-
Technisches Anwendungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung, bei der ein Pol des Gleichspannungsanschlusses mit einem Pol des Wechselspannungsanschlusses verbunden ist.
-
Eine derartige Schaltungsanordnung lässt sich beispielsweise einsetzen, um photovoltaisch erzeugte Energie ins Stromnetz einzuspeisen oder damit ein elektrisches Inselnetz zu betreiben. So ist es beim Betrieb von Dünnschicht-Solarzellen notwendig, dass der Minuspol des Solargenerators auf Erdpotential liegt, um eine irreversible Schädigung der Solarzellen durch TCO-Korrosion (TCO: Transparent Conductive Oxide) zu verhindern. Beim Betrieb von rückseitenkontakierten Solarzellen ist es dagegen erforderlich, dass der Pluspol des Solargenerators auf Erdpotential liegt, weil sich sonst der Zellenwirkungsgrad durch einen reversiblen Polarisationseffekt verschlechtert. Diese Forderungen werden mit einer Schaltungsanordnung zur Wandlung der Gleichspannung aus dem Solargenerator in Wechselspannung erfüllt, bei dem ein Pol des Gleichspannungsanschlusses mit einem Pol des Wechselspannungsanschlusses verbunden ist. Durch diese Verbindung werden auch Anforderungen an den Personenschutz erfüllt, da keine kapazitiven Ableitströme über den Solargenerator fließen.
-
Stand der Technik
-
Zahlreiche bekannte Schaltungsanordnungen zur Wandlung von Gleich- in Wechselspannung ermöglichen es entweder nicht, einen Pol des Solargenerators auf Erdpotential zu legen oder nutzen Transformatoren, um das Eingangspotential vom Ausgangspotential zu trennen. Wechselrichter mit Transformatoren haben jedoch den Nachteil eines höheren Gewichtes, eines höheren Bauvolumens und eines geringeren Wirkungsgrades gegenüber transformatorlosen Schaltungen.
-
Aus der
DE 102008048841 B3 ist eine Schaltungsanordnung zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung bekannt, die die obigen Anforderungen an den Betrieb eines Solargenerators erfüllt und das Solargeneratorpotential vom Ausgangspotential über Trennschalter isolieren kann. Für die Energieübertragung zwischen dem Gleichspannungsanschluss und dem Wechselspannungsanschluss wird für beide Halbwellen der Wechselspannung ein Kondensator zur Zwischenspeicherung der Energie eingesetzt. Diese Schaltungsanordnung benötigt jedoch eine hohe Zahl an Leistungsbauteilen und generiert durch ihren Aufbau zusätzliche Verluste.
-
Die Veröffentlichung von YUNJIE GU; WUHUA LI; BO YANG; JIANDE WU; YAN DENG; XIANGNING HE: „A transformerless grid connected photovoltaic inverter with switched capacitors“, IEEE; Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2011, Twenty-Sixth Annual IEEE, S. 1940–1944 DOI: 10.1109/APEC.2011.5744861, Pub. Year: 2011, Pages 1940–1944, offenbart zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung eine Invertertopologie mit geschalteten Kapazitäten und einem Kondensator zur Zwischenspeicherung von Energie. Der Kondensatorstrom während der Ladephase ist annähernd konstant.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung anzugeben, die sich für den Betrieb von Dünnschicht-Solarzellen oder rückseitenkontaktierten Solarzellen eignet, ein geringes Bauvolumen und Gewicht sowie niedrige Verluste aufweist und sich mit einer geringen Anzahl an Leistungsbauelementen realisieren lässt. Die Schaltungsanordnung soll auch in der Lage sein, Blindleistung am Wechselspannungsanschluss zu liefern.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird mit der Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
-
