich die Drossel L, wie vorstehend beschrieben, über die Freilaufdiode Dl zu dem Kondensator Cl. Auf diese Weise wird ein Verbrauch von Energie aus dem Energiezwischenspeicher 7 über die gesamte Dauer der positiven Halbwelle verhindert. Im Übergangsbereich zwischen der positiven Halbwelle der Netzspannung UNETZ und ihrer negativen Halbwelle wird mangels eines ausreichenden Potenzials wieder auf die oben erläuterte Weise die Schaltereinheit S2 angesteuert.As soon as the mains voltage is sufficiently high, the switch unit S2 remains open. Instead, the switching element ment S4 switched in the switch path 23. In the closed state of the switch element S4, the inductor L is charged by the mains voltage ÜNETZ. The inductor current I L flows through the switch element S4 and is dissipated via the neutral loss. In the opening state of the switch element S4, the throttle L discharges, as described above, via the freewheeling diode Dl to the capacitor Cl. In this way, a consumption of energy from the energy buffer 7 over the entire duration of the positive half-wave is prevented. In the transition region between the positive half-wave of the mains voltage U NETZ and its negative half-wave, the switch unit S2 is driven again in the manner described above in the absence of a sufficient potential.
In der negativen Halbwelle der Netzspannung UNEτz wird analog das Schalterelement Ξ3 statt S4 eingesetzt, wobei im Schließzustand des Schalterelementes S3 die Drossel L aufgeladen wird und im Öffnungszustand die Freilaufdiode D2 leitend ist, wodurch der Kondensator C2 aufgeladen wird. Im Bereich des Nulldurchgangs wird auf die gegenüberliegende Schaltereinheit Sl der Halbbrücke 8 zurückgegriffen.In the negative half wave of the mains voltage U NE τz the switch element Ξ3 instead of S4 is used analogously, wherein in the closed state of the switch element S3, the inductor L is charged and in the open state, the freewheeling diode D2 is conductive, whereby the capacitor C2 is charged. In the region of the zero crossing, the opposite switching unit S1 of the half bridge 8 is used.
In jeder Halbwelle wird lediglich eine Schaltereinheit Sl bzw. S2 der Brückenschaltung 8 geschaltet und, abgesehen von den Netzspannungsnulldurchgängen, eine Rückkommutierung des Stromes zu dem gegenüberliegenden Pufferkondensator Cl bzw. C2 minimiert. Die Spannung UL springt lediglich zwischen den durch die Gleichspannungen vorgegebenen Potenzialen und dem Nullpotential, also zwischen +UDci und Null bzw. zwischen -UDc2 und Null. Hierdurch ist die Welligkeit des Drosselspulenstromes IL gering. Folglich ist eine sinusförmige Entnahme von Energie aus dem Wechselspannungsnetz mit geringen Verlusten und hohem Wirkungsgrad möglich. Es ist aber zu beachten, dass bei der Energieentnahme die Dauer des Öffnungszustands der Schalterelemente S3 bzw. S4 in den Weichenpfaden 22, 23 im Bereich des Scheitelwertes der Netzspannung UNETZ durch entsprechende Ansteuerung größer zu wählen ist als in der Nähe der Nulldurchgänge.In each half-wave only one switch unit Sl or S2 of the bridge circuit 8 is switched and, apart from the mains voltage zero crossings, a Rückkommutierung the current to the opposite buffer capacitor Cl and C2 minimized. The voltage U L jumps only between the potentials given by the DC voltages and the zero potential, ie between + U D ci and zero or between -U D c2 and zero. As a result, the ripple of the inductor current I L is low. Consequently, a sinusoidal extraction of energy from the AC network with low losses and high efficiency is possible. But it should be noted that at the Energy extraction, the duration of the opening state of the switch elements S3 and S4 in the turnout paths 22, 23 in the range of the peak value of the mains voltage U NETZ to choose greater by appropriate control than in the vicinity of the zero crossings.
Wie Fig. 5 veranschaulicht, wird erfindungsgemäß eine Leistungskompensation erreicht, wenn einer der Verbraucher 14, 16 einen größeren Energiebedarf aufweist. Bspw. wird während der positiven Halbwelle der Netzspannung UNEχz das Zeitfenster in der Nähe des Nulldurchganges, in dem S2 getaktet wird, entsprechend verlängert, um eine Entladung des Kondensators C2 mittels des Stromes I2 zu verstärken. Je nach Tastverhältnis zwischen der Taktung der Schaltereinheit S2 und der anschließenden Taktung des Schalterelementes S4 wird pro Halbwelle ein entsprechendes Maß an Energieübertragung von dem unteren 18 in den oberen Gleichspannungszweig 17 erreicht. Ein Leistungsausgleich von dem oberen 17 in den unteren Gleichspannungszweig 18 kann in dem erforderlichen Maße während der negativen Halbwelle der Netzspannung UNEτz durch entsprechende Festlegung des Tastverhältnisses zwischen den Schaltern Sl und S3 erzielt werden.As illustrated in FIG. 5, a power compensation is achieved according to the invention if one of the consumers 14, 16 has a greater energy requirement. For example. During the positive half cycle of the mains voltage U NE χz, the time window in the vicinity of the zero crossing, in which S2 is clocked, is correspondingly extended in order to amplify a discharge of the capacitor C2 by means of the current I 2 . Depending on the duty ratio between the timing of the switch unit S2 and the subsequent clocking of the switch element S4 a corresponding amount of energy transfer from the lower 18 to the upper DC voltage branch 17 is achieved per half-wave. A power compensation from the upper 17 in the lower DC voltage branch 18 can be achieved to the extent necessary during the negative half cycle of the mains voltage U NE τz by appropriate determination of the duty cycle between the switches Sl and S3.