DE102011052768A1 - Wechselrichter mit gekoppelten Induktivitäten - Google Patents

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Dipl.-Ing. Kazanbas Mehmet
Prof. Zacharias Peter
Christian Nöding
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SMA Solar Technology AG
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Abstract

Wechselrichter (1) zum Umformen eines zwischen zwei Eingangsleitungen (3, 4) fließenden Gleichstroms in einen zwischen zwei Ausgangsleitungen (11, 12) fließenden Wechselstrom mit einer ersten und einer zweiten Reihenschaltung (5, 6) aus jeweils zwei hochfrequent schaltbaren Schaltern (S1, S2; S3, S4) und einer dazwischen geschalteten Induktivität (L1, L2), wobei die beiden Induktivitäten (L1, L2) magnetisch gekoppelt sind, und mit Dioden (D1, D3), die von einander entsprechenden Seiten der Induktivitäten (L1, L2) zu einem ersten Zwischenpunkt führen sowie Dioden (D2, D4), die von einem zwischen Zwischenpunkt (8) zu den gegenüberliegenden Seiten der Induktivitäten führen, und mit einer Entfaltungsschaltung, die einen zwischen den Zwischenpunkten (7 und 8) fließenden halbwellenweise sinusförmigen Gleichstrom mit halbwellenweise wechselnder Polarität den Ausgangsleitungen (11, 12) zuführt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter zum Umformen eines zwischen zwei Eingangsleitungen fließenden Gleichstroms in einen zwischen zwei Ausgangsleitungen fließenden Wechselstrom mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Ein solcher Wechselrichter wird aufgrund seiner Eigenschaft als Stromquelle auch als Current Source Inverter bezeichnet.
  • Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Wechselrichter zum Einspeisen von elektrischer Energie in ein einphasiges Wechselstromnetz, die von einem photovoltaischen Generator erzeugt wird.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein Wechselrichter zum Umformen eines zwischen zwei Eingangsleitungen fließenden Gleichstroms in einen zwischen zwei Ausgangsleitungen fließenden Wechselstrom mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der DE 196 42 522 C1 bekannt. Bei diesem Current Source Inverter ist eine der Ausgangsleitungen direkt mit einer der Eingangsleitungen verbunden. Die Entfaltungsschaltung des bekannten Wechselrichters weist einen von dem ersten Zwischenpunkt zu der anderen Ausgangsleitung führenden ersten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter und einen von dem zweiten Zwischenpunkt zu der anderen Ausgangsleitung führenden zweiten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter auf. Weiterhin ist ein dritter mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbarer Schalter zwischen dem zweiten Zwischenpunkt und der einen direkt an die eine Eingangsleitung angeschlossenen Ausgangsleitung vorgesehen. Durch hochfrequentes Schalten der beiden hochfrequent schaltbaren Schalter auf beiden Seiten der Induktivität werden die Halbwellen des gewünschten Wechselstrom geformt. Dabei ist der hochfrequent schaltbare Schalter auf der Seite der Induktivität, von der die erste Gleichrichterdiode zu dem ersten Zwischenpunkt führt, für die bei negativer Spannung zwischen den Ausgangsleitungen ausgegebenen Halbwellen des Wechselstroms geschlossen. Während dieser negativen Halbwellen ist der erste mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbare Schalter der Entfaltungsschaltung geschlossen. Die beiden anderen mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter der Entfaltungsschaltung sind offen. Für die bei positiver Spannung zwischen den Ausgangsleitungen ausgegebenen Halbwellen des Wechselstroms, bei denen beide hochfrequent schaltbaren Schalter der Reihenschaltung mit der Induktivität hochfrequent geschaltet werden, sind der zweite mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbare Schalter der Entfaltungsschaltung zwischen dem ersten Mittelpunkt und der anderen Ausgangsleitung und der dritte mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbare Schalter der Entfaltungsschaltung zwischen dem zweiten Mittelpunkt und der mit der einen Eingangsleitung verbundenen einen Ausgangsleitung geschlossen. Zwischen den Ausgangsleitungen des bekannten Wechselrichters ist ebenso wie zwischen den Eingangsleitungen eine Pufferkapazität vorgesehen. In der praktischen Anwendung des bekannten Wechselrichters ist die Pufferkapazität zwischen den Ausgangsleitungen durch eine Induktivität in einer der Ausgangsleitungen zu einem LC-Filter ergänzt, um einen Stromrippel des von dem bekannten Wechselrichter erzeugten Wechselstroms, d. h. durch seine Formung mittels Schaltern bedingte hochfrequente Schwankungen des Wechselstroms, zu reduzieren. Dieser Stromrippel ist ein wesentlicher Nachteil des bekannten Wechselrichters. Zusätzlich weist er keine Flexibilität bei der Erdung eines an seine Eingangsleitungen angeschlossenen photovoltaischen Generators auf. So ist eine Erdung nur an der Eingangsleitung möglich, die direkt mit der anderen Ausgangsleitung verbunden ist.
