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Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, einen DC-DC-Wandler und ein Verfahren zum Regeln eines Wechselrichters und/oder eines DC-DC-Wandlers, wie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 2 und 8 beschrieben.
Es sind bereits Wechselrichter bekannt, bei denen eine Energiequelle, insbesondere ein Solarmodul, an einem DC-DC-Wandler angeschlossen ist. Der DC-DC-Wandler ist mit einem Zwischenkreis, der aus einem oder mehreren Kondensatoren gebildet ist, verbunden. An dem Zwischenkreis ist ein DC-AC-Wandler angeschlossen, wobei der Ausgang des DC-AC-Wandlers mit einem Wechselspannungsnetz zur Energieeinspeisung oder zumindest mit einem Verbraucher verbunden ist. Der DC-DC-Wandler ist zur Lieferung einer Gleichspannung und der DC-ACWandler zur Lieferung einer Wechselspannung ausgelegt.
Weiters sind DC-DC-Wandler bekannt, die aus einer Brückenschaltung, einem Transformator und einem Gleichrichter aufgebaut sind. Die Brückenschaltung wird dabei von einem Regler oder einer Steuervorrichtung pulsbreitenmoduliert angesteuert, sodass am Ausgang des DC-DCWandlers eine annähernd konstante Ausgangsspannung geliefert wird.
Bei dem Wechselrichter oder dem DC-DC-Wandler ist der Transformator für ein gewisses Übersetzungsverhältnis ausgelegt, wobei dieses für die kleinste Eingangsspannung von der Energiequelle gewählt wird. Ändert sich jedoch die Eingangsspannung am Wechselrichter bzw. am DC- DC-Wandler, insbesondere erhöht sie sich, so wird der Transformator durch das fix vorgegebene Übersetzungsverhältnis ungünstig betrieben. Hierzu wird das Tastverhältnis der Pulsbreitenmodulation für die vorgeschaltete Brückenschaltung immer kleiner, was zu schlechter Ausnutzung des Transformators und somit zu einem schlechten Wirkungsgrad führt.
Andererseits wird die Spitzen-Ausgangsspannung am Wechselrichter unverhältnismässig hoch, was eine erhöhte Anforderung an die Belastbarkeit der Bauelemente stellt und somit die Preise für die überdimensionierten Bauelemente, insbesondere den nachgeschalteten Gleichrichterdioden, in die Höhe treibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter und/oder einen DC-DC-Wand- ler sowie ein Verfahren zum Regeln eines Wechselrichters und/oder eines DC-DC-Wandlers zu schaffen, bei dem der DC-DC-Wandler bzw. der Transformator an die angelegte Spannung, ins- besondere an die Eingangsspannung, angepasst wird.
Diese Aufgabe der Erfindung wird derartig gelöst, dass ein Transformator des DC-DC-Wandlers auf der Primärseite mehrere Primärwicklungen für unterschiedliche Eingangsspannungsbereiche aufweist und die Primärwicklungen entsprechend der Höhe der zugeführten Eingangsspannung über zumindest eine Schaltvorrichtung in Serie schaltbar sind, womit verschiedene Überset- zungsverhältnisse einstellbar sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass dadurch der Wechselrichter bzw. der DC-DC-Wandler einen weiten Eingangsspannungsbereich ohne grosse Nachteile abdecken kann, da das Übersetzungsverhältnis des Transformators an die anliegende Eingangsspannung angepasst werden kann. Somit wird auch gewährleistet, dass die dem Transformator vorgeschaltete Brückenschaltung immer optimal betrieben wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt vor allem darin, dass die nachgeschalteten Bauelemente wesentlich geringer dimensioniert werden können, da vom DC-DC-Wandler, insbesondere vom Ausgang des Transformators, unabhängig der anliegenden Eingangsspannung durch das angepasste Übersetzungsverhältnis immer die gleiche Spannung geliefert wird und somit die Bauelemente nicht mehr auf die maximal zu erwartende Spannungshöhe durch ein fix vorgegebenes Übersetzungsverhältnisses des Transformators dimensioniert werden müssen.