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw. kann die Schaltungsanordnung 1 erweitert werden, um mehr als zwei in Reihe miteinander verbundene Gleichspannungserzeuger zu verwenden, die dann an mehrere Gleichspannungsanschlüsse anzuschließen sind und für die jeweils ein Energiezwischenspeicher vorzusehen ist. Die Brückenschaltung 8, die Weichenschaltung 9 und die Ansteuerungslogik 26 müssen entsprechend angepasst werden, um ausgehend von den. Gleichspannungen an den Energiezwischenspeichern 6, 7 eine Wechselspannung der gewünschten Frequenz und Amplitude zu erzeugen. Umgekehrt kann auch eine Wechselspannung UNETZ eines externen Netzes gleichgerichtet und auf mehrere Verbraucher verteilt werden. Außerdem können in dem Verbindungspfad 21 mehrere Speicherdrosseln L eingefügt sein. An den Wechselspannungsanschlüssen 12, 13 können Filtermittel zur Entstörung vorgesehen sein. Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren kann auch in Form von Firm- oder Software realisiert sein.Numerous modifications are possible within the scope of the invention. For example. For example, the circuit arrangement 1 can be extended to use more than two DC voltage generators connected in series, which are then to be connected to a plurality of DC voltage terminals and for each of which an energy buffer is to be provided. The bridge circuit 8, the switch circuit 9 and the control logic 26 must be adjusted accordingly to start from the. DC voltages at the intermediate energy stores 6, 7 to generate an AC voltage of the desired frequency and amplitude. Conversely, an AC voltage U NETZ an external network can be rectified and distributed to several consumers. In addition, a plurality of storage chokes L may be inserted in the connection path 21. At the AC voltage terminals 12, 13 filter means may be provided for suppression. The control method according to the invention can also be implemented in the form of firmware or software.
Die Dioden D3, D4 schützen den jeweiligen Halbleiter- Schalter S3, S4, können jedoch gegebenenfalls weggelassen werden. Dies insbesondere, wenn integrierte Halbleiter-Schalter mit Rückwärtssperrfähigkeit , bspw. selbstsperrende IGBT- Schalter, eingesetzt werden, sofern diese für hochfrequente Anwendungen geeignet sind.The diodes D3, D4 protect the respective semiconductor switch S3, S4, but may be omitted if necessary. This is particularly the case when integrated semiconductor switches with reverse blocking capability, for example self-blocking IGBT switches, are used, provided that they are suitable for high-frequency applications.
Für den ordnungsgemäßen Betrieb muss die Spannung UDCi bzw. UDc2 in dem jeweiligen Gleichstromkreis größer als der Scheitelwert der Netzspannung UNEτz sein. Fig. 6a und 6b zeigen Prinzipdarstellungen von Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Umrichters, die es ermöglichen, auch kleinere Spannungen UDCi bzw. UDc2 zu nutzen. Die Schaltungsanordnung 1 ist darin zur Vereinfachung lediglich in Form eines Blocks 1 dargestellt.For proper operation, the voltage U DC i or U D c 2 in the respective DC circuit must be greater than the peak value of the mains voltage U NE τz. 6a and 6b show schematic diagrams of developments of the converter according to the invention, which make it possible to use even smaller voltages U DC i and U D c 2 . The circuit arrangement 1 is shown therein for simplicity only in the form of a block 1.
Bei der in Fig. 6a dargestellten Lösung sind in den Gleichspannungszweigen 17, 18 auch als DC-Steller bezeichnete Hochsetzsteller 29a bzw. 29b eingefügt. Derartige Hochsetz- steller sind aus der Technik in unterschiedlichen Formen, bspw. als vorteilhafte Multi-String-Schaltungen, bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Es genügt zu erwähnen, dass jeder Hochsetzsteller 29a, 29b die Aufgabe hat, das Potential de_r von dem Generator 14 bzw. 16_ erzeugten Spannung auf ein für den Betrieb geeignetes Niveau UDCi bzw. UDc2 anzuheben. Damit können Probleme, die bei Verknüpfung von Ge- neratoren unterschiedlicher Typen oder bei starken Teilab- schattungen entstehen, mühelos bewältigt werden. Der Umrichter 1 kann im großen Leistungsbereich mit maximalem Ertrag betrieben werden. Der Betrieb der Hochsetzsteller 29a, 29b ist vorzugsweise durch einen Regler geregelt, der Teil der Steuerungseinrichtung 11 sein kann. Vorzugsweise ist ferner parallel zu jedem Hochsetzsteller 29a bzw. 29b ein Schalter S5a bzw. S5b angeordnet, der geschlossen werden kann, um den zugehörigen Hochsetzsteller 29a bzw. 29b bei Nichtgebrauch zu ü- berbrücken. Damit lassen sich Verluste minimieren.In the solution shown in FIG. 6a, boost converters 29a and 29b, which are also referred to as DC regulators, are inserted in the DC voltage branches 17, 18. Such Hochsetz- plates are known from the art in different forms, for example. As an advantageous multi-string circuits, and need not be further explained here. Suffice it to say that each step-up converter 29a, 29b has the task of raising the potential of the voltage generated by the generator 14 or 16_ to a level U DC i or U D c2 suitable for operation. This can be used to solve problems that arise when generators of different types or in the case of severe partial shading can be effortlessly mastered. The inverter 1 can be operated in the large power range with maximum yield. The operation of the boost converters 29a, 29b is preferably controlled by a regulator, which may be part of the control device 11. Preferably, a switch S5a or S5b is further arranged parallel to each boost converter 29a or 29b, which can be closed in order to bridge the associated boost converter 29a or 29b when not in use. This minimizes losses.