  • Je nach Typ der Solarmodule des photovoltaischen Generators kann es aber sinnvoll sein, den photovoltaischen Wechselrichter entweder vollständig auf negativem oder vollständig auf positivem elektrischen Potential gegenüber Erde zu betreiben. Unter Umständen, beispielsweise um die gegenüber Erde auftretenden Spannungen zu begrenzen, kann es auch sinnvoll sein, einen Mittelpunkt des photovoltaischen Wechselrichters zu erden. Diese Flexibilität ist bei dem bekannten Wechselrichter nicht gegeben.
  • Aus der DE 10 2007 028 078 B4 ist ein Wechselrichter bekannt, der eine Reihenschaltung aus einem ersten hochfrequent schaltbaren Schalter, einer Induktivität und einem zweiten hochfrequent schaltbaren Schalter zwischen zwei Eingangsleitungen aufweist. Von einer Seite der Induktivität führt eine erste Gleichrichterdiode zu einem Pol eines Zwischenkreises, und von der zweiten Seite der Induktivität eine zweite Gleichrichterdiode mit umgekehrter Sperrrichtung zu dem anderen Pol des Zwischenkreises. Der Zwischenkreis umfasst eine Zwischenkreiskapazität, und zwischen seine Pole ist eine Halbbrücke aus zwei Schaltern mit antiparallelen Dioden geschaltet, deren Mittelpunkt über eine Netzdrossel mit dem L-Leiter eines angeschlossenen Wechselstromnetzes verbunden ist. Der N-Leiter des Wechselstromnetzes ist mit einem Mittelpunkt der Zwischenkreiskapazität verbunden. Die Schalter der Halbbrücke werden hochfrequent getaktet, um einen durch die Zwischenkreisspannung getriebenen Zwischenkreis Wechselstrom zu formen. Dabei ist die Netzdrossel notwendig, um den Stromrippel des in das Wechselstromnetz eingespeisten Wechselstroms zu begrenzen. Der bekannte Wechselrichter mit dem ausgeprägten Zwischenkreis ist ein Vertreter eines Voltage Source Inverters. Die Induktivität seiner Reihenschaltung kann mit einer weiteren Induktivität gekoppelt werden, die über eine zusätzliche Diode an den Zwischenkreis angeschlossen ist und diesen ebenfalls lädt. Bei dieser Ausführungsform des bekannten Wechselrichters kann eine beliebige der Eingangsleitungen geerdet werden.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter zum Umformen eines zwischen zwei Eingangsleitungen fließenden Gleichstroms in einen zwischen zwei Ausgangsleitungen fließenden Wechselstrom aufzuzeigen, der kein aufwändiges LC-Filter zur Beseitigung eines Stromrippels benötigt.
  • LÖSUNG
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Wechselrichters sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter zum Umformen eines zwischen zwei Eingangsleitungen fließenden Gleichstroms ist neben einer ersten Reihenschaltung aus einem ersten hochfrequent schaltbaren Schalter, einer ersten Induktivität und einem zweiten hochfrequent schaltbaren Schalter zwischen den Eingangsleitungen noch eine zweite Reihenschaltung aus einem dritten hochfrequent schaltbaren Schalter, einer zweiten Induktivität und einem vierten hochfrequent schaltbaren Schalter vorgesehen, wobei die erste Induktivität der ersten Reihenschaltung und die zweite Induktivität der zweiten Reihenschaltung magnetisch gekoppelt sind. Dabei führt von der einen Seite der ersten Induktivität eine erste Gleichrichterdiode zu einem ersten Zwischenpunkt, zu dem auch eine im Patentanspruch 1 als dritte Gleichrichterdiode bezeichnete Gleichrichterdiode von der entsprechenden Seite der zweiten Induktivität der zweiten Reihenschaltung führt; und von einem zweiten Zwischenpunkt führen eine zweite und eine vierte Gleichrichterdiode zu der jeweils anderen Seite der ersten Induktivität der ersten Reihenschaltung und der zweiten Induktivität der zweiten Reihenschaltung.
