DE102007041510A1 - Mehrkanaliger Gleichstromsteller - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird ein mehrkanaliger Gleichstromsteller, mit mehreren parallelen Stromkanälen, die durch einen Mikrocontroller zeitversetzt zueinander gesteuert werden, wobei die Stromkanäle jeweils mindestens zwei Halbleiterschalter aufweisen, durch die sie vom Mikrocontroller entweder als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller betrieben werden können, wobei wenigstens ein Stromkanal eine Einrichtung zur Erfassung des Stromnulldurchgangs aufweist, wobei der Mikrocontroller die Periodenzeit der Stromnulldurchgänge in diesem Stromkanal erfasst und wobei der Mikrocontroller aufgrund der erfassten Periodenzeit die Gleichstromsteller aller Stromkanäle an der Lückgrenze betreibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrkanaligen Gleichstromsteller, mit mehreren parallelen Stromkanälen, die durch einen Mikrocontroller zueinander zeitversetzt gesteuert werden.
  • Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 011 801 A1 ist ein Gleichstromsteller mit vier parallelen Stromkanälen bekannt, der als ein reiner Hochsetzsteller beschrieben ist. Zur Steuerung dieses Gleichstromstellers sind externe Zeitglieder erforderlich.
  • Es sind darüber hinaus auch bidirektionale Gleichstromsteller bekannt. Die Grundschaltung eines solchen Gleichstromstellers ist in der 2 dargestellt.
  • Es stellte sich die Aufgabe einen Gleichstromsteller zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist, möglichst vielseitig und effizient einsetzbar ist und einen möglichst glatten Ausgangsstrom liefert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Stromkanäle jeweils mindestens zwei Halbleiterschalter aufweisen, durch die sie vom Mikrocontroller entweder als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller betrieben werden können, dass wenigstens ein Stromkanal eine Einrichtung zur Erfassung des Stromnulldurchgangs aufweist, dass der Mikrocontroller die Periodenzeit der Stromnulldurchgänge in diesem Stromkanal erfasst, und dass der Mikrocontroller aufgrund der erfassten Periodenzeit die Gleichstromsteller aller Stromkanäle an der Lückgrenze betreibt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 die Grundschaltung eines erfindungsgemäßen mehrkanaligen bidirektionalen Gleichstromstellers,
  • 2 die Grundschaltung eines bidirektionalen Gleichstromstellers nach dem Stand der Technik,
  • 3 bis 5 Stromverlaufsdiagramme eines Hochsetzstellers,
  • 6 bis 8 Stromverlaufsdiagramme eines Tiefsetzstellers,
  • 9 ein Verwendungsbeispiel eines bidirektionalen Gleichstromstellers,
  • 10 einen Regelkreis nach dem Stand der Technik,
  • 11 die Grundschaltung eines bidirektionalen, an der Lückgrenze betreibbaren Gleichstromstellers,
  • 12 ein Stromverlaufsdiagramm der Schaltung gemäß der 11 im Hochsetzstellerbetrieb,
  • 13 einen Regelkreis zur Schaltung gemäß der 11,
  • 14 ein Stromverlaufsdiagramm eines mehrkanaligen Gleichstromstellers im Hochsetzstellerbetrieb,
  • 15 ein weiteres Stromverlaufdiagramm der Schaltung gemäß 11 als Tiefsetzsteller,
  • 16 einen Abschnitt eines Regelkreises,
  • 17 eine vereinfachte Darstellung des Regelkreisabschnitts gemäß der 16,
  • 18 ein Stromverlaufdiagramm eines mehrkanaligen Gleichstromstellers im Tiefsetzstellerbetrieb.
  • Die 2 zeigt die schematisch dargestellte Grundschaltung eines bidirektionalen Gleichstromstellers, an der dessen grundsätzliche Funktionsweise erläutert werden soll. Der Gleichstromsteller besteht im wesentlichen aus einer ersten und einer zweiten Spannungsquelle (U1, U2), einer Speicherdrossel L1, sowie aus zwei Halbleiterschaltern (T1, T2), die bevorzugt als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet sein können. Parallel zu den Lastanschlüssen der Halbleiterschalter (T1, T2) ist jeweils eine Freilaufdiode (D1, D2) geschaltet.
