WO2009062803A1 - Wechselrichter - Google Patents

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WO2009062803A1
WO2009062803A1 PCT/EP2008/063956 EP2008063956W WO2009062803A1 WO 2009062803 A1 WO2009062803 A1 WO 2009062803A1 EP 2008063956 W EP2008063956 W EP 2008063956W WO 2009062803 A1 WO2009062803 A1 WO 2009062803A1
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switching
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Jalal Hallak
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    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
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    • H02M7/539—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
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    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
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    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/381—Dispersed generators
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/005—Conversion of DC power input into DC power output using Cuk converters

Definitions

  • the invention relates to a single-phase inverter with two DC voltage terminals, two
  • DC voltage terminal is further connected to a coupling capacitor whose one side is connected via a third switching element to one side of the first throttle and a fourth switching element to the other side of the first throttle. Furthermore, the invention relates to methods for operating the inverter.
  • Transformerless inverters are usually used to feed electrical energy, for example from an alternative energy source (solar panel, fuel cell, etc.) in an AC network.
  • an alternative energy source solar panel, fuel cell, etc.
  • a DC voltage connection of the inverter is connected directly to the connectable to the neutral of the network AC voltage connection of the inverter.
  • the negative pole of the DC voltage source is connected to the neutral.
  • Such inverters are known for example from DE 196 42 522 Cl and DE 197 32 218 Cl.
  • the first document discloses an inverter with five switching elements, a choke and two diodes. These switching elements of the inverter are doing during both half-waves switched or clocked differently, so that a DC voltage is converted into an AC voltage.
  • the invention has for its object to provide an improvement over the prior art for an inverter of the type mentioned.
  • the operation of the Cuk converter and the zeta converter also lead to that in an AC mains current to be fed in the pulse of the pulsed switching elements varies in a triangular manner about its mean value. Compared to other converter types (boost converter, cuttlefish converter, etc.) with a trapezoidal current curve, this results in a smaller ripple.
  • the control of the switching elements by means of microcontroller provides a simple solution to continuously change the drive sequences corresponding to the different operations of the Cuk and zeta converter. In this case, an adaptation of the clock frequency or the duty cycle can also be carried out in a simple manner, for example, to compensate for setpoint deviations due to a temperature drift.
  • the second choke prevents in the case of faulty control of a switching element by limiting the increase in current an AC side short circuit.
  • a storage capacitor is provided on the DC voltage side.
  • the caused by the clocking switching elements pulsating current waveform is compensated by this storage capacitor, so that an input-side power source is continuously charged.
  • the AC voltage connection which can be connected to a neutral conductor of an AC voltage network is connected directly to the negative DC voltage connection. This ensures that, for example, no potential difference builds up between the reference potential of a solar panel on the roof of a building and the neutral potential, which would lead to an electromagnetic load within the building.
  • the AC voltage connection which can be connected to a neutral conductor of an AC voltage network is connected directly to the positive DC voltage connection.
  • the input-side energy source thus has a negative potential relative to the neutral conductor and thus also to earth.
  • Fig. 7 waveforms for a device with fürverbundenem negative DC voltage connection
  • FIG. 8 shows a circuit arrangement with switching elements which have diodes connected in parallel; with interconnected positive DC voltage connection
  • Fig. 13 waveforms for an arrangement with fürverbundenem positive DC voltage connection
  • a first choke Ll having a first side via a first switching element Sl with one terminal of an input side DC voltage U ⁇ N and with the other side via a second switching element S2 with the other terminal of the input side DC voltage U ⁇ N connected.
  • a direct connection of the other terminal of the input-side DC voltage to the neutral conductor N of an output-side AC voltage U O u ⁇ is provided.
  • the first throttle Ll is connected to the one side via a third switching element S3 and the other side via a fourth switching element S4 to the first side of a coupling capacitor C c .
  • the second side of the coupling capacitor C c is connected via a second inductor L2 to the conductor L an output-side AC voltage U O u ⁇ and a fifth switching element S5 to the neutral conductor N of the output-side AC voltage U O u ⁇ .
  • a storage capacitor C 1 and the output side between the conductor L and neutral N of the AC voltage U O u ⁇ a filter capacitor C 0 is arranged.
  • Fig. 2 a circuit of similar construction is shown, wherein instead of the general switching elements are arranged with parallel-connected diodes, such as n-channel junction MOSFET or IGBT.
