DE102006010694A1

DE102006010694A1 - Wechselrichterschaltung für erweiterten Eingangsspannungsbereich

Info

Publication number: DE102006010694A1
Application number: DE102006010694A
Authority: DE
Inventors: Jochen Hantschel
Original assignee: Refu Elektronik GmbH
Current assignee: AEI Power GmbH
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: DE102006010694B4

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung (UZK1) in eine Wechselspannung (UNetz) einer bestimmten Frequenz und eine Wechselrichterschaltung (1) offenbart, die eine Brückenschaltung (3) mit Schalterelementen (S1-S6, S71-S74) und Freilaufelementen (D1-D6, D10, D20, D71-D74) sowie wenigstens eine Speicherdrossel (L) am Ausgang der Brückenschaltung (3) aufweist. Die Brückenschaltung (3) weist wenigstens einen Zweig (16, 18) mit einem Schalterelement (S1, S2) und einer in Reihe zu diesem angeordneten Gleichrichterdiode (D10, D20) sowie einen zu dem Zweig (16, 18) parallelen Spannungswandlerzweig (19, 20) auf, der vorzugsweise einen Hochsetzsteller (21, 22) sowie einen in Reihe mit diesem angeordneten Schalter (S3, S4) enthält. Erfindungsgemäß steuert eine Steuerungseinrichtung (29) jeweils lediglich einen der Schalter (S1-S4) pulsweitenmoduliert hochfrequent an, während andere Schalterelemente synchron mit der Wechselspannung geschlossen und geöffnet werden. Bei ausreichender Eingangsspannung (UZK1) wird der Schalter (S1, S2) in dem Zweig (16, 18) geschaltet, um die Speicherdrossel (L) aufzumagnetisieren, so dass die Eingangsspannung (UZK1) das Aufmagnetisierungspotential vorgibt. Im umgekehrten Fall wird der Schalter (S3, S4) in dem Spannungswandlerzweig (19, 20) geschaltet, während der Schalter (S1, S2) in dem Zweig (16, 18) geschlossen bleibt, so dass die erhöhte Zwischenkreisspannung ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter und ein Verfahren zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz.
Wechselrichter werden z.B. dann eingesetzt, wenn elektrische Energie aus Gleichspannungsquellen, wie bspw. Fotovoltaikanlagen, Brennstoffzellen oder dgl. in das öffentliche Versorgungsnetz einzuspeisen ist. Derartige Wechselrichter sind z.B. in der Lage, aus einem oder mehreren Gleichspannungspotentialen einen an den Potentialverlauf einer sinusförmigen Netzspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz angeglichenen Wechselstrom erzeugen.

DE 102 21 592 A1 beschreibt einen transformatorlosen Wechselrichter mit zwei Gleichspannungsanschlüssen, einem zwischen den Gleichspannungsanschlüssen angeordneten Speicherkondensator, einer H-förmigen Vollbrückenschaltung, die vier Halbleiterschalter aufweist, und mit Speicherdrosseln, die in den zu den Wechselspannungsanschlüssen führenden Abzweigen der Brückenhälften angeordnet sind. Zur Erzeugung der gewünschten Wechselspannung aus einer anliegenden Gleichspannung werden bestimmte Schalter der Vollbrücke in Abhängigkeit von der Polarität der Wechselspannung mit einer hohen Taktfrequenz pulsweitenmoduliert geschaltet, um im Schließzustand der Schalter, der sog. Aufmagnetisierungsphase, einen Strom zur Aufladung der Drosselspulen bereitzustellen. Beim Öffnen der hochfrequent getakteten Schalter, der sog. Freilaufpfase, kommutiert der aufgrund der Abmagnetisierung innerhalb der Drosseln weiterfließende Spulenstrom über gesonderte Freilaufpfade, die zwischen den Abzweigen der Brückenhälften vorgesehen sind. Jeder Freilaufpfad weist einen Schalter sowie eine in Reihe geschaltete Gleichrichterdiode auf, wobei die Gleichrichterdioden in den Freilaufpfaden in entgegengesetzte Durchlassrichtungen zueinander geschaltet sind. Die Freilaufpfade verhindern eine verlustbehaftete Rückkommutierung des Drosselstroms über Dioden der Vollbrücke zurück zu den Speicherkondensatoren.

Aus der DE 102 25 020 A1 ist eine Wechselrichterschaltung bekannt, die zwei Gleichspannungszweige, zwischen denen zwei Fotovoltaikgeneratoren und zwei Speicherkondensatoren jeweils in Reihe angeordnet ist, eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Reihe zueinander angeordneten Schaltern und zwei Wechselspannungsanschlüsse aufweist, von denen einer über eine eine Speicherdrossel enthaltende Verbindungsleitung mit dem Mittelabgriff der Halbbrücke verbunden ist. In jeder Halbwelle der Wechselspannung wird einer der Schalter der Halbbrücke hochfrequent geschaltet, während der andere geöffnet bleibt. In den Aufmagnetisierungsphasen wird der Drosselspule ein Strom zugeführt, der von dem zugehörigen Speicherkondensator bzw. Gleichspannungsgenerator herrührt. Im geöffneten Zustand des getakteten Schalters kommutiert ein Freilaufstrom auf den gegenüberliegenden Speicherkondensator zurück. Eine zwischen den Gleichspannungszweigen eingefügte Leistungskompensationsschaltung sorgt bei unterschiedlicher Leistungsabgabe der Fotovoltaikgeneratoren dafür, dass die der Halbbrücke in dem einen Gleichspannungszweig zugeführte gleich der von der Halbbrücke in dem anderen Gleichspannungszweig abgeführten Leistung ist.

Eine weitere Wechselrichterschaltungsanordnung ist in der am 24.05.2005 eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2005 024 465.3 beschrieben. Die Schaltungsanordnung basiert ebenfalls auf der Halbbrückenschaltung, die pro Gleichspannungszweig lediglich einen einzigen Schalter benötigt, der hochfrequent zu takten ist. Zwischen den Wechselspannungsanschlüssen ist eine Weichenschaltung mit weiteren Schaltereinheiten und Gleichrichterdioden vorgesehen, die eine Umlenkung der Strompfade ermöglicht. Eine Steuerungseinrichtung steuert die Halbbrücke und die Weichenschaltung geeignet an, um einen Wechselstrom zu erzeugen, wobei ein Freilaufstrom über die Weichenschaltung geleitet wird, so dass eine Rückkommutierung auf gleichspannungsseitige Speicherkondensatoren verhindert wird. Die Steuerungseinrichtung weist ferner eine Logik auf, um die Schalter der Halbbrücke und der Weichenschaltung bedarfsweise zum Leistungsausgleich zwischen den Gleichspannungszweigen anzusteuern.

Die bekannten Wechselrichterschaltungen haben sich bei der Einspeisung von Energie in ein Netz in der Praxis bewährt. Allerdings müssen die auf der Gleichspannungsseite anliegenden Gleichspannungen wenigstens den Betrag des Scheitelwerts der Netzspannung aufweisen. Ansonsten reicht die Spannung zur Aufmagnetisierung der Drosselspule und somit zur Erzeugung des gewünschten Wechselstromes oder der gewünschten Wechselspan nung nicht aus. Die Höhe der zugeführten Gleichspannung ist jedoch insbesondere beim Anschluss regenerativer Energiequellen, z.B. Fotovoltaikgeneratoren, nicht in jedem Betriebspunkt sichergestellt. Ein Fotovoltaikgenerator ist aus mehreren Modulen aufgebaut, die jeweils eine Reihenschaltung von mehreren Generatorzellen mit einer Nennspannung von bspw. 0,7 bis 0,8 Volt aufweisen. Die von den Zellen gelieferte Spannung variiert herstellungs- und betriebsbedingt, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur und aufgrund von Abschattungseffekten, in erheblichem Maße. Umso größer ist die gesamte Spannungsvarianz der Module und Generatoren. Eine beliebige Erhöhung der Anzahl der Generatormodule zur Erzielung einer Generatorspannung, die für die meisten Betriebspunkte ausreicht, ist aufgrund der begrenzten Durchschlagsfestigkeit der eingangsseitigen Speicherkondensatoren nicht möglich und aus Kostengründen wenig sinnvoll.

Es ist deshalb bekannt, Energiequellen, deren Gleichspannungspegel in bestimmten Betriebspunkten unterhalb des Netzscheitelwerts liegt, üblicherweise über einen sog. DC-DC-Steller an eine Wechselrichterschaltung anzuschließen. Ein DC-DC-Hochsetzsteller, der auch als Gleichstromsteller oder getakteter Spannungswandler bezeichnet wird, ist eine elektronische Schaltung, die eine eingangsseitige Gleichspannung in eine größere Ausgangsspannung wandelt. Hochsetzsteller sind in unterschiedlichen Ausführungsformen allgemein bekannt. Bei einem induktiven Wandler wird bspw. zur Energiespeicherung eine Spule benutzt, die über einen schließbaren Schalter geladen wird. Beim geöffneten Schalter entlädt sich die Spule über eine in Reihe angeschlossene Diode, um Energie, die im Magnetfeld der Spule gespeichert war, an einen Verbraucher abzugeben.