Die in Fig. 6b veranschaulichte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umrichters 1 weist anstelle der auf der Gleispannungsseite angeordneten Hochsetzsteller 29a, 29b auf der Wechselspannungsseite eine Ausblendschaltung 31 auf, die in der zu dem Wechselspannungsanschluss 12 führenden Verbindungsleitung 21 eingefügt ist. Die Schaltung 31 ist hier durch eine Parallelschaltung zweier selbstsperrender IGBT-Schalter Sβa, S6b gebildet, die entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen. Durch geeignete Ansteuerung der Schalter Sβa, S6b kann die Netzspannung UNEτz in Zeiträumen, in denen ihr Augenblickswert die gerade verwendete Gleichspannung UDCi bzw. UDC2 übersteigt, ausgeblendet werden, um auch in diesen Zeiträumen die Gleichspannungen zu nutzen. Natürlich können auch andere Schaltungen zu diesem Zweck eingesetzt werden. Bspw. können die selbstsperrenden IGBT-Schalter Sβa, Sβb auch durch andere Schaltertypen mit jeweils in der entsprechenden Durchlassrichtung ausgerichteten Gleichrichterdiode ersetzt werden. Vorteilhafterweise kann die Schaltung 31 einen weiteren Schalter S7 enthalten, um die Schalter Sβa, Sβb bei Nichtgebrauch zu überbrücken.The illustrated in Fig. 6b embodiment of an inverter 1 according to the invention has instead of the arranged on the Gleispannungsseite boost converter 29a, 29b on the AC side of a blanking circuit 31, which is inserted in the leading to the AC voltage connection 12 connecting line 21. The circuit 31 is formed here by a parallel connection of two self-blocking IGBT switches Sβa, S6b, which have opposite passage directions. By suitable activation of the switches Sβa, S6b, the mains voltage U NE τz can be masked out during periods in which its instantaneous value exceeds the DC voltage U DC i or U DC 2 that is currently being used in order to use the DC voltages also during these periods. Of course, other circuits can be used for this purpose. For example. For example, the normally-off IGBT switches Sβa, Sβb can also be replaced by other types of switches with rectifier diodes each oriented in the respective forward direction. Advantageously, the circuit 31 may include another switch S7 to bypass the switches Sβa, Sβb when not in use.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig. 7 und 8 veranschaulicht. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion besteht, wird unter Verwendung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.Further advantageous embodiments of the invention are illustrated in Figs. 7 and 8. As far as conformity in construction and / or function, reference is made to the above description using the same reference numerals.
Fig. 7 zeigt auf vereinfachte Weise eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1' in der dreiphasigen Umrichterkonfiguration. Die Schaltungsanordnung 1' enthält drei mit der Ξchal- tungsanordnung 1 nach Fig. 1 wie auch untereinander identisch ausgebildete Schaltkreise Ia, Ib, Ic, deren Komponenten durch Hinzufügung der Indizes a, b bzw. c kenntlich gemacht sind. Die Schaltkreise Ia, Ib, Ic sind gemeinsam an den Gleichspannungsanschlüssen 2, 4 angeschlossen, zwischen denen Energieerzeuger oder -Verbraucher in Reihe zueinander angeschlossen werden können und zu denen zwei Energiezwischenspeicher 6, 7 in Form von Pufferkondensatoren Cl und C2 jeweils parallel angeordnet sind. Ein dritter Gleichspannungsanschluss 3 ist mit einem Neutralleiter 19 verbunden, der allen Schaltkreisen Ia, Ib, Ic gemeinsam zugeordnet ist und vorzugsweise im Betrieb mit der Erde verbunden ist. Parallel zu den Pufferkondensatoren sind Halbbrückenschaltungen 8a, 8b, 8c angeordnet, von denen die Verbindungsleitungen 21a, 21b, 21c abzweigen, die über Drosselspulen L an die Wechselspannungsanschlüsse 12a, 12b, 12c angeschlossen sind. Zwischen den Verbindungsleitungen 21a, 21b, 21c und der Neutralleitung 19 sind erfindungsgemäße Weichenschaltungen 9a, 9b, 9c vorgesehen. Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 11 ist in Fig. 7 aus Übersichtlichkeits¬ gründen weggelassen.FIG. 7 shows, in a simplified manner, a circuit arrangement 1 'according to the invention in the three-phase converter configuration. The circuit arrangement 1 'contains three circuits Ia, Ib, Ic which are identical to the circuit arrangement 1 according to FIG. 1 as well as to one another and whose components are identified by adding the indices a, b or c. The circuits Ia, Ib, Ic are connected in common to the DC voltage terminals 2, 4, between which energy producers or consumers can be connected in series with each other and to which two intermediate energy storage 6, 7 are arranged in parallel in the form of buffer capacitors Cl and C2. A third DC voltage terminal 3 is connected to a neutral conductor 19, which is assigned to all the circuits Ia, Ib, Ic together and is preferably connected in operation to the ground. Half bridge circuits 8a, 8b, 8c are arranged parallel to the buffer capacitors, of which the connecting lines 21a, 21b, 21c branch off, which are connected via choke coils L to the AC voltage terminals 12a, 12b, 12c. Between the connecting lines 21a, 21b, 21c and the neutral line 19 turnouts 9a, 9b, 9c according to the invention are provided. The control device 11 according to the invention is omitted in Fig. 7 for reasons of Übersichtlichkeits ¬.