  • the diodes of the first and second switching element Sl, S2 are connected from the negative pole to the positive pole of the DC voltage U IN in the forward direction.
  • the switching elements S1, S2 are open, no current flow through the first coil L1 is caused by the DC voltage U IN , since the diodes block.
  • the diode of the third switching element D3 is connected to the anode to the coupling capacitor C c and the cathode to the first coil Ll.
  • the anode of the diode of the fourth switching element D4 is connected to the other side of the coil Ll and the cathode again to the coupling capacitor C c .
  • the fifth switching element S5 is replaced in this arrangement by two series-connected switching elements S6, S7 with parallel diodes, wherein either the anodes or the cathodes of the diodes are connected together. With open switching elements S6, S7 is thus always one of the diodes blocking.
  • 3 to 6 show the individual switching states of the arrangement with general switching elements according to FIG. 1, wherein the negative pole of the DC voltage U ⁇ N is connected to the neutral conductor N of the AC voltage U O u ⁇ .
  • the first switching element S1, the second switching element S2 and the third switching element S3 are closed.
  • a current flow forms from the positive pole of the DC voltage U IN via the first choke Ll to the negative pole of the DC voltage U ⁇ N .
  • Energy is stored in the first coil L1 and in the second coil L2; As the current progresses, rising ramps are formed.
  • the first switching element Sl opens and the fifth switching element S5 is closed. It is formed from a current flow through the first choke Ll, further closed second switching element S2, the fifth switching element S5, the coupling capacitor C c and the further switching element S3 closed third within the array. On the input side, the current flow through the first switching element S1 is interrupted until the next switch-on process.
  • the converter goes from Zeta to Cuk mode.
  • the first and the fourth switching element Sl, S4 remain closed and the third switching element S3 open.
  • the second switching element S2 and the fifth switching element S5 clocked equal.
  • the second switching element S2 is closed and the fifth switching element S5 is opened.
  • Current flows from the positive pole of the DC voltage U ⁇ N through the first choke Ll to the negative pole of the DC voltage U IN .
  • current flows via the conductor L from the AC voltage network or a connected load through the second inductor L2, the coupling capacitor C 0 , the fourth and the second switching element S4, S2 via the neutral conductor N back into the AC mains or to the load.
  • the first throttle Ll stores energy and the coupling capacitor C c discharges, wherein the second throttle L2 stores energy. In this case, rising ramps of the current profiles are formed on the input side and on the output side.
  • the second switching element S2 is opened and the fifth switching element S5 is closed. It flows while current from the positive pole of the DC voltage U IN through the first inductor Ll, the fourth switching element S4, the coupling capacitor C c and the fifth switching element S5 back to the negative pole of the DC voltage U ⁇ N . In this case, the coupling capacitor C c is charged.
  • current from the alternating voltage network or the load continues to flow through the second inductor L2, the fifth switching element S5 via the neutral conductor N back into the AC mains or to the load. On the input side and on the output side falling ramps of the current profiles are formed.
  • Fig. 7 the curves of the switching signals for driving the switching elements S1-S5 and the output-side AC voltage U O u ⁇ are shown with souverbundenem negative pole of the DC voltage U ⁇ N .
  • the operating modes shown in FIGS. 3, 4 and 5, 6 respectively change at each half-wave change, ie at each zero crossing of the alternating voltage U O u.
  • the inverter operates during a positive half cycle of the AC voltage U O u as Cuk converter and during a negative half cycle of the AC voltage U O u ⁇ as Zeta converter.
  • FIG. 13 shows the courses of the switching signals for driving the switching elements S1-S5 and the output-side alternating voltage U O u ⁇ with positive DC voltage connection connected through.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Einphasen-Wechselrichter mit zwei Gleichspannungsanschlüssen, zwei Wechselspannungsanschlüssen und mit einer ersten Drossel (L1), deren eine Seite über ein erstes Schaltelement (S1) mit dem einen Gleichspannungsanschluss und deren andere Seite über ein zweites Schaltelement (S2) mit dem anderen Gleichspannungsanschluss verbunden ist, des Weiteren mit einem Koppelkondensator (Cc), dessen eine Seite über ein drittes Schaltelement (S3) mit der einen Seite der ersten Drossel (L1) und über ein viertes Schaltelement (S4) mit der anderen Seite der ersten Drossel (L1) verbunden ist, wobei die andere Seite des Koppelkondensators (Cc) über eine zweite Drossel (L2) mit dem einen Wechselspannungsanschluss und über ein fünftes Schaltelement (S5) mit dem anderen Wechselspannungsanschluss verbunden ist und wobei die Schaltelemente (S1-S5) mittels eines Mikrocontrollers alternierend nach der Art eines Zeta-Wandlers und nach der Art eines Cuk-Wandlers angesteuert sind.

