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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer
Gleichspannung in eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom nach dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Wechselrichter
zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder
einen Wechselstrom sind allgemein bekannt, wobei bei diesen Wechselrichtern
zwischen Wechselrichtern ohne galvanische Trennung, d.h. transformatorlosen Wechselrichtern
und solchen mit galvanischer Trennung, d.h. Transformator-Wechselrichtern,
unterschieden wird. Die höchsten
Wirkungsgrade werden mit transformatorlosen Wechselrichtern in Vollbrückenschaltung
ohne Hochsetzsteller erzielt, wie sie beispielsweise in der
DE 102 21 592 A1 beschrieben sind.
Bei diesen Schaltungen schwankt das Potential der Quelle mit Netzfrequenz
und halber Netzspannung gegenüber
dem Erdpotential. Daher besteht eine Einschränkung in der Anwendbarkeit
dieser Konzepte bei Quellen mit einer hohen Ableitkapazität gegenüber Erdpotential,
wie es z.B. bei Solargeneratoren bestimmter Technologie, insbesondere
Dünnschichtmodulen,
der Fall ist. Bei konventionellen transformatorlosen Wechselrichtern
ohne Hochsetzsteller ist der Eingangsspannungsbereich durch die zur
Einspeisung wenigstens erforderliche Spannung in Höhe der Amplitude
der Netzspannung, also ca. 325 V bei einem Effektivwert von 230
V, nach unten begrenzt.
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Weiterhin
sind transformatorlose Konzepte, z.B. aus der
DE 196 42 522 C1 und der
DE 197 32 218 C1 ,
bekannt, bei denen ein Anschluss des Solargenerators fest mit dem
Neutralleiter verbunden ist und somit ein festes Potential gegenüber Erdpotential
aufweist. Dadurch können
auch bei beliebig hohen Ableitkapazitäten prinzipbedingt keine Ableitströme fließen.
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Bei
der
DE 196 42 522
C1 wird eine Drosselspule in einem ersten Taktabschnitt über zwei
Schalter an eine Eingangsspannung, welche mit einem Eingangskondensator
gepuffert wird, gelegt und Energie in der Drosselspule gespeichert.
Im zweiten Taktabschnitt werden, je nach Polarität der Spannung an einem Ausgangskondensator,
welcher im Wesentlichen der Netzspannung entspricht, mehrere Schalter
so konfiguriert, dass die in der Drosselspule gespeicherte Energie über Dioden
und besagte Schalter an den Ausgangs abgegeben werden kann. Von
Nachteil bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist es, dass insgesamt
fünf Schalter
benötigt werden.
In der ersten Taktphase sind immer zwei Schalter im Strompfad, in
der zweiten Taktphase während
der positiven Halbwelle zwei Schalter und zwei Dioden und in der
negativen zwei Schalter und eine Diode. Hierdurch ergeben sich hohe
Verluste und entsprechend ein schlechter Wirkungsgrad. Außerdem stellen
die Schalter, gemeinsam mit den zugehörigen Ansteuerungen, einen
erheblichen Aufwand dar und vermindern die Zuverlässigkeit.
Diese Wechselrichter zeichnen sich somit durch eine hohe Komplexität und damit
einen schlechten Wirkungsgrad, einen hohen Aufwand sowie eine verminderte Zuverlässigkeit
aus.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder
einen Wechselstrom aus einer bezüglich
eines Neutralleiters unipolaren Gleichspannungsquelle zu schaffen,
die einen hohen Wirkungsgrad bietet, auf einfachen, kostengünstigen,
zuverlässigen
und regelungstechnisch leicht beherrschbaren Strukturen beruht und
einen Eingangsspannungsbereich sowohl unterhalb als auch oberhalb
der Netzspannungsamplitude (typischerweise 325 V bei einem Effektivwert von
230 V) erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Dadurch,
dass die Drossel als Doppeldrossel mit zwei in enger Kopplung zueinander
angeordneten Wicklungen ausgebildet ist und die erste Wicklung mit
dem ersten elektronischen Schalter in Reihe liegt und die über diesen
Schalter gelieferte Energie zwischenspeichert und dass die beiden
Wicklungen jeweils über
einen zweiten elektronischen Schalter mit dem nicht an dem Neutralleiter
liegenden Wechselspannungsanschluss in Verbindung stehen, werden
nur drei anstatt fünf
Halbleiterschalter benötigt. Hierdurch
erhöhen
sich sowohl Wirkungsgrad als auch Zuverlässigkeit erheblich. Darüber hinaus
bedeutet der Wegfall von zwei Schaltern nebst Ansteuerung eine merkbare
Kosteneinsparung. Die Ausführung
der einfachen Drossel mit einer zusätzlichen Wicklung stellt nur
einen geringfügigen
Mehraufwand dar.