Hinsichtlich der genauen Anordnung und Ausgestaltung einzelner Komponenten der Schaltkreise Ia, Ib, Ic, insbesondere der -Halbbrücken 8a,- 8b, -8c und der _Weichenschaltungen 9a, 9b, 9c, sowie deren Funktionsweise wird auf die obigen Ausführun¬ gen im Zusammenhang mit der Ausführungsfqrm nach Fig. 1 ver- wiesen. Es soll hier nur kurz erwähnt werden, dass die Schaltungsanordnung 1' sowohl zur Wechselrichtung, um aus den Gleichspannungen UDCi und UDc2 einen dreiphasigen Wechselstrom (sog. Drehstrom) zu erzeugen, als auch zur Gleichrichtung verwendet werden kann, um ausgehend von einem von außen eingespeisten Drehstrom die Gleichspannungen UDci und UDC2 zu erzeugen. Dabei steuert die Steuerungseinrichtung 11 die Halbbrücken- und Weichenschaltungen 8a und 9a, 8b und 9b sowie 8c und 9c entsprechend dem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren geeignet an, um entweder zueinander jeweils um 120° phasenverschobene Drosselströme ILa/ ILb und ILc zu erzeugen, die in das Drehstromnetz eingespeist werden, oder um dem Drehstromnetz in vorteilhafter Weise hinsichtlich der Phasenlage und des Oberschwingungsgehalts Energie zur Versorgung der Gleichspannungsverbraucher zu entnehmen. Vorteilhafterweise wird pro Phase Ua, Ub, Uc und Halbwelle nur ein Brückenschalter SIa, SIb, Sic bzw. S2a, S2b, S2c hochfrequent geschaltet. Ferner kann in beiden Fällen eine Rückkommutierung der Drosselspulenströme zu den Pufferkondensatoren Cl und C2 im Freilaufzustand verhindert und bedarfsweise eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen 17 und 18 durchgeführt werden. Außerdem ist es möglich, bei Verwendung von Elektrolytkondensatoren auf eine Symmetrierung, die normalerweise für einen dreiphasigen Umrichter mit drei Brückenzweigen zwingend erforderlich ist, zu verzichten, weil die notwendige Gleichspannung UDCi bzw. UDC2 lediglich Werte im Bereich der wirtschaftlichen Verfügbarkeit von Elektrolytkondensatoren annimmt.As to the precise arrangement and configuration of individual components of the circuits Ia, Ib, Ic, in particular the -Halbbrücken 8a - 8b, and the -8C _Weichenschaltungen 9a, 9b, 9c, and their operation is limited to the above Ausführun ¬ gene linked to the Ausführungsfqrm according to Fig. 1 grasslands. It should be briefly mentioned here that the circuit arrangement 1 'can be used both for the alternating direction in order to generate a three-phase alternating current (so-called three-phase current) from the direct voltages U DC i and U D c2, and also for rectification in order to start from a three-phase current fed from the outside to generate the DC voltages U D ci and U DC2 . In this case, the control device 11 controls the half-bridge and switch circuits 8a and 9a, 8b and 9b and 8c and 9c suitably according to the control method according to the invention to either to each 120 ° phase-shifted inductor currents I La / ILb and I Lc to produce in the Are fed three-phase network, or to take the three-phase network in an advantageous manner with respect to the phase position and the harmonic content of energy to supply the DC consumers. Advantageously, only one bridge switch SIa, SIb, Sic or S2a, S2b, S2c is switched to high-frequency per phase Ua, Ub, Uc and half-wave. Further, in both cases, a Rückkommutierung the reactor currents to the buffer capacitors Cl and C2 prevented in the freewheeling state and, if necessary, a power compensation between the DC voltage branches 17 and 18 are performed. In addition, it is possible to dispense with the use of electrolytic capacitors on a balancing, which is normally mandatory for a three-phase inverter with three bridge arms , because the necessary DC voltage U DC i and U DC2 only assumes values in the range of economic availability of electrolytic capacitors ,
Bei der in Fig. 8 veranschaulichten Weiterbildung der Ausführungsform nach Fig. 7 ist an der Gleichspannungsseite des_ Umrichters 1' ein weiterer Inyerter 1' ' angeschlossen. Der durch Energieentnahme aus dem Drehstromnetz mit dem Umrichter 1' erzeugte Gleichstrom oder die Gleichspannung wird mittels des Inverters 1' ' in einen zum Antrieb eines Motors geeigneten Drehstrom umgewandelt. Der Inverter 1' ' kann beliebig ausgestaltet werden, ist jedoch vorzugsweise mit dem Umrichter 1' identisch ausgebildet und weist ebenfalls eine Weichenschaltung 9 auf, um Verluste im Betrieb zu minimieren und Leistung ausgleichen zu können. Vorteilhafterweise ist der Umrichter 1' ' unmittelbar an den Neutralleiter angebunden, wodurch das Auftreten durch die Taktung der Schalter verursachter Spannungsschwankungen und damit verbundener elektromagnetischer Störsignale minimiert. Durch geringere Spannungshübe an den Wicklungsanschlüssen von Motoren ist z.B. deren Isolationsbelastung deutlich verringert. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 8 kann auch zur Speisung eines externen Drehstromnetzes mittels eines Drehstromgenerators eingesetzt werden.In the embodiment of FIG. 7 illustrated in FIG. 8, a further inyerter 1 "is connected to the DC voltage side of the converter 1 '. The direct current generated by energy extraction from the three-phase network with the inverter 1 'or the DC voltage is by means of of the inverter 1 '' converted into a suitable for driving a motor three-phase current. The inverter 1 '' can be configured as desired, but is preferably identical to the inverter 1 'and also has a switch circuit 9 in order to minimize losses during operation and to compensate for power. Advantageously, the inverter 1 "is connected directly to the neutral conductor, whereby the occurrence of voltage fluctuations caused by the timing of the switches and the associated electromagnetic interference signals are minimized. Lower voltage swings at the winding terminals of motors, for example, their insulation load is significantly reduced. The circuit arrangement according to FIG. 8 can also be used to supply an external three-phase network by means of an alternator.