Description

Wechselrichter
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Einphasen-Wechselrichter mit zwei Gleichspannungsanschlüssen, zwei
Wechselspannungsanschlüssen und mit einer ersten Drossel, deren eine Seite über ein erstes Schaltelement mit dem einen Gleichspannungsanschluss und deren andere Seite über ein zweites Schaltelement mit dem anderen
Gleichspannungsanschluss verbunden ist, des Weiteren mit einem Koppelkondensator, dessen eine Seite über ein drittes Schaltelement mit der einen Seite der ersten Drossel und über ein viertes Schaltelement mit der anderen Seite der ersten Drossel verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben des Wechselrichters.
Transformatorlose Wechselrichter werden in der Regel zur Einspeisung elektrischer Energie, beispielsweise aus einer alternativen Energiequelle (Solarpanel, Brennstoffzelle etc.), in ein Wechselspannungsnetz genutzt. Zur Vermeidung eines Potenzialunterschieds zwischen einem z.B. auf einem Hausdach befindlichen Solarpanel und dem Nullleiter des Netzes kennt man dabei Ausführungen mit durchverbundenem Nullleiter .
Dabei ist ein Gleichspannungsanschluss des Wechselrichters direkt mit dem an den Nullleiter des Netzes anschließbaren Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters verbunden. Üblicherweise ist der negative Pol der Gleichspannungsquelle mit dem Nullleiter verbunden.
Derartige Wechselrichter sind beispielsweise aus der DE 196 42 522 Cl und der DE 197 32 218 Cl bekannt. Ersteres Dokument offenbart einen Wechselrichter mit fünf Schaltelementen, einer Drossel sowie zwei Dioden. Diese Schaltelemente des Wechselrichters werden dabei während beider Halbwellen unterschiedlich geschaltet bzw. getaktet, sodass eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt wird.
In der DE 197 32 218 Cl ist ein Wechselrichter beschrieben, bei dem ebenfalls mehrer Schaltelemente während beider Halbwellen der Wechselspannung unterschiedlich geschaltet werden. Dabei sind gleichspannungsseitig und wechselspannungsseitig jeweils eine Drossel und ein Koppelkondensator zur Zwischenspeicherung vorgesehen. Dieser Koppelkondensator ist unipolar und somit vorzugsweise als Elektrolytkondensator ausgebildet .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Wechselrichter der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Wechselrichter gemäß Anspruch 1. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelkondensator mit seiner anderen Seite über eine zweite Drossel mit dem einen
Wechselspannungsanschluss und über ein fünftes Schaltelement mit dem anderen Wechselspannungsanschluss verbunden ist und dass die Schaltelemente mittels eines Mikrocontrollers alternierend nach der Art eines Zeta-Wandlers und nach der Art eines Cuk-Wandlers angesteuert sind. Damit ist ein einfacher Aufbau für einen transformatorlosen Wechselrichter angegeben, der aufgrund einer gegenüber bekannten Anordnungen geringeren Bauteileanzahl einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Die Bauteile werden dabei alternierend als Elemente eines Zeta-Wandlers und eines invertierenden Cuk-Wandlers angesteuert, wobei eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung ohne das Erfordernis einer weiteren Umpolung in eine ausgangsseitig anliegende Wechselspannung umgewandelt wird.
Die Arbeitsweisen des Cuk-Wandlers und des Zeta-Wandlers führen zudem dazu, dass der in ein Wechselspannungsnetz einzuspeisende Strom im Takt der gepulsten Schaltelemente dreiecksförmig um seinen Mittelwert schwankt. Gegenüber anderen Wandlertypen (Hochsetzsteller, Sepie-Wandler etc.) mit trapezförmigem Stromverlauf ergibt somit ein geringerer Rippel. Die Ansteuerung der Schaltelemente mittels MikroController stellt eine einfache Lösung dar, um die den verschiedenen Arbeitsweisen des Cuk- und Zeta-Wandlers entsprechen Ansteuerungsabfolgen laufend zu ändern. Dabei kann auch in einfacher Weise eine Anpassung der Taktfrequenz oder des Tastverhältnisses erfolgen, um beispielsweise Sollwertabweichungen infolge einer Temperaturdrift zu kompensieren .
