WO2009010025A1 - Vorrichtung zur einspeisung elektrischer energie in ein energieversorgungsnetz und gleichspannungswandler für eine solche vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur einspeisung elektrischer energie in ein energieversorgungsnetz und gleichspannungswandler für eine solche vorrichtung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device of the type specified in the preamble of claim 1 and a suitable DC-DC converter.
  • DC generators For feeding electrical energy with DC generators such.
  • B. photovoltaic or fuel cell systems is generated, in a change-5 power grid, in particular the public power grid (50/60 Hz), inverters of various kinds are used.
  • a DC-DC converter is provided in most cases, which serves the purpose of the DC voltage supplied by the DC voltage generator in one of the. o Inverter required or converted to this adapted DC voltage.
  • 5 photovoltaic generators behave very differently in terms of degradation, depending on the technology with which they were manufactured.
  • Generators with crystalline and polycrystalline cells or certain thin film modules are preferably grounded to the negative terminal, while backside contact cells are preferably grounded to the positive terminal
  • transformerless voltage transformers are preferred.
  • the usual topologies of transformerless DC-DC converters either make the desired grounding impossible, as this would result in the short circuiting of required switches, capacitors, or the like, or result in increased circuit complexity and other disadvantages.
  • circuits which serve the purpose of reducing the unwanted leakage currents (eg DE 10 2004037466 A1, DE 102 21 592 A1, DE 102004030 30 912 B3).
  • for. B. operated a solar generator in certain phases of the internal electric energy transport isolated from the grid.
  • parasitic capacitances are only slightly transhipped, so that the potential of the solar generator with power frequency, sinusoidal and at a voltage amplitude corresponding to half the mains voltage changes.
  • High-frequency currents are then formed by the low voltage differences of the solar generator only between two switching cycles and by asymmetries during switching off. Capacitive leakage currents can therefore be greatly minimized in this way, but in principle not completely avoided.
  • circuit arrangements are already known with which a solar generator can be grounded on one side despite the absence of a transformer.
  • capacitive leakage currents are inherently prevented.
  • one of these circuits (DE 196 42 522 C1) requires five active switch, with one or two switches simultaneously high-frequency switch and must provide the average output current.
  • this circuit also referred to as "flying inductor”
  • the efficiency is therefore impaired by the high number of components involved in the current flow simultaneously in series.
  • Another disadvantage of this circuit is that leaking current pulses are impressed into the network, which necessitate a capacitive line filter which, due to its own reactive power requirement, inherently requires Power factor, but also degrades the efficiency of the circuit in the partial load range.
  • devices are known (US 2007/0047277 A1), which are intended for inverters with a bipolar voltage intermediate circuit, which contains two series-connected, connected to a ground terminal capacitors.
  • Such inverters which are used today predominantly for the purposes of interest here, can be designed as so-called half-bridge inverters, as half-bridge inverters in a 3-point circuit and as required as an inverter for a single-phase or three-phase grid feed. In all these cases, the connection point between the two capacitors forms a ground terminal, the Nullg. Neutral conductor of the respective network is assigned and connected to this.
  • the DC-DC converter of this known device includes a choke, two diodes and a switch.
  • the ground connection of the inverter can in this case be connected to the negative output of the DC voltage generator.
  • a storage choke which consists of two magnetically coupled windings is.
  • the two windings of this storage inductor are so galvanically connected to one another at one end that on the one hand with the switch closed one of the two windings of the DC voltage generator and the other winding is charged due to the magnetic coupling on the first winding and that on the other hand with open switch both windings via one associated with the two capacitors and an associated diode are discharged.
  • this device with comparatively simple means, in particular without a transformer and with only one switch allows grounding of the DC voltage generator, has the disadvantage that the ground terminal can only be connected to the negative output of the DC-DC converter. Furthermore, it is not possible in the device to monitor the ground line leading from the ground terminal to the DC voltage generator for fault currents, since operating currents flow in this ground line inherently.
  • the technical problem of the invention is the device of the type described and in particular a suitable DC-DC converter so that a grounding of the DC voltage generator to any connection is possible and this can be realized with relatively simple design means ,
  • the invention enables a grounded operation of the DC voltage generator by using a DC-DC converter, which requires in the simplest case, only one storage inductor, two diodes and two switches. As a result, despite only a slightly increased cost of the advantage achieved that the DC generator can be grounded practically anywhere.
  • FIG. 1 to 3 show a first embodiment of a device according to the invention for feeding electrical energy into a power supply network with three different earthing possibilities for a DC voltage generator;
  • Fig. 4 shows the signals for controlling two switches of the device according to Fig. 5, Figs. 1 to 3 and resulting current waveforms;
  • Fig. 5 shows a device according to Figures 1 to 3, but with a slightly modified DC-DC converter. 6 and 7, a second embodiment of an inventive
  • Fig. 8 to 10 schematically the DC-DC converter according to Fig. 6 and 7 as
  • FIGS. 11 to 13 show various types of inverters that can be operated as an alternative to the inverters according to FIGS. 1 to 3 with the DC-DC converter according to the invention.
  • a device for generating electrical energy includes a DC voltage generator 1, a DC-DC converter 2 and an inverter 3.
  • the DC voltage generator 1 is z. B. from a photovoltaic or fuel cell system and has at outputs 4 (+) and 5 (-) a capacitor C connected in parallel to this.
  • a preferred in the context of the present application inverter 3 has two outputs 6 and 7, which serve here for single-phase feeding of electrical energy into a power grid 8, the phase L connected to the output 6 and the neutral or neutral conductor N to the output 7 becomes.
  • the inverter 3 also includes three inputs E1, E2 and E3. Between the inputs E1 and E2 two series-connected capacitors C1 and C2 are arranged, whose connection point is located at the input E3.
  • the inverters 3 are designed as half-bridge inverters according to FIG. 1 and are provided with two switches S1 and S2, one of whose terminals is connected to one of the inputs E1 and E2 respectively and whose other connection leads to a common connection point 9 and from there via a smoothing or mains choke L1 to the output 6.
  • Both switches S1, S2 are also each a diode D1, D2 connected in parallel, the diode D1 from the connection point 9 in the direction of the input E1 and the diode D2 from the input E3 in the direction of the connection point 9 can be made conductive and in the opposite Direction locks.
  • the input E3 is connected directly to the output 7, on the other hand placed on ground and thus formed as a ground terminal.
  • the inverter 3 operates essentially as follows: If the switches S1, S2 are alternately switched on or off, then z. B. during the positive half cycle of the switching signal (switch S1 initially closed, switch S2 open) the positive side relative to E3 (input E1) of the capacitor C1 via the connection point 9 and the line choke L1 to the phase L. During the subsequent opening of the switch S1, the current can continue to flow through the line choke L1, the capacitor C2 and the diode D2.
  • the negative side (input E2) of the capacitor C2 via the connection point 9 and the inductor L1 to the phase is opposite E3 L, wherein the current after closing the switch S2 can continue to flow through the diode D1 and the capacitor C 1.
  • the two capacitors C1, C2 are thereby alternately discharged, while their charging takes place in a known manner by means of any suitable DC-DC converter.
  • a DC-DC converter 2 comprises, as shown in FIG. 1, two inputs 10 and 11 which are connected to the two outputs 4 and 5 of the DC voltage generator and three outputs 12, 13 and 14 which are connected to the inputs E1, E2 and E3 of the inverter 3 are.
  • a switch S3 is connected, which leads to a connection point 15.