  • Die Halbleiterschalter (T1, T2) sind derart mit den anderen Bauelementen verschaltet, dass bei einem durchgeschalteten ersten Halbleiterschalter T1 die Anschlüsse der Speicherdrossel L1 über den ersten Halbleiterschalter T1 mit der ersten Spannungsquelle U1 verbunden sind, und bei einem durchgeschaltetem zweiten Halbleiterschalter T2 die Speicherdrossel L1 mit dem zweiten Halbleiterschalter T2 und den beiden Spannungsquellen (U1, U2) zugleich in Reihe geschaltet ist.
  • Das Funktionsprinzip eines derartigen Gleichstromstellers besteht darin, dass durch Einschalten eines der Halbleiterschalter (T1 bzw. T2) die Speicherdrossel L1 bestromt wird, die in daraufhin ein Magnetfeld aufbaut. Die in diesem Magnetfeld gespeicherte Energie bewirkt nach dem Ausschalten des einen Halbleiterschalters (T1 bzw. T2) einen Induktionsstrom (Ausgangsstrom i2 bzw. i1), der über die zum jeweils anderen Halbleiterschalter (T2 bzw. T1) gehörende Freilaufdiode (D2 bzw. D1) und eine der Spannungsquellen (U2, U1) fließt.
  • Zum kontinuierlichen Betrieb ist eine Taktung eines der Halbleiterschalter (T1 bzw. T2) erforderlich, beispielsweise durch eine PWM-Steuerung (PWM = Pulsweitenmodulation), die durch einen zentrale Steuerungseinrichtung und besonders vorteilhaft durch einen Mikrocontroller realisiert sein kann. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird diese Steuerungseinrichtung im folgenden als Mikrocontroller bezeichnet. Zur Vereinfachung wurde in den Figuren auf eine Darstellung des Mikrocontrollers verzichtet.
  • Grundsätzlich sind zwei Betriebsarten des Gleichstromstellers zu unterscheiden, und zwar den Hochsetzstellerbetrieb und den Tiefsetzstellerbetrieb.
  • Hochsetzstellerbetrieb (3 bis 5)
  • Im Hochsetzstellerbetrieb fließt die Energie von der ersten Spannungsquelle U1 zur zweiten Spannungsquelle U2. Dazu wird der Halbleiterschalter T1 mit einem geeigneten PWM-Signal angesteuert. Der Halbleiterschalter T2 ist in diesem Betriebszustand nicht aktiv und daher stromlos. Damit die Schaltung arbeiten kann, muss die Spannung u2 der zweiten Spannungsquelle U2 größer sein als die Spannung u1 der ersten Spannungsquelle U1.
  • Beim Betrieb eines Gleichstromstellers sind grundsätzlich drei unterschiedliche Betriebszustände definiert. Diese Betriebszustände sind vom Stromverlauf iL1 in der Speicherdrossel L1 bestimmt. Für die drei Betriebszustände sind die typischen Strom- und Spannungsverläufe in den 3 bis 5 dargestellt. Hierbei steht uT1 für die Ansteuerspannung des ersten Halbleiterschalters T1 und iT1, iD2 und iL1 für die durch den ersten Halbleiterschalter T1, die zugehörige Diode D1 und die Speicherdrossel L1 fließenden Ströme.
  • Die drei möglichen Betriebszustände des Hochsetzstellers sind:
    • • kontinuierlicher Betrieb, d. h. der Strom iL1 in der Speicherdrossel L1 weist keine Nullstellen auf (3),
    • • diskontinuierlicher Betrieb, d. h. es treten Zeiträume auf, in denen die Speicherdrossel L1 stromlos ist (4),
    • • Betrieb an der Lückgrenze (Transition Mode). Hier wird durch eine geeignete Ansteuerung des Halbleiterschalters T1 der Strom iL1 in der Speicherdrossel L1 an der Lückgrenze, das heißt genau zwischen dem kontinuierlichen und dem diskontinuierlichen Betrieb gehalten (5).
  • Kontinuierlicher Hochsetzstellerbetrieb (3)
  • Der Strom iL1 in der Speicherdrossel L1 ist hier ohne Nullstellen. Während der Einschaltphase des Halbleiterschalters T1 hängt der Strom iL1 von folgender Differentialgleichung ab:
  • Figure 00050001
  • Wenn die Diode D2 leitet gilt:
  • Figure 00050002
  • Da u2 größer als u1 ist, wird der Differentialquotient negativ und der Strom sinkt in dieser Phase ab. Generell hängt also die Stromverlauf von der Einschaltzeit des Halbleiterschalters T1, den Spannungen u1 und u2 und der Induktivität L der Speicherdrossel L1 ab.
