AT500919A1 - Verfahren zum betrieb eines wechselrichters und anordnung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Description

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Beschreibung

Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. 5

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. 10 Elektronisch gesteuerte Wechselrichter sind beispielsweise aus US-Z.:C.M. Pcnalver, u.a. „Microprocessor Contro.1 of DC/AC Static Converters"; IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No.3, August 1985, S-186 -191; bekannt. Sie werden beispielsweise in Solaranlagen dazu 15 eingesetzt, den durch die Sonnenzeilen erzeugten Gleichstrom so umzuformen, dass eine Abgabe in das öffentliche Wechselstrom-Netz möglich ist. Erst damit ist eine praktisch uneingeschränkte Nutzung der solar produzierten Energie gewährleistet. 20

Die Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für WechselrichLer hat unter anderem dazu geführt, die Grundtypen von Hochsetzsteller, Hochtiefsetzsteller und Tiefsetzsteiler für spezielle Änwendungsfälle abzuwandeln. Als Beispiel sei hier 25 eine Veröffentlichung in der Zeitschrift EDN vom 17. Okt. 2002 „Slave Converters power auxiliary Outputs", Sanjaya Maniktala; angeführt, in der verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Wechselrichter-Grundtypen beschrieben werden. 30 *

De?: Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand deir Technik bekannten Wechselrichter weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren 35 der eingangs genannten Art, bei dem der Wechselrichter während der positiven Halbwelle der Ausgangswechselspannung so- angesteuert wird, dass er nach Art einer Hoch- 1 losos HN «a/asj zo;oi qq rq. «yui'z.. .· ·« Φ 9 · 9 9 9 9 I t 9 9 9 9 999 999 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 999 9 9 9 9 9 9 9 9 9 · 20Q408853 /Tiefsetzsteller-Kaskade arbeitet und bei dem der Wechselrichter während der negativen Halbwelle der Auggangswechselepannung so angesteuert wird, dass er nach Art eines Inverters arbeitet. 5

Die erfindungsgemäße Kombination der Funktionen von Hoch-/ Tiefaetzsteller und Inverter führt zu einem verlustarmen Wechselrichter mit besonders geringem RippelsLrom, der damit auah einen hohen Wirkungsgrad aufweist und daher insbesondere 10 für den Einsatz in Solaranlagen besonders geeignet ist.

Vorteilhaft ist es, wenn der Wechselrichter eine aus erstem, zweitem, drittem und viertem Halbleiterschalter gebildete Halbleiterbrückenschaltung umfasst, deren erster Ausgang mit 15 einem ersten Anschluss eines Wechselspannungsausganges des Wechselrichters verbunden ist, deren zweiter Ausgang mit eiiiem zweiten Anschluss des Wcchaelspannungsausganges des Wechselrichters verbunden ist, wenn weiterhin eine erste Drossel vorgesehen ist, deren erste Seite mit dem positiven 20 Pol einer Gleichspannungsguelle verbunden ist und deren zweite Seite über einen fünften Halbleiterschalter mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wenn die Verbindung zwischen erster Drossel und fünftem Halbleiterschalter über eine erste Diode und einen sechsten 2b Halbleiterschalter mit dem ersten Anschluss einer zweiten Drpssel und der Kathode einer zweiten Diode verbunden ist, wenn der zweite Anschluss der zweiten Drossel mit einem ersten Eingang der Brückenschaltung verbunden ist und die Anode der zweiten Diode mit einem zweiten Eingang der 30 Brückenschaltung verbunden ist und wenn der negativen Pol der Gleichspannungsquelle mit dem zweiten Anschluss des Wechselspannungsausganges verbunden ist und die Verbindung von erster Diode und sechstem Halbleiterschalter über einen Kondensator mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 35 verbunden ist.

Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn mittels Mijkrocontroller während der positiven Halbwelle der » 2 [0809 KN 13/3S] ζο;οτ θβ »0« .......... • · · · · · · f · • t · · ··· ··· I · f » 9 9 · 9 9 · 999 • 9 · ···♦·· · 20Q408853

Ausgangswechselspannung der erste und der vierte Halibleiterschalter permanent eingeschaltet und der zweite und der dritte Halbleiterschalter permanent ansgeschaltet werden, und wenn der fünfte und der sechste Halbleiterschalter 5 gepulst geschaltet werden und wenn während der negativen Halbwelle der Ausgangswechselspannung der sechste Halbleiterschalter gepulst geschaltet wird, und wenn in diesem Zeitraum der zweite und der dritte Halbleiterschalter dauerhaft eingeschaltet und der erste, der vierte und der 10 fünfte Ilalbleiterschalter dauerhaft ausgeschaltet werden. Günstig ist es, wenn bei einem Wechselrichter zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ein Mikrocontroller vorgesehen ist, welcher zur Steuerung der 15 Halbleiterschalter entsprechend programmiert ist..