  • the connection point 17 is connected to the output 12 via a first diode D3, while the output 13 leads to the connection point 15 via a second diode D4.
  • the diode D3 can be made conductive in the direction of the output 12, the diode D4 in the direction of the connection point 15, while blocking both in the opposite direction. This results in the following operating mode for the DC-DC converter 2:
  • the storage inductor 16 With simultaneously closed switches S3 and S4, the storage inductor 16 is charged by the DC voltage generator 1 or its capacitor C.
  • the switch S3, the storage inductor 16 and the switch S4 form a first series circuit which serves to store electrical energy in the storage throttle 16.
  • the diodes D3 and D4 at this time block current flow to or from the capacitors C1 and C2.
  • both switches S3 and S4 simultaneously open, then the storage inductor 16 discharges via the diode D3, the series capacitors C1 and C2 and the diode D4.
  • the voltage load of the switches S3, S4 in the opened state is comparatively small.
  • the described DC-DC converter 2 brings with it the advantage that the DC voltage generator 1 can be operated with a comparatively large range of output voltages.
  • the DC-DC converter 2 were missing, then it would have to be ensured that the DC voltage generator 1 always supplies a high output voltage to the inputs E1 and E2 even under unfavorable conditions, that the capacitors C1 and C2 are charged to a higher voltage than the network amplitude (in FIG usually approx. ⁇ 325 V).
  • the voltages across the capacitors C1, C2 can be adjusted to the desired level via the choice of the duty cycle 5 with which the switches S3 and S4 are operated, if the output voltage of the DC voltage generator 1 is smaller than required by the inverter 3 (or the network 8) at least. o
  • the device described is still very flexible.
  • the voltages at C1 and C2 depend on the selected Duty cycle for S3 and S4 both larger and smaller than the input voltage to the capacitor C can be. If the duty ratio is greater than 0.5, then the DC-DC converter works higher setting. If the duty cycle is less than 0.5, then the DC-DC converter 2 works in depth. A duty cycle of 0.5 leads practically to a direct feed of the voltage applied to the output of the DC voltage generator 1 voltage.
  • the maximum voltage load of the inverter switches S1 and S2 is about 2 • UC1, where UC1 is the maximum voltage across the capacitor C1. In the simplest case, only one of these switches can be switched to high frequency for half the grid period, while the other remains off. In addition, a continuous current flow in the network 8 is possible on the inverter side.
  • a particularly great advantage of the invention finally results from the fact that the grounding point E3 is selectively connected to the input 11 of the DC-DC converter 2 and thereby to the negative output 5 (FIG. 1), the input 10 of the DC-DC converter 2 and thereby to the positive output 5 (FIG. Fig. 2) or any other terminal 18 (Fig. 3) of the DC voltage generator 1 can be connected, as is also true for the neutral conductor N of the network 8.
  • a grounding line 19 (FIG. 1) or 20 (FIG. 2) or 21 (FIG. 3), shown in dashed lines is the grounding point E3 with the corresponding input of the DC-DC converter 2 or the corresponding output of the DC voltage generator 1 connects, de-energized.
  • a monitoring element in the form of a circuit breaker or the like is preferably arranged in the line 19, 20 or 21, which when exceeding a preselected, maximum tolerable current System switches off automatically. This function is independent of which input of the DC-DC converter 2 or to which output of the DC voltage generator 1 the earth connection E3 is connected.
  • the switches S1 to S4 are suitably designed in a known manner as a semiconductor switch, which can be switched on and off periodically during operation with control units, not shown (microcontroller, PWM controllers, etc.), wherein the switching frequency z. B. 16 kHz or more.
  • the signals for the control of the switches S3 and S4 and the current waveform in the storage inductor 16 are shown by way of example in FIG. 4. It can be seen that the two switches S3, S4 are always switched on or off simultaneously.
  • FIG. 5 shows an embodiment modified from FIGS. 1 to 3 in that the storage inductor 16 is divided into two winding parts W11 and W12 by a center connection or a winding tap 23.
  • the arrangement in this case is such that the connection point 15 is connected to the tap 23 and therefore only the portion W11 of the storage inductor 16 defined by the tap 23 lies in the first circuit which serves to charge the storage inductor 16, whereas the second circuit contains the entire, between the diodes D4 and D3 storage throttle 16 and the part W11 + W12 thereof.
  • the tap 23 can be chosen arbitrarily in principle.
  • FIGS. 6 and 7. Another embodiment of the invention is shown in FIGS. 6 and 7. This differs from that according to FIGS. 1 to 5 in particular in that the advantages described here are achieved with a known, coupled, but electrically connected in a previously unknown manner, storage throttle 24 15.
  • the storage inductor 24 includes a first winding W1 and a second W2, both magnetically coupled together and z. B. are wound on a common core 25.
  • the first winding W1 is electrically arranged between the two switches S3, S4 or between the two connection points 15 and 17.
  • the connection point 17 is also connected to the output 12 via the diode D3, as in FIG.
  • the input 13 of the DC-DC converter 2 is connected via a diode D5 to a terminal of the winding W2 whose other terminal leads via a connection point 25 26 and a diode D6 to the connection point 15.
  • the connection point 26 is connected to the output 14. This measure achieves the following mode of operation:
  • the first winding W1 of the storage inductor 24 forms with the two switches 30 S3, S4 a first series circuit which is connected in parallel to the outputs 4, 5 of the DC voltage generator 1 and closed switches S3, S4 the Charging the winding W1 serves with electrical energy. Since the two windings W1, W2 are magnetically coupled, the winding W2 is also charged via the winding W1 during this phase. The winding sense of both windings W1, W2 is selected so that the same voltage polarities are obtained at terminals indicated in FIG. 6 by drawn points.
  • this second circuit is a self-contained circuit, which serves the common discharge of the windings W1, W2 and the common charging of the capacitors C1, C2.
  • the two windings W1, W2 are electrically connected by this circuit.
  • the winding W1 of the choke coil 16 can be divided into two parts analogously to FIG. 5 by tapping it. As in Fig. 5, it is possible to connect the tap to one of the connection points 15, 17, however, to arrange both winding parts in the second circuit. As a result, a further reduction of the voltage load of the switch S3 of the embodiment of FIG. 6 and 7 is achieved if necessary.
  • the magnetic coupling of the windings W1, W2 in FIGS. 6 and 7 is preferably obtained by winding them one above the other or one behind the other onto a common core as required. They preferably have the same numbers of turns and are wound in the schematically illustrated arrangement of Fig. 6 and 7 expedient with opposite winding sense on the core 25 in order to obtain the correct current directions in the charging and discharging operations.
  • the DC-DC converter 2 here in particular the DC-DC converter 2 according to FIGS. 6 and 7, can be formed as a component 27 which is provided with a plurality of terminals designed as plug-in contacts or the like.
  • the DC-DC converter 2 deviates from FIGS. 6 and 7 except for the inputs 10, 11 and Outputs 12, 13 still four more outputs 28, 29, 30 and 31, but not the output 14 on.
  • the terminal 28 is connected to the input 10, the terminal 31 to the input 11 directly.
  • the terminal 29 is connected to the terminal of the winding W2 remote from the diode D5 and the terminal 30 is connected to the connection point 26, this terminal not being connected to the point 26 in FIG.
  • a grounding of the DC voltage generator 1 can now optionally be provided at the negative terminal 5 (FIG. 9) or at the positive terminal 4 (FIG. 10).