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung zur Wandlung zwischen einer Gleichspannung und einer Wechselspannung weist in bekannter Weise eine Gleichspannungsseite mit einem Gleichspannungsanschluss und eine Wechselspannungsseite mit einem Wechselspannungsanschluss auf. Ein erster Pol des Gleichspannungsanschlusses ist bei der Schaltungsanordnung mit einem ersten Pol des Wechselspannungsanschlusses verbunden, so dass beim Betrieb der Schaltungsanordnung an einer Dünnschicht-Solarzelle oder einer rückseitenkontaktierten Solarzelle der Minus- bzw. Pluspol des Solargenerators auf Erdpotential gelegt werden kann. Zwischen dem Gleichspannungs- und dem Wechselspannungsanschluss ist über mehrere Schalter ein Tiefsetzsteller vom Gleichspannungs- zum Wechselspannungsanschluss oder ein Hochsetzsteller vom Wechselspannungs- zum Gleichspannungsanschluss gebildet, durch den Energie vom Gleichspannungs- zum Wechselspannungsanschluss oder umgekehrt übertragbar ist, solange das Vorzeichen der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss dem Vorzeichen der Wechselspannung am Wechselspannungsanschluss entspricht. Wenigstens ein erster Kondensator ist bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung so zwischen dem Gleichspannungs- und dem Wechselspannungsanschluss verschaltet, dass die Energie durch Zwischenspeicherung in diesem Kondensator vom Gleichspannungs- zum Wechselspannungsanschluss oder umgekehrt übertragbar ist, solange das Vorzeichen der Gleichspannung am Gleichspannungsanschluss nicht dem Vorzeichen der Wechselspannung am Wechselspannungsanschluss entspricht. Die Schaltungsanordnung weist wenigstens vier Schalter, eine erste Spule zur Begrenzung eines Kondensatorstromes des Kondensators und eine zweite Spule zur Glättung eines Wechselstromes am Wechselspannungsanschluss auf. Die erste Spule und der Kondensator bilden einen Resonanzkreis, so dass in einem Zustand der Schaltungsanordnung, bei dem die Schalter derart gestellt sind, dass ein Energiefluss zwischen Gleichspannungsquelle und Kondensator möglich ist, ein Kondensatorstrom von Null ansteigt, ein Maximum erreicht und wieder von selbst auf Null absinkt, bevor die Schaltungsanordnung in einen anderen Zustand versetzt wird.
-
Vorzugsweise weist die Schaltungsanordnung auch mindestens einen zweiten Kondensator auf, der parallel zum Gleichspannungsanschluss geschaltet ist.
-
Bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung wird somit im Gegensatz zu der vorangehend genannten
DE 102008048841 B3 nicht die komplette Leistung beider Halbwellen über den ersten Kondensator zwischengespeichert, sondern nur die Energie während einer Halbwelle. Die Energieübertragung in der zweiten Halbwelle erfolgt dann über den Tief- bzw. Hochsetzsteller ohne Zwischenspeicherung in dem ersten Kondensator. Durch diese Ausgestaltung werden die Verluste gegenüber der Schaltungsanordnung der genannten Druckschrift reduziert, so dass sich ein höherer Wirkungsgrad der Spannungswandlung ergibt. Weiterhin lässt sich die vorgeschlagene Schaltungsanordnung mit einer geringeren Anzahl von Leistungsbauelementen realisieren und führt damit zu einem kostengünstigen Aufbau. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung benötigt keinen Transformator, der zusätzliches Gewicht und zusätzliche Verluste verursachen würde. Beim Einsatz als Solarwechselrichter kann ein Pol des Solargenerators mit dem Neutralleiter verbunden werden, der quasi auf Erdpotential liegt. Dies ermöglicht den Betrieb von Dünnschicht-Solarzellen oder rückseitenkontaktierten Solarzellen mit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung. Weiterhin wirkt sich das feste Potential auch günstig auf die elektromagnetische Verträglichkeit aus und verhindert, dass kapazitive Ableitströme über den Solargenerator fließen können. Die Schaltung ist in der Lage, neben Wirkleistung sowohl kapazitive als auch induktive Blindleistung zu liefern, wie dies laut VDE-AR-N 4105 für Solarwechselrichter, die ins Stromnetz einspeisen, ab einer Leistung von 3,68 kVA erforderlich ist. Neben der Einspeisung von Energie ins Stromnetz können mit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung auch Wechselstromverbraucher in einem Inselnetz gespeist werden. Die Schaltungsanordnung lässt sich dabei je nach Ausgestaltung als Wechselrichter, als Gleichrichter oder als Gleich- und Wechselrichter betreiben.