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Vorteilhaft
ist, dass die Wicklungen der Doppeldrossel gleiche Windungszahlen
aufweisen und in enger Kopplung zueinander ausgebildet sind, da
dadurch in beiden die gleiche Spannung induziert wird.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass die Wicklungen der Doppeldrossel so geschaltet
sind, dass die einen der jeweils zugeordneten Wicklungsenden auf einem
ruhenden Potential liegen (Potential des Neutralleiters bzw. der
momentanen Kondensatorspannung am Ausgang), und die anderen der
jeweils zugeordneten Wicklungsenden den gleichen, um den Betrag
der momentanen Kondensatorspannung versetzten Spannungsverlauf aufweisen,
wodurch keine taktweise Umladung der parasitären Koppelkapazitäten zwischen
den Wicklungen notwendig ist und geringere Spitzenströmen an dem
erster Schalter auftreten und der Wirkungsgrad sowie das EMV-Verhalten
verbessert werden.
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Durch
Vorsehen eines Kondensators zwischen den Wicklungsenden mit dem
gleichen zeitlichen, aber um den Betrag der momentanen Ausgangsspannung
versetzten Spannungsverlauf, kann die in den unvermeidlichen Streuinduktivitäten der Doppeldrossel
gespeicherte Energie beim Öffnen des
ersten Schalters aufgenommen werden und im nächsten Taktabschnitt nahezu
verlustfrei an den Ausgang weitergegeben werden.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann auch mehrphasig ausgeführt
werden, z.B. dreiphasig zur Einspeisung in das übliche öffentliche Drehstromnetz. In
vorteilhafter Weise wird als Gleichspannungsquelle ein Solargenerator
verwendet, es können
jedoch auch Brennstoffzellen, Batterien oder dergleichen verwendet
werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Pluspol des Solargenerators
mit dem Neutralleiter verbunden, wodurch alle Module oder Zellen
des Solargenerators ein negatives Potential gegenüber dem Erdpotential
haben, was sich bei bestimmten Solarzellentypen vorteilhaft auf
den Wirkungsgrad auswirkt.
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In
vorteilhafter Weise ist eine Mehrzahl von Eingangsstufen bestehend
aus erstem elektronischen Schalter, Doppeldrossel mit zugeordneten
Dioden und einem Eingangskondensator parallel geschaltet, die versetzt
taktend die Energie an den Ausgang übertragen. Dadurch wird der
Rippel am Eingangskondensator reduziert und es ist auch ein sequentielles
Zuschalten der Eingangsstufen abhängig von der momentanen Leistung
entsprechend einem Master-Slave-Betrieb möglich, wodurch sich der Wirkungsgradverlauf
im Teillastbereich deutlich verbessert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 die
schaltungsgemäße Ausgestaltung eines
ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
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2 die
schaltungsgemäße Ausgestaltung eines
zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
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3 die
schaltungsgemäße Ausgestaltung eines
dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung,
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4 die
schaltungsgemäße Ausgestaltung eines
vierten Ausführungsbeispiels
der Erfindung mit mehreren Eingangsstufen,
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5 Diagramme
der an den Schaltern in den 1 bis 3 auftretenden
Pulsmuster.
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Die
in 1 dargestellte und als Wechselrichter ausgebildete
Schaltungsanordnung weist eine Gleichspannungsquelle auf, die im
Ausführungsbeispiel
ein Solargenerator 1 ist, der mit seinen Anschlüssen an
einer positiven Leitung 2 und einem Neutral- oder Erdleiter 3 liegt.
Dieser Solargenerator liefert eine Eingangsgleichspannung USG.
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Parallel
zu dem Solargenerator 1 ist ein Kondensator C0 vorgesehen,
der die Eingangsspannung USG puffert. Zwischen
den Leitungen 2, 3 liegt die Reihenschaltung einer
ersten Wicklung W1 einer Drossel, die als
Doppeldrossel DR1 bezeichnet wird, und eines
durch eine nicht dargestellte Steuereinheit getakteten Schalters
S0, der als Transistor, vorzugsweise als
MOS-FET oder IGBT, ausgebildet sein kann. Die zweite Wicklung W2 der Doppeldrossel DR1 ist mit
dem Wicklungsanfang (die Punkte an den Wicklungen W1,
W2 kennzeichnen in bekannter Art deren Wicklungsanfänge) an
den Neutralleiter 3 angeschlossen, wobei das Wicklungsende
mit einer ersten Diode D1 verbunden ist,
die mit der Schaltstrecke eines elektronischen Schalters S1 in Reihe liegt. An dem Verbindungspunkt
zwischen erster Wicklung W1 und dem Schalter
S0 ist eine zweite Diode D2 angeschlossen,
die mit der Schaltstrecke eines elektronischen Schalters S2 in Reihe liegt.