  • the terminal 31 is grounded according to FIG. 9 and connected via a monitoring element 32 to the input E3 of the inverter 3 and thereby to the neutral conductor N of the network 8.
  • the terminals 29 and 30 are connected to each other.
  • the terminal 28 is earthed as shown in FIG. 10 and connected to the input E3 of the inverter 3 via the monitoring element 32.
  • a grounding of the DC voltage generator 1 at the positive or negative output 4, 5 can therefore optionally be selected. Further outputs of the component 27 could serve to ground also middle terminals of the DC voltage generator 1.
  • FIGS. 11 to 13 show a half-bridge inverter in a 3-point circuit
  • FIG. 12 shows a further inverter in a 3-point circuit with center (in each case in a 1-phase design) and FIG.
  • the invention is not limited to the described embodiments, which can be modified in many ways. This applies in particular to the extent that the inverter 3 and the DC-DC converter 2, although preferred, as shown in the drawings, are manufactured and sold as a finished unit, but can also be manufactured and sold as separate components.
  • the embodiments described with reference to FIGS. 8 to 10 through which a factory-made production of universally applicable DC-DC converters is possible, which are independent of the desired in the individual case grounding of the DC-DC converter 1. Therefore, the invention relates not only to the combination of a DC-DC converter 2 and an inverter 3, but also the DC-DC converter 2 alone.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Energieeinspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz (8) mit einem zum Anschluss an einen Gleichspannungsgenerator (1) bestimmten Gleichspannungswandler (2) und einem mit diesem verbundenen, zum Anschluss an das Energieversorgungsnetz (8) bestimmten Wechselrichter (3) mit bipolarem Spannungszwischenkreis beschrieben. Der Gleichspannungswandler (2) ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass der Gleichspannungsgenerator (1) wahlweise an seinem negativen, positiven oder irgendeinem mittleren Ausgang geerdet werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Speicherdrossel (16) vorgesehen, die sowohl in einem Ladezyklus als auch in einem Entladezyklus so geschaltet ist, dass beim normalen Betrieb keine Ströme über eine Erdleitung (19) fließen.

Description

VORRICHTUNG ZUR EINSPEISUNG ELEKTRISCHER ENERGIE IN 5 EIN ENERGIEVERSORGUNGSNETZ UND
GLEICHSPANNUNGSWANDLER FÜR EINE SOLCHE VORRICHTUNG
0 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und einen dafür geeigneten Gleichspannungswandler.
Zur Einspeisung elektrischer Energie, die mit Gleichspannungsgeneratoren wie z. B. Photovoltaik- oder Brennstoffzellenanlagen erzeugt wird, in ein Wechsel-5 Stromnetz, insbesondere das öffentliche Energieversorgungsnetz (50/60 Hz), werden Wechselrichter der verschiedensten Art verwendet. Zwischen dem Gleichspannungsgenerator und dem Wechselrichter ist in den meisten Fällen ein Gleichspannungswandler (DC-DC-Steller) vorgesehen, der dem Zweck dient, die vom Gleichspannungsgenerator gelieferte Gleichspannung in eine vom . o Wechselrichter benötigte bzw. an diesen angepasste Gleichspannung umzuwandeln.
Aus verschiedenen Gründen ist es erwünscht, einen der Ausgänge des Gleichspannungsgenerators zu erden. Der Grund für die gewünschte Erdung5 besteht einerseits darin, dass es Länder gibt, in denen eine solche Erdung vorgeschrieben ist. Andererseits ergeben sich bei fehlender Erdung verschiedene Nachteile beim Betrieb. Hierzu zählt u. a. das Problem der hochfrequenten Ableitströme. Aufgrund von unvermeidbaren, parasitären Kapazitäten zwischen dem Gleichspannungsgenerator und Erde kann es bei Potentialschwankungen zuo nicht unerheblichen Ausgleichsströmen kommen, die ein nicht tolerierbares Sicherheitsrisiko darstellen, daher zum Berührungsschutz bzw. zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) aufwendige Überwachungsmaßnahmen mit Hilfe von Fehlerstromsensoren od. dgl. erforderlich machen und nur durch Erdung sicher vermieden können. Außerderm ist bekannt, dass
5 Photovoltaik-Generatoren sich sehr unterschiedlich bezüglich Degradation verhalten, je nachdem mit welcher Technologie sie hergestellt wurden. Generatoren mit kristallinen und polykristallinen Zellen oder bestimmten Dünnschichtmodulen werden bevorzugt mit dem negativen Anschluss geerdet, während Rückseiten-Kontaktzellen bevorzugt am positiven Anschluss geerdet
10 werden.
Eine Erdung der beschriebenen Art, durch welche die genannten Nachteile vermieden werden könnten, ist ohne weiteres dann möglich, wenn Gleichspannungswandler mit Transformatoren verwendet werden, die eine galvanische
15 Trennung der Gleichspannungsseite von der Wechselspannungsseite herbeiführen. Transformatoren haben aber unabhängig davon, ob Netztransformatoren oder Hochfrequenztransformatoren verwendet werden, u. a. eine Reduzierung des Wirkungsgrades, zum Teil erhebliche Gewichte und Baugrößen und/oder einen zusätzlichen Regelungsaufwand zur Folge, weshalb
20 grundsätzlich transformatorlose Spannungswandler bevorzugt werden. Die üblichen Topologien von transformatorlosen Gleichspannungswandlern machen jedoch die gewünschte Erdung entweder unmöglich, da dies zum Kurzschließen von benötigten Schaltern, Kapazitäten od. dgl. führen würde, oder haben einen erhöhten Schaltungsaufwand und andere Nachteile zur Folge.
25
Es sind daher bereits zahlreiche Versuche unternommen worden, das Auftreten der genannten Nachteile auf anderem Wege zu vermeiden. Insbesondere sind Schaltungen bekannt, die dem Zweck dienen, die unerwünschten Ableitströme zu reduzieren (z. B. DE 10 2004037466 A1 , DE 102 21 592 A1 , DE 102004030 30 912 B3). In diesen Schaltungen wird z. B. ein Solargenerator in bestimmten Phasen des inneren elektrischen Energietransports vom Netz isoliert betrieben. Bei der periodischen erneuten elektrischen Verbindung des Solargenerators mit dem Netz werden dann dessen parasitäre Kapazitäten nur geringfügig umgeladen, so dass sich das Potential des Solargenerators mit Netzfrequenz, sinusförmig und bei einer Spannungsamplitude, die der halben Netzspannung entspricht, ändert. Hochfrequenzströme bilden sich dann durch die geringen Spannungsunterschiede des Solargenerators nur zwischen zwei Schalttakten sowie durch Unsymmetrien beim Schalten aus. Kapazitive Ableitströme lassen sich auf diese Weise daher zwar stark minimieren, aber prinzipiell nicht völlig vermeiden.
Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung bekannt (DE 102 25 020 A1), die einen geteilten Solargenerator verwendet, dessen Mittelpunkt geerdet ist. Damit haben alle Teile des Solargenerators ein festes Potential, und kapazitive Ableitströme können prinzipiell nicht fließen. Da die beiden Gleichstromquellen unterschied- liehe Ergiebigkeiten haben, ist außerdem eine Schaltung zur Kompensation der Leistungsdifferenzen und Spannungen vorgesehen. Nachteilig sind in diesem Schaltungsvorschlag die hohen Spannungsdifferenzen im Solargenerator und an den Schaltern, die zusätzlichen Verluste in der Kompensationsschaltung und der Umstand, dass mindestens vier hochfrequent getaktete Schalter benötigt werden.