Eine Schaltungsanordnung 1 für einen bidirektionalen Umrichter weist in einer einphasigen Konfiguration zwei zwischen Gleichspannungszweigen 17, 18 in Reihe miteinander verbundene Gleichspannungserzeuger oder -Verbraucher 14, 16 auf, deren Verbindungspunkt an einen Neutralleiter 19 angeschlossen ist und zu denen parallel Energiezwischenspeicher 6, 7 sowie eine zwischen den Gleichspannungszweigen 17, 18 angeordnete Brückenschaltung 8 angeschlossen sind. Die Brückenschaltung 8 ist als Halbbrücke mit zwei in Reihe miteinander verbundenen Schaltereinheiten Sl, S2 ausgeführt, zu denen jeweils eine Freilaufdiode Dl, D2 antiparallel geschaltet ist. Der Mittelabgriff 20 der Brückenschaltung 8 ist über eine Verbindungsleitung 21, die eine Speicherdrossel L enthält, mit einem ersten Wechselspannungsanschluss 12 verbunden, während der Neutralleiter 19 mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss 13 verbunden ist.. Zwischen der Verbindungsleitung 21 und dem Neutralleiter 19 ist eine Weichenschaltung 9 mit Schalterelementen S3, S4 angeordnet. Eine Steuerungseinrichtung 11 steu- ert die Weichenschaltung 9 in Abhängigkeit von erfassten Betriebsbedingungen oder gemäß einem festgelegten Taktschema an, um bedarfsweise eine Kommutierung des im Freilaufzustand durch die Speicherdrossel L fließenden Stromes zu den Zwischenspeichern 6, 7 zu verhindern und/oder eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen 17, 18 zu bewerkstelligen. In einer Weiterbildung ist eine dreiphasige Umrichterkonfiguration geschaffen. A circuit arrangement 1 for a bidirectional converter has, in a single-phase configuration, two DC voltage generators or consumers 14, 16 connected in series between DC branches 17, 18, the connection point of which is connected to a neutral conductor 19 and to which energy buffer memories 6, 7 and one between the DC voltage branches 17, 18 arranged bridge circuit 8 are connected. The bridge circuit 8 is designed as a half-bridge with two switch units S1, S2 connected in series, to each of which a freewheeling diode D1, D2 is connected in antiparallel. The center tap 20 of the bridge circuit 8 is connected via a connecting line 21, which contains a storage inductor L, to a first AC voltage terminal 12, while the neutral conductor 19 is connected to a second AC voltage terminal 13. , Between the connecting line 21 and the neutral conductor 19, a switch circuit 9 is arranged with switch elements S3, S4. A control device 11 controls ert the switch circuit 9 in response to detected operating conditions or according to a fixed timing scheme to, if necessary, to prevent commutation of the freewheeling current flowing through the storage inductor L current to the latches 6, 7 and / or to accomplish a power compensation between the DC voltage branches 17, 18 , In a development, a three-phase converter configuration is created.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Schaltungsanordnung (1), insbesondere zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom,1. Circuit arrangement (1), in particular for converting direct current into alternating current or from alternating current into direct current,
mit wenigstens drei Gleichspannungsanschlüssen (2, 3, A), zu denen wenigstens zwei Gleichspannungszweige (17, 18) und ein Neutralleiter (19) gehören,with at least three DC voltage connections (2, 3, A), which include at least two DC voltage branches (17, 18) and a neutral conductor (19),
mit Energiezwischenspeichern (6, 7), die jeweils zwischen einem Gleichspannungszweig (17, 18) und dem Neutralleiter (19) angeschlossen sind,with energy buffers (6, 7) which are each connected between a DC voltage branch (17, 18) and the neutral conductor (19),
mit einer zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) angeordneten Brückenschaltung (8), die zwei Schaltereinheiten (Sl, S2) aufweist, die über einen Verbindungspunkt (20), der einen Mittelabgriff der Brückenschaltung (8) bildet, in Reihe miteinander verbunden sind und zu denen jeweils eine Freilauf- diode (Dl, D2) antiparallel geschaltet ist,with a bridge circuit (8) arranged between the DC voltage branches (17, 18), which has two switch units (S1, S2) connected in series via a connection point (20) which forms a center tap of the bridge circuit (8) and to each of which a freewheeling diode (D1, D2) is connected in antiparallel,
mit wenigstens zwei Wechselspannungsanschlüssen (12, 13), von denen einer (13) mit dem Neutralleiter (19) verbunden ist, während wenigstens ein anderer (12) über eine Verbindungsleitung (21) , in der wenigstens eine Speicherdrossel (L) enthalten ist, mit dem Mittelabgriff (20) der Brückenschaltung (8) verbunden ist,with at least two AC voltage terminals (12, 13), one of which (13) is connected to the neutral conductor (19), while at least one other (12) is contained via a connecting line (21) in which at least one storage choke (L) is contained, is connected to the center tap (20) of the bridge circuit (8),
mit einer Weichenschaltung (9) , die zwischen der Verbindungsleitung (21) und dem Neutralleiter (19) angeschlossene Weichenpfade (22, 23) und in den Weichenpfaden (22, 23) vorgesehene Schalterelemente (S3, S4) aufweist, die gesteuert schaltbar sind, um einen Stromfluß durch die Weichenpfade (22, 23) zu ermöglichen oder zu verhindern, undcomprising a switch circuit (9) which has switch paths (22, 23) connected between the connecting line (21) and the neutral conductor (19) and switch elements (S3, S4) provided in the switch paths (22, 23), which can be switched controlled; a current flow through the switch paths (22, 23) to enable or prevent, and