Weitere vorteilhafte Massnahmen sind in den Ansprüchen 3 bis 8 beschrieben. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind aus der Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird anschliessend durch ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Es zeigen : Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Wechselrichters für eine Solaranlage mit den wesentlichen
Komponenten, insbesondere dem DC-DC-Wandler, in vereinfachter, schematischer
Darstellung ; Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbildes des Wechselrichters für eine Solaranlage mit den wesentlichen Komponenten, insbesondere dem DC-DC-
Wandler, in vereinfachter, schematischer Darstellung.
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Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen glei- che Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäss auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können.
Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z. B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageände- rung sinngemäss auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder
Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungs- beispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemässe Lösungen darstellen.
In den Fig. 1 und 2 ist ein üblicher Aufbau, insbesondere ein Blockschaltbild, eines Wechsel- richtersystems 1 mit einem Wechselrichter 2 (strichpunktiert umrandet) dargestellt. Da die ein- zelnen Komponenten bzw. Baugruppen und Funktionen des Wechselrichtersystems 1 bereits bekannt sind, wird auf diese nicht mehr näher eingegangen.
Der Wechselrichter 2 weist beispielsweise einen DC-DC-Wandler 3 (strichliert umrandet), einen Zwischenkreis 4 und einen DC-AC-Wandler 5 auf. An dem DC-DC-Wandler 3 ist eine Energiequelle 6 bzw. ein Energieerzeuger angeschlossen, die beispielsweise aus einem oder mehreren parallel und/oder seriell zueinander geschalteten Solarmodulen 7, die als Solargenerator bezeichnet werden, oder einer Batterie (nicht dargestellt) gebildet werden kann. Der DC-AC-Wandler 5 ist mit seinen Ausgängen beispielsweise mit einem Wechselspannungsnetz 8 und/oder einem oder mehreren Verbrauchern 9, wie beispielsweise einem Kühlschrank, einem Funkgerät usw., verbunden.
Der DC-DC-Wandler 3 wird bevorzugt zumindest aus einer Brückenschaltung 10, insbesondere aus einer Voll- oder Halbbrücke, einer Schaltvorrichtung 11, einem Transformator 12 und einem Gleichrichter 13 gebildet. Der Zwischenkreis 4 wird aus einem oder mehreren Kondensatoren aufgebaut. Damit eine gewünschte Wechselspannung für das Wechselspannungsnetz 8 oder die Verbraucher 9 erzeugt werden kann, wird der DC-AC-Wandler 5 durch einen entsprechenden Inverter, der die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, gebildet. Weitere Bauelemente bzw. Baugruppen, wie beispielsweise Filter, Glättungskondensatoren usw., sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.
Weiters weist der Wechselrichter 2 einen Regler bzw. eine Steuervorrichtung 14, die beispielsweise durch einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder einen Rechner gebildet sein kann,
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auf. Über die Steuervorrichtung 14 kann eine entsprechende Steuerung der einzelnen Baugrup- pen, insbesondere der darin angeordneten Schaltelemente, vorgenommen werden. In der Steuer- vorrichtung 14 sind hierzu die einzelnen Regel- bzw. Steuerabläufe durch entsprechende Soft- ware-Programme und/oder Daten bzw. Kennlinien gespeichert. Weiters ist bzw. sind mit der
Steuervorrichtung 14 ein oder mehrere Messsysteme 15 zur Erfassung des Stromes und der Span- nung an den verschiedensten Punkten des Wechselrichtersystems 1 angeordnet.
Bei der erfindungsgemässen Lösung wird ein spezieller DC-DC-Wandler 3 eingesetzt, bei dem der Transformator 12 auf der Primärseite 16 mehrere Primärwicklungen 17,18 für unterschied- liche Eingangsspannungsbereiche aufweist und die Primärwicklungen 17,18 entsprechend der
Höhe der zugeführten Eingangsspannung über zumindest eine Schaltvorrichtung 11 in Serie schaltbar sind, womit verschiedene Übersetzungsverhältnisse einstellbar sind. Dabei weist der
Transformator 12 zumindest zwei Primärwicklungen 17,18 oder eine Primärwicklung 17 mit zumindest einer Mittelanzapfung (nicht dargestellt) auf, wobei auf einer Sekundärseite 19 des Transformators 12 nur eine einzige Sekundärwicklung 20 oder auch mehrere Sekundärwicklungen 20 angeordnet sein können.
