AT504944B1

AT504944B1 - Wechselrichter

Info

Publication number: AT504944B1
Application number: AT0024707A
Authority: AT
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2012-03-15
Also published as: US20100118575A1; WO2008098812A1; JP2010518806A; EP2118994A1; KR20090108668A; CN101669276A; AT504944A1

Description

österreichisches Patentamt AT504 944B1 2012-03-15

Beschreibung

WECHSELRICHTER

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit einer vier Schaltelemente aufweisenden Brückenschaltung, bei der zwei gegenüber liegende Anschlussklemmen der Brückenschaltung mit dem Gleichspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, und die beiden anderen Anschlussklemmen der Brückenschaltung mit dem Wechselspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, wobei durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente Gleich- und Wechselspannung ineinander umwandelbar sind, wobei im Gleichspannungsteil an der positiven Gleichspannungsklemme ein erstes, gleichspannungsseitiges Schaltelement angekoppelt ist, dem eine zwischen dem ersten Schaltelement und einer ersten Anschlussklemme der Brückenschaltung in Serie geschaltete Induktivität nachgeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Wechselrichter finden in der Elektrotechnik breite Anwendung, insbesondere in alternativen Stromerzeugungssystemen wie etwa Brennstoffzellenanlangen und Photovoltaikanlagen (sogenannte „ruhende Systeme"), oder Windkraftanlagen (sogenannte „rotierende Systeme"). Ruhende Systeme benötigen zur Leistungseinspeisung in ein Stromversorgungsnetz einen Wechselrichter, der die anfallende DC-Leistung in eine AC-Leistung umwandelt und netzkonform einspeist. Rotierende Systeme erzeugen AC-Leistung, die aber in der Regel zunächst in eine DC-Leistung umgewandelt wird, und anschließend in eine AC-Leistung rückgewandelt wird, einerseits, um den Arbeitsbereich (z.B. Drehzahlbereich) auf der mechanischen Seite des Generators erweitern zu können, andererseits aber auch um die für eine Netzeinspeisung erforderliche Güte der Wechselspannung sicher zu stellen. Wechselrichter ermöglichen dabei eine Trennung der einspeiseseitigen elektrischen Parameter von jenen der netzseitigen Parameter wie Frequenz und Spannung, und stellen somit das zentrale Bindeglied zwischen der Einspeiseseite und dem Netz dar.

[0003] Dabei werden gemäß dem Stand der Technik oft Wechselrichter mit einer vier Schaltelemente aufweisenden Brückenschaltung verwendet, bei der zwei gegenüber liegende Anschlussklemmen der Brückenschaltung mit dem Gleichspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, und die beiden anderen Anschlussklemmen der Brückenschaltung mit dem Wechselspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, wobei durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente Gleich- und Wechselspannung ineinander umwandelbar sind. Dabei sind aber für die Schaltelemente der Brückenschaltung in der Regel teure Bauelemente erforderlich, etwa FRED (Fast Recovery Epitax. Diode)-FETs, da mitunter hohe Schaltfrequenzen sicher zu stellen sind. Das wirkt sich negativ auf die Kosten herkömmlicher Schaltungsanordnungen aus, und beeinträchtigt außerdem den Wirkungsgrad der üblichen Wechselrichter, da mit jedem Schaltvorgang unvermeidliche Schaltverluste verbunden sind.

[0004] Es ist somit das Ziel der Erfindung, durch Optimierung der Wechselrichtertopologie in Verbindung mit dem realen Verhalten der Bauelemente eine Steigerung an Wirkungsgrad und Stromqualität bei geringeren Kosten zu erzielen.