Daneben sind auch bereits Schaltungsanordnungen bekannt, mit denen ein Solargenerator trotz Fehlens eines Transformators einseitig geerdet werden kann. Dadurch werden kapazitive Ableitströme prinzipbedingt verhindert. Eine dieser Schaltungsanordnungen (DE 196 42 522 C1) benötigt allerdings fünf aktive Schalter, wobei ein bzw. zwei Schalter gleichzeitig hochfrequent schalten und den mittleren Ausgangsstrom bereitstellen müssen. Bei dieser auch als "Flying Inductor" bezeichneten Schaltung wird daher der Wirkungsgrad durch die hohe Zahl der gleichzeitig in Serie am Stromfluss beteiligten Bauelemente beeinträchtigt. Nachteilig ist bei dieser Schaltung auch, dass lückende Strom- pulse in das Netz eingeprägt werden, die ein kapazitives Netzfilter erforderlich machen, das prinzipbedingt durch seinen eigenen Blindleistungsbedarf den Leistungsfaktor, aber auch den Wirkungsgrad der Schaltung im Teillastbereich verschlechtert. Ein derartiges kapazitives Netzfilter kann zwar mit einer anderen bekannten Schaltung vermieden werden (DE 197 32 218 C1), doch werden dazu neun aktive Schalter benötigt, von denen mindestens zwei gleichzeitig mit hohen Frequenzen geschaltet werden müssen, so dass der konstruktive Aufwand noch weiter erhöht und sowohl die Robustheit als auch der Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung negativ beeinflusst würde. Die Topologie eines Flying Inductor hat außerdem den Nachteil, dass die Spannungsbelastung der Schalter von der Netzspannung abhängt und sensibel gegenüber Netzstörungen ist und nur dadurch dreiphasig betrieben werden kann, dass er mit Hilfe von drei Wechselrichtern dreifach angewendet wird. Abgesehen davon werden Wechselrichter mit Stromquellencharakteristik benötigt, was in vielen Fällen nicht erwünscht ist.
Schließlich sind Vorrichtungen bekannt (US 2007/0047277 A1), die für Wechselrichter mit einem bipolaren Spannungszwischenkreis bestimmt sind, der zwei in Serie liegende, an einem Erdanschluss miteinander verbundene Kondensatoren enthält. Derartige Wechselrichter, die heute überwiegend für die hier interessierenden Zwecke angewendet werden, können als sogenannte Halbbrückenwechselrichter, als Halbbrückenwechselrichter in 3-Punkt-Schaltung und je nach Bedarf als Wechselrichter für eine einphasige oder dreiphasige Netzeinspeisung ausgebildet sein. In allen diesen Fällen bildet der Verbindungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren einen Erdanschluss, der dem Nullbzw. Neutralleiter des jeweiligen Netzes zugeordnet ist und mit diesem verbunden wird.
Der Gleichspannungswandler dieser bekannten Vorrichtung enthält eine Drossel, zwei Dioden und einen Schalter. Der Erdanschluss des Wechselrichters kann in diesem Fall mit dem negativen Ausgang des Gleichspannungsgenerators verbunden werden. Das wird durch Anwendung einer Speicherdrossel ermöglicht, die aus zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen zusammengesetzt ist. Die beiden Wicklungen dieser Speicherdrossel sind an einem Ende derart galvanisch miteinander verbunden, dass einerseits bei geschlossenem Schalter eine der beiden Wicklungen vom Gleichspannungsgenerator und die andere Wicklung aufgrund der magnetischen Kopplung über die erste Wicklung aufgeladen wird und dass andererseits bei offenem Schalter beide Wicklungen über je einen zugeordneten der beiden Kondensatoren und eine zugehörige Diode entladen werden.
Dem Vorteil, dass diese Vorrichtung mit vergleichsweise einfachen Mitteln, insbesondere ohne Transformator und mit nur einem Schalter eine Erdung des Gleichspannungsgenerators ermöglicht, steht der Nachteil gegenüber, dass der Erdanschluss nur mit dem negativen Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden werden kann. Weiterhin ist es bei der Vorrichtung nicht möglich, die vom Erdanschluss zum Gleichspannungsgenerator führende Erdleitung auf Fehlerströme zu überwachen, da in dieser Erdleitung prinzipbedingt auch Betriebsströme fließen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht das technische Problem der Erfindung darin, die Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung und insbesondere einen dafür geeigneten Gleichspannungswandler so auszubilden, dass eine Erdung des Gleichspannungsgenerators an einem beliebigen Anschluss möglich ist und dies mit vergleichsweise einfachen konstruktiven Mitteln realisiert werden kann.
Gelöst wird dieses Problem erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 16.
Die Erfindung ermöglicht einen geerdeten Betrieb des Gleichspannungsgenerators durch Anwendung eines Gleichspannungswandlers, der im einfachsten Fall lediglich eine Speicherdrossel, zwei Dioden und zwei Schalter benötigt. Dadurch wird trotz eines nur geringfügig erhöhten Aufwands der Vorteil erzielt, dass der Gleichspannungsgenerator praktisch an einer beliebigen Stelle geerdet werden kann.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den 5 Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: 0 Fig. 1 bis 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz mit drei unterschiedlichen Erdungsmöglichkeiten für einen Gleichspannungsgenerator;
Fig. 4 die Signale zur Steuerung von zwei Schaltern der Vorrichtung nach5 Fig. 1 bis 3 und daraus resultierende Stromverläufe;
Fig. 5 eine Vorrichtung entsprechend Fig. 1 bis 3, jedoch mit einem geringfügig modifizierten Gleichspannungswandler; Fig. 6 und 7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit zwei unterschiedlichen Erdungsmöglichkeiten füro einen Gleichspannungsgenerator;
Fig. 8 bis 10 schematisch den Gleichspannungswandler nach Fig. 6 und 7 als
Bauelement mit durch Steckkontakte wählbarem Aufbau; und Fig. 11 bis 13 verschiedene Typen von Wechselrichtern, die alternativ zum Wechselrichter nach Fig. 1 bis 3 mit dem erfindungsgemäßen5 Gleichspannungswandler betrieben werden können.
Nach Fig. 1 enthält eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie einen Gleichspannungsgenerator 1 , einen Gleichspannungswandler 2 und einen Wechselrichter 3. Der Gleichspannungsgenerator 1 besteht z. B. aus einero Photovoltaik- oder Brennstoffzellenanlage und weist an Ausgängen 4 (+) und 5 (-) einen diesen parallel geschalteten Kondensator C auf. Ein im Rahmen der vorliegenden Anmeldung bevorzugter Wechselrichter 3 weist zwei Ausgänge 6 und 7 auf, die hier zur einphasigen Einspeisung der elektrischen Energie in ein Energieversorgungsnetz 8 dienen, dessen Phase L mit dem Ausgang 6 und dessen Null- oder Neutralleiter N mit dem Ausgang 7 verbunden wird. Der Wechselrichter 3 enthält außerdem drei Eingänge E1 , E2 und E3. Zwischen den Eingängen E1 und E2 sind zwei in Serie verbundene Kondensatoren C1 und C2 angeordnet, deren Verbindungspunkt am Eingang E3 liegt. Die Kondensatoren C1 und C2 bilden einen üblichen, bipolaren Spannungszwischenkreis des Wechselrichters 3. Der Wechselrichter 3 ist gemäß Fig. 1 als Halbbrückenwechselrichter ausgebildet und dazu mit zwei Schaltern S1 und S2 versehen, deren einer Anschluss jeweils mit einem der Eingänge E1 bzw. E2 verbunden ist und deren anderer Anschluss zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt 9 und von dort über eine Glättungs- bzw. Netzdrossel L1 zum Ausgang 6 führt. Beiden Schaltern S1 , S2 ist außerdem je eine Diode D1 , D2 parallel geschaltet, wobei die Diode D1 vom Verbindungspunkt 9 aus in Richtung des Eingangs E1 und die Diode D2 vom Eingang E3 aus in Richtung des Verbindungspunkts 9 leitend gemacht werden kann und in der entgegengesetzten Richtung jeweils sperrt. Schließlich ist der Eingang E3 direkt mit dem Ausgang 7 verbunden, andererseits an Erde gelegt und damit als Erdanschluss ausgebildet.