  • Zwischen diesen Zwischenpunkten fließt im Betrieb des neuen Wechselrichters ein Strom, dessen Richtung durch die Sperrrichtungen der ersten bis vierten Gleichrichterdiode vorgegeben ist, der aber durch hochfrequentes Ansteuern der hochfrequent schaltbaren Schalter – typischerweise im Bereich einiger Kilohertz – halbwellenweise sinusförmig geformt ist. Dabei wird diese Sinusform nahezu ohne Stromrippel erzielt, weil der Strom trotz seiner Sinusformung beispielsweise durch Pulsweitenmodulation durch die beiden wechselweise angesteuerten Reihenschaltungen quasi lückenlos fließen kann. Daher muss eine an den ersten Zwischenpunkt und den zweiten Zwischenpunkt angeschlossene Entfaltungsschaltung den Gleichstrom nur noch mit halbwellenweise wechselnder Polarität an die Ausgangsleitungen weitergeben. Irgendeine Filterung des Wechselstroms ist nicht mehr erforderlich.
  • Praktisch ergeben sich dadurch trotz der zweiten Induktivität in der zweiten Reihenschaltung zwischen den Eingangsleitungen Baugrößenvorteile. Insbesondere kann ein LC-Filter und damit eine große Netzdrossel ganz entfallen. Gleichzeitig können die beiden sowieso kleineren Induktivitäten der beiden Reihenschaltungen jeweils deutlich kleiner als eine Induktivität bei nur einer einzigen Reihenschaltung zwischen den Eingangsleitungen ausgeführt werden. Wegen der magnetischen Kopplung erhöht sich die effektive Frequenz aus Sicht der Induktivitäten auf das Doppelte der eigentlichen Schaltfrequenz. Hierdurch kann die Größe jeder Drossel im Vergleich Aufbauten ohne magnetische Kopplung um mindestens 30% reduziert werden. Der neue Wechselrichter kommt nicht nur ohne Kapazität eines LC-Filters aus, sondern es ist insbesondere auch keine Zwischenkreiskapazität vorgesehen. Allerdings kann das Vorsehen einer kleineren Glättungskapazität vor oder hinter der Entfaltungsschaltung unter Umständen vorteilhaft sein, die eine zusätzliche Glättung des geformten Wechselstroms bewirkt. Zwischen den Eingangsleitungen weist der erfindungsgemäße Wechselrichter jedoch grundsätzlich eine Pufferkapazität auf.
  • Die hochfrequent taktbaren Schalter des erfindungsgemäßen Wechselrichters sind sowohl einer geringeren Spannungsbelastung als auch einer geringeren Strombelastung ausgesetzt als bei einem Wechselrichter mit nur einer Reihenschaltung mit einer Induktivität zwischen den Eingangsleitungen. Dadurch können die Schalter kleiner dimensioniert werden, was die zusätzlichen hochfrequent schaltbaren Schalter zumindest teilweise ausgleicht. Bei den mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schaltern der Entfaltungsschaltung kann durch die nicht benötigte ausgangsseitige Induktivität auf rückwärtssperrende Schalter, wie beispielsweise kostengünstige Netzthyristoren zurückgegriffen werden. Zudem kann bei den hochfrequent schaltbaren Schaltern so genannte normally-on Silicon Carbide (SiC) Halbleitertechnologie eingesetzt werden, weil durch die beiden Stromzweige über die beiden Reihenschaltungen zwischen den Eingangsschaltungen die Belastung der Schalter und das Kurzschlussrisiko verringert sind.