-
Ein grundsätzlicher Aufbau der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung wird bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele in den 1a und 1b dargestellt, aus denen zum einen die minimal eingesetzten Bauelemente ersichtlich sind und zum anderen optionale Bauelemente durch gestrichelte Verbindungen angedeutet sind. Die Schaltungsanordnung umfasst somit mehrere Schalter, die durch abschaltbare Leistungshalbleiter gebildet sind, Dioden, Spulen und Kondensatoren. Als abschaltbare Leistungshalbleiter können beispielsweise IGBTs, MOSFETs, JFETs oder Bipolartransistoren mit parallel geschalteter Diode zum Einsatz kommen. Die Diode kann in das Bauteil integriert sein. Selbstverständlich können auch weitere für den jeweiligen Anwendungsfall vorteilhafte Bauelemente in den Schaltungsaufbau integriert sein. Beispiele für derartige Bauelemente sind EMV-Filter (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit), Trennelemente bzw. Trennrelais, DC-DC-Steller (DC: Direct Current), eine Kondensatorvorladeschaltung oder auch eine Messeinrichtung. Unter der Verbindung eines Bauelementes mit einem anderen Bauelement oder einem der Gleich- oder Wechselspannungsanschlüsse ist dementsprechend neben einer direkten elektrischen Verbindung ohne zwischengeschaltetes elektrisches Bauelement auch eine Verbindung über ein oder mehrere der oben genannten Bauelemente oder über ein rein resistives elektrisches Bauelement zu verstehen.
-
In allen vorgeschlagenen Ausgestaltungen der vorliegenden Schaltungsanordnung ist vorzugsweise ein erster Anschluss des ersten Kondensators über die erste Spule sowie eine erste Diode – oder alternativ eine Reihenschaltung aus einem ersten Schalter oder einer ersten Diode und einer zweiten Diode – mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Parallel zum ersten Kondensator ist eine Reihenschaltung aus einem zweiten und einem dritten Schalter, jeweils mit parallel geschalteter Diode, ausgebildet. Ein Mittenabgriff zwischen dem zweiten und dritten Schalter ist mit dem ersten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Der zweite Anschluss des ersten Kondensators ist über eine Reihenschaltung aus einem fünften und vierten Schalter, jeweils mit parallel geschalteter Diode, direkt mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle und über einen Mittenabgriff zwischen dem vierten und dem fünften Schalter über eine zweite Spule mit dem zweiten Pol der Wechselspannungsquelle verbunden. Durch eine derartige Anordnung wird bei entsprechender Ansteuerung der Schalter erreicht, dass die Energie vom Gleichspannungsanschluss zum Wechselspannungsanschluss oder umgekehrt mittels eines Tiefsetzstellers bzw. Hochsetzstellers, bestehend aus dem vierten und fünften Schalter, übertragen wird, solange das Vorzeichen der Spannung am Wechselspannungsanschluss dem Vorzeichen der Spannung am Gleichspannungsanschluss entspricht. In dem Zeitraum, in dem die Spannung am Wechselspannungsanschluss das umgekehrte Vorzeichen der Spannung am Gleichspannungsanschluss hat, erfolgt die Energieübertragung vom Gleichspannungsanschluss zum Wechselspannungsanschluss oder umgekehrt dadurch, dass die Energie im ersten Kondensator zwischengespeichert wird. Die einzelnen Schalter werden bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung in bekannter Weise über pulsweitenmodulierte Schaltsignale angesteuert, um die Wandlung zwischen der Gleich- und der Wechselspannung zu erreichen.
-
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung arbeitet bei der Wandlung von Gleich- in Wechselspannung bzw. umgekehrt als sogenannter Dreipunkt-Umrichter. Die Spannung an demjenigen Pol der zweiten Spule, der mit dem Mittelabgriff von viertem und fünftem Schalter verbunden ist, kann dabei gegenüber dem ersten Pol der Wechselspannungsquelle drei Spannungsstufen annehmen, positive Spannung, null und negative Spannung. Gegenüber einem Zweipunkt-Umrichter verursacht dies geringere Verluste und die zweite Spule kann kleiner ausfallen. Beim Nachladen des ersten Kondensators kann der erste Schalter stromlos abgeschaltet werden, so dass Schaltverluste verringert werden.