Der Wechselrichter 3 arbeitet im Wesentlichen wie folgt: Werden die Schalter S1 , S2 abwechselnd ein- bzw. ausgeschaltet, dann wird z. B. während der positiven Halbwelle des Schaltsignals (Schalter S1 zunächst geschlossen, Schalter S2 offen) die gegenüber E3 positive Seite (Eingang E1) des Kondensators C1 über den Verbindungspunkt 9 und die Netzdrossel L1 an die Phase L gelegt. Beim nachfolgenden Öffnen des Schalters S1 kann der Strom weiter durch die Netzdrossel L1 , den Kondensator C2 und die Diode D2 fließen. Während der negativen Halbwelle des Netzes 8 (Schalter S1 offen, Schalter S2 zunächst geschlossen) wird dagegen die gegenüber E3 negative Seite (Eingang E2) des Kondensators C2 über den Verbindungspunkt 9 und die Drossel L1 an die Phase L gelegt, wobei der Strom nach dem Schließen des Schalters S2 weiter durch die Diode D1 und den Kondensator C 1 fließen kann. Die beiden Kondensatoren C1 , C2 werden dadurch abwechselnd entladen, während ihre Aufladung in bekannter Weise mit Hilfe irgendeines geeigneten Gleichspannungswandlers erfolgt.
Vorrichtungen der beschriebenen Art sind allgemein bekannt (z. B. US 2007/0047277 A1 , Fig. 10) und brauchen dem Fachmann daher nicht näher erläutert werden.
Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler 2 enthält gemäß Fig. 1 zwei Eingänge 10 und 11 , die mit den beiden Ausgängen 4 und 5 des Gleichspannungsgenerators verbunden werden, sowie drei Ausgänge 12, 13 und 14, die an die Eingänge E1 , E2 und E3 des Wechselrichters 3 angeschlossen sind. An den Eingang 10 ist ein Schalter S3 angeschlossen, der zu einem Verbindungspunkt 15 führt. An diesem Verbindungspunkt 15 ist der eine Anschluss einer Speicherdrossel 16 angeschlossen, deren anderer Anschluss an einem Verbindungspunkt 17 liegt, der über einen zweiten Schalter S4 mit dem Eingang 11 verbunden ist. Außerdem ist der Verbindungspunkt 17 über eine erste Diode D3 mit dem Ausgang 12 verbunden, während der Ausgang 13 über eine zweite Diode D4 zum Verbindungspunkt 15 führt. Die Diode D3 kann in Richtung des Ausgangs 12, die Diode D4 in Richtung des Verbindungspunkts 15 leitend gemacht werden, während beide in der jeweils entgegengesetzten Richtung sperren. Damit ergibt sich für den Gleichspannungswandler 2 folgende Betriebsweise:
Bei gleichzeitig geschlossenen Schaltern S3 und S4 wird die Speicherdrossel 16 vom Gleichspannungsgenerator 1 bzw. dessen Kondensator C aufgeladen. Der Schalter S3, die Speicherdrossel 16 und der Schalter S4 bilden einen ersten Serien-Stromkreis, der zur Speicherung elektrischer Energie in der Speicher- drossel 16 dient. Die Dioden D3 und D4 sperren zu dieser Zeit einen Stromfluss zu oder von den Kondensatoren C1 und C2. Werden dagegen beide Schalter S3 und S4 gleichzeitig geöffnet, dann entlädt sich die Speicherdrossel 16 über die Diode D3, die in Reihe liegenden Kondensatoren C1 und C2 sowie die Diode D4. Die Speicherdrossel 16 bildet in dieser Phase zusammen mit den Teilen D3, C1 , C2 und D4 einen zweiten, zur Entladung der Speicherdrossel 16 bzw. zur 5 entsprechenden Aufladung der Kondensatoren C1 , C2 bestimmten Serien- Stromkreis. Haben beide Kondensatoren C1 , C2 dieselbe Kapazität, dann werden sie auf gleiche Spannungen UC1 = UC2 aufgeladen.
Die Spannungsbelastung der Schalter S3, S4 im geöffneten Zustand isto vergleichsweise gering. Bei leitenden Dioden D3 und D4 beträgt die Spannung am Schalter S3 maximal US3 = UC + UC2, wobei UC die Ausgangsspannung des Gleichspannungsgenerators 1 ist. Die Spannung am Schalter S4 beträgt dagegen maximal US4 = UC1. 5 Abgesehen davon bringt der beschriebene Gleichspannungswandler 2 den Vorteil mit sich, dass der Gleichspannungsgenerator 1 mit einem vergleichsweise großen Bereich von Ausgangsspannungen betrieben werden kann. Würde der Gleichspannungswandler 2 fehlen, dann müsste sichergestellt werden, dass der Gleichspannungsgenerator 1 auch unter ungünstigen Verhältnissen stets eine soo hohe Ausgangsspannung an die Eingänge E1 und E2 liefert, dass die Kondensatoren C1 und C2 auf eine höhere Spannung aufgeladen werden, als der Netzamplitude (in der Regel ca. ± 325 V) entspricht. Ist dagegen ein hochsetzender Gleichspannungswandler 2 vorhanden, dann können die Spannungen an den Kondensatoren C1 , C2 über die Wahl des Tastverhältnisses,5 mit dem die Schalter S3 und S4 betrieben werden, auch dann auf die gewünschte Höhe eingestellt werden, wenn die Ausgangsspannung des Gleichspannungsgenerators 1 kleiner ist, als vom Wechselrichter 3 (bzw. vom Netz 8) mindestens benötigt wird. o Die beschriebene Vorrichtung ist weiterhin sehr flexibel einsetzbar. Das ergibt sich daraus, dass die Spannungen an C1 und C2 in Abhängigkeit vom gewählten Tastverhältnis für S3 und S4 sowohl größer als auch kleiner als die Eingangsspannung am Kondensator C sein können. Ist das Tastverhältnis größer als 0,5, dann arbeitet der Gleichspannungswandler hochsetzend. Ist das Tastverhältnis kleiner als 0,5, dann arbeitet der Gleichspannungswandler 2 tiefsetzend. Ein Tastverhältnis von 0,5 führt praktisch zu einer Direkteinspeisung der am Ausgang des Gleichspannungsgenerators 1 anliegenden Spannung. Die maximale Spannungsbelastung der Wechselrichterschalter S1 und S2 beträgt etwa 2 • UC1 , wobei UC1 die maximale Spannung am Kondensator C1 ist. Im einfachsten Fall kann auch immer nur einer dieser Schalter pro halber Netzperiode hochfrequent geschaltet werden, während der andere ausgeschaltet bleibt. Außerdem ist auf der Wechselrichterseite ein kontinuierlicher Stromfluss in das Netz 8 möglich.