Wenn Hochsetzsteller in einer Wechselrichterschaltung eingesetzt werden, führt dies zwangsläufig zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads. Dieser ist umso schlechter, je größer der Hochsetzsteller dimensioniert ist und je höher die Belastung, also der von dem Hochsetzsteller abgegebene Strom ist, wobei die Verluste proportional zur zweiten Potenz der Stromstärke sind. Der hohe Spannungspegel am Ausgang des Hochsetzstellers hat in einer Wechselrichterschaltung hohe Verluste zur Folge. Am Ausgang der Brückenschaltung entstehen hohe Potentialsprünge zwischen aufeinander folgenden Aufmagnetisierungs- und Freilaufphasen mit der Folge hoher Schaltverluste und großer Rippelströme und Ummagnetisierungsverluste innerhalb der Speicherdrossel. Außerdem sind stark dimensionierte Hochsetzsteller verhältnismäßig kostspielig.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wechselrichterschaltung und ein Verfahren zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz zu schaffen, die es ermöglichen, auch bei unzureichenden Eingangsgleichspannungswerten, insbesondere unterhalb des Scheitelwerts der Netzwechselspannung, Energie mit hohem Wirkungsgrad in ein Netz einzuspeisen. Dabei sollen insbesondere Schaltverluste sowie Ummagnetisierungsverluste und Rippelströme in der Speicherdrossel weitgehend reduziert werden.

Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den erfindungsgemäßen Wechselrichter nach Anspruch 17 gelöst.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung mittels einer Schaltungsanordnung geschaffen, die eine Brückenschaltung mit Schalterelementen und Freilaufelementen und wenigstens eine Speicherdrossel am Ausgang der Brückenschaltung aufweist, die mit einem Wechselspannungsanschluss verbunden ist, der an eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz angeschlossen werden kann. Die Schalterelemente werden in Abhängigkeit von der Polarität der Wechselspannung mit festgelegtem Taktmuster geschaltet, wobei einzelne Schalterelemente synchron mit der Frequenz der Wechselspannung und andere Schalter mit hoher Taktfrequenz angesteuert werden. Im Schließzustand der hochfrequent getakteten Schalter, also in Aufmagnetisierungsphasen, wird ein Aufmagnetisierungsstrom zur Aufmagnetisierung der wenigstens einen Speicherdrossel bereitgestellt. Im Öffnungszustand dieser Schalterelemente, den Freilaufphasen, fließt über ausgewählte Freilaufelemente ein Freilaufstrom, der eine Abmagnetisierung der Speicherdrossel ermöglicht.

Erfindungsgemäß werden die momentanen Betriebsbedingungen erfasst und es wird an Hand dieser festgestellt, ob die Drossel (L) bei Anwendung des Taktmusters in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird. In Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Feststellung wird der Betriebsmodus zur Ansteuerung der Schalterelemente geeignet gewählt. Wenn festgestellt wird, dass die Speicherdrossel in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert werden kann, wird gemäß einem normalen Betriebsmodus das Gleichspannungspotential selbst in den Aufmagnetisierungsphasen zur Bereitstellung des Stroms zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel verwendet, d.h. bei entsprechender Schließung wenigstens eines hochfrequent getakteten Schalterelementes der Halbbrückenschaltung an die Speicherdrossel angekoppelt. In der Freilaufphase des normalen Betriebs, wenn das Schalterelement geöffnet ist, kommutiert der aufgrund der Abmagnetisierung innerhalb der Speicherdrossel weiter fließende Freilaufstrom auf einen gesonderten Freilaufpfad.

Wenn festgestellt wird, dass die Speicherdrossel in den Aufmagnetisierungsphasen nicht oder unzureichend aufmagnetisiert wird, wird ein erweiterter Betriebsmodus festgesetzt. In diesem Modus wird das Eingangsgleichspannungspotential in ein betragsmäßig höheres Potential gewandelt, das durch entsprechende Taktung wenigstens eines Schalterelementes in den Aufmagnetisierungsphasen als Aufmagnetisierungspotential zur Bereitstellung des Ladestroms für die Speicherdrossel verwendet oder an die Speicherdrossel angekoppelt wird. In den Freilaufphasen wird aber nicht der im normalen Betriebsmodus verwendete Freilaufpfad, sondern der im normalen Betriebsmodus verwendete Aufmagnetisierungspfad zur Bereitstellung des Freilaufstroms verwendet, so dass das Gleichspannungspotential selbst an die Speicherdrossel angekoppelt wird und das Freilaufpotential vorgibt.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung für die Einspeisung von Energie in ein Netz, bspw. öffentliches Versorgungsnetz, mittels einer Fotovoltaikanlage. Hierzu können ein oder zwei oder sogar mehrere Fotovoltaikgeneratoren insbesondere in Reihenschaltung an dem Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen sein. Es können auch andere Gleichspannungsquellen, die ein variables Gleichspannungspotential liefern, wie bspw. Brennstoffzellen oder Akkumulatoren, eingesetzt werden. Spannungsvarianzen, die auf herstellungsbedingte Toleranzen oder auf Temperaturdrift oder Abschattungseffekte im Betrieb zurückzuführen sind, werden durch die Erfindung ohne weiteres ausgeglichen, indem bspw. das erhöhte Potential auf ein gewünschtes Niveau eingeregelt wird. Es kann ein weiter Bereich variabler Gleichspannungspotentiale am Eingang verwendet werden, wobei die Gleichspannung auch deutlich unter dem Scheitelwert der Wechselspannung, bspw. dem Scheitelwert von etwa √2·230 Volt oder √2·120 Volt einer herkömmlichen Netzwechselspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hertz, liegen kann. Es ist festgestellt worden, dass mit einer Gleichspannungsamplitude von wenigstens etwa einem Drittel des Scheitelwerts der Netzspannung ein wirkungsvoller Betrieb möglich ist. Somit ist die Erfindung auf einen weiten Eingangsspannungsbereich anwendbar.

Die Erfindung ermöglicht es, auch bei unzureichenden Generatorspannungen Energie mit hohem Wirkungsgrad in ein Netz einzuspeisen, wozu mehrere Maßnahmen vorgesehen sind. Bspw. ist der Einsatz des erhöhten Spannungspotentials lediglich auf Zeiträume der Halbwelle beschränkt, in denen die Gleichspannung eines Generators kein ausreichendes Aufmagnetisierungspotential liefert. In den übrigen Zeiträumen wird die niedrigere Gleichspannung eines Generators zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel verwendet. Durch die geringere Potentialhöhe der Generatorspannung sind die Schaltverluste, Rippelströme und Eisenverluste in der Speicherdrossel und elektromagnetische Störungen im Vergleich zu einer Betriebsweise, bei der stets von dem erhöhten Potential, bspw. dem Ausgangspotential eines Hochsetzstellers, abgetaktet würde, deutlich reduziert. Ferner ist der Wirkungsgrad dadurch verbessert, dass in den Zeiträumen, in denen die Gleichspannung eines Generators nicht ausreicht und im erweiterten Betriebsmodus das erhöhte Potential an den Eingang der Speicherdrossel angekoppelt wird, die Gleichspannung des Generators das Freilaufpotential vorgibt. Der Freilaufstrom wird der Speicherdrossel von einem Gleichspannungszweig, an dem der Generator angeschlossen ist, zugeführt. Dies hat im Vergleich zu einem Freilauf z.B. aus einem Neutralleiter oder gar einem gegenüberliegenden Gleichspannungszweig einen geringeren Spannungshub auf dem an die Brückenschaltung angeschlossenen Eingang der Speicherdrossel zur Folge. Der Spannungshub entspricht lediglich in etwa der Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangspotential des Hochsetzstellers und dem Potential der Eingangsgleichspannung. Durch das höhere Freilaufpotential erfolgt die Abmagnetisierung der Speicherdrossel wesentlich langsamer, wodurch vorteilhafterweise selbst in der Freilaufphase Energie ins Netz eingespeist wird. Außerdem werden dadurch Rippelströme und Ummagnetisierungsverluste innerhalb der Speicherdrossel ebenso wie EMV-Störungen drastisch reduziert. Durch die geringen Spannungssprünge, die ein Schalterelement der Brückenschaltung, das in dem zur betragsmäßigen Potentialerhöhung dienenden Spannungswandlerzweig zur Erzeugung des Pulsmusters vorgesehen ist, bei seiner hochfrequenten Taktung ausführen muss, fallen in diesem ebenso wie in einer in dem Gleichspannungszweig vorgesehenen Freilaufdiode nur geringe Schaltverluste an. Ferner kann die Leitenddauer des hochfrequent getakteten Schalterelementes im Bereich des Scheitelwertes der Halbwelle der Wechselspannung wirksam verringert werden, so dass über diesen eine geringere Energiemenge ins Netz gelangt und der Schalter wie auch ein eventuell diesem vorgelagerter Hochsetzsteller wesentlich kleiner ausgeführt werden können. Jedenfalls können zusätzlich Kosten eingespart werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindung wird zur Feststellung, ob die Drossel in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird, der aktuelle Drosselspulenstrom erfasst und ein zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel erforderlicher Sollstrom festgelegt. Ferner wird eine gewünschte mittlere Spannung am Eingang der Speicherdrossel bestimmt und mit einem Referenzwert verglichen, der die Wahl des geeigneten Betriebsmodus und der geeigneten Ansteuerungsstrategie ermöglicht. Insbesondere ist der Referenzwert passend gewählt, um eine Entscheidung zu ermöglichen, ob die Eingangsgleichspannung gegebenenfalls unter Berücksichtigung geeigneter Sicherheitsreserven zur Erzielung der gewünschten mittleren Brückenausgangs- bzw. Drosseleingangsspannung ausreicht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Referenzwert ein variabler, in Abhängigkeit von momentanen Betriebsbedingungen anpassbarer oder einstellbarer Wert. Vorzugsweise ist der Referenzwert durch den Betrag des aktuellen Gleichspannungswertes gebildet oder gekennzeichnet, wobei bspw. Spannungsabfälle in dem Aufmagnetisierungspfad und bestimmte Toleranzen berücksichtigt werden. Wenn die gewünschte mittlere Drosseleingangsspannung betragsmäßig unterhalb des Gleichspannungspotentials liegt, erfolgt die Aufmagnetisierung der Speicherdrossel gemäß dem normalen Betriebsmodus aus dem Gleichspannungskreis, während der Freilauf vorzugsweise über einen Freilaufpfad erfolgt, der eine Kommutierung des Freilaufstroms auf den gegenüberliegenden Gleichspannungszwei oder den Nullleiter oder dgl. verhindert. Wenn der Betrag des gewünschten mittleren Drosseleingangsspannungswertes oberhalb der Gleichspannung liegt, wird der erfindungsgemäße erweiterte Betriebsmodus mit Aufmagnetisierung aus dem Spannungswandlerzweig und Freilauf aus dem Gleichspannungskreis über einen Gleichspannungszweig festgesetzt. Um dies zu ermöglichen, sind Schalterelemente und Freilaufelemente, bspw. Freilaufdioden, der Halbbrücke sowohl in dem Gleichspannungszweig als auch in dem Spannungswandlerzweig vorgesehen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Wechselrichter zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, insbesondere eine Netzwechselspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hertz, geschaffen, wobei der Wechselrichter zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Der Wechselrichter weist einen Gleichspannungskreis mit wenigstens einem Gleichspannungszweig, an den eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist, die eine Eingangsgleichspannung liefert, einen Wechselspannungskreis mit einem Wechselspannungszweig, an den eine Wechselspannung angelegt werden kann und der eine Speicherdrossel enthält, und eine Brückenschaltung auf, die Schalterelemente sowie Freilaufelemente, bspw. Freilaufdioden, zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung aufweist, und deren Abgriff mit dem Eingang der Speicherdrossel verbunden ist. Der Wechselrichter weist ferner einen an den Gleichspannungszweig angeschlossenen Spannungswandlerzweig mit einer Spannungswand lereinrichtung zur Hochsetzung der Eingangsgleichspannung auf ein betragsmäßig höheres Ausgangspotential auf. Eine Steuerungseinrichtung ist dazu vorgesehen, die Schalterelemente der Brückenschaltung gemäß einem festgelegten Taktmuster anzusteuern, um die Wechselrichtung zu bewerkstelligen. Die Steuerungseinrichtung weist eine Auswerteeinrichtung (33), die von einer Erfassungseinrichtung erfasste Signale, die Betriebsbedingungen kennzeichnen, empfängt und diese Signale verarbeitet, und eine Ansteuerungseinrichtung auf, die die Schalterelemente der Brückenschaltung mit einem bestimmten Taktmuster ansteuert. Die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung (34) weist eine geeignete Logik auf und ist dazu eingerichtet, ausgehend von den erfassten Signalen festzustellen, ob die Drossel bei Anwendung des Taktmusters in Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird, und in Abhängigkeit von dieser Feststellung den geeigneten der vorerwähnten Betriebsmodi des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuwählen und auslösen.