-
Besonders vorteilhaft lässt sich eine Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform realisieren, die nur fünf Schalter bzw. aktiv schaltbare Leistungshalbleiter, benötigt. Die Sperrspannungen aller Halbleiter übersteigen die Spannung eines am Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Solargenerators nicht wesentlich, so dass der Einsatz konventioneller Halbleiter ermöglicht wird. Diese Ausgestaltung führt zu einem relativ kostengünstigen Aufbau und zu geringen Schaltverlusten. Bei dieser Ausgestaltung ist der erste Anschluss des ersten Kondensators über die erste Spule, eine erste Diode sowie einen ersten Schalter mit paralleler Diode mit dem zweiten Pol des Gleichspannungsanschlusses verbunden. Eine zweite Diode verbindet den ersten Pol der Gleichspannungsquelle mit einem Mittenabgriff zwischen erstem Schalter und erster Diode. Die Reihenschaltung aus fünftem und viertem Schalter ist über diesen Mittenabgriff und den ersten Schalter mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden.
-
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ist in der Ausgestaltung als Wechselrichter besonders für den Betrieb von Dünnschicht-Solarzellen oder rückseitenkontaktierten Solarzellen geeignet. Die Anwendung der Schaltungsanordnung ist jedoch nicht nur auf das Gebiet der Photovoltaik beschränkt. Die Schaltung kann überall dort eingesetzt werden, wo es notwendig ist, Gleichspannung in Wechselspannung oder Wechselspannung in Gleichspannung umzuformen. Außer Solargeneratoren können an die Gleichspannungsseite beispielsweise auch Batterien oder Brennstoffzellen angeschlossen werden. Bei einem gleichspannungsseitigen Verbund eines Solargenerators und eines elektrischen Energiespeichers kann Energie sowohl in das wechselspannungsseitig angeschlossene Stromnetz eingespeist werden, als auch der Energiespeicher aus dem Netz geladen werden. Die Schaltungsanordnung eignet sich auch nicht nur für den Betrieb an einphasigen Wechselstromquellen bzw. Wechselstromlasten, sondern auch für den Betrieb an mehrphasigen Quellen bzw. Lasten. Dazu müssen lediglich mehrere der vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen für die einzelnen Phasen miteinander verbunden werden. Zur Erweiterung des zulässigen Spannungsbereiches an der Gleichspannungsseite kann die Schaltungsanordnung auch einen zusätzlichen DC-DC-Steller aufweisen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 zwei mögliche Ausgestaltungsvarianten der Schaltungsanordnung mit zum Teil optionalen Bauelementen;
-
2 eine erste Schaltungsvariante der Schaltungsanordnung für den Betrieb als Wechselrichter;
-
3 eine zweite Schaltungsvariante der Schaltungsanordnung für den Betrieb als Wechselrichter;
-
4 eine dritte Schaltungsvariante der Schaltungsanordnung für den Betrieb als Gleichrichter;
-
5 eine vierte Schaltungsvariante der Schaltungsanordnung für den Betrieb als Gleichrichter;
-
6 eine Darstellung der unterschiedlichen Schaltungszustände beim Betrieb der ersten oder zweiten Schaltungsvariante;
-
7 ein Beispiel für die Schaltmuster der ersten Schaltungsvariante für die Schalter S1 bis S5 in schematischer Darstellung;
-
8 eine Darstellung des Ladevorgangs des ersten Kondensators C2 im Zustand 4 der 6;
-
9 eine Darstellung der unterschiedlichen Schaltungszustände beim Betrieb der dritten Schaltungsvariante;
-
10 ein Beispiel für die Schaltmuster der dritten Schaltungsvariante für die Schalter S2 bis S6 in schematischer Darstellung;
-
11 ein Beispiel für die Nutzung von drei der beschriebenen Schaltungsanordnungen für den Betrieb an dreiphasigen Wechselstromquellen bzw. -lasten; und
-
12 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung mit einem zusätzlichen DC-DC-Steller.
-
Wege zur Ausführung der Erfindung
-
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung kann in verschiedenen Varianten als Gleichrichter, als Wechselrichter oder als Gleich- und Wechselrichter aufgebaut werden. 1 zeigt hierzu in den Teilabbildungen a) und b) den grundsätzlichen Aufbau der Schaltungsanordnung, wobei optionale Bauteile über die gestrichelt dargestellten Verbindungen angedeutet sind. Die unterschiedlichen Schaltungsvarianten unterscheiden sich darin, welche der gestrichelt gezeichneten Verbindungen jeweils realisiert werden. Bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung kann entweder der Minuspol oder der Pluspol der Gleichspannungsseite mit einem Pol der Wechselspannungsseite verbunden werden. 1a zeigt hierzu die Verbindung des negativen Pols der Gleichspannungsseite mit der Wechselspannungsseite, 1b die Verbindung des positiven Pols der Gleichspannungsseite mit der Wechselspannungsseite. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sind jeweils nur noch die Varianten dargestellt, bei denen der Minuspol mit der Wechselspannungsseite verbunden ist. Um den Pluspol mit der Wechselspannungsseite zu verbinden, muss dann lediglich die Polarität aller Halbleiter und Kondensatoren umgedreht werden. Eventuell erforderliche EMV-Filter sind der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht dargestellt.