  • Bei dem neuen Wechselrichter kann eine Erdung nicht nur an einer frei wählbaren der beiden Eingangsleitungen erfolgen, sondern auch an jedem anderen Punkt, beispielsweise an einem Mittelpunkt eines an die Eingangsleitung angeschlossenen photovoltaischen Generators. Die geerdete Eingangsleitung kann dabei mit einer ebenfalls geerdeten Ausgangsleitung direkt verbunden werden. Dies ist aber für die Funktion des neuen Wechselrichters nicht entscheidend.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter ist die Zahl der zueinander parallel zwischen die Eingangsleitungen geschalteten Reihenschaltungen aus zwei hochfrequent schaltbaren Schaltern und einer dazwischen liegenden Induktivität nicht auf zwei begrenzt. So kann zum Beispiel eine dritte Reihenschaltung aus einem fünften hochfrequent schaltbaren Schalter, einer dritten Induktivität und einem sechsten hochfrequent schaltbaren Schalter zwischen die beiden Eingangsleitungen geschaltet sein, wobei die erste Induktivität, die zweite Induktivität und die dritte Induktivität magnetisch miteinander gekoppelt sind und wobei eine fünfte Gleichrichterdiode von der einen Seite der dritten Induktivität zu dem ersten Zwischenpunkt und eine sechste Gleichrichterdiode von dem zweiten Zwischenpunkt zu der anderen Seite der dritten Induktivität führt. Es versteht sich, dass hier die eine Seite, von der die fünfte Gleichrichterdiode zu dem ersten Zwischenpunkt führt, derselben Eingangsleitung zugeordnet ist wie die eine Seite der ersten und der zweiten Induktivität, von der die erste und die dritte Gleichrichterdiode zu dem ersten Zwischenpunkt führen. Entsprechendes gilt für die Zuordnung der Seiten der Induktivitäten, von denen die zweite, vierte und sechste Gleichrichterdiode von dem zweiten Zwischenpunkt führen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass hier die Richtung, in der die jeweilige Gleichrichterdiode "führt" auf ihre Durchlassrichtung Bezug nimmt und dass diese Durchlassrichtung der Gleichrichterdioden jeweils so orientiert ist, dass ein Stromfluss von den Eingangsleitungen nur durch die jeweilige Induktivität möglich ist und auch bei geschlossenem angrenzenden hochfrequent schaltbaren Schalter nicht direkt von der angrenzenden Eingangsleitung aus, weil die Gleichrichterdioden diesbezüglich sperren.
  • Die Entfaltungsschaltung kann konkret als Polwenderschaltung mit einer Vollbrücke zwischen den ersten und den zweiten Zwischenpunkt ausgeführt sein und entsprechend einen von dem ersten Zwischenpunkt zu der einen Ausgangsleitung führenden ersten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter, einen von dem zweiten Zwischenpunkt zu der einen Ausgangsleitung führenden zweiten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter, einen von dem ersten Zwischenpunkt zu der anderen Ausgangsleitung führenden dritten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter und einen von dem zweiten Zwischenpunkt zu der anderen Ausgangsleitung führenden vierten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter aufweisen.
  • Die mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter der Entfaltungsschaltung können von einer Steuerung angesteuert werden, die auch die hochfrequent schaltbaren Schalter der Reihenschaltung zwischen den Eingangsleitungen ansteuert. Es ist aber auch möglich, eine Ansteuerschaltung zur Netzführung der Schalter der Entfaltungsschaltung durch einen an die Ausgangsleitung angeschlossenes Wechselstromnetz vorzusehen. Eine derartige netzgeführte Entfaltungsschaltung ist grundsätzlich bekannt. Wenn auch in den Leistungsstrompfaden von dem ersten Zwischenpunkt und dem zweiten Zwischenpunkt bis zu einem an die Ausgangsleitungen angeschlossenen Wechselstromnetz bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter üblicherweise nur die mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter und keine Induktivitäten von LC-Filtern oder dergleichen vorgesehen sind, kann der Wechselrichter dennoch eine zwischen dem ersten Zwischenpunkt und dem zweiten Zwischenpunkt geschaltete Schutzschaltung aufweisen. Die Schutzschaltung kann zwei zueinander parallel geschaltete Reihenschaltungen aus je zwei gegeneinander gerichteten Gleichrichterdioden aufweisen, wobei die Gleichrichterdioden der beiden Reihenschaltungen einander entgegen gerichtete Sperrrichtungen aufweisen und wobei Mittelpunkte der beiden Reihenschaltungen durch eine Parallelschaltung einer Kapazität und eines Varistors miteinander verbunden sind. Diese Schutzschaltung bietet eine dynamische Klemm-Funktion, welche sowohl in Richtung des Wechselstromnetzes als auch in Richtung eines an die Eingangsleitungen des erfindungsgemäßen Wechselrichters angeschlossene photovoltaischen Generators wirkt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile von allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten relativen Anordnungen und Wirkverbindungen mehrerer Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform des neuen Wechselrichters bei Verwendung zum Einspeisen von elektrischer Energie von einem photovoltaischen Generator in ein einphasiges Wechselstromnetz.
  • 2 illustriert einen ersten Schaltzustand des Wechselrichters gemäß 1.
  • 3 skizziert einen zweiten Schaltzustand des Wechselrichters gemäß 1.
  • 4 skizziert einen dritten Schaltzustand des Wechselrichters gemäß 1.
  • 5 skizziert einen vierten Schaltzustand eines gegenüber 1 um eine ausgangsseitige Pufferkapazität ergänzten Wechselrichters.
  • 6 zeigt einen bezüglich der Erdung des photovoltaischen Generators gegenüber 1 abgewandelten Wechselrichter.