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft: 20 Fig.l den Schaltplan eines beispielhaften Wechselrichters Fig. 2 den Schaltplan eines beispielhaften Wechselrichters bei Verwendung von n_Kanal Sperrschicht MOSFETs.

Fig.3, 4, 5 und 6 Stromfluß und Schaltzustände in einem beispielhaften Wechselrichter während der positiven 25 Halbwelle der Ausgangswechselspannung,

Fig.7 und 8 Stromfluß und Schaltzustände in einem beispielhaften Wechselrichter während der negativen Halbwelle der Ausgangswechselspannung, sowie

Fig.9 und Fig. 10 den zeitlichen Verlauf beispielhafter 30 Ansteuersignale für die Halbleiterschalter,

Der in den Figuren dargestellte Wechsel richtet umfasst eine i aus erstem, zweitem, drittem und viertem Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 gebildete Halbleiterbrückenschaltung. 35 Der aus der Verbindung von erstem und zweitem

Halbleiterschalter Sl, S2 gebildete erste Ausgang der Hälbleiterbrückenschaltung ist mit einem ersten Anschluss 3 1080S HN H3/3SI ZO Ol W PA. ÄUt'2.. ·. .. « · · · · · 9 t ♦ # φ 9 · ··· «·· # · 9 | # 9 « 9 · 9 999 200408853 eines Wechselspannungsausganges U0UT des Wechselrichters verbunden Osr aus d.er Verbindung von drittem und viertem Halibleiterschalter S3, S4 gebildete zweite Ausgang der Halbleiterbrückenschaltung ist mit einem zweiten Anschluss 5 des Wechselapannungsausganges IW des Wechselrichters verbunden. Weiterhin ist eine erste Drossel LI vorgesehen, deren erste Seite mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle UIK verbunden und deren zweite Seite über einen fünften Halbleiterschalter S5 mit dem negativen 10 Pol der Gleichspannungsquelle U1W verbunden ist. Die Verbindung zwischen erster Drossel Ll und fünftem Halbleiterschalter S5 ist über eine erste Diode Dl und einen sechsten Halbleiterschalter S6 mit dem ersten Anschluss einer zweiten Drossel T.2 und der Kathode einer zweiten Diode D2 15 verbunden und der zweite Anschluss der zweiten Drossel L2 an einen, durch die Verbindung von erstem und drittem HalbleiterschalLer 51, S3 gebildeten ersten Eingang der ßrückenscbaltung Sl, S2, S3, S4 angeschlossen. 20 Erste und zweite Drossel T,l, L2 können einen gemeinsamen Kern aufweisen. Die Verbindung von erster Diode Dl und sechstem Halbleiterschalter 56 ist über einen Kondensator Cz mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. 25 Die Anode der zweiten Diode 02 ist mit einem durch die

Verbindung von zweitem und viertem Halbleiterschalter S2, 54 gebildeten zweiten Eingang der Brückenschaltung Sl, S2, S3, S4 verbunden. Weiterhin ist der negativen Pol der Gleichspannungsquelle Uin mit dem zweiten Anschluss des 30 Wechselspannungsausganges Uoct verbunden.

Bei Verwendung von n-kanal Sperrschicht MOSFET als fialbleiterschalter Sl, S2, S3, S4 ,S5, S6 ist die Eihbaurichtung zu beachten, die in Fig. 2 durch die 35 strichliert dargestellten Diodensymbole angedeutet ist. 4

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Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist der Einsatz einer Diode D3 zweckmäßig, deren Funktion allerdings auch durch eine entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter realisiert werden kann. 5 :

Die Ansteuerung der Halbleiterschalter erfolgt mittels (nicht dargestelltem) Mikrocontroller.

Dabei werden erfindungsgemäß während der positiven Halbwelle 10 der Ausgangswechselspannung der erste und der vierte

Halbleiterschalter S1,S4 permanent eingeschaltet und der zweite und der dritte Halbleiterschalter 32, S3 permanent ausgeschaltet. Der fünfte und der sechste Halbleiterschalter S5,S6 werden in diesem Zeitraum gepulst geschaltet. Während 15 der negativen Halbwelle der Ausgangswechselspannung wird der sechste Halbleitcrschalter 36 gepulst geschaltet und der zweite und der dritte Halbleiterschaltcr S2,S3 werden in diesem Zeitraum dauerhaft eingeschaltet, der erste, der vierte und der fünfte Halbleiterschalter S1,S4,S5 hingegen 20 dauerhaft ausgeschaltet.