-
G1 stellt eine Gleichspannungsquelle bzw. eine Gleichspannungslast dar, die mit den Gleichspannungsanschlüssen der Schaltungsanordnung verbunden ist. W1 stellt eine Wechselspannungsquelle bzw. eine Wechselspannungslast dar, die mit den beiden Wechselspannungsanschlüssen der Schaltungsanordnung verbunden ist. S1 bis S6 sind Schalter in Form von abschaltbaren Leistungshalbleitern, jeweils mit parallel geschalteter Diode. Die Schalter S1 und S6 können dabei je nach Anwendungsfall durch die Dioden D1 bzw. D6 ersetzt werden. Der Schalter S6 kann auch ganz entfallen. Ein Kondensator C1, in der vorangehenden Beschreibung als zweiter Kondensator bezeichnet, ist parallel zur Gleichspannungsquelle G1 geschaltet. Dieser Kondensator könnte auch in die Gleichspannungsquelle integriert sein. Die zweite Spule L2 dient dazu, den Wechselstrom iA zu glätten. Die Diode D7 kann je nach Anwendungsfall in einer der beiden gezeichneten Richtungen eingesetzt oder durch eine direkte Verbindung ersetzt werden. Der Kondensator C3 ist zum Betrieb eines Inselnetzes erforderlich, kann jedoch bei einem Betrieb der Schaltungsanordnung am Stromnetz entfallen.
-
Charakteristisch für die vorgeschlagene Schaltungstopologie ist, dass Energie von G1 nach W1 bzw. umgekehrt mittels eines Tief-/Hochsetzstellers, bestehend aus S4 und S5, übertragen wird, solange das Vorzeichen der Spannung uA am Wechselspannungsanschluss dem Vorzeichen der Spannung UD am Gleichspannungsanschluss entspricht. In dem Zeitraum, in dem die Spannung uA das umgekehrte Vorzeichen der Spannung UD hat, erfolgt die Energieübertragung von G1 nach W1 bzw. umgekehrt dadurch, dass Energie im Kondensator C2 zwischengespeichert wird, in der vorangehenden Beschreibung als erster Kondensator bezeichnet. Die erste Spule L1 dient zur Begrenzung des Kondensatorstromes iC2.
-
In den folgenden Darstellungen der 2 bis 5 sind vier unterschiedliche Schaltungsvarianten der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung beispielhaft dargestellt. Die 6 bis 10 zeigen die unterschiedlichen Betriebszustände dieser Schaltungsvarianten beim Betrieb als Gleich- oder Wechselrichter sowie die Schaltmuster für die Ansteuerung der jeweiligen Schalter.
-
Die einfachsten Schaltungsvarianten zum Wechselrichterbetrieb sind die in den 2 und 3 dargestellten Schaltungsvarianten 1 und 2. Die Quelle G1 liefert elektrische Energie z.B. in Form eines Solargenerators. W1 ist eine Wechselspannungslast, ein Wechselstromnetz oder eine Phase des Drehstromnetzes. Um Blindleistung am Ausgang liefern zu können, kann Energie aus W1 in den Kondensatoren C1 bzw. C2 zwischengespeichert und zu einem anderen Zeitpunkt wieder an W1 abgegeben werden. Bei Schaltungsvariante 1 ist die erste Spule L1 über die Diode D7 und den Schalter S1 mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Eine Diode D6 ist zwischen dem ersten Pol der Gleichspannungsquelle und dem Mittenabgriff zwischen Schalter S1 und Diode D7 verschaltet. Der Schalter S4 ist ebenfalls mit diesem Mittenabgriff verbunden. Schaltungsvariante 2 unterscheidet sich von Schaltungsvariante 1 dadurch, dass der Schalter S4 nicht über den Schalter S1, sondern direkt mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Damit können noch geringere Verluste erreicht werden
-
Bei der Schaltungsvariante 1 müssen die Leistungshalbleiter S1 bis S5 und D6 und D7 keine wesentlich höheren Spannungen als die Spannung UD sperren können. Bei der Schaltungsvariante 2 ist die maximal auftretende Spannung am Schalter S4 größer und entspricht etwa dem doppelten Wert der Spannung UD.