mit einer Steuerungseinrichtung (11), die dazu' eingerichtet ist, die Weichenschaltung (9) derart anzusteuern, um bedarfsweise eine Kommutierung des durch die Speicherdrossel (L) fließenden Stromes zu den Zwischenspeichern (6, 7) im Wesentlichen zu verhindern und/oder eine Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) zu bewerkstelligen.with a control device (11) which is adapted 'to control the switching circuit (9) so as to, if required, to substantially prevent and / or commutation of the current flowing through the storage choke (L) current to the intermediate memories (6, 7) Power compensation between the DC voltage branches (17, 18) to accomplish.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen transformatorlosen Umrichter mit Halbleiter-Schaltelementen bildet .2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that it forms a transformerless converter with semiconductor switching elements.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungsanschlüssen (17, 18) zwei Gleichspannungsgeneratoren (14, 16) angeschlossen sind, die in Reihe zueinander geschaltet sind, und die Schaltungsanordnung (1) zur Einspeisung von Energie in ein Netz eingesetzt wird.3. A circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that between the DC voltage terminals (17, 18) two DC voltage generators (14, 16) are connected, which are connected in series with each other, and the circuit arrangement (1) for feeding energy into Network is used.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungsanschlüssen4. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that between the DC voltage terminals
(17, 18) zwei Gleichspannungsverbraucher (14, 16) angeschlossen sind, die in Reihe zueinander geschaltet sind, und die Schaltungsanordnung (1) zur Entnahme von Energie aus einem Wechselspannungsnetz eingesetzt wird.(17, 18) two DC voltage consumers (14, 16) are connected, which are connected in series with each other, and the circuit arrangement (1) for removing energy from an AC voltage network is used.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass sie eine einphasige Umrichterkonfiguration bildet.5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized marked ¬ characterized in that it forms a single-phase converter configuration.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass sie eine dreiphasige Umrichterkonfiguration bildet.6. Circuit arrangement according to claim 1, characterized marked ¬ characterized in that it has a three-phase converter configuration forms.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Weichenpfad (22, 23) ein Schalterelement (S3, S4) und eine in Reihe geschaltete Gleichrichterdiode7. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that in each switch path (22, 23), a switch element (S3, S4) and a series-connected rectifier diode
(D5, D6) vorgesehen ist, wobei die Gleichrichterdioden (D5, D6) zueinander in entgegengesetzter Durchlassrichtung geschaltet sind.(D5, D6) is provided, wherein the rectifier diodes (D5, D6) are connected to each other in the opposite forward direction.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) dazu eingerichtet ist, Betriebsbedingungen zu erfassen und die Weichenschaltung in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsbedingungen anzusteuern.8. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the control device (11) is adapted to detect operating conditions and to control the switch circuit in dependence on the detected operating conditions.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) zur Erfassung von die Betriebsbedingungen kennzeichnender Parameter eine Sensoreinrichtung (24), einschließlich Sensormittel zur Erfassung der an den Energiezwischenspeichern (6, 7) anliegenden Spannungen, der in den Gleichspannungszweigen (17, 18) fließenden Ströme und/oder der an den Wechselspannungsanschlüssen9. Circuit arrangement according to claim 8, characterized in that the control device (11) for detecting operating conditions characterizing parameters sensor means (24), including sensor means for detecting the voltage at the intermediate energy stores (6, 7) voltages applied in the DC voltage branches ( 17, 18) flowing currents and / or at the AC voltage terminals
(12, 13) anliegenden Wechselspannung, aufweist.(12, 13) applied AC voltage having.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) eine Logik (26) aufweist, die dazu dient, die erfassten Parameter (27) mitein¬ ander und gegebenenfalls mit vorgebbaren Schwellenwerten zu vergleichen und basierend auf dem Vergleich die Schalterelemente (S3, S4) der Weichenschaltung (9) zu schalten.10. The circuit arrangement according to claim 9, characterized in that the control device (11) comprises logic (26), which serves the detected parameters (27) mitein ¬ other and to compare optionally with predetermined threshold values and based on the comparison, the switch elements (S3, S4) of the switch circuit (9) to switch.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik (26) ferner dazu eingerichtet ist, eine Leistungskompensation derart zu veranlassen, dass an den Gleichspannungsanschlüssen (2, 3, 4) in Reihe zueinander angeschlossene Gleichspannungsgeneratoren oder -Verbraucher (14, 16) im Wesentlichen in ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden.11. Circuit arrangement according to claim 10, characterized in that the logic (26) further adapted thereto is to cause a power compensation such that at the DC terminals (2, 3, 4) connected in series DC generators or consumers (14, 16) are operated substantially at its optimum operating point.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf der Gleichstromseite mit wenigstens einem weiteren Inverter (1'') verbunden ist.12. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that it is connected on the DC side with at least one further inverter (1 '').