Der so ausgebildete Wechselrichter gemäß der Erfindung weist die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorstehend erwähnten Vorteile auf. Ebenso wird auf die vorstehend beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen, die entsprechend auch auf den erfindungsgemäßen Wechselrichter anwendbar sind.

Vorzugsweise gehört zu den erfassten Eingangssignalen ein Signal, das die aktuell durch die Speicherdrossel fließende Stromstärke oder eine damit in Beziehung stehende Größe kennzeichnet. Die Steuerungseinrichtung weist dann vorteilhafterweise eine Stromreglerlogik auf, die den Istwert des durch die Speicherdrossel fließenden Stroms auf einen gewünschten mittleren Wert regelt.

Für die Festlegung des geeigneten Betriebsmodus kann die Auswerteeinrichtung eine Bestimmungslogik, die ausgehend von den Eingangssignalen eine gewünschte mittlere Spannung am Eingang der Drossel bestimmt, und eine Vergleicherlogik enthalten, die den gewünschten mittleren Spannungswert mit einem Referenzwert, z.B. einem die Eingangsspannung kennzeichnenden Referenzwert vergleicht, wie dies vorstehend näher erläutert ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Gleichspannungszweig wenigstens eines der Schalterelemente der Brückenschaltung sowie eine in Reihe mit dem Schalterelement angeordnete Gleichrichterdiode. Dieses Schalterelement wird im normalen Betriebsmodus hochfrequent getaktet, um die Speicherdrossel aufzumagnetisieren. Im erweiterten Betriebsmodus ist dieses Schalterelement geschlossen, und die Gleichrichterdiode dient als Freilaufdiode, über die der Freilaufstrom fließt.

Der Spannungswandlerzweig ist vorzugsweise parallel zu der Reihenschaltung aus dem Schalterelement und der Gleichrichterdiode des Gleichspannungszweigs angeordnet und weist eine Spannungswandlereinrichtung, die vorzugsweise einen DC-DC-Hochsetzsteller, insbesondere einen induktiven Spannungswandler, und einen Speicherkondensator enthält, sowie ein mit der Spannungswandlereinrichtung in Reihe verbundenes Schalterelement der Brückenschaltung auf. Dieses Schalterelement wird im erweiterten Betriebsmodus zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel hochfrequent getaktet und ist im normalen Betriebsmodus offen. Vorteilhafterweise ist der Spannungshub, den dieser Schalter sowie die Freilaufdiode in dem Gleichspannungszweig im erweiterten Betriebsmodus ausführen, verhältnismäßig gering.

Die Brückenschaltung kann eine beliebige Schaltungstopologie aufweisen. Bevorzugt wird eine Halbbrücke verwendet, bei der pro Halbwelle lediglich ein Schalterelement hochfrequent getaktet werden muss. Es kann auch eine H- oder Vollbrücken schaltung eingesetzt werden, wenn dies gewünscht ist.