[0005] Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf einen Wechselrichter mit einer vier Schaltelemente aufweisenden Brückenschaltung, bei der zwei gegenüber liegende Anschlussklemmen der Brückenschaltung mit dem Gleichspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, und die beiden anderen Anschlussklemmen der Brückenschaltung mit dem Wechselspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, wobei durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente Gleich- und Wechselspannung ineinander umwandelbar sind. Dabei ist vorgesehen, dass im Gleichspannungsteil an der positiven Gleichspannungsklemme ein erstes, gleichspannungsseitiges Schaltelement angekoppelt ist, dem eine zwischen dem ersten Schaltelement und einer ersten Anschlussklemme der Brückenschaltung in Serie geschaltete Induktivität nachgeordnet ist. Erfindungsgemäß ist dem ersten Schaltungselement eine in Reihe mit der Induktivität geschaltete Diode nachgeordnet. Zudem ist in der Reihenschaltung zwischen der Induktivität und der Diode einerseits, sowie einer zweiten Anschlussklemme der Brückenschaltung andererseits ein zweites, gleichspannungsseitiges 1 /6 österreichisches Patentamt AT504 944B1 2012-03-15

Schaltelement geschalten, das im geschlossenen Zustand die Induktivität mit der zweiten Anschlussklemme der Brückenschaltung verbindet. Dadurch kann die gleichspannungsseitige Eingangsspannung durch geeignetes Schalten des zweiten Schaltelements hochgesetzt werden. Des Weiteren erlaubt die Verwendung einer einzelnen Induktivität eine weitere Kostenersparnis. Wie noch näher ausgeführt werden wird, ermöglicht eine solche Schaltungsanordnung einen höheren Wirkungsgrad, da die Schaltelemente der Brückenschaltung nur mit der Netzfrequenz geschaltet werden müssen, während der einzuspeisende Strom mit dem schnell getakteten Schaltelemente im Gleichspannungsteil geregelt werden kann. Somit ergeben sich nur an einem Schaltelement Schaltverluste, was den Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wechselrichters erheblich steigert.

[0006] Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Eingangsspannung auf der Gleichspannungsseite kleiner als der Maximalwert der ausgangsseitigen Netzspannung ist.

[0007] Die Ansprüche 2 bis 4 sehen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wechselrichters dar. Hierbei ist im Wechselspannungsteil jeweils ein wechselspannungsseitiger Glättungskondensator geschalten, und im Gleichspannungsteil ein gleichspannungsseitiger Glättungskondensator. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass es sich bei den gleichspannungsseitigen Schaltelementen um Halbleiter-Schaltelemente, insbesondere um Leistungs-MOSFET oder IGBT, handelt.

[0008] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen die [0009] Fig. 1 den prinzipiellen Schaltplan des erfindungsgemäßen Wechselrichters in einer ersten Darstellungsweise, [0010] Fig. 2 den prinzipiellen Schaltplan des erfindungsgemäßen Wechselrichters in einer zweiten Darstellungsweise, und [0011] Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Spannung und Steuersignal für die Schaltelemente beim Energiefluss in den Wechselspannungsteil des erfindungsgemäßen Wechselrichters.

[0012] Der prinzipielle Schaltplan einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters wird zunächst anhand der Fig. 1 bzw. 2 erläutert. Der erfindungsgemäße Wechselrichter weist eine Brückenschaltung mit vier Schaltelementen S3, S4, S5 und S6 auf, bei der zwei gegenüber liegende Anschlussklemmen 1, 2 der Brückenschaltung mit dem Gleichspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, und die beiden anderen Anschlussklemmen 3, 4 der Brückenschaltung mit dem Wechselspannungsteil des Wechselrichters. Die Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung erfolgt dabei über die vier Schaltelemente S3, S4, S5 und S6 in der Brückenschaltung, die eine Vollbrücke darstellt, wobei in an sich bekannter Weise durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente S3, S4, S5 und S6 Gleich-und Wechselspannung ineinander umwandelbar sind.

[0013] Im Gleichspannungsteil ist an der positiven Gleichspannungsklemme ein erstes, gleichspannungsseitiges Schaltelement S1 angekoppelt, dem eine zwischen dem ersten Schaltelement S1 und einer ersten Anschlussklemme 1 der Brückenschaltung in Serie geschaltete Induktivität L1 und eine Diode D2 nachgeordnet sind. In der Reihenschaltung zwischen der Induktivität L1 und der Diode D2 einerseits, sowie einer zweiten Anschlussklemme 2 der Brückenschaltung andererseits ist ein zweites, gleichspannungsseitiges Schaltelement S2 geschalten, das im geschlossenen Zustand die Induktivität L1 mit der zweiten Anschlussklemme 2 der Brückenschaltung verbindet. Die Diode D2 ist dabei zwischen der positiven Gleichspannungsklemme und der ersten Anschlussklemme 1 der Brückenschaltung in Durchlassrichtung geschalten.