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Die
Schalter S1 und S2 speisen
einen Ausgangskondensator C1, der mit seinem
einen Anschluss mit den Schaltern S1, S2 verbunden ist und der mit seinem anderen
Anschluss auf dem Neutralleiter 3 liegt. Die Spannung des
Kondensators C1 wird mit UC1 gekennzeichnet.
Kondensator C1 und Schalter S1,
S2 sind mit einer Glättungs- oder Einspeisedrossel
L1 verbunden, deren anderer Anschluss mit einer
der Phasen L des Netzes 4 verbunden ist, in das ein Wechselstrom
eingespeist werden soll, wobei die Netzspannung mit UNetz bezeichnet
wird. Der mit N/PE gekennzeichnete Neutralleiter 3 bildet
gleichfalls einen Wechselspannungsausgangsanschluss.
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Die
Doppeldrossel DR1 stellt einen Transformator
mit Energiespeicher-Eigenschaften dar, dessen galvanische Trennung
im vorliegenden Fall jedoch nicht benutzt wird. Die Wicklung W1 wird doppelt genutzt zur Einspeicherung
der Energie und zur Erzeugung einer auf das Potential des Neutralleiters 3 bezogenen
invertierten Spannung. Die Wicklung W2 dient
zur Erzeugung einer auf den Neutralleiter bezogenen Spannung mit
gleicher Polarität
wie die Eingangsspannung. Die Wicklungen W1 und
W2 haben vorteilhafterweise die gleiche
Windungszahl und sind in enger Kopplung auf einen Kern gewickelt,
wobei sie auch bifilar gewickelt sein können.
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Die
gepufferte Eingangsspannung USG wird über den
getakteten Schalter S0 an die erste Wicklung
W1 der Doppeldrossel DR1 gelegt,
wodurch in der ersten Taktphase, in welcher der Schalter S0 durchgeschaltet ist, sich ein zeitlich
zunehmender Strom in der Wicklung W1 aufbaut,
verbunden mit einer Energiespeicherung im magnetischen Kreis der Doppeldrossel
DR1.
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Gemäß 5 wird
die Einschaltdauer des Schalters S0 über einen
hier nicht dargestellten Regelkreis (z.B. Pulsweiten-Modulator PWM)
so eingestellt, dass sich in der Ausgangsdrossel L1 ein
sinusförmiger
Strom einstellt, der dann in das öffentliche Stromnetz eingespeist
wird. Abhängig
von der Polarität
der Kondensatorspannung UC1, welche im Wesentlichen
der Netzspannung UNetz entspricht, werden
gemäß 5 die
Schalter S1 bzw. S2 geschlossen.
Während
der positiven Halbwelle ist S1 permanent
geschlossen, und die in der Drosselspule DR1 gespeicherte
Energie fließt über die
Wicklung W2, die Diode D1 und
den Schalter S1 in den Ausgangskondensator
C1. In der negativen Halbwelle ist entsprechend
der Schalter S2 permanent geschlossen, und der
Energiefluss erfolgt über
die Wicklung W1, die Diode D2 und
den Schalter S2 in den Ausgangskondensator
C1. Die in dieser Weise pulsartig an den
Ausgangskondensator C1 abgegebene Energie
wird dort zu der Spannung UC1 aufintegriert
und über
die Glättungsdrossel
L1 in das Netz 4 eingespeist.
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In 2 ist
eine weitere Schaltungsanordnung dargestellt, die sich von der Schaltung
nach 1 dadurch unterscheidet, dass die Reihenfolge innerhalb
der Reihenschaltung der Wicklung W2 der Doppeldrossel
DR1 und der Diode D1 vertauscht
ist. Das bedeutet, dass die Diode D1 mit
ihrem einen Anschluss an den Neutralleiter 3 angeschlossen
ist und mit ihrem anderen Anschluss an den Wicklungsanfang der Wicklung
W2 liegt, deren anderer Anschluss mit dem
Schalter S1 verbunden ist. Außerdem ist
ein Kondensator C2 jeweils mit dem Wicklungsanfang der
Wicklung W1 und dem Wicklungsanfang der Wicklung
W2 verbunden. Grundsätzlich ist die Funktionsweise
wie vorher beschrieben, d.h., die generelle Funktion verbleibt unverändert. Von
Vorteil ist jedoch, dass beide Wicklungsenden der Wicklungen W1, W2 auf ruhendem
Potential liegen, d.h. auf dem Bezugspotential, das von dem Neutralleiter 3 vorgegeben
ist, bzw. auf der am Kondensator C1 liegenden momentanen
Kondensatorspannung UC1. Die beiden Wicklungsanfänge haben
somit den gleichen, um die Höhe
der momentanen Kondensatorspannung UC1 versetzten
Spannungsverlauf zueinander. Damit können die beiden Wicklungen
W1, W2 sehr eng
benachbart zueinander gewickelt werden, beispielsweise als bifilare
Wicklung, da die sich zwischen den beiden Wicklungen ausbildende
parasitäre
Koppelkapazität nicht
in jedem Takt umgeladen werden muss. Aus dem räumlich engen Aufbau resultiert
eine sehr gute magnetische Kopplung der Wicklungen W1,
W2 und somit eine geringe Streuinduktivität, ein verbessertes EMV-Verhalten
sowie geringere Schaltverluste in dem Schalter S0.