13. Verfahren zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom mit einer Schaltungsanordnung (1), zu der gehören: wenigstens zwei Gleichspannungszweige (17, 18) und ein Neutralleiter (19), Energie- zwischenspeicher (6, 7), die jeweils zwischen einem Gleichspannungszweig (17, 18) und dem Neutralleiter (19) angeschlossen sind, eine zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) angeordnete Brückenschaltung (8) , die zwei Schaltereinheiten (Sl, S2) aufweist, die über einen Verbindungspunkt (20), der einen Mittelabgriff der Brückenschaltung (8) bildet, in Reihe miteinander verbunden sind und zu denen jeweils eine Freilauf- diode (Dl, D2) antiparallel geschaltet ist, und wenigstens zwei Wechselspannungsanschlüsse (12, 13), von denen einer (13) mit dem Neutralleiter (19) verbunden ist, während wenigstens ein anderer (12) über eine Verbindungsleitung (21) , in der wenigstens eine Speicherdrossel (L) enthalten ist, mit dem Mittelabgriff (20) der Brückenschaltung (8) verbunden ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:13. A method for converting direct current into alternating current or from alternating current into direct current with a circuit arrangement (1), comprising: at least two DC voltage branches (17, 18) and a neutral conductor (19), energy buffer (6, 7) are each connected between a DC voltage branch (17, 18) and the neutral conductor (19), a bridge circuit (8) arranged between the DC voltage branches (17, 18) and comprising two switch units (S1, S2) which are connected via a connection point (20). , which forms a center tap of the bridge circuit (8), are connected in series with each other and to each of which a freewheeling diode (Dl, D2) is connected in anti-parallel, and at least two AC voltage terminals (12, 13), one of which (13) the neutral conductor (19) is connected, while at least one other (12) via a connecting line (21) in which at least one storage choke (L) is included, with the center tap (20) of the bridges circuit (8), the method comprising the steps of:
Vorsehen von Weichenpfaden (22, 23) zwischen der Verbin- dungslei-tung (-21) und dem Neutralleiter (19) mit in den Weichenpfaden (22, 23) enthaltenen Schalterelementen (S3, S4) , die gesteuert schaltbar sind, um einen Stromfluß durch die Weichenpfade (22, 23) zu ermöglichen oder zu verhindern,Providing switch paths (22, 23) between the connection line (-21) and the neutral conductor (19) with switch elements (S3, S4) contained in the switch paths (22, 23), which are controllably switchable for current flow through the To enable or prevent turnouts (22, 23)
Erfassen von Betriebsparametern, die an den Energiezwischenspeichern (6, 7) anliegende Gleichspannungen, in den Gleichspannungszweigen (17, 18) fließende Ströme und/oder eine an den Wechselspannungsanschlüssen (12, 13) anliegende Wechselspannung kennzeichnen, undDetecting operating parameters indicative of DC voltages applied to the intermediate energy stores (6, 7), currents flowing in the DC voltage branches (17, 18), and / or AC voltage applied to the AC voltage terminals (12, 13), and
Steuern der Stromflüsse durch die Weichenpfade (22, 23) in Abhängigkeit von den erfassten Betriebsbedingungen derart, dass eine Rückkommutierung des durch die Speicherdrossel (L) fließenden Stromes zu den Energiezwischenspeichern (6, 7) im Wesentlichen verhindert und bedarfsweise Leistung zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) ausgeglichen wird.Controlling the flow of current through the switch paths (22, 23) as a function of the detected operating conditions such that a Rückkommutierung of the current flowing through the storage inductor (L) current to the energy buffers (6, 7) substantially prevented and, if necessary, power between the DC voltage branches (17 , 18) is compensated.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) und dem Neutralleiter (19) Gleichspannungsquellen (14, 16) angeschlos¬ sen und diese jeweils im Wesentlichen an ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden, um Energie in ein Netz zu speisen.14. The method according to claim 13, characterized in that between the DC voltage branches (17, 18) and the neutral conductor (19) DC voltage sources (14, 16) connected ¬ sen and these are each operated substantially at its optimum operating point to energy in a To feed mains.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gleichspannungszweigen (17, 18) und dem Neutralleiter Gleichspannungssenken (14, 16) angeschlossen und diese jeweils im Wesentlichen an ihrem optimalen Betriebspunkt betrieben werden, um einem Netz Energie zu entnehmen.15. The method according to claim 13, characterized in that between the DC voltage branches (17, 18) and the neutral conductor DC voltage sinks (14, 16) connected and these are each operated substantially at its optimum operating point to remove energy from a network.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Halbwelle einer an der Wechselspannungsanschlüssen (12, 13) angeschlossenen Wechselspannung lediglich eine Schaltereinheit (Sl, S2) hochfreguent getastet wird und im Freilaufzustand der Strom durch die Dros- seispule (L) über einen zugehörigen Weichenpfad (22, 23) umgeleitet wird.16. The method according to any one of claims 13 to 15, characterized in that at each half-wave at the AC voltage terminals (12, 13) connected AC voltage only one switch unit (Sl, S2) is hochfreguent and in the freewheeling state, the current through the Dros- Seispule (L) via an associated switch path (22, 23) is redirected.
17. Verfahren einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zeitfenster im Bereich des Nulldurchgangs der Wechselspannung auf eine Taktung unter Verbrauch von Energie aus einem Gleichstromkreis umgeschaltet wird.17. The method according to any one of claims 13 to 16, characterized in that in a time window in the region of the zero crossing of the AC voltage is switched to a clocking while consuming energy from a DC circuit.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungskompensation das Tastverhältnis zwischen getakteten Schaltern (S1/S3; S2/S4; S2/S4; S1/S3) in der Halbbrücke (8) und den Weichenpfaden (22, 23) geeignet festgelegt wird.18. Method according to claim 17, characterized in that the duty cycle between clocked switches (S1 / S3; S2 / S4; S2 / S4; S1 / S3) in the half-bridge (8) and the switch paths (22, 23) is suitable for power compensation is determined.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungskompensation das Zeitfenster im Bereich des Nulldurchgangs der Wechselspannung entsprechend verkürzt oder erweitert wird. 19. The method according to claim 18, characterized in that for power compensation, the time window in the region of the zero crossing of the AC voltage is shortened or extended accordingly.