Ein besonders großer Vorteil der Erfindung ergibt sich schließlich daraus, dass der Erdungspunkt E3 wahlweise mit dem Eingang 11 des Gleichspannungswandlers 2 und dadurch mit dem negativen Ausgang 5 (Fig. 1), dem Eingang 10 des Gleichspannungswandlers 2 und dadurch mit dem positiven Ausgang 5 (Fig. 2) oder irgendeinem anderen Anschluss 18 (Fig. 3) des Gleichspannungsgenerators 1 verbunden werden kann, wie dies auch für den Neutralleiter N des Netzes 8 gilt. Während des normalen Betriebs ist eine jeweils gestrichelt dargestellte Erdungsleitung 19 (Fig. 1 ) bzw. 20 (Fig. 2) bzw. 21 (Fig. 3), die den Erdungspunkt E3 mit dem entsprechenden Eingang des Gleichspannungswandlers 2 bzw. dem entsprechenden Ausgang des Gleichspannungsgenerators 1 verbindet, stromlos. Das ist insbesondere eine Folge davon, dass die Speicherdrossel 16 während der Entladezyklen zusammen mit den Teilen E3, C1 , C2 und D4 einen in sich geschlossenen Stromkreis bildet, der die Leitungen 19, 20 bzw. 21 nicht enthält. Daher kann, falls in der Leitung 19, 20 bzw. 21 dennoch ein Strom fließt, auf einen Fehler in der Anlage geschlossen werden. Erfindungsgemäß wird daher in die Leitung 19, 20 oder 21 vorzugsweise ein Überwachungselement in Form eines Schutzschalters od. dgl. angeordnet, das beim Überschreiten eines vorgewählten, maximal tolerierbaren Stroms die Anlage automatisch abschaltet. Diese Funktion ist unabhängig davon, mit welchem Eingang des Gleichspannungswandlers 2 bzw. mit welchem Ausgang des Gleichspannungsgenerators 1 der Erdanschluss E3 verbunden wird.
Die Schalter S1 bis S4 sind in bekannter Weise zweckmäßig als Halbleiterschalter ausgebildet, die beim Betrieb mit nicht dargestellten Steuereinheiten (Microcontroller, PWM-Steuerungen usw.) periodisch ein- und ausgeschaltet werden können, wobei die Schaltfrequenz z. B. 16 kHz oder mehr beträgt.
Die Signale für die Ansteuerung der Schalter S3 und S4 sowie den Stromverlauf in der Speicherdrossel 16 ergeben sich beispielhaft aus Fig. 4. Daraus ist ersichtlich, dass die beiden Schalter S3, S4 immer gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet werden.
Fig. 5 zeigt ein gegenüber Fig. 1 bis 3 dadurch modifiziertes Ausführungsbeispiel, dass die Speicherdrossel 16 durch einen Mittelanschluß bzw. eine Wicklungsanzapfung 23 in zwei Wicklungsteile W11 und W12 geteilt ist. Die Anordnung ist in diesem Fall so getroffen, dass der Verbindungspunkt 15 an die Anzapfung 23 angeschlossen ist und daher nur der durch die Anzapfung 23 festgelegte Teil W11 der Speicherdrossel 16 im ersten Stromkreis liegt, der dem Laden der Speicherdrossel 16 dient, wohingegen der zweite Stromkreis die gesamte, zwischen den Dioden D4 und D3 liegende Speicherdrossel 16 bzw. den Teil W11 + W12 davon enthält. Dadurch lässt sich erfindungsgemäß ein weiteres Optimierungspotential der erfindungsgemäßen Anordnung für das Verhältnis von Eingangsspannung und Ausgangsspannung, die Belastung des Schalters S3 und die Dioden D3 und D4 erschließen. Bei größeren Übersetzungsverhältnissen besteht neben dem Tastverhältnis für S3 und S4 auch die Möglichkeit, über das Verhältnis von (W12 + W11) : W11 auf die effektive Strom- und Spannungsbelastung der Bauelemente Einfluss zu nehmen. Die Lage der Anzapfung 23 kann im Prinzip beliebig gewählt werden. Ein besonderer Vorteil der Anzapfung 23 besteht darin, dass die maximale Spannungsbelastung am Schalter S3 im offenen Zustand nur noch durch die Spannung US3 = UC + [- n/(n + 1)] • UC1 + UC2 gegeben ist, worin n = W12/W11 und W11 und W12 gleichzeitig die Windungszahlen der Wicklungen W11 und W12 bedeuten. Die Spannungsbelastung am Schalter S4 ist US4 = UC1. Alternativ ist es außerdem möglich, die 5 Anzapfung 23 in analoger Weise mit dem Schalter S4 zu verbinden. Im Übrigen entspricht die Vorrichtung nach Fig. 5 derjenigen nach Fig. 1 bis 3, weshalb der Ausgang 14 des Gleichspannungswandlers 2 wahlweise mit dem Ausgang 4 oder 5 oder irgendeinem anderen Ausgang des Gleichspannungsgenerators 1 verbunden werden kann.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 und 7 dargestellt. Dieses unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 bis 5 insbesondere dadurch, dass die beschriebenen Vorteile hier mit einer an sich bekannten gekoppelten, jedoch elektrisch in einer bisher nicht bekannten Weise verbundenen Speicherdrossel 24 15 erzielt werden. Die Speicherdrossel 24 enthält eine erste Wicklung W1 und eine zweite W2, die beide magnetisch miteinander gekoppelt und dazu z. B. auf einen gemeinsamen Kern 25 gewickelt sind.
Die erste Wicklung W1 ist wie die Drosselspule 16 in Fig. 1 elektrisch zwischen 20 den beiden Schaltern S3, S4 bzw. zwischen den beiden Verbindungspunkten 15 und 17 angeordnet. Der Verbindungspunkt 17 ist außerdem wie in Fig. 1 über die Diode D3 mit dem Ausgang 12 verbunden. Dagegen ist der Eingang 13 des Gleichspannungswandlers 2 über eine Diode D5 mit einem Anschluss der Wicklung W2 verbunden, deren anderer Anschluss über einen Verbindungspunkt 25 26 und eine Diode D6 zum Verbindungspunkt 15 führt. Außerdem ist der Verbindungspunkt 26 mit dem Ausgang 14 verbunden. Durch diese Maßnahme wird folgende Betriebsweise erreicht:
Die erste Wicklung W1 der Speicherdrossel 24 bildet mit den beiden Schaltern 30 S3, S4 einen ersten Serien-Stromkreis, der parallel an den Ausgängen 4, 5 des Gleichspannungsgenerators 1 liegt und bei geschlossenen Schaltern S3, S4 dem Laden der Wicklung W1 mit elektrischer Energie dient. Da die beiden Wicklungen W1 , W2 magnetisch gekoppelt sind, wird die Wicklung W2 während dieser Phase über die Wicklung W1 ebenfalls geladen. Der Wicklungssinn beider Wicklungen W1 , W2 ist dabei so gewählt, dass an in Fig. 6 durch eingezeichnete Punkte angedeuteten Anschlüssen dieselben Spannungspolaritäten erhalten werden.