  • 7 zeigt einen Wechselrichter mit noch einer anderen Erdung des angeschlossenen photovoltaischen Generators.
  • 8 zeigt eine Abwandung des Wechselrichters gemäß 1 mit hier drei statt nur zwei Reihenschaltungen aus hochfrequent getakteten Schaltern und jeweils einer Induktivität zwischen den Eingangsleitungen.
  • 9 zeigt eine der Entfaltungsschaltung eines der Wechselrichter gemäß den bisherigen Figuren parallel schaltbaren Schutzschaltung; und
  • 10 ist eine Darstellung der Ansteuersignale für die Schalter des Wechselrichters gemäß 1 zum Formen eines Wechselstroms aus einem eingangsseitigen Gleichstrom.
  • FIGURENBESCHREIBUNG
  • Der in 1 dargestellte Wechselrichter dient zur Einspeisung von elektrischer Energie von einem photovoltaischen Generator 2 in ein einphasiges Wechselstromnetz 13. Dabei ist hier der Minuspol des photovoltaischen Generators 2 ebenso geerdet wie ein Nullleiter des Wechselstromnetzes 13. Der photovoltaische Generator 2 ist an Eingangsleitungen 3 und 4 des Wechselrichters 1 angeschlossen. Zwischen die Eingangsleitung 3 und 4 ist eine Pufferkapazität C geschaltet, die durch einen oder mehrere Kondensatoren bereitgestellt wird. Weiterhin sind zwischen den Eingangsleitungen 3 und 4 eine erste Reihenschaltung 5 und eine zweite Reihenschaltung 6 vorgesehen, die jeweils aus zwei hochfrequent taktbaren Schaltern S1 und S2 bzw. S3 und S4 und einer dazwischen angeordneten Induktivität L1 bzw. L2 aufgebaut sind. Die beiden Induktivitäten L1 und L2 sind magnetisch gekoppelt, also beispielsweise durch zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern ausgebildet. Von der Seite der Induktivitäten L1 und L2, die zu der Anschlussleitung 4 und damit den Minuspol des photovoltaischen Generators 2 weist, führen eine erste Gleichrichterdiode D1 und eine hier als dritte Gleichrichterdiode bezeichnete Gleichrichterdiode D3 zu einem ersten Zwischenpunkt 7, während von einem zweiten Zwischenpunkt 8 eine zweite Gleichrichterdiode D2 und eine vierte Gleichrichterdiode D4 zu der jeweils anderen Seite der Induktivitäten L1 und L2 führen. Die Sperrrichtungen der Gleichrichterdioden D1 bis D4 sind so orientiert, dass auch dann, wenn die angrenzenden hochfrequent taktbaren Schalter S1 bis S4 geschlossen sind, kein Strom von der damit elektrisch leitend verbundenen Eingangsleitung 3 bzw. 4 zu den Zwischenpunkten 7 und 8 fließen kann, sondern nur durch die jeweilige Induktivität L1 bzw. L2. Durch geeignetes hochfrequentes Ansteuern der Schalter S1 bis S4 kann zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8 ein Gleichstrom insbesondere mit einem halbwellenweise sinusförmigen Verlauf geformt werden, wobei auch ein Hochsetzen der zwischen den beiden Eingangsleitungen 3 und 4 anliegenden Spannung möglich ist. Der bis hierhin reichende eingangsseitige Schaltungsteil 9 des Wechselrichters 1 kann grundsätzlich auch getrennt als Buck-Boost-Konverter, d. h. als wahlweise tief- oder hochsetzender DC/DC-Konverter eingesetzt werden. Hier dient dieser eingangsseitige Schaltungsteil 9 zu der bereits erwähnten halbwellenweisen Sinusformung des Gleichstroms zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8, der von einer ausgangsseitigen Entfaltungsschaltung 10 des Wechselrichters 1 mit halbwellenweise wechselnder Polarität über Ausgangsleitungen 11 und 12 in das Wechselstromnetz 13 geleitet wird. Zu diesem Zweck weist die Entfaltungsschaltung 10 eine Vollbrücke aus mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schaltern S7 bis S10 zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8 auf, die paarweise an die Ausgangsleitungen 11 und 12 angeschlossen sind. Die Schalter S7 bis S10 der Vollbrücke können dabei unmittelbar durch die Spannungen des Netzes geführt, d. h. angesteuert werden.
  • In den folgenden 2 bis 5 sind verschiedene Schaltzustände bzw. die daraus resultierenden Stromkreise des Wechselrichters 1 gemäß 1 gezeigt, die zum Formen des halbwellenweise sinusförmigen Wechselstroms zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8 angesteuert werden.