Fig.3 zeigt dabei den Zustand, in dem der Wechselrichter während einer positiven Halbwelle der Ausgangsspannung elektrische Energie aus der Gleichspannungsquelle Οχυ 25 aufnimmt. Dazu ist der fünfte Halbleiterschalter 35 geschlossen und damit ein Strompfad zwischen dem positiven Pol der Cleichspannungsquelle Um über die erste Drossel LI und den fünften Halbleiterschalter S5 gegeben. Der sechste Halbleiterschalter S6 ist dabei geöffnet. 30

In diesem Zustand speichert die Drossel LI Energie, die - wie in Fig. 4 dargestellt - nach dem öffnen des fünften Hallbleiterschalters S5 und dem Schließen des sechsten Hailbleiterachalters S6 über die erste Diode Dl, den sechsten 35 Halbleiterschalter S6, die zweite Drossel L2 und die

Halbleiterbrückenschaltung an den Wechselspannungsausgang 5

[080S SN R3/3SJ ι ι I ΖΟ·ΌΤ ·βα Μ. .......... ···· ·· · ·· * · · · ··· ··· · · ·· · ·*··· ··# ··· ······ * 20Q408853 ÜOUT und gleichzeitig auch an den Kondensator Cz abgegeben wird.

Wie in Fig. 5 dargestellt, wird die in der zweiten Drossel L2 5 gespeicherte Energie nach dem Öffnen des sechsten

Halbleiterschalters S6 über die zweite Diode D2 und über die Halbleiterbrückenschaltung an den Wechselspannungsausgang UOUT abgegeben. Gleichzeitig wird der Kondensator Cz weiter geladen. Der entsprechende Stromkreis verläuft vom positiven 10 Pol der Gleichspannungsquelle Uin über die erste Drossel Ll, die ersLe Diode Dl und den Kondensator Cz zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle.

Im nächsten Schaltvorgang wird - wie in Fig. 6 dargestellt -15 wiederum der fünfte Halbleiterschalter S5 geschlossen und der sechste Halbleiterschaltcr S6 geöffnet.

Es bildet sich wiederum der bereits in Fig. 3 dargestellte Stromkreis vom positiven Pol der Gleichspannungsquelle ϋχΝ 20 über die erste Drossel Ll und den fünften Halbleiterschalter S5! zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle Um .

Der bereits in Fig. 5 dargestellte Stromkreis über die zweite Drossel L2, die zweite Diode D2 und über die 25 Halbleiterbrückenschaltung an den Wechselspannungsausgang Uoot bleibt aufrecht.

Anhand der Fig. 7 und Fig. 8 werden nun die Schaltzustände während der negativen Halbwelle der Ausgangswechselspannung 30 erläutert. Wie auch aus den Fig. 9 und Fig. 10 ersichtlich, wird in diesem Zeitraum der sechste Halbleiterschalter S6 gepulst geschaltet und der zweite und der dritte Hailbleiterschalter S2,S3 werden in diesem Zeitraum dauerhaft eingeschaltet, der erste, der vierte und der fünfte 35 Halbleiterschalter S1,S4,S5 hingegen dauerhaft ausgeschaltet. 6 iosos HN Ha/HSJ ζο··οτ oa ^ov ßjyjef,, ,, .. ········* i · · · · ··· ··· · · ··· ·«··· ··· i *«·* «5·· *··***·* *··* ··' 200408853

Damit wird erfindungsgemäß während der negativen Halbwelle der Ausgangswechselspannung die Funktion eines sogenannten Inverters ausgeführt. S B'ig.7 zeigt die Verhältnisse, wenn der sechste Halbleiterschalter S6 geschlossen ist. Es bildet sich ein Strompfad zwischen dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle UIN über die erste Drossel Ll, die erste Diode Dl, den sechsten Halbleiterschalter S6, die zweite Drossel T.2, und den dritten 10 Halbleiterschalter S3 zum negativen Pol der

Gleichspannungsquelle UjM. Diesem Strompfad ist ein zweiter Stromkreis überlagert, der über den Kondensator Cz, den sechsten Halbleiterschalter S6, die zweite Drossel L2, und den dritten Halbleiterschalter S3 verläuft. 15

Im·1 nächsten Schaltvorgang wird - wie in Fig. 8 dargestellt -der sechste Halbleiterschalter S6 geöffnet.