Die zweite Drossel verhindert im Falle einer fehlerhaften Ansteuerung eines Schaltelements durch Begrenzung der Stromzunahme einen wechselspannungsseitigen Kurzschluss.
Vorteilhafterweise ist gleichspannungsseitig ein Speicherkondensator vorgesehen. Der durch die taktenden Schaltelemente hervorgerufene pulsierende Stromverlauf wird durch diesen Speicherkondensator ausgeglichen, sodass eine eingangsseitige Energiequelle kontinuierlich belastet wird.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wechselspannungsseitig einen Filterkondensator vorzusehen, welcher einen möglichen Rippel des ausgangsseitigen Wechselstromes glättet und auf diese Weise eine Verminderung der Oberwellen des in ein Wechselstromnetz einzuspeisenden sinusförmigen Stromes bewirkt .
In einer Ausprägung des Wechselrichters ist vorgesehen, dass der an einen Nullleiter eines Wechselspannungsnetzes anschließbare Wechselspannungsanschluss direkt mit dem negativen Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Damit wird erreicht, dass sich zum Beispiel zwischen dem Bezugspotenzial eines Solarpanels am Dach eines Gebäudes und dem Nullleiterpotenzial kein Potenzialunterschied aufbaut, welcher zu einer elektromagnetischen Belastung innerhalb des Gebäudes führen würde.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters dieser Ausprägungsart ist vorgesehen, dass während der einen Halbwelle das zweite und das dritte Schaltelement und während der anderen Halbwelle das erste und das vierte Schaltelement eingeschaltet werden und dass während der einen Halbwelle das erste Schaltelement und das fünfte Schaltelement gegengleich gepulst geschaltet werden und dass des Weiteren während der anderen Halbwelle das zweite Schaltelement und das fünfte Schaltelement gegengleich gepulst geschaltet werden.
In einer anderen Ausprägung des Wechselrichters ist vorgesehen, dass der an einen Nullleiter eines WechselSpannungsnetzes anschließbare Wechselspannungsanschluss direkt mit dem positiven Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Die eingangsseitige Energiequelle weist somit gegenüber dem Nullleiter und damit auch gegenüber Erde ein negatives Potenzial auf. Ein solches ist beispielsweise bei Verwendung von Dünnschicht- Solargeneratoren sinnvoll, weil damit Korrosionsvorgänge dieser Solargeneratoren unterdrückt werden.
Für diese Ausprägungsart ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, bei welchem während der einen Halbwelle das erste und das vierte Schaltelement und während der anderen Halbwelle das zweite und das dritte Schaltelement eingeschaltet werden und bei welchem während der einen Halbwelle das zweite Schaltelement und das fünfte Schaltelement gegengleich gepulst geschaltet werden und bei welchem des Weiteren während der anderen Halbwelle das erste Schaltelement und das fünfte Schaltelement gegengleich gepulst geschaltet werden. Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Schaltungsanordnung mit allgemeinen Schaltelementen
Fig. 2 Schaltungsanordnung mit Schaltelementen, welche parallel geschaltete Dioden aufweisen; mit durchverbundenem negativen Gleichspannungsanschluss
Fig. 3 bis 6 Schaltzyklen einer Schaltanordnung mit durchverbundenem negativen Gleichspannungsanschluss
Fig. 7 Signalverläufe für eine Anordnung mit durchverbundenem negativen Gleichspannungsanschluss
Fig. 8 Schaltungsanordnung mit Schaltelementen, welche parallel geschaltete Dioden aufweisen; mit durchverbundenem positiven Gleichspannungsanschluss
Fig. 9 bis 12 Schaltzyklen einer Schaltanordnung mit durchverbundenem positiven Gleichspannungsanschluss
Fig. 13 Signalverläufe für eine Anordnung mit durchverbundenem positiven Gleichspannungsanschluss
In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist eine erste Drossel Ll mit einer ersten Seite über ein erstes Schaltelement Sl mit dem einen Anschluss einer eingangsseitigen Gleichspannung UΣN und mit der anderen Seite über ein zweites Schaltelement S2 mit dem anderen Anschluss der eingangsseitigen Gleichspannung UΣN verbunden. Dabei ist eine direkte Verbindung des anderen Anschlusses der eingangsseitigen Gleichspannung mit dem Nullleiter N einer ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ vorgesehen.