  • Gemäß 2 sind die Schalter S1 und S2 der Reihenschaltung 5 geschlossen, so erfolgt eine Aufladung der Induktivität L1. Die beiden Schalter S3 und S4 der zweiten Reihenschaltung 6 sind geöffnet und deshalb hier nicht dargestellt. Die dazwischen liegende zweite Induktivität L2 wird über die Dioden D3 und D4 entladen. Dabei wird der Strom durch die zweite Induktivität L2 durch die magnetische Kopplung mit der ersten Induktivität L1 sowie durch ihre vorherige Aufladung aufrechterhalten.
  • Gemäß 3 sind sämtliche hochfrequent taktbaren Schalter S1 bis S4 gemäß 1 geöffnet. Durch die vorherige Aufladung der beiden Induktivitäten L1 und L2 wird der Strom durch beide Induktivitäten über die Dioden D1 bis D4 in das Wechselstromnetz 13 getrieben.
  • Gemäß 4 ist die in Bezug auf die Reihenschaltungen 5 und 6 umgekehrte Situation wie in 2 gegeben. Hier sind die Schalter S3 und S4 geschlossen, während die Schalter S1 und S2 offen und hier entsprechend nicht dargestellt sind. Die Drossel L2 wird aufgeladen, aus der Drossel L1 fließt Strom über die Dioden D1 und D2 in das Wechselstromnetz 13. Der Strom wird durch die magnetische Kopplung mit der ersten Induktivität L1 sowie durch die vorige Aufladung der Induktivität L2 aufrechterhalten.
  • 5 zeigt die Verhältnisse, wenn alle vier hochfrequent schaltbaren Schalter S1 bis S4 gemäß 1 geschlossen sind, um beide Induktivitäten L1 und L2 zum Hochsetzstellen der Eingangsspannung gleichzeitig aufzuladen. Ein Stromfluss in Richtung des Wechselstromnetzes 13 kann in diesem Fall nur dann aufrechterhalten werden, wenn eine zusätzliche ausgangsseitige Kapazität CA vorgesehen ist, die bei dem Wechselrichter 1 gemäß 1 sonst nicht benötigt wird.
  • Während in 1 mit gestrichelter Linie eine mögliche Verbindung 14 der geerdeten Eingangsleitung 4 und der geerdeten Ausgangsleitung 12 angedeutet war, zeigt 6 eine solche Verbindung 14 mit gestrichelter Linie zwischen der Ausgangsleitung 12 und der Eingangsleitung 3. Dies ist gleichbedeutend damit, dass sich gemäß 6 der gesamte photovoltaische Generator 2 auf negativem elektrischen Potential befindet, da sein positiver Pol geerdet ist. Demgegenüber befindet sich gemäß 1 der gesamte photovoltaische Generator 2 auf positivem elektrische Potential gegenüber Erde. Je nach den Solarmodulen, aus denen der photovoltaische Generator 2 ausgebildet ist, kann beides für eine lange Lebensdauer des photovoltaischen Generators 2 förderlich sein.
  • In 7 besteht die mit gestrichelter Linie angedeutete mögliche Verbindung 14 zwischen der Ausgangsleitung 12 und einem Mittelpunkt 17 des photovoltaischen Generators 2, der hier geerdet ist, um beispielsweise die maximalen Spannungen im Bereich des Photovoltaikgenerators gegenüber Erde auf die halbe PV-Spannung zu begrenzen. Die 6 und 7 demonstrieren zusammen mit 1 daher die großen Freiheiten, die bei dem Wechselrichter 1 in Bezug auf die Erdung im Bereich seiner Eingangsleitung 3 und 4 bzw. seiner Ausgangsleitung 11 und 12 gegeben sind.
  • 8 skizziert die Möglichkeit, die Anzahl der Reihenschaltungen 5 und 6 um eine weitere Reihenschaltung 15 aus jeweils zwei hochfrequent schaltbaren Schaltern und einer dazwischen angeordneten Induktivität weiter zu erhöhen. So ist hier eine zusätzliche Reihenschaltung 15 von zwei hochfrequent schaltbaren Schaltern S5 und S6 und einer dazwischen angeordneten Induktivität L3 vorgesehen, die mit den Induktivitäten L1 und L2 der Reihenschaltung 5 und 6 magnetisch gekoppelt ist. Von der zu dem Schalter S6, der an die Eingangsleitung 4 angeschlossen ist, weisenden Seite der Induktivität L3 führt eine fünfte Gleichrichterdiode D5 zu dem Zwischenpunkt 7, während von dem Zwischenpunkt 8 eine sechste Gleichrichterdiode D6 zu der anderen Seite der Induktivität L3 führt. Durch die zusätzliche Reihenschaltung 15 kann trotz der Pulsweisenmodulation ein noch kontinuierlicherer Stromfluss zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8 hervorgerufen werden, auch wenn die Schalter S1 bis S6 beispielsweise zu Beginn oder zu Ende jeder Halbwelle nur einen geringen Aussteuerungsgrad aufweisen, um die dann bei sinusförmigen Halbwelle nur kleine Ströme fließen zu lassen.