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Da
in der Schaltung nach 2 die beiden Wicklungsanfänge idealerweise
den gleichen, aber um den Betrag der momentanen Ausgangsspannung versetzten
Spannungsverlauf aufweisen, können
die beiden Wicklungsanfänge
mit dem Koppelkondensator C2 verbunden werden.
Dieser zusätzliche
Koppelkondensator C2 nimmt beim Abschalten
des Schalters S0 einen Teil der in der primärseitigen
Streuinduktivität
der Doppeldrossel DR1 gespeicherten Energie
auf und gibt diese während
der positiven Halbwelle im nächsten
Takt über
die Wicklung W2 an den Ausgang ab. Hierdurch
werden Überspannungen während des
Schaltvorganges begrenzt. In der negativen Halbwelle erfolgt die
Begrenzung über
die Diode D2 und den dann geschlossenen
Schalter S2.
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Die
Schaltungen nach den 1 und 2 können auch
komplementär
aufgebaut werden. 3 zeigt beispielhaft den komplementären Aufbau der
Schaltung nach 2.
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In 3 liegt
der positive Anschluss der Gleichspannungsquelle 1, d.h.
des Solargenerators, auf den Neutralleiter 3. Dies hat
den Vorteil, dass alle Module des Solargenerators 1 ein
negatives Potential gegenüber
dem Erdpotential haben, was sich bei bestimmten Solarzellentypen
vorteilhaft auf deren Wirkungsgrad auswirkt. Weiterhin liegt der
Schalter S0 in der negativen Versorgungsspannungsleitung 6, was
seine Ansteuerung schaltungstechnisch vereinfacht, insbesondere,
wenn mehrere parallel arbeitende Eingangsstufen vorgesehen sind.
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Als
Schalter werden, wie schon erwähnt,
bevorzugt MOS-FETs oder IGBTs vom N-Kanal-Typ eingesetzt. N-Kanal-Transistoren
benötigen
zur Ansteuerung eine positive Gate-Spannung von z.B. 15 Volt gegenüber dem
Emitterpotential, wozu eine Hilfsspannung zur Verfügung gestellt
werden muss. Wenn mehrere Transistoren mit ihren Emittern auf dem
gleichen Potential liegen, kann vorteilhafterweise eine gemeinsame
Hilfsspannungsquelle genutzt werden.
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In 4 ist
eine Schaltungsanordnung entsprechend 1 mit mehreren
Eingangsstufen, bestehend aus dem Kondensator C0,
dem Schalter S0, der Doppeldrossel DR1, den Dioden D1,
D2 vorgesehen, wobei in der Figur nur eine
zweite Eingangsstufe dargestellt ist, deren Bezugszeichen die gleichen sind
wie in der ersten Eingangsstufe, jedoch mit einem Strich versehen
sind. Falls eine Schaltungsanordnung nach 2 oder 3 vorgesehen
ist, gehört
zur Eingangsstufe noch der Koppelkondensator C2.
Die Eingangsstufen sind alle jeweils mit dem Schalter S1 bzw.
dem Schalter S2 verbunden und werden aus
der selben Quelle gespeist.
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Vorteilhafterweise
werden dabei die zugehörigen
Schalter S0 bzw. S0' zeitlich versetzt
getaktet, so dass sich sowohl am Eingang, d.h. an den jeweiligen Kondensatoren
C0, C0', als auch am Ausgang
ein vergleichmäßigter Leistungsfluss
ergibt. Weiterhin ist ein sog. Master-Slave-Betrieb möglich, bei
welchem die einzelnen Eingangsstufen abhängig von der momentan zu übertragenden
Leistung zugeschaltet werden. Hierdurch kann der Wirkungsgradverlauf
insbesondere im Teillastbereich deutlich verbessert werden.
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Sind
mehrere Eingangsstufen vorhanden, so können diese auch über getrennte
Eingangsklemmen verfügen,
die wiederum mit zugehörigen,
auch unterschiedlichen Solargeneratoren oder anderen Gleichspannungsquellen
verbunden sein können.
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Im
obigen Ausführungsbeispiel
wird ein Solargenerator als Gleichspannungsquelle verwendet. Es
können
jedoch auch Brennstoffzellen oder Batterien oder dergleichen vorgesehen
werden.