Der erfindungsgemäße Wechselrichter kann ferner Mittel zur Leistungskompensation aufweisen, die erforderlichenfalls einen Leistungsausgleich zwischen den Gleichspannungszweigen ermöglichen. Dies kann bspw. bei unterschiedlicher Abschattung zweier in Reihe geschalteter Fotovoltaikgeneratoren erforderlich sein, um zu verhindern, dass die Gesamtleistung der Anlage aufgrund der Solarzellenkennlinie gesenkt wird. Die Leistungskompensation kann bspw. dadurch bewerkstelligt werden, dass für bestimmte Zeiträume dem Freilaufstrom ermöglicht wird, auf den gegenüberliegenden Spannungswandlerzweig zurück zu kommutieren, wodurch Energie über die Spannungswandlereinrichtung auf den jeweiligen Gleichspannungszweig übertragen wird bzw. durch den Hochsetzsteller weniger Energie eingespeist werden muss. Die durch die Steuerungseinrichtung und bestimmte Schalterelemente und Freilaufelemente der Brückenschaltung gebildeten Leistungskompensationsmittel ermöglichen es somit, beide Generatoren an ihrem optimalen Betriebspunkt gemäß der Solarzellenkennlinie betreiben zu können. In gleicher Weise können Speicherkondensatoren der Spannungswandlereinrichtung in bestimmten Freilaufphasen gezielt aufgeladen werden, um das erhöhte Potential zu erzeugen, ohne dass gegebenenfalls ein DC-DC-Hochsetzsteller erforderlich ist.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder Patentansprüche.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung eines Wechselrichters gemäß der Erfindung mit einer Halbbrücke in einer einphasigen Konfiguration;
2a und 2b schematische Darstellungen der zeitlichen Verläufe der Brückenspannung, der Ströme und der Steuersignale bei der Schaltungsanordnung nach 1;
3 eine modifizierte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung für einen erfindungsgemäßen Wechselrichter und
4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters unter Einsatz einer Vollbrückenschaltung.
In 1 ist in leicht schematisierter Weise eine Schaltungsanordnung 1 eines erfindungsgemäßen Wechselrichters in einer einphasigen, transformatorlosen Konfiguration veranschaulicht. Der dargestellte Wechselrichter 1 dient zur Erzeugung und Einspeisung eines Wechselstroms in ein externes Netz. Hierzu weist der Wechselrichter 1 einen Gleichspannungskreis 2, der auch als Zwischenkreis bezeichnet wird und die Eingangsgleichspannung vorgibt, eine hier als Halbbrücke ausgeführte transformatorlose Brückenschaltung 3, eine Spannungswandlerschaltung 4 zur betragsmäßigen Erhöhung des Potentials der Eingangsgleichspannung und einen Wechselspannungskreis 6 auf.
Der Gleichspannungskreis weist drei Gleichspannungsanschlüsse 7, 8, 9 auf, an denen Gleichspannungsgeneratoren 11, 12, bspw. Fotovoltaikgeneratoren, Brennstoffzellen, Batterien oder dgl., in Reihe zueinander angeschlossen sind. Dabei ist ein erster Gleichspannungsgenerator 11 zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 7 und 8 geschaltet, während ein zweiter Gleichspannungsgenerator 12 zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 8 und 9 angeordnet ist. Aus Gründen der Vereinfachung wird angenommen, dass die Gleichspannungsgeneratoren die gleiche Eingangsgleichspannung oder Zwischenkreisspannung U_ZK1 bereitstellen, wenngleich sich im Betrieb die gelieferten Spannungswerte bspw. infolge Abschattung oder Toleranzen voneinander unterscheiden können.
Von den Gleichspannungsanschlüssen 7, 8, 9 führen Gleichspannungszweige 13, 14, 15 weg, von denen der in der Mitte befindliche Gleichspannungszweig 14 durch die gesamte Schaltungsanordnung 1 hindurchgeführt ist, um einen Neutralleiter zu bilden. Zwischen den Gleichspannungszweigen 7 und 8 bzw. 8 und 9 sind Speicherkondensatoren C₁ bzw. C₂ jeweils parallel zu den Gleichspannungsgeneratoren 11 und 12 angeschlossen.
Parallel zu der Reihenschaltung der Kondensatoren C₁, C₂ ist die Halbbrückenschaltung 3 angeordnet, die zwei in Reihe miteinander verbundene Schalterelemente S₁ und S₂ aufweist, die in einem mit dem jeweiligen Gleichspannungszweig 13 bzw. 15 verbundenen Aufmagnetisierungs- und Freilaufpfad 16 bzw. 17 angeordnet sind. Die Schalterelemente S₁ und S₂ sind, wie andere Schalterelemente auch, vorzugsweise als Halbleiterschalter in Form von IGBT-(Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOS-Feldeffekttransistor-Schaltern oder anderen verlustarmen Schaltern ausgebildet, die mit hohen Frequenzen von bis zu 100 Kilohertz geschaltet werden können. Parallel zu den Schalterelementen S₁ und S₂ ist jeweils eine Freilaufdiode D₁ bzw. D₂ vorgesehen, die in entgegengesetzter Durchlassrichtung zu den Schalterelementen S₁, S₂ angeordnet sind, um diese gegen Sperrströme zu schützen. Die Freilaufdioden D₁ und D₂ sind hier nur optional und können auch weggelassen werden. In Reihe zu den jeweiligen Schaltereinheiten S₁ und S₂ sind Gleichrichterdioden D₁₀ und D₂₀ vorgesehen, die in gleicher Durchlassrichtung wie die Schalterelemente S₁ bzw. S₂ angeordnet sind. In der veranschaulichten Ausführungsform befindet sich die Diode D₁₀ zwischen dem Schalterelement S₁ und einem Mittelabgriff 18 der Halbbrücke 13, während die Diode D₂₀ zwischen dem Mittelabgriff 18 und dem Schalterelement S₂ angeordnet ist. Die Gleichrichterdioden D₁₀ und D₂₀ können jedoch von der Gleichspannungsseite her betrachtet auch vor den Schalterelementen S₁ und S₂ angeordnet sein.
Die Halbbrücke 3 weist zwei weitere Schalterelemente S₃, S₄ auf, die mit zu diesen parallel und in entgegengesetzter Durchlassrichtung angeordneten Freilaufdioden D₃ bzw. D₄ versehen und in Spannungswandlerzweigen 19, 20 angeordnet sind, die zu der Spannungswandlerschaltung 4 gehören.
Der Spannungswandlerzweig 19 ist parallel zu der Reihenanordnung aus Schalterelement S₁ und Gleichrichterdiode D₁₀ an geordnet und weist hier vorteilhafterweise einen DC-DC-Hochsetzsteller 21 auf, der vorzugsweise in Form eines spannungserhöhenden induktiven Wandlers ausgebildet ist. Derartige Hochsetzsteller oder Spannungswandler sind aus der Technik allgemein bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Ihre Funktion besteht darin, das Potential einer Eingangsspannung, hier der Spannung U_ZK1, auf ein höheres Potential heraufzusetzen, das hier mit U_ZK2 bezeichnet ist. Der Hochsetzsteller 21 ist mit seinem Eingang an dem Gleichspannungszweig 13 angeschlossen, während sein Ausgang mit dem Schalterelement S₃ verbunden ist, der wiederum an den Mittelabgriff 18 der Halbbrücke 3 angeschlossen ist. Ferner ist an dem Ausgang des Hochsetzstellers 21 ein Pufferkondensator C₃ angeschlossen, dessen anderer Anschluss mit dem Neutralleiter 8 verbunden ist.
In ähnlicher Weise und in symmetrischer Ausbildung enthält der parallel zu der Reihenanordnung aus Schalterelement S₂ und Gleichrichterdiode D₂₀ vorgesehene Spannungswandlerzweig 20 hier einen DC-DC-Hochsetzsteller 22 auf, der an dem Gleichspannungszweig 15 zwischen dem Gleichspannungsanschluss 9 und dem Schalterelement S₂ angeschlossen ist und dessen Ausgang sowohl mit der Schaltereinheit S₄, D₄ als auch mit einem Pufferkondensator C₄ verbunden ist, der zwischen dem Spannungswandlerzweig 20 und dem Neutralleiter 14 eingefügt ist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 enthält ferner zwei Freilaufpfade 23, 24, die parallel zueinander zwischen dem Mittelabgriff 18 der Halbbrücke 3 und dem Neutralleiter verlaufen. Jeder Freilaufpfad 23, 24 weist ein Schalterelement S₅ bzw. S₆ mit einer optional zu diesem antiparallel geschalteten Freilaufdiode D₅ bzw. D₆ sowie eine in Reihe zu diesem angeordnete Gleichrichterdiode D₅₀ bzw. D₆₀ auf, die die gleiche Durchlassrichtung wie das zugehörige Schalterelement S₅ bzw. S₆ aufweist. Im Übrigen sind die Gleichrichterdioden D₅₀ und D₆₀ in den einzelnen Freilaufpfaden 23, 24 zueinander in entgegengesetzter Durchlassrichtung geschaltet.
Der Mittelabgriff 18 der Halbbrücke 3 ist über eine Verbindungsleitung 26, in der eine Speicherdrossel L vorgesehen ist, um von der Halbbrücke 3 gelieferte Energie zwischenzuspeichern und an ein Wechselspannungsnetz abzugeben, mit einem Wechselspannungsanschluss 27 des Wechselspannungskreises 6 verbunden. An dem Wechselspannungsanschluss 27 und einem weiteren Wechselspannungsanschluss 28, der mit dem Neutralleiter verbunden ist, ist eine externe Wechselspannung U_NETZ angeschlossen. Ferner enthält der Wechselspannungskreis 6 einen Glättungskondensator C₅, der zwischen der Verbindungsleitung 26 und dem Nullleiter eingefügt ist, um hochfrequente Spannungsanteile der zwischen dem Mittelabgriff 18 und dem Neutralleiter 14 anfallenden Brückenspannung U_BR herauszufiltern.