  • Diskontinuierlicher Hochsetzstellerbetrieb (4)
  • In diesem Fall weist der Strom iL1 durch die Speicherdrossel L1 Nullstellen auf. Dieser Betriebszustand wird häufig auch „Lückbetrieb" genannt.
  • Betrieb des Hochsetzstellers an der Lückgrenze (Transition Mode) (5)
  • In der 5 ist der Betrieb des Hochsetzstellers an der Lückgrenze, der auch als Transition Mode bezeichnet wird, dargestellt. Der Vorteil dieses Betriebszustands ist, dass der Halbleiterschalter T1 noch im stromlosen Zustand wieder eingeschaltet wird und so die Schaltverluste minimal sind. Weiterhin kann die Freilaufdiode D1 als „normale" schnelle Siliziumdiode ausgeführt sein. Häufig findet man in den Hochsetzstellern von Solarwechselrichtern Siliziumkarbid-Dioden, da die sogenannten Reverse Recovery Ströme der Diode massiv die Verluste im Halbleiterschalters T1 bestimmen. Weiterhin wird die Speicherdrossel L1 optimal ausgenutzt, d. h. es existieren keine Zeiträume, in denen die Speicherdrossel L1 stromlos ist und keine Energie überträgt.
  • Bei Gleichstromstellern, die mit einer konstanten Schaltfrequenz arbeiten, bestimmt der jeweilige Lastzustand, welcher der drei oben genannten Betriebszustände sich einstellt.
  • Tiefsetzstellerbetrieb (6 bis 8)
  • Im Tiefsetzstellerbetrieb fließt in der Schaltung gemäß der 2 die Energie von der Spannungsquelle U2 nach U1. Dazu wird der Halbleiterschalter T2 mit einer geeigneten pulsweitenmodulierten Ansteuerspannung uT2 angesteuert.
  • Der Halbleiterschalter T1 ist nicht aktiv und daher stromlos. Damit die Schaltung arbeiten kann, muss u2 hier ebenfalls größer als u1 sein.
  • Analog zu den Betriebszuständen des Hochsetzstellers verdeutlichen die 6 bis 8 die drei möglichen Betriebszustände im Tiefsetzstellerbetrieb. Aufgetragen sind wiederum die charakteristischen Stromverläufe iT2, iD1 und iL1 gegen den Verlauf der Ansteuerspannung UT2 des zweiten Halbleiterschalters T2.
  • Dargestellt sind die Betriebszustände:
    • • kontinuierlicher Betrieb (6),
    • • diskontinuierlicher Betrieb (7),
    • • Betrieb an der Lückgrenze (Transition Mode; 8).
  • Damit sind alle möglichen Betriebszustände der in der 2 dargestellten Schaltung beschrieben. Einsetzbar ist ein solcher bidirektionaler Steller z. B. in der Solartechnik für das Batteriemanagement eines Inselwechselrichters. Das Blockschaltbild der 9 verdeutlicht die Verwendung eines bidirektionalen Stellers.
  • Die in der 9 dargestellte Solaranlage wird von einem Solargenerator 1 gespeist. Dieser ist über einen unidirektional arbeitenden Hochsetzsteller 2 an den Gleichspannungszwischenkreis 3 angeschlossen. Die Energie des Solargenerators 1 kann dann von einem Wechselrichter 4 mit drei ausgangsseitigen Phasen (P1, P2, P3) ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
  • In Zeiten, in denen der Solargenerator 1 mehr Leistung liefert als zur Einspeisung in das Stromnetz erforderlich ist, kann eine Speicherbatterie 5 über den bidirektionalen Gleichstromsteller 6 aufgeladen werden. Die Voraussetzung hierzu ist, dass die Spannung uz im Gleichspannungszwischenkreis 3 größer als die Spannung uB der Speicherbatterie 5 ist. Der Gleichstromsteller 6 arbeitet in diesem Fall als Tiefsetzsteller und die Energieflussrichtung ist vom Gleichspannungszwischenkreis 3 hin zur Speicherbatterie 5.