PCT/EP2006/004178 2005-05-24 2006-05-04 Circuit arrangement and method for controlling a converter WO2007003241A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005024465A DE102005024465B4 (en) 2005-05-24 2005-05-24 Circuit arrangement and control method for a converter
DE102005024465.3 2005-05-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007003241A1 true WO2007003241A1 (en) 2007-01-11

Family

ID=36972728

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/004178 WO2007003241A1 (en) 2005-05-24 2006-05-04 Circuit arrangement and method for controlling a converter

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102005024465B4 (en)
WO (1) WO2007003241A1 (en)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006010694B4 (en) * 2006-03-08 2010-01-07 Refu Elektronik Gmbh Inverter circuit for extended input voltage range
DE102007030577A1 (en) 2007-06-29 2009-01-02 Sma Solar Technology Ag Inverter for feeding electrical energy into a power supply network
DE102007038960A1 (en) * 2007-08-14 2009-02-26 Sma Solar Technology Ag inverter
DE102007038959A1 (en) 2007-08-14 2009-02-26 Sma Solar Technology Ag inverter
AT10919U1 (en) * 2007-11-21 2009-12-15 Siemens Ag Oesterreich INVERTER CIRCUIT
DE102010016138A1 (en) 2010-03-25 2011-09-29 Refu Elektronik Gmbh Solar inverter for extended irradiation value range and operating method
DE102010026778B4 (en) 2010-07-09 2015-02-26 Refu Elektronik Gmbh Device and method for providing a DC input voltage for a photovoltaic inverter and photovoltaic system with this device
DE102011076553A1 (en) 2011-05-26 2012-11-29 Solarworld Ag CONTROL OF THE DC FLOW OF A PHOTOVOLTAIC SYSTEM
DE102011053013A1 (en) 2011-08-26 2013-02-28 Refusol Gmbh Symmetrical device for balancing voltage division of serially-connected energy storage devices e.g. capacitors, has control unit that drives switch element of bypass circuit according to voltage requirement of energy storage device
DE102011115728B4 (en) * 2011-10-12 2022-11-17 Sew-Eurodrive Gmbh & Co Kg Method of operating an inverter and inverter circuit
DE102016207941A1 (en) * 2016-05-09 2017-11-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. A device for generating an alternating voltage, circuit arrangement for generating an AC output voltage, method for generating an AC output voltage, inverter for generating an AC voltage from a DC voltage, energy storage device for providing an AC voltage using a DC energy storage, three-phase inverter device, three-phase inverter circuit, and concept for generating a DC voltage

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10221592A1 (en) * 2002-05-15 2003-12-04 Fraunhofer Ges Forschung Current inverter for direct/alternating currents, has direct and alternating connections with an intermediate power store, a bridge circuit, rectifier diodes and a inductive choke

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1990001826A1 (en) * 1988-08-08 1990-02-22 Sundstrand Corporation Pwm inverter control method and circuit
DE3842985A1 (en) * 1988-12-21 1990-06-28 Asea Brown Boveri Method for controlling a three-point invertor
DE10225020A1 (en) * 2002-06-06 2003-12-24 Sma Regelsysteme Gmbh Circuit arrangement for converting direct to alternating current has power compensation so power or current fed to inverter in one direct voltage branch is equal to that drawn from other branch

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10221592A1 (en) * 2002-05-15 2003-12-04 Fraunhofer Ges Forschung Current inverter for direct/alternating currents, has direct and alternating connections with an intermediate power store, a bridge circuit, rectifier diodes and a inductive choke

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CALAIS M ET AL: "Multilevel converters for single-phase grid connected photovoltaic systems: an overview", SOLAR ENERGY, PERGAMON PRESS. OXFORD, GB, vol. 66, no. 5, August 1999 (1999-08-01), pages 325 - 335, XP004362671, ISSN: 0038-092X *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005024465A1 (en) 2006-11-30
DE102005024465B4 (en) 2010-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006010694B4 (en) Inverter circuit for extended input voltage range
DE102005024465B4 (en) Circuit arrangement and control method for a converter
EP2086102B1 (en) Inverter for converting an electric direct current into an alternating current or an alternating voltage
EP2053732B1 (en) Switch assembly and actuating method for an inverter with boost converter
EP3014725B1 (en) Energy storage device having a dc voltage supply circuit and method for providing a dc voltage from an energy storage device
DE102006025975A1 (en) Inverter circuit and method for operating the inverter circuit
DE102014102593A1 (en) Power supply means
DE102006014780A1 (en) Direct current regulator for integrated network coupling of photovoltaic generator, has single or multi-phase transformer less inverter provided for coupling photovoltaic generator at direct current voltage intermediate circuit
DE102013212682B4 (en) Energy storage device with DC power supply circuit and method for providing a DC voltage from an energy storage device
WO2009003432A1 (en) Inverter for feeding electrical energy into a power supply system
EP2051357A1 (en) Inverter, in particular for solar panel assemblies
DE102011051548A1 (en) Operating procedure for an inverter and grid-fault-tolerant inverter
DE102012202867A1 (en) Charging circuit for energy storage device for electrical propulsion system used for e.g. electric car, has choke transformer and switching element controller which receive direct current for charging energy storage modules
DE102013221830A1 (en) Charging circuit for an energy storage device and method for charging an energy storage device
DE102012202853A1 (en) Charging circuit for energy storage device of e.g. electric drive system in wind-power plant, has transducer throttle coupled between supply node and supply circuit, and semiconductor switch coupled between supply node and supply circuit
DE102011018357A1 (en) DC converter
DE102011116593B4 (en) Inverter with asymmetrical chokes and a control unit for asymmetric operation of the chokes
US20040245968A1 (en) Voltage converter
DE102012202856A1 (en) Circuit for charging lithium ion battery of electrical propulsion system of e.g. electric car, has supply circuit coupled with input terminals of buck converter, and temporarily providing charging direct voltage for buck converter
DE10225020A1 (en) Circuit arrangement for converting direct to alternating current has power compensation so power or current fed to inverter in one direct voltage branch is equal to that drawn from other branch
DE102013212692A1 (en) Energy storage device with DC power supply circuit
DE102014012028A1 (en) Device and a method for charging or discharging an electrical energy storage device with any operating voltages
DE102014203404A1 (en) Converter circuit and method of operating the same
EP2856625A1 (en) Voltage supply for an inverter
AT406993B (en) THREE-PHASE PULSE RECTIFIER SYSTEM WITH HIGH-FREQUENCY POTENTIAL ISOLATED OUTPUT VOLTAGE

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: DE

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: RU

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06724713

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1