-
Die Bauteile L1 (erste Spule) und C2 (erster Kondensator) bilden einen Resonanzkreis. Bei den Schaltungsvarianten 1 und 2 geht nach dem Schließen des Schalters S1 der Ladestrom des Kondensators C2 wieder von selbst auf null zurück, da die Diode D7 verhindert, dass der Kondensator C2 über die Spule L1 wieder entladen wird.
-
Zum Betrieb als Gleichrichter eignen sich die Schaltungsvarianten 3 und 4 der 4 und 5. Dabei wird Energie von der Wechselspannungsquelle W1 an die Gleichspannungslast G1 übertragen. Der Wechselspannungsquelle wird ein sinusförmiger Strom entnommen. Außerdem kann Blindleistung von der Wechselspannungsquelle entnommen werden. Schaltungsvariante 3 unterscheidet sich dabei von Schaltungsvariante 1 durch Ersatz des Schalters S1 durch eine Diode D1. Die Diode D7 ist in umgekehrter Richtung gepolt, die Diode D6 wird durch den Schalter S6 ersetzt. Schaltungsvariante 4 weist weder den Schalter S6 noch die Diode D6 auf. Die Spule L1 ist hierbei über die Diode D1 mit dem zweiten Pol des Gleichspannungsanschlusses verbunden, der Schalter S4 ist direkt mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden.
-
6 zeigt die unterschiedlichen Betriebszustände beim Betrieb der Wechselrichterschaltungsvariante 1 im Detail. In den vier Zuständen ist der Stromfluss jeweils durch die fett dargestellten Linien angedeutet. Schaltungsvariante 2 funktioniert nach dem gleichen Prinzip, die Sperrspannungen am Schalter S4 sind jedoch höher.
-
Zum Stellen einer positiven Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in die Zustände 1 und 2 versetzt. Es wird davon ausgegangen, dass die Spannung uC2 zunächst mindestens so groß wie die Spannung UD ist. Im Zustand 1 sind die Schalter S1, S3 und S4 geschlossen, die Schalter S2 und S5 geöffnet. Der Strom iA fließt über S1, S4 und L2. Bei positiven Strom iA fließt Energie von G1 bzw. C1 nach W1, bei negativem Strom iA fließt Energie von W1 in den Kondensator C1. Im Zustand 2 sind die Schalter S1, S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2.
-
Zum Stellen einer negativen Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in die Zustände 3 und 4 versetzt. Im Zustand 3 sind die Schalter S2 und S5 geschlossen, die Schalter S1, S3 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über C2, S2, S5 und L2. Bei negativem Strom iA fließt Energie von C2 nach W1, bei positivem Strom iA fließt Energie von W1 nach C2. Im Zustand 4 sind die Schalter S1, S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2. Sofern die Kondensatorspannung uC2 kleiner als die Spannung UD ist, wird der Kondensator C2 über G1, S1, D7, L1 und S3 nachgeladen.
-
Die Zeitdauern, in denen sich die Schaltung in den Zuständen 1 bis 4 befindet, werden von einer Pulsweitenmodulation bestimmt, mit der die einzelnen Schalter S1 bis S5 angesteuert werden. 7 zeigt hierzu beispielhafte Schaltmuster der Schaltungsvariante 1 für die Schalter S1 bis S5. Die Phase des Stroms iA kann zur Phase der Spannung uA verschoben werden, wenn Blindleistung an der Wechselspannungsseite geliefert werden soll. Dies ist im oberen Teil der 7 mit dem Doppelpfeil angedeutet. Die Diode D6 führt betriebsmäßig keinen Strom, sondern dient in diesem Beispiel als Schutzdiode, um die Spannung über dem Schalter S1 während der Umschaltvorgänge und im Fehlerfall zu begrenzen.