  • Sollte vom Stromnetz mehr elektrische Leistung gefordert werden, als augenblicklich vom Solargenerator 1 geliefert werden kann, kann die Speicherbatterie 5, sofern sie vorher ausreichend geladen wurde, zusätzlich Energie in den Gleichspannungszwischenkreis 3 einspeisen Der bidirektionale Gleichstromsteller 6 arbeitet dann als Hochsetzsteller, d. h. auch hier muss die Spannung uz im Gleichspannungszwischenkreis 3 größer als die Batteriespannung UB sein. Die Energieflussrichtung ist nun von der Speicherbatterie 5 hin zum Gleichspannungszwischenkreis 3.
  • In den heute verwendeten bidirektionalen Gleichstromstellern wird häufig zur Ansteuerung der Halbleiterschalter eine Pulsweitenmodulation mit fester Frequenz verwendet. Das führt dazu, dass je nach Lastfall die Schaltung im diskontinuierlichen oder im kontinuierlichen Betriebszustand oder im Betriebszustand an der Lückgrenze arbeiten kann und zwischen diesen Betriebszuständen hin und her wechselt.
  • Regelungstechnisch wird üblicherweise für einen solchen Gleichstromsteller ein unterlagerter Stromregelkreis vorgesehen. Dieser ist entweder in Hardware, z. B. mit einem Steuer-IC oder mit Hilfe eines Mikrocontrollers realisiert. In Photovoltaikwechselrichtern werden nahezu ausschließlich digital geregelte Systeme eingesetzt, so dass für die Stromregelung der Stromistwert in Echtzeit erfasst und verarbeitet werden muss.
  • Das regelungstechnische Ersatzschaltbild einer solchen Anordnung ist in der 10 dargestellt. Die Regelung ist als eine Kaskadenreglung realisiert. Es existiert ein innerer „schneller" Regelkreis (Stromsollwert i_soll, I-Regler, integrierender Regler 1/L, Stromistwert i_ist; gestrichelt gekennzeichnet) und ein äußerer Regelkreis (Spannungssollwert u_soll, U-Regler, integrierender Regler 1/C, Spannungssollwert u_ist) zur Spannungsregelung.
  • Ein solcher Regler weist mehrere Nachteile auf:
    • • Es muss in Echtzeit der Stromistwert i_ist erfasst und verarbeitet werden.
    • • Je nach Betriebszustand der Schaltung (kontinuierlich, diskontinuierlich oder Transition Mode) ändern sich die Eigenschaften der Stromregelstrecke, so dass unter Umständen eine Anpassung im I-Regler vorgenommen werden muss.
    • • Da die Induktivität L der Speicherdrossel maßgeblich das Verhalten des Stromregelkreises bestimmt, darf für deren Wert eine gewisse Untergrenze nicht unterschritten werden.
    • • Wenn sich die Schaltung im kontinuierlichen Betriebszustand befindet, steigen die Verluste im aktiven Halbleiterschalter stark an, weil dann der Halbleiterschalter auf eine leitende Freilaufdiode schaltet. Die Reverse Recovery Ladung der Freilaufdiode beeinflusst massiv die Einschaltverluste des Halbleiterschalters.
    • • Um die sogenannten Reverse Recovery Verluste zu verringern, werden häufig Silizium Karbid Dioden an Stelle der üblichen Siliziumdioden eingesetzt. Solche Dioden sind extrem teuer, schwer verfügbar und nicht sehr robust.
    • • Wegen des „hart" schaltenden Betriebes der Leistungsendstufe wird die Schaltfrequenz häufig so niedrig wie möglich gewählt. Das führt zu einer Vergrößerung des Bauvolumens der Speicherdrossel.
  • Beschreibung eines bidirektionalen Transition Mode-Stellers
  • Die 11 zeigt schematisch einen bidirektionaler Gleichstromsteller, der stets an der Lückgrenze betrieben werden kann. Dafür ist auf der Speicherdrossel L1 eine zusätzliche Wicklung W aufgebracht, die nur einige wenige Windungen aufzuweisen braucht und über die der Stromnulldurchgang in der Speicherdrossel L1 detektiert werden kann. Der Zeitpunkt des Stromnulldurchgangs wird beispielsweise von einem nichtdargestellten Mikrocontroller erkannt, der dann sofort wieder einen der Halbleiterschalter (T1 bzw. T2) ansteuert. Je nach Lastzustand stellt sich so eine variable Schaltfrequenz der Leistungsendstufe ein; je höher die Ausgangsleistung, desto niedriger wird die Schaltfrequenz.