Des Weiteren ist die erste Drossel Ll mit der einen Seite über ein drittes Schaltelement S3 und mit der anderen Seite über ein viertes Schaltelement S4 an die erste Seite eines Koppelkondensators Cc geschaltet. Die zweite Seite des Koppelkondensators Cc ist über eine zweite Drossel L2 mit dem Leiter L einer ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ und über ein fünftes Schaltelement S5 mit dem Nullleiter N der ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ verbunden .
Eingangsseitig ist zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichspannung UΣN ein Speicherkondensator C1 und ausgangsseitig zwischen Leiter L und Nullleiter N der Wechselspannung UOuτ ein Filterkondensator C0 angeordnet.
In Fig. 2 ist eine gleichartig aufgebaute Schaltung dargestellt, wobei anstelle der allgemeinen Schaltelemente solche mit parallel geschalteten Dioden angeordnet sind, beispielsweise n-Kanal Sperrschicht-MOSFET oder IGBT.
Dabei ist die Durchlassrichtung der Dioden zu beachten. Bei einer Anordnung mit durchverbundenem Minuspol, wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Dioden des ersten und des zweiten Schaltelements Sl, S2 vom Minuspol zum Pluspol der Gleichspannung UIN in Durchlassrichtung geschaltet. Bei geöffneten Schaltelementen Sl, S2 wird also durch die Gleichspannung UIN kein Stromfluss durch die erste Spule Ll hervorgerufen, da die Dioden sperren.
Die Diode des dritten Schaltelements D3 ist mit der Anode an den Koppelkondensator Cc und mit der Kathode an die erste Spule Ll geschaltet. Die Anode der Diode des vierten Schaltelements D4 ist mit der anderen Seite der Spule Ll und die Kathode wieder mit dem Koppelkondensator Cc verbunden.
Das fünfte Schaltelement S5 ist bei dieser Anordnung durch zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente S6, S7 mit parallel angeordneten Dioden ersetzt, wobei entweder die Anoden oder die Kathoden der Dioden miteinander verbunden sind. Bei geöffneten Schaltelementen S6, S7 ist somit immer eine der Dioden sperrend. Die Fig. 3 bis 6 zeigen die einzelnen Schaltzustände der Anordnung mit allgemeinen Schaltelementen gemäß Fig. 1, wobei der negative Pol der Gleichspannung UΣN mit dem Nullleiter N der Wechselspannung UOuτ verbunden ist. Während eines in Fig. 3 dargestellten Einschaltvorgangs im Zeta-Wandlerbetrieb sind das erste Schaltelement Sl, das zweite Schaltelement S2 und dass dritte Schaltelement S3 geschlossen. Es bildet sich ein Stromfluss vom positiven Pol der Gleichspannung UIN über die erste Drossel Ll zum negativen Pol der Gleichspannung UΣN. Parallel dazu fließt Strom vom positiven Pol der Gleichspannung UΣN über den Koppelkondensator Cc und die zweite Spule L2 in ein ausgangsseitig angeschlossenes Wechselspannungsnetz bzw. eine angeschlossene Last und über den Nullleiter N zurück zum Minuspol der Gleichspannung UIN. In der ersten Spule Ll und in der zweiten Spule L2 wird Energie gespeichert; im Stromverlauf bilden sich dabei ansteigende Rampen aus.
Im darauf folgenden Ausschaltvorgang öffnet das erste Schaltelement Sl und das fünfte Schaltelement S5 wird geschlossen. Es bildet sich innerhalb der Anordnung ein Stromfluss durch die erste Drossel Ll, das weiterhin geschlossene zweite Schaltelement S2, das fünfte Schaltelement S5, den Koppelkondensator Cc und das weiterhin geschlossene dritte Schaltelement S3 aus. Eingangsseitig ist der Stromfluss durch das erste Schaltelement Sl bis zum nächsten Einschaltvorgang unterbrochen.