  • 9 skizziert eine Schutzschaltung 16 zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8, die parallel zu der Entfaltungsschaltung mit den Schaltern S7 bis S10 angeordnet ist. Die Schutzschaltung 16 weist eine erste Reihenschaltung aus zwei einander entgegen gerichteten Gleichrichterdioden D7 und D8 und eine dazu parallel geschaltete zweite Reihenschaltung aus einander entgegen gerichteten Gleichrichterdioden D9 und D10 auf. Dabei weisen die Gleichrichterdioden D7 und D9 einerseits sowie D8 und D10 andererseits bezüglich des Stromflusses zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8 einander entgegen gerichtete Sperrrichtungen auf. Die Mittelpunkte 18 und 19 der beiden Reihenschaltungen aus den Gleichrichterdioden D7 und D8 einerseits und D9 und D10 andererseits sind durch eine Kapazität CS und einen dazu parallel geschalteten Varistor 10 miteinander verbunden. Der Varistor 20 wird leitend, wenn Überspannungen zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8 auftreten, die von der Kapazität CS nicht ausgeglichen werden können und gleicht diese durch direkten Stromfluss aus.
  • 10 skizziert die Steuersignale für die hochfrequent schaltbaren und hier auch hochfrequent angesteuerten Schalter S1 bis S4 der Reihenschaltungen 5 und 6 des Wechselrichters 1 gemäß 1 und auch die Ansteuersignale für die Schalter S7 bis S9 seiner Entfaltungsschaltung 10, die mit der Frequenz des Wechselstroms AC angesteuert werden. Die Formung des Wechselstroms in sinusförmigen Halbwellen erfolgt durch pulsweite Modulation bei der gleichphasigen Ansteuerung der Schalter S1 und S2, welche gegenphasig zu der ihrerseits gleichphasigen Ansteuerung der Schalter S3 und S4 erfolgt. Entsprechend wird hier nur von den Schaltzuständen gemäß den 2 und 4 Gebrauch gemacht. Die Halbwellen des Gleichstroms zwischen den Zwischenpunkten 7 und 8 werden dann durch paarweise Ansteuerung der Schalter S7 bis S10 nach Art eines Polwenders den Ausgangsleitungen 11 und 12 des Wechselrichters so zugeführt, dass zwischen diesen Ausgangsleitungen 11 und 12 der gewünschte Wechselstrom AC fließt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wechselrichter
    2
    photovoltaischer Generator
    3
    Eingangsleitung
    4
    Eingangsleitung
    5
    Reihenschaltung
    6
    Reihenschaltung
    7
    Zwischenpunkt
    8
    Zwischenpunkt
    9
    Teil
    10
    Entfaltungsschaltung
    11
    Ausgangsleitung
    12
    Ausgangsleitung
    13
    Wechselstromnetz
    14
    Verbindung
    15
    Reihenschaltung
    16
    Schutzschaltung
    17
    Mittelpunkt
    18
    Mittelpunkt
    19
    Mittelpunkt
    20
    Varistor
    S1 bis S6
    hochfrequent schaltbarer Schalter
    S7 bis S10
    mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbarer Schalter
    D1 bis D10
    Gleichrichterdiode
    C
    Kapazität
    CA
    Kapazität
    CS
    Kapazität
    L1 bis L3
    Induktivität
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19642522 C1 [0004]
    • DE 102007028078 B4 [0006]

Claims (10)

  1. Wechselrichter (1) zum Umformen eines zwischen zwei Eingangsleitungen (3, 4) fließenden Gleichstroms in einen zwischen zwei Ausgangsleitungen (11, 12) fließenden Wechselstrom (AC) mit: – einer ersten Reihenschaltung (5) aus einem ersten hochfrequent schaltbaren Schalter (S1), einer ersten Induktivität (L1) und einem zweiten hochfrequent schaltbaren Schalter (S2) zwischen den beiden Eingangsleitungen (3, 4), – einer von einer Seite der ersten Induktivität (L1) zu einem ersten Zwischenpunkt (7) führenden ersten Gleichrichterdiode (D1) und einer von einem zweiten Zwischenpunkt (8) zu der anderen Seite der ersten Induktivität (L1) führenden zweiten Gleichrichterdiode (D2) und – einer an den ersten Zwischenpunkt (7) und an den zweiten Zwischenpunkt (8) angeschlossenen, mit der Frequenz des Wechselstroms (AC) schaltbare Schalter (S5 bis S8) aufweisenden Entfaltungsschaltung (10), dadurch gekennzeichnet, – dass eine zweite Reihenschaltung (6) aus einem dritten hochfrequent schaltbaren Schalter (S3), einer zweiten Induktivität (L2) und einem vierten hochfrequent schaltbaren Schalter (S4) zwischen die beiden Eingangsleitungen (3, 4) geschaltet ist, – wobei die erste Induktivität (L1) und die zweite Induktivität (L2) magnetisch gekoppelt sind und – wobei eine dritte Gleichrichterdiode (D3) von einer Seite der zweiten Induktivität (L2) zu dem ersten Zwischenpunkt (7) und eine vierte Gleichrichterdiode (D4) von dem zweiten Zwischenpunkt (8) zu der anderen Seite der zweiten Induktivität (L2) führt.