Wie aus 1 ferner hervorgeht, ist zur Überwachung und Steuerung der Betriebsweise der Schaltungsanordnung 1 eine Steuerungseinrichtung 29 vorgesehen. Die Steuerungseinrichtung 29 empfängt an ihrem Eingang Eingangssignale 31, die von diversen, hier nicht näher veranschaulichten Sensormitteln, wie Strom- und Spannungsfühlern, herrühren. Es können insbesondere Eingangsignale, die die Zwischenkreisspannungen U_ZK1 bzw. die erhöhten Zwischenkreisspannungen U_ZK2, den durch die Speicherdrossel fließenden Drosselstrom I_L, die Netzspannung U_NETZ sowie gegebenenfalls weitere Zustandsgrößen in der Schaltungsanordnung 1 kennzeichnen, erfasst und berücksichtigt werden. Die Steuerungseinrichtung 29 nimmt die erfassten Eingangssignale 31 entgegen und verarbeitet diese gemäß vorbestimmten logischen Regeln, um an ihrem Ausgang Ausgangssignale 32 zur Ansteuerung der Schalterelemente S₁ bis S₆ auszugeben. Die Eingangssignale 31 können der Steuerungseinrichtung 29 in analoger oder digitaler Form zugeführt werden, so dass die Steuerungseinrichtung 29 analoge und/oder digitale Logikelemente enthalten oder in Form eines auf einem Mikroprozessor ablaufenden Steuerungsprogramms realisiert sein kann, in dem die entsprechenden logischen Regeln implementiert sind.
Unabhängig von ihrer Realisierung enthält die Steuerungseinrichtung 29 eine Auswerteeinrichtung oder -logik 33, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine der Zustandsgrößen, wie sie durch einen der Eingangssignale 31 gekennzeichnet sind, auszuwerten, daraus weitere Größen zu bestimmen und mit einem Referenzwert zu vergleichen, und eine Ansteuerungseinrichtung oder -logik 34, die mit der Auswerteeinrichtung 33 verbunden ist und von dieser angewiesen wird, eine geeignete Ansteuerungsstrategie zu wählen, um die Schalterelemente S₁ bis S₆ über die Ausgangssignale 32 auf geeignete Weise anzusteuern.
In 2a sind zur Veranschaulichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 vereinfachte Diagramme mit Zeitverläufen verschiedener Teilspannungen und Ströme sowie Steuerungssignale in der Schaltungsanordnung 1 für den Fall einer positiven Halbwelle der Netzspannung U_NETZ veranschaulicht. Entsprechende Diagramme für den Fall der negativen Halbwelle der Netzspannung U_NETZ sind in 2b dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Schaltfrequenz im Betrieb mehrere, bspw. 16 Kilohertz beträgt, während in der Zeichnung aus Komplexitätsgründen lediglich wenige Taktungen pro Halbwelle dargestellt sind, um anhand eines Beispiels die prinzipielle Funktionsweise der Schaltungsanordnung 1 zu verdeutlichen. Die Schaltungsanordnung 1 funktioniert wie folgt: Die Schaltungsanordnung 1 wird vorzugsweise dazu verwendet, Energie in ein Netz, insbesondere ein öffentliches Versorgungsnetz, zu speisen. Dabei soll unter der Annahme, dass an den Wechselspannungsanschlüssen 27, 28 eine sinusförmige Netzspannung U_NETZ mit einer Scheitelspannung von √2·230 Volt und einer Frequenz von 50 oder 60 Hz anliegt, wie sie in den obersten Diagrammdarstellungen der 2a und 2b für die jeweilige Halbwelle veranschaulicht ist, aus den Zwischenkreisspannungen U_ZK1 der Gleichspannungsgeneratoren 11, 12 am Ausgang des Wechselrichters 1 ein Wechselstrom erzeugt werden, der zu der Phasenlage und Amplitude der Wechselspannung U_NETZ passt. Hierzu steuert die Steuerungseinrichtung 29 nach einem bestimmten Taktmuster die Schalterelemente S₁ bis S₆ geeignet an, um diese zu schließen und zu öffnen. Dabei werden Schalter S₁ bis S₄ durch geeignete Modulation, bspw. Pulsweitenmodulation der Ansteuersignale 32 hochfrequent betätigt, während die Schalterelemente S₅ und S₆ synchron zu der Netzfrequenz geschlossen und geöffnet werden.
Wie aus 2a hervorgeht, wird im Falle einer positiven Halbwelle und eines geringen Spannungspegels der Netzspannung U_NETZ gemäß einem normalen Betriebsmodus der Schalter S₁ hochfrequent geschaltet, während der Schalter S₅ während nahezu der gesamten positiven Halbwelle geschlossen bleibt. Die übrigen Schalterelemente S₂ bis S₄ und S₆ sind geöffnet. Bei jeder Schließung des Schalterelementes S₁, im Folgenden mit Aufmagnetisierungsphase bezeichnet, fließt ein Aufmagnetisierungsstrom I_S1 aus dem Gleichspannungskreis 2, insbesondere dem Speicherkondensator C₁, über den Zweig 16 mit dem Schalterelement S₁ und der Gleichrichterdiode D₁₀ zu der Speicherdrossel L, um diese energetisch bzw. magnetisch aufzuladen. Die Brückenspannung U_BR entspricht unter Vernachlässigung der Spannungsabfälle in dem Zweig 16 der Zwischenkreisspannung U_ZK1. Der Drosselstrom I_L nimmt in jeder Ladephase stetig zu. Mit steigender Netzspannung U_NETZ wird die Schließdauer des Schalters S₁ größer. Wenn das Schalterelement S₁ bei jeder Taktung geöffnet wird, was als Freilaufphase bezeichnet wird, sinkt die Brückenspannung U_BR im Wesentlichen auf den Wert Null, so dass es zu einer Abmagnetisierung der Drosselspule L und einem Abfall des Drosselstroms I_L in jeder Freilaufphase kommt. Dabei fließt der Freilaufstrom I_S5 von dem Neutralleiter über den Freilaufpfad 23 mit der Gleichrichterdiode D₅₀ und dem Schalter S₅ zu der Verbindungsleitung 26 mit der Speicherdrossel L. Wie aus 2a zu erkennen, steigt der Spulenstrom I_L unter Ausbildung geringer Welligkeiten, die als Stromrippel bezeichnet werden, allmählich an und folgt dabei im Mittel dem Verlauf der Netzspannung U_NETZ.
Sobald die Zwischenkreisspannung U_ZK1 für eine hinreichende Aufladung der Drosselspule L nicht ausreicht, wird ein erweiterter Betriebsmodus eingeleitet. Dieser Fall wird von der Auswerteeinrichtung 33 erkannt, indem sie von dem/den empfangenen Eingangssignal(en) 31 eine aktuell gewünschte mittlere Spannung U _BR am Drosseleingang 26, die eine ausreichende Aufmagnetisierung der Speicherdrossel L ermöglicht, bestimmt und diesen mittleren Spannungswert U _BR mit einem Referenzwert REF vergleicht. Genauer gesagt und in einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Ansteuerungseinrichtung 33 eine hier nicht näher dargestellte Stromreglerlogik, die die mittlere Stromstärke Î_L des durch die Drosselspule fließenden Stroms I_L entsprechend einem Sollwert regelt, der zu der Netzwechselspannung U_NETZ Passt. In Abhängigkeit von den Soll- und Istwerten des Drosselstroms I_L bestimmt die Ansteuerungseinrichtung die jeweils erforderliche mittlere Drosseleingangsspannung U_BR und vergleicht diese mit dem Referenzwert REF. Wenngleich es möglich ist, den Referenzwert bspw. in Abhängigkeit von einen bekannten Wert von U_ZK1 im Voraus festzulegen, wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Referenzwert mit Hilfe des momentan erfassten Wertes von U_ZK1 bestimmt, wobei Spannungsabfälle im Aufmagnetisierungspfad entsprechend berücksichtigt werden. Wenn der Wert U _BR betragsmäßig größer ist als der Referenzwert REF, liefert die Ansteuerungseinrichtung 33 an die Ansteuerungslogik 34 ein Signal 36, das anzeigt, dass der erweiterte Betriebsmodus eingeleitet werden soll.
In dem erweiterten Betriebsmodus veranlasst die Ansteuerungseinrichtung 34, dass das Schalterelement S₁ geschlossen bleibt, während nun das Schalterelement S₃ hochfrequent geschaltet wird. Das Schalterelement S₅ in dem Pfad 23 kann geschlossen bleiben oder auch geöffnet werden. In den nachfolgenden Aufmagnetisierungsphasen wird also die durch den Hochsetzsteller 21 erhöhte Zwischenkreisspannung U_ZK2 zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel L verwendet. Diese liegt dann in den Aufmagnetisierungsphasen an dem Mittelabgriff 18 der Brücke 3 an. Der Ladestrom I_S3 fließt im Schließzustand des Schalters S₃ von dem Ausgang des Hochsetzstellers 21 über den Spannungswandlerzweig 19 und das Schalterelement S₃ zu dem Mittelabgriff 18 und ferner über die Verbindungsleitung 26 zu dem Eingang der Drossel L. Im Öffnungszustand des Schalters S₃ fließt ein Freilaufstrom I_S1 von dem Gleichspannungskreis 2, also dem Speicherkondensator C₁, über den nun als Freilaufpfad dienenden Zweig 16, der das Schalterelement S₁ und die Gleichrichterdiode D₁₀ enthält, zu der Spule L.