Im offenen Zustand der Schalter S3, S4 liegen beide Wicklungen W1 , W2 in einem zweiten Serien-Stromkreis, der von einem der Anschlüsse der Wicklung W1 (Verbindungspunkt 17) über die Diode D3, die in Serie liegenden Kondensatoren C1 und C2, die Diode D5, die Wicklung W2, den Verbindungspunkt 26 und die Diode D6 zurück zum anderen Anschluss der Wicklung W1 (Verbindungspunkt 15) führt. Wie im Fall der Fig. 1 ist dieser zweite Stromkreis ein in sich geschlossener Stromkreis, der dem gemeinsamen Entladen der Wicklungen W1 , W2 bzw. dem gemeinsamen Laden der Kondensatoren C1 , C2 dient. Außerdem werden die beiden Wicklungen W1 , W2 durch diesen Stromkreis galvanisch miteinander verbunden.
Als Folge dieser Anordnung ist es möglich, den Ausgang 14 des Gleichspannungswandlers 2 bzw. den Ausgang E3 des Wechselrichters 3 durch die Leitung 19 (Fig. 6) oder die Leitung 20 (Fig. 7) wahlweise mit dem Eingang 11 oder 10 des Gleichspannungswandlers 2 und damit auch wahlweise mit dem Ausgang 5 oder 4 des Gleichspannungsgenerators 1 zu verbinden, um diesen am negativen Ausgang 5 (Fig. 6) oder am positiven Ausgang 4 (Fig. 7) zu erden. Außerdem könnte der Eingang E3 analog zu Fig. 3 mit irgendeinem mittleren Ausgang des Gleichspannungsgenerators 1 verbunden werden. In allen beschriebenen Fällen sind diese Leitungen 19, 20 und ggf. 21 im normalen Betrieb nicht benutzt, da über diese Leitungen 19 bis 21 weder beim Laden noch beim Entladen der Speicherdrossel 16 ein Strom fließen kann. Infolgedessen würde wie im Fall der Fig. 1 bis 5 ein dennoch gemessener Stromfluss in diesen Leitungen 19 bis 21 bzw. zwischen dem Erdungspunkt E3 und einem der Anschlüsse 4, 5 oder 18 einen Fehler in der Anlage bzw. im Gleichspannungs- wandler 2 anzeigen und zur Abschaltung der Anlage benutzt werden können.
Ein Vorteil der Vorrichtung nach Fig. 6 gegenüber der Vorrichtung nach Fig. 1 bis 3 ergibt sich aus der geringeren Spannungsbelastung des Schalters S3. Da in der Sperrphase der Schalter S3 und S4 die Diode D6 leitend ist, liegt an Schalter S3 maximal die Spannung UC, während an S4 wiederum die Spannung UC1 liegt, da auch die Diode D3 leitend ist. Dagegen ist bei der Vorrichtung nach Fig. 7 die Spannungsbelastung am Schalter S3 gleich Null und am Schalter S4 gleich UC + UC1.
Nach einem weiteren, nicht gesondert dargestellten Ausfϋhrungsbeispiel der Erfindung kann die Wicklung W1 der Drosselspule 16 analog zu Fig. 5 durch eine Anzapfung in zwei Teile geteilt werden. Wie in Fig. 5 ist es dabei möglich, die Anzapfung an einen der Verbindungspunkte 15, 17 anzuschließen, jedoch beide Wicklungsteile in dem zweiten Stromkreis anzuordnen. Dadurch wird bei Bedarf eine weitere Reduzierung der Spannungsbelastung des Schalters S3 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 und 7 erreicht.
Die magnetische Kopplung der Wicklungen W1 , W2 in Fig. 6 und 7 wird vorzugsweise dadurch erhalten, dass diese je nach Bedarf übereinander oder hintereinander auf einen gemeinsamen Kern gewickelt werden. Sie weisen vorzugsweise dieselben Windungszahlen auf und werden bei der schematisch dargestellten Anordnung nach Fig. 6 und 7 zweckmäßig mit entgegengesetztem Wicklungssinn auf den Kern 25 gewickelt, um die richtigen Stromrichtungen bei den Lade- und Entladevorgängen zu erhalten.
Fig. 8 bis 10 zeigen, wie der Gleichspannungswandler 2, hier speziell der Gleichspannungswandler 2 nach Fig. 6 und 7, als ein Bauteil 27 ausgebildet werden kann, das mit einer Mehrzahl von als Steckkontakte od. dgl. ausge- bildeten Anschlüssen versehen ist. Wie Fig. 8 zeigt, weist der Gleichspannungswandler 2 abweichend von Fig. 6 und 7 außer den Eingängen 10, 11 und den Ausgängen 12, 13 noch vier weitere Ausgänge 28, 29, 30 und 31 , dagegen nicht den Ausgang 14 auf. Der Anschluss 28 ist mit dem Eingang 10, der Anschluss 31 mit dem Eingang 11 direkt verbunden. Weiter ist der Anschluss 29 mit dem von der Diode D5 entfernten Anschluss der Wicklung W2 und der Anschluss 30 mit dem Verbindungspunkt 26 verbunden, wobei dieser Anschluss in Fig. 8 nicht mit dem Punkt 26 in Verbindung steht. Durch geeignete Verbindungen kann jetzt wahlweise eine Erdung des Gleichspannungsgenerators 1 am negativen Anschluss 5 (Fig. 9) oder am positiven Anschluss 4 (Fig. 10) vorgesehen werden.
Ist eine Erdung am negativen Ausgang 5 erwünscht, wird entsprechend Fig. 9 der Anschluss 31 geerdet und über ein Überwachungselement 32 mit dem Eingang E3 des Wechselrichters 3 und dadurch mit dem Neutralleiter N des Netzes 8 verbunden. Außerdem werden die Anschlüsse 29 und 30 miteinander verbunden. Dadurch wird die aus Fig. 6 ersichtliche Anordnung erhalten, wenn zur Ingebrauchnahme des Bauteils 27 die Ausgänge 4, 5 des Gleichspannungsgenerators 1 an dessen Eingänge 10 und 11 , seine Ausgänge 12 und 13 an die Eingänge E1 , E2 des Wechselrichters 3 und seine Anschlüsse 29, 30 gemeinsam an den Eingang E3 des Wechselrichters 3 angeschlossen werden.
Ist dagegen eine Erdung am positiven Ausgang des Gleichspannungsgenerators 1 erwünscht, dann wird entsprechend Fig. 10 der Anschluss 28 geerdet und über das Überwachungselement 32 mit dem Eingang E3 des Wechselrichters 3 verbunden. Die übrigen Verbindungen erfolgen wie in Fig. 9. Durch bloßes Umstecken der Anschlüsse 28, 31 des Bauteils 27 bzw. des in diesem befindlichen Gleichspannungswandlers 2 kann daher wahlweise eine Erdung des Gleichspannungsgenerators 1 am positiven oder negativen Ausgang 4, 5 gewählt werden. Weitere Ausgänge des Bauteils 27 könnten dazu dienen, auch mittlere Anschlüsse des Gleichspannungsgenerators 1 zu erden.