-
8 zeigt bei der ersten Schaltungsvariante den Ladevorgang des Kondensators C2 im Zustand 4. Der entsprechende Stromverlauf im Schaltungsdiagramm ist im unteren Teil der Figur dargestellt. Der Ladestrom iC2 nimmt nach dem Einschalten der Schalter S1 und S3 zunächst zu, erreicht seinen höchsten Punkt, wenn uC2 ungefähr UD beträgt, und wird dann wieder zu null. Der Schalter S1 kann dann stromlos abgeschaltet werden.
-
9 zeigt die verschiedenen Betriebszustände der Gleichrichterschaltungsvariante 3. Der Stromverlauf ist wiederum durch die fett dargestellten Linien veranschaulicht.
-
Bei einer positiven Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in die Zustände 1 und 2 versetzt. Es wird davon ausgegangen, dass die Spannung uC2 zunächst kleiner als die Spannung UD ist. Im Zustand 1 sind die Schalter S3 und S4 geschlossen, die Schalter S2, S5 und S6 geöffnet. Bei positivem Strom iA fließt Energie vom Kondensator C2 über L1, D7, S4, L2 und S3 nach W1, bei negativem Strom iA fließt Energie von W1 über L2, S4 und D1 nach G1. Im Zustand 2 sind die Schalter S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2, S4 und S6 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2.
-
Bei einer negativen Spannung uA wird die Schaltung abwechselnd in die Zustände 3 und 4 versetzt. Im Zustand 3 sind die Schalter S2, S5 und S6 geschlossen, die Schalter S3 und S4 geöffnet. Der Strom iA fließt über C2, S2, S5 und L2. Bei negativem Strom iA fließt Energie von C2 nach W1, bei positivem Strom iA fließt Energie von W1 nach C2. Im Zustand 4 sind die Schalter S3 und S5 geschlossen, die Schalter S2, S4 und S6 geöffnet. Der Strom iA fließt über S3, S5 und L2. Sofern die Kondensatorspannung uC2 größer als die Spannung UD ist, wird der Kondensator C2 über G1, D1, D7, L1 und S3 entladen.
-
Der Schalter S6 dient dazu, die Spannung über dem Schalter S4 im Zustand 3 zu begrenzen, so dass S4 keine wesentlich höheren Spannungen als UD sperren muss.
-
Die Schaltungsvariante 4 funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Die zu sperrenden Spannungen an S4 sind jedoch etwa doppelt so hoch als bei Variante 3. Die Bauteile S6 und D7 können entfallen, da sie in Variante 3 nur zur Spannungsbegrenzung über S4 dienen. Die Bereitstellung von Blindleistung auf der Wechselspannungsseite geschieht während der positiven Spannungshalbwelle nicht über C2, sondern wegen der direkten Verbindung zwischen S4 und C1 über C1.
-
Die Zeitdauern, in denen sich die Schaltung in den Zuständen 1 bis 4 befindet, werden wiederum von einer Pulsweitenmodulation bestimmt, wie sie durch die Schaltmuster der 10 für die Schalter S2 bis S6 der Schaltungsvariante 3 beispielhaft dargestellt sind. Die Phase des Stroms iA kann zur Phase der Spannung uA verschoben sein, wenn Blindleistung an der Wechselspannungsseite entnommen werden soll. Dies ist auch hier über den Doppelpfeil im Diagramm des Stroms iA angedeutet.
-
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung eignet sich nicht nur für den Betrieb an einphasigen Wechselstromquellen bzw. Wechselstromlasten, sondern auch für den Betrieb an mehrphasigen Wechselstromquellen bzw. Wechselstromlasten. Dazu sind lediglich mehrere der beschriebenen Schaltungen miteinander zu verbinden. Dies ist beispielhaft in 11 für drei Phasen P1 bis P3 dargestellt, wobei hier drei der Schaltungsanordnungen zum Einsatz kommen.
-
12 zeigt schließlich ein weiteres Beispiel der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung, wie sie in 1a veranschaulicht ist. Hierbei wird zur Erweiterung des zulässigen Spannungsbereiches an der Gleichspannungsseite ein zusätzlicher DC-DC-Steller eingesetzt. Je nach Spannungsbereich kann dann der Schalter S4 direkt an G1 oder aber nach dem DC-DC-Steller angeschlossen werden. Um Verluste zu vermeiden, kann der DC-DC-Steller auch mit dem in der Figur optional dargestellten Schalter S8 komplett überbrückt werden, wenn er nicht benötigt wird. Die Überbrückung kann z.B. über ein Relais vorgenommen werden.