Ausgangsseitig fließt weiterhin Strom durch die zweite Drossel L2 in das Wechselspannungsnetz bzw. eine angeschlossene Last und durch den Nullleiter N wieder über das fünfte Schaltelement zurück zur zweiten Drossel L2. Die zweite Drossel L2 gibt dabei Energie ab; im Stromverlauf bildet sich eine abfallende Rampe aus. Die Abfolge dieser Ein- und Ausschaltvorgänge im Zeta- Wandlerbetrieb erfolgt während einer positiven Halbwelle der ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ • Am Koppelkondensator Cc liegt während der positiven Halbwelle eine positive Spannung an, welcher dem Sinusverlauf der ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ folgt.
Bei einem darauf folgenden Nulldurchgang geht der Wandler vom Zeta- in den Cuk-Betrieb über. Im Cuk-Betrieb bleiben das erste und das vierte Schaltelement Sl, S4 geschlossen und das dritte Schaltelement S3 geöffnet. Das zweite Schaltelement S2 und das fünfte Schaltelement S5 takten gegengleich.
Im Einschaltvorgang (Fig. 5) ist das zweite Schaltelement S2 geschlossen und das fünfte Schaltelement S5 geöffnet. Es fließt Strom vom positiven Pol der Gleichspannung UΣN durch die erste Drossel Ll zum negativen Pol der Gleichspannung UIN. Parallel dazu fließt Strom über den Leiter L aus dem Wechselspannungsnetz bzw. einer angeschlossenen Last durch die zweite Drossel L2, den Koppelkondensator C0, das vierte und das zweite Schaltelement S4, S2 über den Nullleiter N zurück ins Wechselspannungsnetz bzw. zur Last. Die erste Drossel Ll speichert Energie und der Koppelkondensator Cc entlädt sich, wobei die zweite Drossel L2 Energie speichert. Es bilden sich dabei eingangsseitig und ausgangsseitig ansteigende Rampen der Stromverläufe aus.
Im darauf folgenden Ausschaltvorgang (Fig. 6) wird das zweite Schaltelement S2 geöffnet und das fünfte Schaltelement S5 geschlossen. Es fließt dabei Strom vom positiven Pol der Gleichspannung UIN durch die erste Drossel Ll, das vierte Schaltelement S4, den Koppelkondensator Cc und das fünfte Schaltelement S5 zurück zum negativen Pol der Gleichspannung UΣN. Dabei wird der Koppelkondensator Cc aufgeladen. Parallel dazu fließt weiterhin Strom aus dem Wechselspannungsnetz bzw. der Last durch die zweite Drossel L2, das fünfte Schaltelement S5 über den Nullleiter N zurück ins Wechselspannungsnetz bzw. zur Last. Eingangsseitig und Ausgangsseitig bilden sich dabei abfallende Rampen der Stromverläufe aus. Am Koppelkondensator Cc liegt während einer negativen Halbwelle eine negative Spannung an, deren Verlauf der Summe der Beträge der eingangsseitigen Gleichspannung UΣN und der momentanen ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ , welche in der Regel einer negativen Sinushalbwelle folgt, entspricht.
Sowohl im Zeta- als auch im Cuk-Betrieb erfolgen die Zyklen der Einschalt- und Ausschaltvorgänge mit einer Taktfrequenz, welche wesentlich höher als die Netzfrequenz eines angeschlossenen Wechselspannungsnetzes ist. Die ansteigenden und abfallenden Rampen des ausgangsseitigen Stromes führen dadurch zu vernachlässigbar keinen Schwankungen um den in der Regel sinusförmigen Stromsollwertverlauf. Zudem bewirkt ein ausgangsseitiger Filterkondensator C0 eine zusätzliche Glättung.
In Fig. 7 sind die Verläufe der Schaltsignale zur Ansteuerung der Schaltelemente S1-S5 sowie der ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ bei durchverbundenem negativen Pol der Gleichspannung UΣN dargestellt. Dabei wechseln die in den Figuren 3, 4 bzw. 5, 6 dargestellten Betriebsarten bei jedem Halbwellenwechsel, d.h. bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung UOuτ •
Wird anstelle des negativen Pols der Gleichspannung UΣN deren positiver Pol direkt mit dem Nullleiter N der Wechselspannung UOUT verbunden, arbeitet der Wechselrichter während einer positiven Halbwelle der Wechselspannung UOuτ als Cuk-Wandler und während einer negativen Halbwelle der Wechselspannung UOuτ als Zeta-Wandler .