[0014] Im Gleichspannungsteil befindet sich die Gleichspannungsquelle Ue. Im Wechselspannungsteil befindet sich die Last UNetz· [0015] Im Wechselspannungsteil ist des Weiteren ein wechselspannungsseitiger Glättungskondensator C0 geschalten, und im Gleichspannungsteil ein gleichspannungsseitiger Glättungs- 2/6 österreichisches Patentamt AT504 944B1 2012-03-15 kondensator Ci. Bei den Schaltelementen S1, S2, S3, S4, S5 und S6 handelt es sich vorzugsweise um Halbleiter-Schaltelemente, insbesondere um Leistungs-MOSFET.

[0016] Die Fig. 2 zeigt die Ausführungsform gemäß Fig. 1 in einer alternativen Darstellungsweise.

[0017] Im Folgenden wird nun anhand der Fig. 3 die Schaltsequenz zur Ansteuerung der Schaltelemente S1, S2, S3, S4, S5 und S6 bei einem Energiefluss vom Gleichspannungsteil in den Wechselspannungsteil erläutert.

[0018] Die Fig. 3 erläutert zunächst die Einschaltphase der Schaltsequenz bei der positiven Halbwelle beim erfindungsgemäßen Wechselrichter gemäß Fig. 1, wobei der Energiefluss vom Gleichspannungsteil in den Wechselspannungsteil erfolgt. Die Ansteuerung der Schaltelemente und insbesondere deren Taktung kann dabei den unteren Diagrammen der Fig. 3 entnommen werden. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, bleiben zur Erzeugung der positiven Halbwelle an den Ausgangsklemmen des Wechselspannungsteils die Schaltelemente S4 und S6 stets geschlossen, also leitend, während die Schaltelemente S3 und S5 stets ausgeschaltet bleiben, also nicht leitend sind. Für den ansteigenden Bereich der positiven Halbwelle ist das Tastverhältnis, wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, so gewählt, dass das erste, gleichspannungsseitige Schaltelement S1 mit zunehmender Einschaltdauer geschlossen wird, und für den absteigenden Bereich der positiven Halbwelle mit abnehmender Einschaltdauer. Somit taktet das erste Schaltelement S1 auf der Gleichspannungsseite über die Induktivität L1 und die Diode D2 Strom ins Netz. Übersteigt die Netzspannung die gleichspannungsseitige Eingangsspannung, wird letztere mithilfe des zweiten, gleichspannungsseitigen Schaltelements S2 hochgesetzt. Hierzu bleibt das erste Schaltelement S1 geschlossen, also leitend, während durch geeignete Taktung des zweiten Schaltelements S2 eine Spannungserhöhung herbei geführt wird.

[0019] Im Gleichspannungsteil kann des Weiteren eine Diode D1 vorgesehen sein, die zwischen der zweiten Anschlussklemme 2 der Brückenschaltung und dem ersten, gleichspannungsseitigen Schaltelement S1 geschalten ist, wobei sie anodenseitig mit der zweiten Anschlussklemme 2 der Brückenschaltung, und kathodenseitig mit dem ersten Schaltelement S1 verbunden ist. Der Freilauf der Induktivität L1 erfolgt somit über die mit der ersten Anschlussklemme 1 der Brückenschaltung verbundenen Diode D2, der wechselspannungsseitigen Last, und der mit der zweiten Anschlussklemme 2 der Brückenschaltung verbundenen Diode D1.