Selbstverständlich ist es möglich, dass eine beliebige Anzahl von Primärwicklungen 17,18 vorhanden ist, wobei lediglich sichergestellt werden muss, dass über die vorgeschaltete Schaltvorrichtung 11 jede einzelne eingesetzte Primärwicklung 17,18 zu einer weiteren Primärwicklung
17,18, 21 aktiviert werden kann. Hierzu ist in Fig. 2 beispielsweise ein Ausführungsbeispiel mit drei Primärwicklungen 17,18, 21 dargestellt, wobei die vorgeschaltete Schaltvorrichtung 11 derart geändert wurde, dass wiederum jede einzelne Primärwicklung 17,18, 21 aktiviert werden kann und diese somit in Serie geschaltet werden können.
Die Primärwicklungen 17,18 und gegebenenfalls 21 des Transformators werden dabei derartig zusammengeschaltet, dass jeweils ein Anschluss - beispielsweise das Wicklungsende - der Primärwicklung 17 mit einem Anschluss - beispielsweise dem Wicklungsanfang - der zweiten Primärwicklung 18 und gegebenenfalls der weitere Anschluss - beispielsweise das Wicklungsendeder zweiten Primärwicklung 18 mit einem Anschluss - beispielsweise dem Wicklungsanfang einer weiteren Primärwicklung 21 usw. verbunden ist. Damit die einzelnen Primärwicklungen 17,18, 21 wahlweise von der Steuervorrichtung 14 aktiviert werden können, ist die Schaltvorrichtung 11 derart an die Primärwicklungen 17,18, 21 angeschlossenen, dass beim Umschalten bzw.
Aktivieren der Schaltvorrichtung 11, die durch einzelne Schaltelemente 22 aufgebaut ist,
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eine Reihenschaltung der Primärwicklungen 17,18, 21 und somit eine Änderung des Überset- zungsverhältnisses des Transformators 12 stattfindet.
Dabei ist es auch möglich, dass nicht, wie zuvor beschrieben, die einzelnen Primärwicklungen 17,
18, 21 bereits hardwaremässig verbunden sind, sondern die Primärwicklungen 17,18, 21 erst über die Schaltvorrichtung 11 elektrotechnisch zusammengeschaltet werden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist dabei das Schaltelement 22 zwischen den Anschlüssen der zweiten Primärwicklung 18 angeordnet. Somit ist es möglich, dass bei normaler Eingangsspannung, beispielsweise von 200 V DC, zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, beispielsweise von 380 V DC, nur eine Primärwicklung 17 aktiviert ist, wie dies durch das Schaltelement 22 mit strichlierten Linien der Fall ist, d. h., dass der Stromfluss nur über die Primärwicklung 17 erfolgt, da der weitere Anschluss der zweiten Primärwicklung 18 keine elektrische Verbindung mit der vorgeschalteten Brückenschaltung 10 aufweist.
Erhöht sich beispielsweise die Eingangsspannung über einen definierten Wert, beispielsweise auf 400 V DC, so wird dies von der Steuervorrichtung 14 über die Messsysteme 15 erkannt, und es kann nunmehr eine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 12 an die neue Eingangsspannung durchgeführt werden. Hierzu aktiviert die Steuervorrichtung 14 die Schaltvorrichtung 11, insbesondere das Schaltelement 22, sodass diese von der strichlierten Stellung in die mit vollen Linien gezeichnete Stellung umgeschaltet wird.
Dadurch wird nunmehr der weitere Anschluss der zweiten Primärwicklung 18 aktiviert und es bildet sich nunmehr ein Stromfluss über die beiden in Reihe geschalteten Primärwicklungen 17 und 18 aus, d. h., dass mittels des Schaltelementes 22 der Schaltvorrichtung 11 eine Umschaltung zwischen dem linken Anschluss der Primärwicklung 18 und der Mittelanzapfung bzw. der verbunden Anschlüsse der Primärwicklungen 17 und 18 und damit eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses erfolgt.