  2. Wechselrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass eine dritte Reihenschaltung (15) aus einem fünften hochfrequent schaltbaren Schalter (S5), einer dritten Induktivität (L3) und einem sechsten hochfrequent schaltbaren Schalter (S6) zwischen die beiden Eingangsleitungen (3, 4) geschaltet ist, – wobei die erste Induktivität (L1), die zweite Induktivität (L2) und die dritte Induktivität (L3) magnetisch gekoppelt sind und – wobei eine fünfte Gleichrichterdiode (D5) von der einen Seite der dritten Induktivität (L3) zu dem ersten Zwischenpunkt (7) und eine sechste Gleichrichterdiode (D6) von dem zweiten Zwischenpunkt (8) zu der anderen Seite der dritten Induktivität (L3) führt.
  3. Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Eingangsleitungen (3, 4) mit einer der Ausgangsleitungen (11, 12) verbunden ist.
  4. Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Eingangsleitungen (3, 4) geerdet ist.
  5. Wechselrichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenpotentialpunkt (17) zwischen den Eingangsleitungen (3, 4) geerdet ist.
  6. Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die beiden Eingangsleitungen (3, 4) eine Pufferkapazität (C) geschaltet ist.
  7. Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfaltungsschaltung (10) – einen von dem ersten Zwischenpunkt (7) zu der einen Ausgangsleitung (11) führenden ersten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter (S7), – einen von dem zweiten Zwischenpunkt (8) zu der einen Ausgangsleitung (11) führenden zweiten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter (S8), – einen von dem ersten Zwischenpunkt (7) zu der anderen Ausgangsleitung (12) führenden dritten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter (S9) und – einen von dem zweiten Zwischenpunkt (8) zu der anderen Ausgangsleitung (12) führenden vierten mit der Frequenz des Wechselstroms schaltbaren Schalter (S10) aufweist.
  8. Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für alle mit der Frequenz des Wechselstroms (AC) schaltbaren Schalter (S7 bis S10) der Entfaltungsschaltung (10) eine Ansteuerschaltung zur Netzführung durch ein an die Ausgangsleitungen (11, 12) angeschlossenes Wechselstromnetz (13) vorgesehen ist.
  9. Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Leistungsstrompfaden von dem ersten Zwischenpunkt (7) und dem zweiten Zwischenpunkt (8) bis zu einem an die Ausgangsleitungen (11, 12) angeschlossenen Wechselstromnetz (13) nur mit der Frequenz des Wechselstroms (AC) schaltbare Schalter (S7 bis S10) vorgesehen sind.
  10. Wechselrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Zwischenpunkt (7) und den zweiten Zwischenpunkt (8) eine Schutzschaltung (16) geschaltet ist, die zwei zueinander parallel geschaltete Reihenschaltungen aus je zwei gegeneinander gerichteten Gleichrichterdioden (D7, D8; D9, D10) aufweist, wobei die Gleichrichterdioden (D7 bis D10) der beiden Reihenschaltungen einander entgegen gerichtete Sperrrichtungen aufweisen und wobei Mittelpunkte (18, 19) der beiden Reihenschaltungen durch eine Parallelschaltung einer Kapazität (CS) und eines Varistors (20) miteinander verbunden sind.
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