[0020] Zur Erzeugung der negativen Halbwelle an den Ausgangsklemmen des Wechselspannungsteils sind die Schaltelemente S3 und S5 stets geschlossen, also leitend, während die Schaltelemente S4 und S6 stets ausgeschaltet bleiben, also nicht leitend sind. Für den abfallenden Bereich der negativen Halbwelle wird das Tastverhältnis, wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, so gewählt, dass das erste, gleichspannungsseitige Schaltelement S1 mit zunehmender Einschaltdauer geschlossen wird, und für den aufsteigenden Bereich der negativen Halbwelle mit abnehmender Einschaltdauer. Wiederum taktet das erste Schaltelement S1 auf der Gleichspannungsseite über die Induktivität L1 und die Diode D2 Strom ins Netz. Übersteigt die Netzspannung die gleichspannungsseitige Eingangsspannung, kann letztere wiederum mithilfe des zweiten, gleichspannungsseitigen Schaltelements S2 hochgesetzt werden. Hierzu bleibt das erste Schaltelement S1 geschlossen, also leitend, während durch geeignete Taktung des zweiten Schaltelements S2 eine Spannungserhöhung zur Erzeugung des negativen Maximalwerts herbei geführt wird.

[0021] Aus der Fig. 3 ist insbesondere ersichtlich, dass in der erfindungsgemäßen Wechselrichtertopologie die Schaltelemente S3, S4, S5 und S6 der Brückenschaltung nur mit der Netzfrequenz im Nulldurchgang geschalten werden müssen. Lediglich das erste, gleichspannungsseitige Schaltelement S1 ist zur Einspeisung des Stroms schnell zu takten, sodass auch nur an diesem Schaltelement S1 nennenswerte Schaltverluste entstehen. Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wechselrichters kann dadurch jedenfalls entscheidend erhöht werden, und zwar bis zu 98%. Sollte die gleichspannungsseitige Eingangsspannung kleiner als die Netzspannung sein, kann ein zusätzliches, zweites Schaltelement S2 eingesetzt werden. Des Weiteren können aufgrund der niedrigeren Anforderungen an die Schaltelemente S3, S4, S5 und S6 3/6

Claims

österreichisches Patentamt AT504 944B1 2012-03-15 der Brückenschaltung auch kostengünstigere Bauelemente verwenden, wodurch die Kosten der Gesamtschaltung gesenkt werden können. Patentansprüche 1. Wechselrichter mit einer vier Schaltelemente (S3, S4, S5, S6) aufweisenden Brückenschaltung, bei der zwei gegenüber liegende Anschlussklemmen (1, 2) der Brückenschaltung mit dem Gleichspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, und die beiden anderen Anschlussklemmen (3, 4) der Brückenschaltung mit dem Wechselspannungsteil des Wechselrichters verbunden sind, wobei durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente (S3, S4, S5, S6) Gleich- und Wechselspannung ineinander umwandelbar sind, wobei im Gleichspannungsteil an der positiven Gleichspannungsklemme ein erstes, gleichspannungsseitiges Schaltelement (S1) angekoppelt ist, dem eine zwischen dem ersten Schaltelement (S1) und einer ersten Anschlussklemme (1) der Brückenschaltung in Serie geschaltete Induktivität (L1) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Schaltungselement (S1) eine in Reihe mit der Induktivität (L1) geschaltete Diode (D2) nachgeordnet ist und dass in der Reihenschaltung zwischen der Induktivität (L1) und der Diode (D2) einerseits, sowie einer zweiten Anschlussklemme (2) der Brückenschaltung andererseits ein zweites, gleichspannungsseitiges Schaltelement (S2) geschalten ist, das im geschlossenen Zustand die Induktivität (L1) mit der zweiten Anschlussklemme (2) der Brückenschaltung verbindet.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Wechselspannungsteil ein wechselspannungsseitiger Glättungskondensator (C0) geschalten ist.
3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Gleichspannungsteil ein gleichspannungsseitiger Glättungskondensator (C,) geschalten ist.
4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den gleichspannungsseitigen Schaltelementen (S1, S2) um Halbleiter-Schaltelemente, insbesondere um Leistungs-MOSFET oder IGBT, handelt. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen. 4/6