Würde eine derartige Anpassung des Übersetzungsverhältnisses nicht erfolgen, wie dies im Stand der Technik derzeit der Fall ist, so würde bei gleichbleibender Ansteuerung der restlichen Komponenten durch das fix vorgegebene Übersetzungsverhältnis durch die Verdoppelung der Eingangsspannung eine Ausgangsspannung von beispielsweise 2 x 380 V DC, also 760 V DC, entstehen. Damit dies beim Stand der Technik nicht passieren kann, wird von der Steuervorrichtung 14 die Ansteuerung der Komponenten soweit verändert, dass wiederum nur eine Ausgangsspannung von 380 V DC erreicht wird, d. h., dass die Pulsweite bzw. die Pulsbreite für die vorge-
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schaltete Brückenschaltung 10 verkleinert wird, sodass für etwaige weitere Anpassungen keine sinnvolle Regelung mehr durchgeführt werden kann.
Bei der erfindungsgemässen Lösung hingegen kann durch die Anpassung des Übersetzungsver- hältnisses, also durch das in Reihe schalten mehrerer Primärwicklungen 17,18, 21, die Reduzie- rung der Pulsweite in einfacher Form vermieden werden und somit eine wesentlich bessere
Regelung bzw. Steuerung des Wechselrichters 1 bzw. des DC-DC-Wandlers 3 erreicht werden, da das gesamte Spektrum für die Pulsweite bzw. Pulsbreite noch zur Verfügung steht.
Tritt näm- lich ein derartiger Fall, wie zuvor beschrieben, ein, so wird durch das Zuschalten der weiteren
Primärwicklung 18 das Übersetzungsverhältnis derart geändert, dass beispielsweise bei einer
Verdoppelung der Eingangsspannung, also von 200 V DC auf 400 V DC, die Ausgangsspannung von beispielsweise 380 V DC gleich bleibt, d. h., dass in diesem Fall das Übersetzungsverhältnis von der Primärseite 16 zur Sekundärseite 19 durch hinzuschalten weiterer Windungen, insbeson- dere der Primärwicklung 18, zur Primärwicklung 17 auf der Primärseite 16 reduziert wird und somit immer die gleiche Ausgangsspannung erreicht wird. Damit wird erreicht, dass ein weiterer
Eingangsspannungsbereich ohne grosse Nachteile abgedeckt werden kann. Insbesondere kann das
Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation immer in der Nähe des Optimums betrieben werden.
Das Prinzip der Reihenschaltung von Primärwicklungen 17,18, 21 kann selbstverständlich durch mehrere Wicklungen, wie das weitere Ausführungsbeispiel in Fig. 2 zeigt, und mehrere Schaltelemente 22 in der Schaltvorrichtung 11 ausgebaut werden.
Betrachtet man hierzu das Ausführungsbeispiel in Fig. 2, so erkennt man, dass durch entsprechende Anpassung der Schaltvorrichtung 11, also durch Hinzufügen weiterer Schaltelemente 22, bei mehreren Primärwicklungen 17,18, 21 wiederum jede einzelne zusätzliche Primärwicklung 18,21 zur Primärwicklung 17 hinzugeschaltet werden kann. Somit ist es möglich, dass eine beliebige Anzahl von Primärwicklungen 17,18, 21 eingesetzt werden kann. Der Vorteil einer derartigen Lösung mit mehr als zwei Primärwicklungen 17,18, 21 liegt darin, dass eine noch bessere Anpassung an die Eingangsspannung vorgenommen werden kann, d. h., dass eine feinere Abstufung für den Eingangsspannungsbereich erzielt wird und somit der Wirkungsgrad des DCDC-Wandlers 3 bzw. des Wechselrichters 1 wesentlich verbessert wird.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist den Eingangsklemmen des Transformators 12, insbesondere vor der Schaltvorrichtung 11, wiederum eine geeignete Schaltung vorgeschaltet, die entsprechend angesteuert wird, um die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 3 an-
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nähernd konstant zu halten, d. h., dass dem Transformator 12 des DC-DC-Wandlers 3 bevorzugt eine Brückenschaltung 10, insbesondere eine Vollbrücke oder Halbbrücke, vorgeschaltet ist, die pulsbreitenmoduliert von einem Regler oder der Steuervorrichtung 14 angesteuert ist. Am Ausgang des Transformators 12, also auf der Sekundärseite 19 ist üblicherweise ein Vollweg-Gleichrichter angeordnet.
Der Ordnung halber sei abschliessend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Wechselrichtersystems 1 bzw. des DC-DC-Wandlers 3 diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmassstäblich und/oder vergrössert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1, 2 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemässen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemässen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.