Bei Anwendung des Gleichspannungswandlers nach Fig. 1 bis 5 kann in entsprechender Weise vorgegangen werden. Obwohl die bisherige Beschreibung ausschließlich auf den als Halbbrückenwechselrichter ausgebildeten Wechselrichter 3 Bezug nimmt, ist für den Fachmann klar, dass auch andere Wechselrichter mit einem bipolaren Spannungszwischenkreis an den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler 2 angeschlossen werden können. Das ist schematisch in Fig. 11 bis 13 dargestellt. Fig. 11 zeigt einen Halbbrückenwechselrichter in 3-Punkt-Schaltung, Fig. 12 einen weiteren Wechselrichter in 3-Punkt-Schaltung mit Mittelpunkt (jeweils in 1 - phasiger Ausführung) und Fig. 13 einen Wechselrichter für 3-phasige Einspeisung in das Netz 8. Alle drei Wechselrichter haben einen bipolaren Spannungszwischenkreis, die Eingänge E1 bis E3 und die Ausgänge 6, 7 entsprechend der obigen Beschreibung. Da Wechselrichter dieser Art an sich bekannt sind, erscheinen weitere Ausführungen hierzu nicht erforderlich.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Das gilt insbesondere auch insoweit, als die Wechselrichter 3 und die Gleichspannungswandler 2 zwar bevorzugt, wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, als eine fertige Baueinheit hergestellt und vertrieben werden, aber auch als voneinander getrennte Bauteile hergestellt und vertrieben werden können. Hierfür bieten sich insbesondere die anhand der Fig. 8 bis 10 beschriebenen Ausführungsformen an, durch die eine fabrikmäßige Herstellung von universell einsetzbaren Gleichspannungswandlern möglich ist, die von der im Einzelfall gewünschten Erdungsart des Gleichspannungswandlers 1 unabhängig sind. Daher betrifft die Erfindung nicht nur die Kombination aus einem Gleichspannungswandler 2 und einem Wechselrichter 3, sondern auch den Gleichspannungswandler 2 allein. Weiterhin ist klar, dass in der obigen Beschreibung nur die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Bauteile beschrieben wurden und insbesondere die erforderlichen und an sich bekannten Steuerorgane, MPP-Regelungen usw. zusätzlich vorhanden sein können. Außerdem versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Claims

Ansprüche:
1. Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energie- Versorgungsnetz (8) mit einem zum Anschluss an einen
Gleichspannungsgenerator (1) bestimmten Gleichspannungswandler (2) und einem mit diesem verbundenen, zum Anschluss an das Energieversorgungsnetz (8) bestimmten Wechselrichter (3), der einen bipolaren Spannungszwischenkreis mit zwei in Serie liegenden Kondensatoren (C1 , C2) enthält, die an einem mit einem Anschluss des Gleichspannungsgenerators (1) zu verbindenden Erdanschluss (E3) miteinander verbunden sind, wobei der Gleichspannungswandler (2) wenigstens zwei Dioden (D3, D4), einen Schalter und eine Speicherdrossel (16) aufweist, die bei geschlossenem Schalter vom Gleichspannungsgenerator (1) geladen und bei offenem Schalter über die Kondensatoren (C1 , C2) und die Dioden (D3, D4) entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherdrossel (16) einerseits mit zwei Schaltern (S3, S4) einen ersten, zum Laden der Speicherdrossel (16) bestimmten Stromkreis bildet, der durch Schließen der Schalter (S3, S4) an den Gleichspannungsgenerator (1) anschließbar ist, und andererseits mit den beiden Dioden (D3, D4) und den beiden Kondensatoren (C1 , C2) in einem zweiten, zum gleichzeitigen Entladen der Speicherdrossel (16) über beide Kondensatoren (C1, C2) und Dioden (D3, D4) bestimmten Stromkreis liegt, der durch Öffnen der Schalter (S3, S4) wirksam gemacht wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromkreis ein Serienkreis ist, in dem die Speicherdrossel (16) elektrisch zwischen den beiden Schaltern (S3, S4) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromkreis ein Serienkreis ist, der von einem ersten Anschluss der Speicherdrossel (16) über eine erste Diode (D3), die beiden 5 Kondensatoren (C1 , C2) und eine zweite Diode (D4) zu einem zweiten Anschluss der Speicherdrossel (16) führt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichn et, io dass die Speicherdrossel (16) geteilt ist und eine derart mit einem der beiden Schalter (S3, S4) verbundene Wicklungsanzapfung (23) aufweist, dass nur ein durch diese Anzapfung (23) festgelegter erster Teil (W11 ) der Speicherdrossel (16) in dem ersten Stromkreis liegt, während in dem zweiten Stromkreis ein zweiter Teil (W11 + W12) der Speicherdrossel (16) angeordnet ist.
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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherdrossel (16) eine erste Wicklung (W1) und eine zweite Wicklung (W2) enthält, wobei diese beiden Wicklungen (W1 , W2) magnetisch 20 miteinander gekoppelt und galvanisch miteinander verbunden sind, wobei die erste Wicklung (W1) mit den beiden Schaltern (S3, S4) den ersten Stromkreis bildet und beide Wicklungen (W1, W2) gemeinsam im zweiten Stromkreis liegen.
256. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromkreis ein Serienkreis ist, der von einem ersten Anschluss der ersten Wicklung (W1) über die erste Diode (D3), die beiden Kondensatoren (C1 , C2), eine zweite Diode (D5), die zweite Wicklung (W2)
30 und eine dritte Diode (D6) zurück zu einem zweiten Anschluss der ersten Wicklung (W1) führt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklung (W1) geteilt ist und eine derart mit einem der beiden Schalter (S3, S4) verbundene Wicklungsanzapfung aufweist, dass nur ein durch diese Anzapfung festgelegter erster Teil der ersten Wicklung in dem ersten Stromkreis liegt, während in dem zweiten Stromkreis ein zweiter Teil der ersten Wicklung angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wicklungen (W1 , W2) auf einen gemeinsamen Kern (16) gewickelt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (W1 , W2) mit entgegengesetztem Wicklungssinn auf den Kern (16) gewickelt sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wicklungen (W1 , W2) gleiche Windungszahlen aufweisen.
11.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (2) als ein Bauteil (27) ausgebildet ist, das eine Mehrzahl von als Steckkontakte ausgebildeten Anschlüssen (12, 13, 28 bis 31) aufweist, mittels derer er je nach gewünschter Erdung des Gleichspannungsgenerators (1) mit zugeordneten Eingängen des Wechselrichters (3) verbindbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (2) mit einer Erdleitung (19, 20, 21) versehen ist, die einen an den Gleichspannungsgenerator (1 ) anzuschließenden Eingang (10, 11) mit einem an den Erdanschluss (E3) des Wechselrichters (3) anzuschließenden Ausgang (14) verbindet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Erdleitung (19, 20, 21) ein Überwachungselement (32) zur Ermittlung von Fehlerströmen geschaltet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) als ein eine Halbbrücke aufweisender Wechselrichter ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) als ein Wechselrichter mit einer Halbbrücke in 3- Punkt-Schaltung ausgebildet ist (Fig.7).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) als ein Wechselrichter mit einer Halbbrücke in 3- Punkt-Schaltung mit Mittelpunkt ausgebildet ist (Fig.8).
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) zur ein- oder dreiphasigen Einspeisung der elektrischen Energie in das Energieversorgungsnetz (8) ausgebildet ist (Fig.2 bis 6 bzw. Fig.7).
18. Gleichspannungswandler für eine Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Energieversorgungsnetz (8) und zur Anordnung zwischen einem Gleichspannungsgenerator (1) und einem Wechselrichter (3) mit einem bipolaren Spannungszwischenkreis (C1 , C2), dadurch gekennzeichnet, dass er nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
19. Gleichspannungswandler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass er mit dem Wechselrichter (3) zu einer Baueinheit zusammengefasst ist.
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