Vorteilhafterweise schwankt die Brückenspannung U_BR lediglich zwischen dem Wert der erhöhten Zwischenkreisspannung U_ZK2 in der Aufmagnetisierungsphase und in etwa dem niedrigeren Wert der Eingangsspannung U_ZK1, der das Freilaufpotential in der Freilaufphase definiert. Die Spannungssprünge der Brückenspannung U_BR sind verhältnismäßig gering, jedenfalls deutlich geringer als in dem Fall, wenn der Freilauf von dem Neutralleiter oder gar dem gegenüberliegenden Gleichspannungszweig 15 erfolgen würde. Dadurch wird die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert, so dass externe Filter, wie Drosseln, Kondensatoren oder dgl., zur elektromagnetischen Entstörung kleiner dimensioniert und somit wirtschaftlicher ausgeführt oder sogar weggelassen werden können. Außerdem wird durch die geringen Spannungshübe der Brückenspannung U_BR auch die Abmagnetisierung der Speicherdrossel L wesentlich verlangsamt. Dies hat wiederum äußerst geringe Rippelströme und Ummagnetisie rungsverluste innerhalb der Speicherdrossel L zur Folge. Ferner fallen in dem Schalterelement S₃ und der Freilaufdiode D₁₀, die die Spannungssprünge mit ausführen, nur sehr geringe Schaltverluste an. Nachdem stets nur ein Schalterelement der Brücke 3 leitend ist, sind auch die Durchlassverluste gering. Insgesamt kann ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
Vorteilhafterweise wird sogar in der Freilaufphase Energie der Speicherdrossel L und nachgelagert dem Netz zugeführt. Somit kann, wie aus 2a ersichtlich, die Dauer, während der der Schalter S₃ im oberen Bereich der Sinuswelle jeweils leitend geschaltet wird, deutlich verringert werden. Damit gelangt über den Schalter S₃ eine geringere Energiemenge ins Netz. Der Schalter S₃ und der Hochsetzsteller 21 können wesentlich kleiner ausgelegt oder ausgeführt sein.
Wenn die Netzspannung U_NETZ nach dem Scheitelpunkt wieder absinkt und das Referenz-Spannungsniveau REF unterschreitet, wie dies durch das Signal 36 der Auswerteeinrichtung 33 angezeigt wird, schaltet die Ansteuerungslogik 34 wieder in den vorstehend erwähnten normalen Betriebsmodus um, in dem sie das Schalterelement S₃ öffnet und das Schalterelement S₁ hochfrequent taktet. Die Aufmagnetisierung erfolgt erneut über das Schalterelement S₁ und die Diode D₁₀ ausgehend von dem Potential U_ZK1, während der Freilauf über den Freilaufpfad 23 erfolgt.
In der negativen Halbwelle der Netzspannung U_NETZ bleiben die Schalterelemente S₁, S₃ und S₅ geöffnet, während in analoger Weise die Schalterelemente S₂, S₄ und S₆ geeignet angesteuert werden. Dabei wird im normalen Betriebsmodus, wenn die gewünschte mittlere Spannung U _BR größer ist als das Potential an dem Gleichspannungszweig 15, die negative Zwischenkreisspannung –U_ZK1. bei geschlossenem Schalterelement S₆ und geöffnetem Schalterelement S₄ das Schalterelement S₂ hochfrequent geschaltet. In den Aufmagnetisierungsphasen ist die Brückenspannung U_BR durch das Zwischenkreispotential –U_ZK1 vorgegeben, und es fließt ein Aufmagnetisierungsstrom I_S2 über die Gleichrichterdiode D₂₀ und das Schalterelement S₂, um die Speicherdrossel L aufzumagnetisieren. In Freilaufphasen, wenn das Schalterelement S₂ geöffnet ist, führt der Freilaufpfad 24 mit dem geschlossenen Schalterelement S₆ und der Gleichrichterdiode D₆₀ den Freilaufstrom. Die Brückenspannung U_BR springt zwischen dem Potential –U_ZK1 und Null.
In dem Zeitabschnitt, in dem der Istwert der Wechselspannung U_NETZ das Potential –U_ZK1 unterschreitet oder, genauer gesagt, der Betrag der momentan gewünschten mittleren Spannung U _BR am Eingang der Speicherdrossel L größer ist als der Referenz-Spannungswert, z.B. der Betrag der Gleichspannung U_ZK1 zuzüglich Reserve, schaltet die Steuerungseinrichtung 29 in den erweiterten oder modifizierten Betriebsmodus um, in dem das an dem Gleichspannungszweig 16 anliegende Potential –U_ZK1 durch den Hochsetzsteller 22 auf ein betragsmäßig höheres Potential –U_ZK2 gewandelt wird, das nunmehr das Aufmagnetisierungspotential in den Aufmagnetisierungsphasen vorgibt. Das Schalterelement S₄ wird nun hochfrequent geschaltet, während das Schalterelement S₂ geschlossen bleibt. Das Schalterelement S₆ kann geöffnet werden oder auch geschlossen bleiben. Ströme zur Aufmagnetisierung der Drosselspule L fließen nun über das Schalterelement S₄, während der Freilauf über die Gleichrichterdiode D₂₀ und das Schalterelement S₂ in dem nun als Freilaufpfad dienenden Zweig 17 erfolgt. Die Brückenspannung U_BR schwankt zwischen dem erhöhten Zwischenkreispotential –U_ZK2 und dem Zwischenkreispotential –U_ZK1. Der Spannungshub ist gering, was geringe Schalterverluste und Ummagnetisierungsverluste und einen hohen Wirkungsgrad ergibt.
Die Steuerungseinrichtung 29 enthält auch logische Regeln zur Leistungskompensation zwischen den Gleichspannungszweigen 13 und 15. Ist bspw. infolge Abschattung die Leistungsabgabe des unteren Solargenerators 12 reduziert, was durch Erfassung und Vergleich der Spannungen U_ZK1 der Generatoren und der von diesen eingespeisten Ströme festgestellt werden kann, veranlasst die Ansteuerungslogik 34 bedarfsweise, dass der Schalter S₅ in dem Freilaufpfad 23 in der positiven Halbwelle der Netzspannung U_NETZ für eine kurze Dauer geöffnet wird. Dadurch kann der Drosselstrom I_L in Freilaufphasen über die Freilaufdiode D4 des Schalterelementes S₄ auf den Pufferkondensator C4 kommutieren, der dadurch aufgeladen wird. Somit wird ein Anteil der von dem Generator 11 zugeführten Energie auf den unteren Spannungswandlerzweig 20 und über den Hochsetzsteller 22 auf den unteren Gleichspannungszweig 15 übertragen. Dieser Anteil und somit der Grad der Leistungskompensation ist durch das Verhältnis der gesamten Öffnungsdauer zu der Schließdauer des Schalterelementes S₅ bestimmt.
Ein umgekehrter Leistungsausgleich von dem unteren 15 zu dem oberen Gleichspannungszweig 13 wird durch zeitlich anteilige Öffnung des Schalterelementes S₆ in der negativen Halbwelle und Rückkommutierung des Drosselstroms I_L über die Freilaufdiode D₃ auf den Pufferkondensator C₃ erreicht. Somit bilden die Freilaufdioden D₃ und D₄ und die Schalterelement S₅ und S₆ gemeinsam mit der Leistungskompensationslogik der Steuerungseinrichtung 29 erfindungsgemäße Leistungskompensationsmittel.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. Bspw. kann die Schaltungsanordnung 1 erweitert werden, um mehr als zwei in Reihe miteinander verbundene Gleichspannungsgeneratoren zu verwenden. Der Neutralleiter 14 kann netzseitig, bspw. in einem Schaltschrank, durch Erdung auf ein definiertes Nullpotential gelegt werden. In dem Neutralleiter und/oder der Verbindungsleitung 26 können Filterelemente zur Unterdrückung hochfrequenter Störsignale eingefügt werden, wobei derartige Elemente aus Einfachheitsgründen in 1 nicht veranschaulicht sind. Der aufgezeigte Wechselrichter 1 kann auch ohne weiteres zu einer dreiphasigen Konfiguration erweitert werden, wenn aus den Gleichspannungen U_ZK1 ein dreiphasiger Wechselstrom erzeugt werden soll.
Ferner kann auch ein anderes geeignetes Kriterium zur Feststellung, ob die Eingangsspannung U_ZK1 zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel ausreicht oder nicht, aufgestellt werden. Ein derartiges Kriterium kann bspw. auf einem Vergleich des Betrags des aktuellen Wertes der Netzwechselspannung U_NETZ mit einem geeigneten Spannungsreferenzwert, bspw. einem von der Eingangsspannung abhängigen Referenzwert, basieren. Es ist auch zu beachten, dass Zustandgrößen in der Schaltung an Hand allgemeiner elektrotechnischer Beziehungen aus anderen Größen abgeleitet oder anstatt derer für das Kriterium verwendet werden können.
Außerdem kann der erfindungsgemäße Wechselrichter in einer besonderen Ausgestaltung auch ohne die Hochsetzsteller 21, 22 ausgebildet sein. Die Spannungswandlereinrichtung ist dann allein durch die Pufferkondensatoren C₁, C₂ und eine spezielle Ansteuerlogik 34 gebildet, die ähnlich wie die Leistungskompensationslogik arbeitet. Durch eine gezielte Aufladung der Pufferkondensatoren C₁, C₂ in bestimmten Freilaufphasen kann für einen Eingangsspannungsbereich bestimmter Mindestgröße eine ausreichende Spannungserhöhung in den Spannungswandlerzweigen 19, 20 erzielt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den 3 und 4 veranschaulicht. Soweit Übereinstimmung in Bau und/oder Funktion besteht, wird unter Verwendung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