Zudem ist bei Schaltelementen mit parallel geschalteten Dioden auf die Durchlassrichtung derselben zu achten. In Fig. 8 ist eine entsprechende Anordnung dargestellt. Gegenüber einer Anordnung mit durchverbundenem negativen Gleichspannungsanschluss (Fig. 2) sind die
Durchlassrichtungen der Dioden des ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelements S1-S4 vertauscht. Bei den anstelle des fünften Schaltelements S5 in Reihe angeordneten Schaltelementen S6, S7 sind entweder die Kathoden oder die Anoden der Dioden miteinander verbunden.
Die Umkehrung der Pole der Gleichspannung UIN ändert nichts an den Schaltzuständen der Schaltelemente S1-S5 während der Ein- und Ausschaltvorgänge im Cuk-Betrieb (Fig. 9, 10) und im Zeta-Betrieb (Fig. 11, 12) . Ein durchverbundener Pluspol der Gleichspannung UΣN bewirkt jedoch, dass sich die Stromflussrichtungen gegenüber einer Anordnung mit durchverbundenem Minuspol der Gleichspannung UIN umkehren.
Fig. 13 zeigt die Verläufe der Schaltsignale zur Ansteuerung der Schaltelemente S1-S5 sowie der ausgangsseitigen Wechselspannung UOuτ bei durchverbundenem positiven Gleichspannungsanschluss .

Claims

Patentansprüche
1. Einphasen-Wechselrichter mit zwei
Gleichspannungsanschlüssen, zwei Wechselspannungsanschlüssen und mit einer ersten Drossel (Ll), deren eine Seite über ein erstes Schaltelement (Sl) mit dem einen
Gleichspannungsanschluss und deren andere Seite über ein zweites Schaltelement (S2) mit dem anderen Gleichspannungsanschluss verbunden ist, des Weiteren mit einem Koppelkondensator (Cc) , dessen eine Seite über ein drittes Schaltelement (S3) mit der einen Seite der ersten Drossel (Ll) und über ein viertes Schaltelement (S4) mit der anderen Seite der ersten Drossel (Ll) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Seite des Koppelkondensators (Cc) über eine zweite Drossel (L2) mit dem einen Wechselspannungsanschluss und über ein fünftes Schaltelement (S5) mit dem anderen Wechselspannungsanschluss verbunden ist und dass die Schaltelemente (S1-S5) mittels eines MikroControllers alternierend nach der Art eines Zeta-Wandlers und nach der Art eines Cuk-Wandlers angesteuert sind.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gleichspannungsanschlüssen ein Speicherkondensator (C1) anliegt.
3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Wechselspannungsanschlüssen ein Filterkondensator (C0) anliegt.
4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der an einen Nullleiter (N) eines WechselSpannungsnetzes anschließbare Wechselspannungsanschluss direkt mit dem negativen Gleichspannungsanschluss verbunden ist.
5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der an einen Nullleiter (N) eines WechselSpannungsnetzes anschließbare Wechselspannungsanschluss direkt mit dem positiven Gleichspannungsanschluss verbunden ist.
6. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der einen Halbwelle das zweite und das dritte Schaltelement (S2,
53) und während der anderen Halbwelle das erste und das vierte Schaltelement (Sl, S4) eingeschaltet werden und dass während der einen Halbwelle das erste Schaltelement (Sl) und das fünfte Schaltelement (S5) gegengleich gepulst geschaltet werden und dass des Weiteren während der anderen Halbwelle das zweite Schaltelement (S2) und das fünfte Schaltelement
(S5) gegengleich gepulst geschaltet werden.
7. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der einen Halbwelle das erste und das vierte Schaltelement (Sl,
54) und während der anderen Halbwelle das zweite und das dritte Schaltelement (S2, S3) eingeschaltet werden und dass während der einen Halbwelle das zweite Schaltelement (S2) und das fünfte Schaltelement (S5) gegengleich gepulst geschaltet werden und dass des Weiteren während der anderen Halbwelle das erste Schaltelement (Sl) und das fünfte Schaltelement
(S5) gegengleich gepulst geschaltet werden.
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