Die sich daraus ergebenden Stromkreise verlaufen einerseits 20 vom positiven Pol der Gleichspannungsquelle UIN über die erste Drossel Ll, die erste Diode Dl und den Kondensator Cz zui« negativen Pol der Gleichspannungsquelle UjW und andererseits Über die zweite Drossel L2, den dritten Halbleiterschalter S3, das Wechselspannungsnetz ü0ut sowie den 25 zweiten Halbleiterschalter S2 und die zweite Diode D2.

In Fig. 9 und Fig. 10 ist jeweils der beispielhafte Verlauf dep Steuersignale für die Halbleiterschalter Sl, S2, S3, S4, S5: und S6 dargestellt, wobei die beiden Figuren vorstellbare 30 unterschiedliche Schaltvarianten während des Zeitraumes der positiven Halbwelle der Ausgangswechselspannung darstellen. 7

Claims (4)

1. I080S HM H3/3S] ZO:OT «QQ • · • · • · » ··· M • · ♦ · • · · · 20Φ408853 Patentansprüche / Patent Claims 1. Verfahren zum Betrieb eines elektronisch gesteuerten Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet, dass der b Wechselrichter während der positiven Halbwelle der Ausgangswechselspannung so anqesteuert wird, dass er nach Art einer Hoch-/Tiefsetzsteller-Kaskade arbeitet und bei dem der Wechselrichter während der negativen Halbwelle der Ausgangswechselspannung so angesteuert. 10 . wird, dass er nach Art eines Inverters arbeitet. 15 20 25 30
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine aus erstem, zweitem, drittem und viertem Halbleiterschalter (Sl, S2, S3, S4) gebildete Halbleiterbrückenschaltung umfasst, deren erster Ausgang mit einem ersten Anschluss eines Wechselspannungsausganges (υοοτ) des Wechselrichters verbunden ist, deren zweiter Ausgang mit einem zweiten Anschluss des Wechselspannungsausganges (ϋ0πτ) des Wechselrichters verbunden ist, dass weiterhin eine erste Drossel (Ll) vorgesehen ist, deren erste Seite mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle (üIN) verbunden ist und deren zweite Seite über einen fünften Halbleiterschalter (S5) mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (Um) verbunden ist, dass die Verbindung zwischen erster Drossel (Ll) und fünftem Halbleiterschalter (S5)über eine erste Diode (Dl)und einen sechsten Halbleiterschalter (S6)mit dem ersten Anschluss einer zweiten Drossel(L2)und der Kathode einer zweiten Diode (D2) verbunden ist, dass der zweite Anschluss der zweiten Drossel (L2) mit einem ersten Eingang der Brückenschaltung (Sl, S2, S3, S4) verbunden ist und die Anode der zweiten Diode (D2) mit einem zweiten Eingang der BrückenschalLung (Sl, S2, 33, S4) verbunden ist und dass der negativen Pol der Gleichspannungsquelle (Um) mit dem zweiten Anschluss des Wechselspannungsausganges (U0ut) verbunden ist und 8 35 » L080S HM H3/3SJ I 200408853 zo: OT Aß iß, ÄiUl7.. • · · · • · · I I · • · · ·· ···· • · • ·*· • · • · · ·» M 99 ··· • · · • · 9 ·· • ♦ • · 999 dass und die Verbindung von erster Diode (Dl) und sechstem Halbleiterschalter (S6) über einen Kondensator mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (Um) verbunden ist. 10 15 20
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Mikrocontroller während der positiven Halbwelle der Ausgangswechselspannung der erste und der vierte Halbleiterschalter (S1,S4) permanent eingeschaltet und der zweite und der dritte Halbleiterschalter (S2,S3) permanent ausgeschaltet werden, und dass der fünfte und der sechste Halbleiterschalter (S5,S6) gepulst geschaltet werden und dass während der negativen Halbwelle der AusgangswechselSpannung der sechste Halbleiterschalter (S6) gepulst geschaltet wird, und dass in diesem Zeitraum der zweite und der dritte Halbleiterschalter (S2,S3) dauerhaft eingeschaltet und der erste, der vierte und der fünfte Halbleiterschalter (S1,S4,S5) dauerhaft ausgeschaltet werden.
4. •4. Wechselrichter zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocontroller vorgesehen ist, welcher zur Steuerung der Halbleiterschalter entsprechend programmiert ist. 9