Die in 3 veranschaulichte Schaltungsanordnung 1 unterscheidet sich von derjenigen nach 1 lediglich in der Ausbildung der Freilaufpfade 23, 24. Der Freilaufpfad 23 ist wiederum durch eine Reihenschaltung einer Gleichrichterdiode D₅₀ und eines Schalterelementes S₅ gebildet, wobei die Gleichrichterdiode D₅₀ in einem Zweig 23a angeordnet ist, der von dem Neutralleiter zu dem Verbindungspunkt 18a führt, an dem der Aufmagnetisierungs- und Freilaufzweig 16 mit dem Spannungswandlerzweig 19 verbunden ist. Dabei zeigt die Durchlassrichtung der Gleichrichterdiode D₅₀ zu dem Verbindungspunkt 18a hin. Das Schalterelement S₅ ist in einem Zweig 23b angeordnet, der von dem Verbindungspunkt 18a zu einem Mittelabgriff 37 der Halbbrücke 3 führt, an dem die Speicherdrossel L enthaltende Verbindungsleitung 26 angeschlossen ist.
In analoger Weise weist der Freilaufpfad 24 einen ersten Zweig 24a, der sich zwischen einem Verbindungspunkt 18b und dem Neutralleiter 14 erstreckt und eine Gleichrichterdiode D₆₀ mit Durchlassrichtung zu dem Neutralleiter 14 enthält, sowie einen weiteren Zweig 24b auf, der von dem Mittelabgriff 37 zu dem Verbindungspunkt 18b führt und ein Schalterelement S₆ enthält, dessen Durchlassrichtung zu dem Verbindungspunkt 18b zeigt. An dem Verbindungspunkt 18b sind der Aufmagnetisierungs- und Freilaufzweig 17 und der Spannungswandlerzweig 20 miteinander verbunden.
In anderen Worten sind die Freilaufpfade 23 und 24 hier durch eine Parallelschaltung zweier in Reihe angeordneter Schalterelemente S₅ und S₆ sowie zweier in Reihe angeordneter Gleichrichterdioden D₅₀ und D₆₀ gebildet, wobei die Durchlassrichtung der Dioden D₅₀ und D₆₀ zu der Durchlassrichtung der Schalter S₅ und S₆ entgegengesetzt ist und wobei der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D₅₀ und D₆₀ mit dem Neutralleiter 14 verbunden ist, während der Verbindungspunkt zwischen den Schalterelementen S₅ und S₆ den Mittelabgriff 37 der Brückenschaltung 3 bildet.
Hinsichtlich der Ansteuerung der Schalterelemente S₁ bis S₆ ergibt sich kein Unterschied zu der Schaltungsanordnung 1 nach 1. Während einer positiven Halbwelle ist das Schalterelement S₅ geschlossen, während in Abhängigkeit davon, ob der aktuelle Wert der Netzspannung U_NETZ kleiner oder größer als der Istwert der Zwischenkreisspannung U_ZK1 ist, entweder das Schalterelement S₁ im normalen Betriebsmodus oder das Schalterelement S₃ im modifizierten Betriebsmodus hochfrequent geschaltet wird und der Aufmagnetisierungsstrom entweder durch den Zweig 16 oder den Spannungswandlerzweig 19 geleitet wird. In den Aufmagnetisierungsphasen liegt zwar das Schalterelement S₅ stets in dem Aufmagnetisierungspfad, ist jedoch während der positiven Halbwelle der Netzspannung U_NETZ dauernd geschlossen, so dass nur ein Schalterelement hochfrequent getaktet wird. In den Freilaufphasen fließt der Freilaufstrom in dem normalen Betriebsmodus über die Gleichrichterdiode D₅₀ in dem Freilaufzweig 23a und das Schalterelement S₅ in dem Zweig 23b, der nun einen Freilaufpfad bildet, und in dem erweiterten Betriebsmodus über den Zweig 16 mit dem Schalterelement S₁ und der Gleichrichterdiode D₁₀. Für die negativen Halbwellen der Netzspannung U_NETZ gilt Entsprechendes, wobei hier die Schalterelemente S₂, S₄ und S₆, die Gleichrichterdioden D₂₀ und D₆₀ und die Freilaufzweige 17 bzw. 24a und 24b verwendet werden.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 eines Wechselrichters veranschaulicht, die lediglich einen Gleichspannungsgenerator 11, bspw. einen Solargenerator mit mehreren in Reihe geschalteten Solarmodulen, und eine Brückenschaltung 3 in einer Vollbrückenausführung verwendet. Die Schaltungsanordnung 1 weist hier nur zwei Gleichspannungsanschlüsse 7, 8 und Gleichspannungszweige 13, 14 auf, zwischen denen ein Speicherkondensator C₁ eingefügt ist. Insofern enthält die Schaltungsanordnung 1 keinen durchgehenden Neutralleiter. An dem Gleichspannungszweig 13 ist entsprechend den vorbeschriebenen Ausführungsformen ein Aufmagnetisierungs- und Freilaufzweig 16 mit einer Schalter einheit S₁, D₁, wobei die antiparallel Freilaufdiode auch weggelassen werden kann, und einer Gleichrichterdiode D₁₀ sowie ein Spannungswandlerzweig 19 mit der Spannungswandlerschaltung 4 angeschlossen, die hier den Hochsetzsteller 21 und das Schalterelement 5₃ mit einer antiparallelen Freilaufdiode D₃ enthält. Eine H-Brücke 38 der Vollbrückenschaltung 3 ist zwischen dem Verbindungspunkt 17 der Zweige 16, 19 und dem Gleichspannungszweig 14 eingefügt. Die H-Brücke weist zwei Paralleläste auf, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Schalterelemente S₇₁ und S₇₂ bzw. S₇₃ und S₇₄ aufweisen, zu denen jeweils Freilaufdioden D₇₁ bis D₇₄ antiparallel geschaltet sind. Jeder Wechselspannungsanschluss ist über eine Verbindungsleitung 26a, 26b des Wechselspannungskreises 6 mit einem der Paralleläste der H-Brücke 38 über einen Verbindungsknoten verbunden, der jeweils zwischen zwei Schaltereinheiten S₇₁ und S₇₂ bzw. S₇₃ und S₇₄ liegt.
Im Betrieb werden jeweils nur die Schalterelemente S₁ und S₃ im normalen bzw. modifizierten Betriebsmodus hochfrequent geschaltet, wie dies auch bei den Ausführungsformen nach 1 und 3 der Fall ist, während die H-Brücke 38 mit der Netzfrequenz der Netzspannung U_NETZ synchron bspw. symmetrisch geschaltet wird. Dies bedeutet, dass bspw. während einer positiven Halbwelle der Wechselspannung U_NETZ stets die Schalterelemente S₇₁ und S₇₄ geschlossen sind und über diese der über den Zweig 16 bzw. 19 gelieferte Strom in den Aufmagnetisierungsphasen geführt wird und während einer negativen Halbwelle der Wechselspannung U_NETZ stets die Schalterelemente S₇₂ und S₇₃ geschlossen sind und den Aufmagnetisierungsstrom hindurch leiten. Der Freilaufstrom fließt während der positiven Halbwelle über die Freilaufdiode D₇₃ des Schalterelements S₇₃ und das Schalterelement S₇₁ bzw. während der negativen Halbwelle über die Freilaufdiode D₇₁ des Schalterelements S₇₁ und das Schalterelement S₇₃. Es sind auch andere Ansteuerungsmöglichkeiten für die H-Brücke 38 möglich.
Auch diese Schaltungsanordnung 1 ergibt geringe Potentialsprünge der Brückenspannung U_BR sowohl in dem normalen Betriebsmodus als auch in dem erweiterten Betriebsmodus und somit geringe Schaltverluste und Ummagnetisierungsverluste in der Spule, so dass ein hoher Wirkungsgrad sichergestellt ist. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, weil in allen Schaltungsanordnungen, ein Zweig 16 (bzw. 18) mit einem Schalterelement S₁ (bzw. S₂) und einer Gleichrichterdiode D₁₀ (bzw. D₂₀) vorgesehen ist, der im normalen Betriebsmodus als Aufmagnetisierungspfad und im erweiterten Betriebsmodus, bei dem die Eingangsspannung auf ein höheres Potential gewandelt wird, als Freilaufpfad verwendet wird. Vorteilhafterweise wird in allen Schaltungsanordnungen lediglich ein einziger Schalter S₁ oder S₂ bzw. S₃ oder S₄ hochfrequent pulsweitenmoduliert geschaltet, wodurch die Schaltverluste ferner reduziert sind.
Es ist ein Verfahren zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung U_ZK1 in eine Wechselspannung U_NETZ einer bestimmten Frequenz und eine Wechselrichterschaltung 1 offenbart, die eine Brückenschaltung 3 mit Schalterelementen S₁–S₆, S₇₁–S₇₄ und Freilaufelementen D₁–D₆, D₁₀, D₂₀, D₇₁–D₇₄ sowie wenigstens eine Speicherdrossel L am Ausgang der Brückenschaltung 3 aufweist. Die Brückenschaltung 3 weist wenigstens einen Zweig 16, 18 mit einem Schalterelement S₁, S₂ und einer in Reihe zu diesem angeordneten Gleichrichterdiode D₁₀, D₂₀ sowie einen zu dem Zweig 16, 18 parallelen Spannungswandlerzweig 19, 20 auf, der vorzugsweise einen Hochsetzsteller 21, 22 sowie einen in Reihe mit diesem angeordneten Schalter S₃, S₄ enthält. Erfindungsgemäß steuert eine Steuerungseinrichtung 29 jeweils lediglich einen der Schalter S₁–S₄ pulsweitenmoduliert hochfrequent an, während andere Schalterelemente synchron mit der Wechselspannung geschlossen und geöffnet werden.
Bei ausreichender Eingangsspannung U_ZK1 wird der Schalter S₁, S₂ in dem Zweig 16, 18 geschaltet, um die Speicherdrossel L aufzumagnetisieren, so dass die Eingangsspannung U_ZK1 das Aufmagnetisierungspotential vorgibt. Im umgekehrten Fall wird der Schalter S₃, S₄ in dem Spannungswandlerzweig 19, 20 geschaltet, während der Schalter S₁, S₂ in dem Zweig 16, 18 geschlossen bleibt, so dass die erhöhte Zwischenkreisspannung U_ZK2 des Spannungswandlerzweigs 19, 20, insbesondere des Hochsetzstellers 21, 22 das Aufmagnetisierungspotential und die Eingangsspannung U_ZK1 das Freilaufpotential vorgibt. Am Eingang der Speicherdrossel L treten nur geringe Potentialsprünge auf, die geringe Schaltverluste und Ummagnetisierungsverluste und einen hohen Wirkungsgrad zur Folge haben.