  • Bezeichnet man die Zeit in der Aufmagnetisierungsphase mit „t_on" und die Zeit in der Abmagnetisierung mit „t_off", dann können die folgenden Gleichungen unter Berücksichtigung linearer Verhältnisse aufgestellt werden:
  • Figure 00100001
  • Aus der 12 ist ersichtlich, dass der Mittelwert iL1_avg des Stromes iL1 genau der Hälfte des maximalen Stromwerts iL1_dach entspricht. Somit kann durch Vorgabe der Einschaltzeit t_on der Strom iL1_avg direkt und verzögerungsfrei verstellt werden.
  • Damit ergibt sich für den Hochsetzstellerbetrieb das regelungstechnische Ersatzschaltbild gemäß der 13. Ein unterlagerter Stromregelkreis ist hier nicht mehr erforderlich, weil durch die Stromnulldurchgangserkennung der Gleichstromsteller stets im Transition Mode, also ständig genau an der Lückgrenze, arbeitet und daher t_on proportional zu iL1_avg ist. Der jeweilige Lastzustand wird im Regelkreis durch die Einflussgröße Laststrom i_Last berücksichtigt.
  • Nachteilig am Betrieb an der Lückgrenze ist allerdings die große Welligkeit des Speicherdrosselstromes iL1 und damit auch im Ausgangsstrom i1 bzw. i2. Um diese zu verringern, ist ein Gleichstromsteller vorgesehen, der mehrere parallele Stromkanäle (I, II) aufweist. Einen derartigen Gleichstromsteller mit zwei Stromkanälen zeigt die 1.
  • Zu Ausbildung des Gleichstromstellers können selbstverständlich auch mehr als zwei parallele Stromkanäle (I, II) vorgesehen sein, was trotz des größeren Bauteileaufwands vorteilhaft sein kann, da sich mit jedem weiteren Stromkanal die Welligkeit des Speicherdrosselstromes iL1 verringert.
  • Der erste Stromkanal I ist durch die Speicherdrossel L1, die Halbleiterschalter T1 und T2 und die Dioden D1 und D2 gebildet; der zweite Stromkanal II entsprechend durch die Speicherdrossel L2, die Halbleiterschalter T3 und T4, sowie durch die Dioden D3 und D4.
  • Beide Stromkanäle (I, II) werden mit der gleichen Taktrate, aber jeweils mit einem zeitlichen Versatz getaktet. Der zur Taktung der Halbleiterschalter (T1, T3 bzw. T2, T4) vorgesehene Mikrocontroller kann dabei vorteilhafterweise die jeweils zu taktenden Halbleiterschalter (T1, T3 bzw. T2, T4) sämtlicher Stromkanäle (I, II) ansteuern.
  • Die Speicherdrossel L2 im zweiten, zum ersten Stromkanal I parallel geschalteten, Stromkanal II weist hier keine Instanz zur Erkennung eines Stromnulldurchgangs auf. Der Stromkanal II wird in Abhängigkeit von dem im ersten Stromkanal I erfassten Stromnulldurchgang gesteuert und kann daher als "Slavekanal" bezeichnet werden, während der erste Stromkanal I, dessen Speicherdrossel L1 eine Wicklung W zur Stromnulldurchgangserkennung aufweist, nachfolgend als "Masterkanal" bezeichnet wird.
  • Die Welligkeit im Ausgangsstrom i1 bzw. i2 wird minimal, wenn die Phasenverschiebung zwischen dem Masterkanal I und dem Slavekanal II oder gegebenenfalls auch den weiteren Slavekanälen, 360°/n (n = Anzahl der Stromkanäle) beträgt. Der Mikrocontroller bestimmt nun aus den erfassten Stromnulldurchgängen die Periodendauer des Masterkanals I, um aus dieser Information den Zündzeitpunkt für den Slavekanal II und gegebenenfalls auch für die weiteren Slavekanäle zu ermitteln.