-
Im Folgenden werden beispielhafte Dimensionierungen der Bauteile für das Beispiel eines Wechselrichters der Schaltungsvariante 1 beim Betrieb an einem Solargenerator angegeben. Dabei wird von einem Effektivwert der Netzspannung von 230 V (+15% / –20%), einer Netzfrequenz von 50 Hz, einer Spannung an der Solarzelle von mindestens 500 V bei einer Leistung des Solarwechselrichters von 3 kVA und einer Schaltfrequenz von 16 kHz ausgegangen. In der Schaltungsvariante 1 puffert der Kondensator C2 die Energie, die ans Netz abgegeben wird, solange u
A das entgegengesetzte Vorzeichen von U
D hat. Der Ladevorgang von C2, wie er in Verbindung mit den
6 und
8 beschrieben wird, muss innerhalb der Zeit abgeschlossen sein, in der die Schalter S1 und S3 eingeschaltet sind. Die minimale Einschaltzeit von S1 und S3 lässt sich näherungsweise über das PWM-Schema berechnen:
-
ÛAmax ist dabei die höchste Amplitude der Ausgangsspannung, UC2min die kleinste Spannung am Kondensator C2 und fSchalt die Schaltfrequenz. Es wird angenommen, dass UC2min ungefähr der kleinsten Spannung an der Solarzelle UDmin entspricht.
-
Mit ÛAmax = √2·UAef f,max = √2·1,15 = 374,1V und UC2min ≈ UDmin = 500V ergibt sich die minimale Einschaltzeit von S1/S3 zu TS1min = TS3min ≈ 15,8μs
-
Der in
8 dargestellte Stromverlauf von i
C2 ist eine Halbschwingung des Resonanzkreises aus L1 und C2. Die Dauer der Halbschwingung darf höchstens T
S1min betragen. Damit muss die folgende Bedingung erfüllt sein:
-
Durch die Resonanzfrequenz von L1 und C2 ist damit das Produkt der Werte der beiden Bauelemente bestimmt. Das Verhältnis von L1/C2 stellt dann noch einen Freiheitsgrad zur Optimierung bezüglich Verlusten und Baugröße dar. Für die Schaltungsvariante 1 können dann die folgenden Bauteilwerte für die Kondensatoren und Spulen der Schaltungsvariante 1 verwendet werden: L1 = 470 nH C2 = 47 μF C1 = 1000 μF L2 = 5 mH.
-
Grundsätzlich ist die Netzfrequenz des vorgeschlagenen Umrichters frei wählbar. Er funktioniert somit sowohl am 50 Hz-Netz als auch beispielsweise an einem 60 Hz-Netz. Die Schaltfrequenz ist abhängig von der Technologie der eingesetzten Leistungshalbleiter. Beim Aufbau mit Silizium-IGBTs oder Silizium-MOSFETs bewegt sich diese im unteren zweistelligen kHz-Bereich. Werden Siliziumcarbid-Halbleiter eingesetzt, kann die Schaltfrequenz bis in den dreistelligen kHz-Bereich erhöht werden. Die Schalter S1 bis S6 sowie die Dioden D1 bis D7 können bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung aus einzelnen Leistungshalbleitern oder auch aus einer Reihenschaltung mehrerer Leistungshalbleiter bestehen, gegebenenfalls in Verbindung mit einer geeigneten Beschaltung zur Spannungsbegrenzung an den Einzelhalbleitern. Auch weitere Bauelemente können bei Bedarf in die Schaltungsanordnung integriert sein.
-
BEZUGSZEICHENLISTE
-
-
- G1
- Gleichspannungsquelle/-last
- W1
- Wechselspannungsquelle/-last
- S1 bis S6
- Abschaltbare Leistungshalbleiter
- D1 bis D7
- Dioden
- C1
- zweiter Kondensator
- C2
- erster Kondensator
- C3
- dritter Kondensator
- L1
- erste Spule
- L2
- zweite Spule
- S8
- Leistungshalbleiter / Relaiskontakt
- DC
- DC-DC-Steller
- P1–P3
- Phasen
- N
- Neutralleiter