Claims

Verfahren zur Umwandlung einer elektrischen Eingangsgleichspannung (U_ZK1) in eine Wechselspannung (U_NETZ) mittels einer Schaltungsanordnung (1), die eine Brückenschaltung (3) mit Schalterelementen (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) und Freilaufelementen (D₁–D₆, D₁₀–D₆₀, D₇₀–D₇₄) und wenigstens eine Speicherdrossel (L) aufweist, die an einem Wechselspannungsanschluss (27) angeschlossen ist, wobei die Schalterelemente (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) in Abhängigkeit von der Polarität der Halbwellen der Wechselspannung (U_NETZ) mit bestimmtem Taktmuster geschlossen, um in Aufmagnetisierungsphasen einen Aufmagnetisierungsstrom für die wenigstens eine Speicherdrossel (L) bereitzustellen, und geöffnet werden, um während Freilaufphasen über ausgewählte Freilaufelemente (D₁₀, D₂₀, D₅₀, D₆₀, D₇₁, D₇₃) einen Freilaufstrom über die wenigstens eine Speicherdrossel (L) fließen zu lassen, wobei Betriebsbedingungen erfasst werden, um festzustellen, ob die Drossel (L) bei Anwendung des Taktmusters in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird, und wobei für den Fall, dass festgestellt wird, dass die Drossel (L) in den Aufmagnetisierungsphasen nicht oder unzureichend aufmagnetisiert wird, die Schalterelemente (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) derart getaktet werden, dass am Eingang (26, 26a) der Drossel (L) in den Aufmagnetisierungsphasen ein aus der Eingangsgleichspannung (U_ZK1) erzeugtes betragsmäßig höheres Potential (U_ZK2) und in den Freilaufphasen das Eingangsgleichspannungspotential (U_ZK1) selbst anliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass festgestellt wird, dass die Drossel (L) in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird, das Eingangsgleichspannungspotential (U_ZK1) selbst in den Aufmagnetisierungsphasen zur Bereitstellung des Aufmagnetisierungsstroms verwendet wird, während in den Freilaufphasen der Freilaufstrom über einen gesonderten Freilaufpfad (23, 24) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilaufpfad (23, 24) derart angeordnet ist, dass eine Kommutierung des Freilaufstroms auf in einem Gleichspannungskreis (2) vorgesehene Energiespeicher (C₁, C₂) verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Betriebsbedingungen zur Feststellung, ob die Drossel (L) in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird, der Drosselspulenstrom (I_L) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststellung, ob die Drossel (L) in den Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird, eine gewünschte mittlere Spannung (U _BR) am Eingang (26, 26a) der Drossel (L) bestimmt und mit einem Referenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert ein variabler, in Abhängigkeit von momentanen Betriebsbedingungen anpassbarer Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert durch den aktuellen Gleichspannungswert (U_ZK1) gekennzeichnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung (U_ZK1) einer Gleichspannungsquelle (11, 12) mit variablem Gleichspannungspotential, insbesondere einem Fotovoltaikgenerator, entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gleichspannungsquellen (11, 12), insbesondere Fotovoltaikgeneratoren, in Reihe miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U_NETZ) durch eine Netzspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hertz gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Gleichspannungsanschluss (7, 9) ein Zweig (16, 17) angeschlossen ist, der wenigstens eines (S₁, S₂) der Schalterelemente der Brückenschaltung (3) sowie eine in Reihe mit dem Schalterelement (S₁, S₂) angeordnete Gleichrichterdiode (D₁₀, D₂₀) aufweist, wobei der Zweig (16, 17) sowohl als Aufmagnetisierungspfad, wenn festgestellt wird, dass die Drossel (L) in Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert werden kann, als auch als Freilaufpfad verwendet wird, wenn wenn festgestellt wird, dass die Drossel (L) in Aufmagnetisierungsphasen nicht ausreichend aufmagnetisiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das betragsmäßig höhere Gleichspannungspotential (U_ZK2) aus der Eingangsgleichspannung (U_ZK1) in einem Spannungswandlerzweig (19, 20) erzeugt wird, der parallel zu dem Zweig (16, 17) angeordnet ist und eine Spannungswandlereinrichtung (21, 22, C₁, C₂) sowie ein in Reihe mit dieser angeordnetes Schalterelement (S₃, S₄) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U_ZK1) der Spannungswandlereinrichtung (21, 22, C₁, C₂) auf ein gewünschtes Ausgangspotential geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswandlereinrichtung (21, 22, C₁, C₂) einen insbesondere induktiven DC-DC-Hochsetzsteller (21, 22) enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswandlereinrichtung (C₁, C₂) ohne einen DC-DC-Hochsetzsteller (21, 22) auskommt und zur Erzeugung des betragsmäßig höheren Potentials (U_ZK1) Energiespeicher (C₁, C₂) der Spannungswandlereinrichtung durch gezielte Taktung von Schalterelementen (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) in bestimmten Freilaufphasen aufgeladen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gleichspannungszweigen der Schaltungsanordnung bedarfsweise eine Leistungskompensation durchgeführt wird.
Wechselrichter mit wenigstens einem Gleichspannungszweig (13, 14, 15), an den eine Gleichspannungsquelle (11, 12) anschließbar ist, die eine Eingangsgleichspannung (U_ZK1) liefert, mit einem an den Gleichspannungszweig (13, 15) angeschlossenen Spannungswandlerzweig (19, 20), der eine Spannungswandlereinrichtung (21, 22, C₁, C₂) zur Hochsetzung der Eingangsgleichspannung (U_ZK1) auf ein betragsmäßig höheres Ausgangspotential (U_ZK2) aufweist, mit einer Brückenschaltung (3), die Schalterelemente (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) sowie Freilaufelemente (D₁–D₆, D₁₀, D₂₀, D₅₀, D₆₀, D₇₁–D₇₄) zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspan nung aufweist, mit wenigstens einem Wechselspannungszweig (26, 26a, 26b), an den eine Wechselspannung (U_NETZ) anlegbar ist und der eine Speicherdrossel (L) aufweist, deren Eingang (26, 26a) mit einem Brückenabgriff (18, 18a, 18b, 37) verbunden ist, und mit einer Steuerungseinrichtung (29), die eine Einrichtung zur Erfassung von Betriebsbedingungen und zur Bereitstellung hierfür kennzeichnender Signale (31), eine Auswerteeinrichtung (33) zur Verarbeitung dieser Signale und eine Ansteuerungseinrichtung (34) aufweist, die die Schalterelemente (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) mit einem bestimmten Taktmuster ansteuert, wobei die Auswerteeinrichtung (34) dazu eingerichtet ist, ausgehend von den erfassten Signalen (31) festzustellen, ob die Drossel (L) bei Anwendung des Taktmusters in Aufmagnetisierungsphasen ausreichend aufmagnetisiert wird, und falls dies nicht der Fall ist, die Ansteuerungseinrichtung (34) zu veranlassen, die Schalterelemente (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) derart zu takten, dass zur Bereitstellung eines Stroms zur Aufmagnetisierung der Speicherdrossel (L) in Aufmagnetisierungsphasen das betragsmäßg erhöhte Ausgangspotential (U_ZK2) der Spannungswandlereinrichtung (21, 22) an den Eingang (26, 26a) der Drossel (L) angekoppelt wird und zur Bereitstellung eines Freilaufstroms während Freilaufphasen das Potential (U_ZK1) der Gleichspannungsquelle an den Eingang (26, 26a) der Drossel (L) angekoppelt wird.
Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung ein den aktuellen Drosselspulenstromwert (I_L) kennzeichnendes Signal (31) liefert und die Steuerungseinrichtung (29) eine Stromreglerlogik aufweist, die den aktuellen Drosselspulenstrom (I_L) auf einen ge wünschten mittleren Wert (Î_L) regelt.
Wechselrichter nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (34) dazu eingerichtet ist, ausgehend von den Eingangssignalen (31) eine gewünschte mittlere Spannung (U _BR) am Eingang (26, 26a) der Drossel (L) zu bestimmen.
Wechselrichter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (33) eine Vergleicherlogik aufweist, die den gewünschten mittleren Spannungswert (U _BR) mit einem Referenzwert vergleicht.
Wechselrichter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung (34) in dem Fall, dass der Betrag des aktuell gewünschten mittleren Spannungswertes (U _BR) kleiner ist als der Referenzwert die Schalterelemente (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) derart mit einem Taktmuster ansteuert, dass zur Bereitstellung des Ladestroms in den Ladephasen das Potential (U_ZK1) der Gleichspannungsquelle an die Brückenschaltung (3) angekoppelt wird, während in Freilaufphasen der Freilaufstrom über einen gesonderten Freilaufpfad (23, 24) geleitet wird.
Wechselrichter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilaufpfad (23, 24) zwischen Wechselspannungszweigen (26, 14, 26a, 26b) angeordnet ist und ein Schalterelement (S₅, S₆, S₇₁–S₇₄) sowie eine in Reihe mit diesen geschaltete Gleichrichterdiode (D₅₀, D₆₀, D₇₁, D₇₃) aufweist.
Wechselrichter nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert ein variabler, in Abhängigkeit von momentanen Betriebsbedingungen einstellbarer Wert ist.
Wechselrichter nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert den Betrag des aktuellen Gleichspannungswertes (U_ZK1) kennzeichnet.
Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (11, 12) ein variables Gleichspannungspotential aufweist und insbesondere durch einen Fotovoltaikgenerator (11, 12) gebildet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Gleichspannungsquellen, insbesondere Fotovoltaikgeneratoren, in Reihe miteinander verbunden sind.
Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U_NETZ) durch eine Netzspannung mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hertz gebildet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Aufmagnetisierungs- und Freilaufpfad (16, 18) mit einem (S₁, S₂) der Schalterelemente der Brückenschaltung (3) sowie eine in Reihe mit dem Schalterelement (S₁, S₂) angeordnete Gleichrichterdiode (D₁₀, D₂₀) aufweist.
Wechselrichter nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandlerzweig (19, 20) parallel zu der Reihenschaltung aus dem Schalterelement (S₁, S₂) und der Gleichrichterdiode (D₁₀, D₂₀) angeordnet ist und eine Spannungswandlereinrichtung (21, 22, C₁, C₂) sowie ein in Reihe mit dieser angeordnetes Schalterelement (S₃, S₄) der Brückenschaltung (3) aufweist.
Wechselrichter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswandlereinrichtung (21, 22, C₁, C₂) einen spannungserhöhenden Hochsetzsteller (21, 22) aufweist, dessen Ausgangspotential auf ein gewünschtes Niveau regelbar ist.
Wechselrichter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswandlereinrichtung (C₁, C₂, 29) frei von einem Hochsetzsteller ausgebildet und mit Speicherkondensatoren (C₁, C₂) versehen ist, die in bestimmten Freilaufphasen durch gezielte Taktung von Schalterelementen (S₁–S₆, S₇₁–S₇₄) der Brückenschaltung (3) auf ein gewünschtes Potential aufgeladen werden.
Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (3) in Form einer Halbbrücke ausgebildet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (3) in Vollbrückenausführung mit einer H-Brücke (38) ausgebildet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (29) die Brückenschaltung (3) derart ansteuert, dass in jedem Zeitpunkt nur ein einzelnes Schalterelement (S₁, S₂, S₃, S₄) hochfrequent geschlossen und geöffnet wird.
Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungskompensationsmittel (S₅, S₆, D₃, D₄) zum Leistungsausgleich zwischen den Gleichspannungszweigen (13, 15) vorgesehen sind.
Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass er in dreiphasiger Konfiguration ausgeführt ist.