  • In der 14 sind die Stromverläufe für einen zweikanaligen Gleichstromsteller gemäß der 1 dargestellt, der als Hochsetzsteller betrieben wird. Das obere Diagramm zeigt den Stromverlauf iL1 durch die Speicherdrossel L1 im Masterkanal I; das mittlere Diagramm zeigt den Stromverlauf durch die Speicherdrossel L2 im Slavekanal II. Der Mikrocontroller bestimmt den zeitlichen Abstand der Stromnulldurchgänge TPeriode des Masterkanals I in Echtzeit, um daraus dann den Zündzeitpunkt des Slavekanals II zu errechnen. Da mit dem Masterkanal I und dem Slavekanal II hier insgesamt zwei Stromkanäle (n = 2) realisiert sind, beträgt der zeitliche Versatz bei der Ansteuerung der Halbleiterschalter (T1, T3) des Slavekanals II 1/n = ½ Periodendauer TPeriode/2 gegenüber der Ansteuerung des Masterkanals I.
  • Die 14 zeigt, dass der resultierende Ausgangsstrom i1, hier invertiert als –i1 dargestellt, eine deutlich geringere Welligkeit aufweist als die Stromverläufe (iL1, iL2) in jedem einzelnen der Stromkanäle (I, II). In einer praktischen Realisierung ist es vorteilhaft, statt nur eines Slavekanals II mehrere Slavekanäle vorzusehen, da hierdurch ein noch weitaus glatterer Ausgangsstrom erzielt werden kann.
  • Neben dem zuvor beschriebenen Hochsetzstellerbetrieb kann der Gleichstromsteller auch als Tiefsetzsteller betrieben werden, was insbesondere für Photovoltaikwechselrichter mit Batteriepuffer interessant ist.
  • Für den Tiefsetzstellerbetrieb gelten sehr ähnliche Bedingungen wie für den Hochsetzstellerbetrieb. Aus dem in der 15 skizzierten Stromverlauf iL1 findet man die Bedingungen:
  • Figure 00130001
  • Im Tiefsetzstellerbetrieb ist die Ausschaltzeit t_off proportional zum maximalen Strom iL1_dach bzw. dem durchschnittlichen Strom iL1_avg durch die Speicherdrossel L1. Da der Mikrocontroller aber nur die Einschaltzeit t_on direkt verstellen kann, muss eine weitere Bedingung herangezogen werden, um eine Regelung realisieren zu können. Aus den beiden zuletzt genannten Gleichungen kann der folgende Zusammenhang hergeleitet werden:
  • Figure 00130002
  • Indem der Mikrocontroller die Spannungen u1 und u2 mit erfasst, kann er die erforderliche Einschaltzeit t_on errechnen, die dann zum gewünschten t_off führt. Wie die aus der 15 hervorgeht, ergibt die Summe aus t_on und t_off genau die Zeit zwischen zwei Stromnulldurchgängen, die vom Mikrocontroller erfasst wird. Solange die Schaltung im Betrieb an der Lückgrenze arbeitet, ist eine direkte Verstellung von iL1_avg ohne Verzögerung möglich.
  • Damit kann wiederum ein Regelkreis realisiert werden, der in der 16 skizziert ist. Wird der Tiefsetzstellerbetrieb zum Laden einer Speicherbatterie verwendet, so ist in der Regel kein überlagerter Spannungsregelkreis erforderlich. Der Sollwert des Ladestroms i_soll kann direkt vom Mikrocontroller vorgegeben werden. Die beiden Proportionalglieder (L1/U1, U1/(U2 – U1)) in der 16 können dann noch zu einem einzigen Proportionalglieder L1/(U2 – U1) zusammengefasst werden, wodurch man den in der 17 dargestellte Regelkreis erhält.
  • Durch Einsatz des Transitionmodestellers ist kann so der Strom ohne unterlagerten Stromregelkreis direkt und verzögerungsfrei verstellt werden.
  • Die 18 zeigt eine Skizze der Stromverläufe (iL1, iL2) in den Stromkanälen (I, II) und am Ausgang des Gleichstromstellers im Tiefsetzstellerbetrieb. Diese Stromverläufe (iL1, iL2) entsprechen genau den invertierten Stromverläufen für den Hochsetzstellerbetrieb, welche aus der 14 ersichtlich sind. Entsprechend erhält man auch im Tiefsetzstellerbetrieb durch eine zeitversetzte Steuerung der Stromkanäle (I, II) einen besonders glatten Ausgangsstrom (–i1).
    • 1
    Solargenerator
    2
    Hochsetzsteller
    3
    Gleichspannungszwischenkreis
    4
    Wechselrichter
    5
    Speicherbatterie
    6
    Gleichstromsteller
    D1–D4
    (Freilauf)dioden
    I
    erster Stromkanal (Masterkanal)
    II
    zweiter Stromkanal (Slavekanal)
    L
    Induktivität (der Speicherdrossel)
    L1, L2
    Speicherdrossel
    T1–T4
    Halbleiterschalter
    U1, U2
    Spannung(squell)en
    P1, P2, P3
    Phasen
    UZ
    Spannung im Gleichspannungszwischenkreis
    UB
    Spannung der Speicherbatterie
    W
    Wicklung
    i1, i2
    Ausgangsstrom
    iT1, iT2, iD1...
    Strom (durch das jeweils indizierte Bauelement)
    IL1_avg
    mittlerer Ausgangsstrom
    i_ist
    Stromistwert
    i_Last
    Laststrom
    i_soll
    Stromsollwert
    t_on
    Einschaltzeit
    t_off
    Ausschaltzeit
    TPeriode
    Periodenzeit (zeitlicher Abstand der Stromnulldurchgänge)
    TPeriode/2
    zeitlicher Versatz
    u_ist
    Spannungsistwert (Ausgangsspannung)
    u_soll,
    Spannungssollwert
    u1, u2
    Spannungen (der Spannungsquellen U1 und U2)
    UB
    Batteriespannung
    uT1, uT2
    Ansteuerspannung (der Halbleiterschalter)
    uz
    Spannung im Gleichspannungszwischenkreis
    1/C, 1/L
    integrierende Regler
    L1/U1, U1/(U2 – U1)L1/(U2 – U1)
    Proportionalglieder
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004011801 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Mehrkanaliger Gleichstromsteller, mit mehreren parallelen Stromkanälen, die durch einen Mikrocontroller zueinander zeitversetzt gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkanäle (I, II) jeweils mindestens zwei Halbleiterschalter (T1, T2; T3, T4) aufweisen, durch die sie vom Mikrocontroller entweder als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller betrieben werden können, dass wenigstens ein Stromkanal (I) eine Einrichtung zur Erfassung des Stromnulldurchgangs aufweist, dass der Mikrocontroller die Periodenzeit (TPeriode) der Stromnulldurchgänge in diesem Stromkanal (I) erfasst, und dass der Mikrocontroller aufgrund der erfassten Periodenzeit (TPeriode) alle Stromkanäle (I, II) an der Lückgrenze betreibt.
  2. Gleichstromsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller die Stromkanäle (I, II) mit einem zeitlichen Versatz (TPeriode/2) ansteuert, wobei der zeitliche Versatz (TPeriode/2) durch die erfasste Periodenzeit (TPeriode) geteilt durch die Anzahl der Stromkanäle gegeben ist.
  3. Gleichstromsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromkanal (I, II) wenigstens eine Speicherdrossel (L1, L2) aufweist und die Speicherdrossel (L1) wenigstens eines Stromkanals (I) eine zusätzliche Wicklung (W) aufweist, deren Ausgangssignal der Mikrocontroller zur Erfassung des Stromnulldurchgang auswertet.
  4. Gleichstromsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromsteller Bestandteil einer Lade-/Entladeschaltung für eine Speicherbatterie (5) einer Photovoltaik-Anlage ist.
  5. Gleichstromsteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller den Gleichstromsteller zum Laden der Speicherbatterie (5) als Tiefsetzsteller und zum Entladen der Speicherbatterie (5) als Hochsetzsteller steuert.
  6. Gleichstromsteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit (t_on) für jeweils einen der Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) eines Stromkanal (I, II) einen zur Einschaltzeit (t_on) proportionalen Ausgangsstrom (i1, i2) des Gleichstromstellers bewirkt.
  7. Gleichstromsteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit (t_on) im Hochsetzstellerbetrieb durch einen überlagerten Spannungsregelkreis (U-Regler, 1/C) für die Ausgangsspannung (u_ist) des Gleichstromstellers geregelt wird.
  8. Gleichstromsteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltzeit (t_on) im Tiefsetzstellerbetrieb proportional zum mittleren Ausgangsstrom (uL1_avg) und umgekehrt proportional zur Ausgangs-/Eingangsspannungsdifferenz (U2 – U1) ist.
  9. Gleichstromsteller nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocontroller die Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4) sämtlicher Stromkanäle (I, II) steuert.
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