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WO1998016994A1 - Wechselrichter - Google Patents

Wechselrichter Download PDF

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WO1998016994A1
WO1998016994A1 PCT/DE1997/002334 DE9702334W WO9816994A1 WO 1998016994 A1 WO1998016994 A1 WO 1998016994A1 DE 9702334 W DE9702334 W DE 9702334W WO 9816994 A1 WO9816994 A1 WO 9816994A1
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semiconductor
voltage
wave
semiconductor switch
microcontroller
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PCT/DE1997/002334
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English (en)
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Inventor
Dietrich Karschny
Original Assignee
Dietrich Karschny
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Definitions

  • the invention relates to an inverter according to the preamble of claim 1, as it from the US Z .: C. M. Penalver, u. a. : Microprocessor Control of DC / AC Static Converters ", in: IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No. 3, August 1985, pp. 186-191.
  • the conventional inverters have the following disadvantages: When using 50 Hz transformers, the devices are heavy and bulky. High losses occur when using HF transformers. A relatively high input voltage is required for circuits that do not use a transformer; the DC potential is not continuously at ground. When using thyristor inverters, the alternating current generated has relatively high distortion factors.
  • the invention has for its object to provide a light, low-loss inverter with a low distortion factor.
  • Fig. 1 shows the circuit diagram of such an inverter
  • FIG. 2 shows a switching pattern with which the semiconductor switches are switched depending on the profile of the AC voltage.
  • the circuit consists of a capacitor 34, which lies across the AC voltage inputs 12, 16.
  • a choke 8 is provided, one side of which is connected to the one DC voltage connection 12 via a first semiconductor 10 and the other side of which is connected to the other DC voltage input via a second semiconductor 14.
  • first series circuit which is formed from a first diode 18 and a third semiconductor 20
  • second series circuit which is made up a second diode 24 and a fourth semiconductor 26 is formed.
  • a fifth semiconductor 32 connects the center of the second series connection with one another. voltage input directly to the line connecting the other AC voltage output.
  • a - not shown - microcontroller switches the semiconductors 10, 14, 20, 26 and 32.
  • the first semiconductor 10 is only switched on and off several times during the positive half-wave of the sinusoidal mains voltage, and remains switched on during the negative half-wave.
  • the other semiconductor 14, on the other hand is constantly switched on and off, the ratio between the switch-on and switch-off times depending on the respective level of the mains voltage.
  • the third semiconductor 20 and the fifth semiconductor 32 are turned on during the positive half-wave and off during the negative half-wave. The reverse applies to the semiconductor 26.
  • the pulsed second semiconductor 14 applies a current to the inductor 8 during its conductive state, which current is taken from the DC voltage connections 12, 16 via the then closed semiconductor 10. Here, energy is stored in the throttle 8. If the second semiconductor 14 opens again, the energy stored in the choke 8 is fed to the AC voltage outputs via the first semiconductor 10 and the second series connection. This process is repeated in quick succession for the duration of the positive half-wave.
  • the energy stored in the inductor 8 during the negative half-wave after simultaneous blocking of the first and second semiconductors 10, 14 is obtained when the two semiconductors 14, 10 are simultaneously conducted via the first series circuit and the fourth semiconductor which is in series with the second diode 24 26 supplied to the AC voltage connections.
  • the pulse pattern is obtained from a control circuit in which the pulse duty factor (ON / OFF) is derived from an error amplifier, which is supplied with a setpoint (for example a sine function) and an actual value of the alternating voltage or alternating current generated.
  • the error amplifier then varies the pulse pattern supplied to the semiconductors 14, 10 accordingly.
  • the signal supplied to the other semiconductors 20, 26, 32 is correspondingly generated in the respective zero crossing on the AC voltage side.
  • the diodes 18, 24 can be replaced by controllable semiconductors, which are then suitably controlled by the microcontroller.
  • switching patterns with variable frequency such as occur in resonant converters, are also possible for the semiconductors 10 and 14.
  • the semiconductors 10 and 14 are either switched off or de-energized, which enables higher switching frequencies due to a lower loss line, and a reduced inductance 8. Small additional capacities or inductors enable this currentless or voltage-free switching.
  • the switching patterns for the semiconductors 10 and 14 differ in that the sum of the on and off times is no longer constant, i.e. the frequency of the pulse-modulated switching pattern is variable.

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  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Wechselrichter mit zwei Gleichspannungsanschlüssen und zwei Wechselspannungsanschlüssen und einer Mehrzahl von einem Mikrocontroller gesteuerten Halbleiterschaltern, mit einer Drossel (8), deren eine Seite über einen ersten Halbleiterschalter (10) mit dem einen Gleichspannungseingang (12) und deren andere Seite über einen zweiten Halbleiterschalter (14) mit dem anderen Gleichspannungseingang (16) verbunden ist, einer zwischen der einen Seite der Drossel (8) und dem einen Wechselspannungsausgang (22) liegenden, aus einer ersten Diode (18) und einem dritten Halbleiterschalter (20) gebildeten ersten Reihenschaltung, einer zwischen der anderen Seite der Drossel (8) und dem einen Wechselspannungsausgang (22) liegende, aus einer zweiten Diode (24) und einem vierten Halbleiterschalter (26) gebildeten zweiten Reihenschaltung, und einem den Mittelpunkt der zweiten Reihenschaltung mit einer den anderen Gleichspannungseingang (12) direkt mit dem anderen Wechselspannungsausgang (30) verbindende Leitung verbindenden fünften Halbleiterschalter (32), wobei der Mikrocontroller während der einen Halbwelle den ersten Halbleiterschalter (10) und den vierten Halbleiter (26) und während der andere Halbwelle den dritten Halbleiterschalter (14) und den fünften Halbleiterschalter (32) schließt, und der Mikrocontroller während der einen Halbwelle den zweiten Halbleiterschalter (14) gepulst schaltet und während der anderen Halbwelle den ersten und den zweiten Halbleiterschalter (10, 14) gepulst schaltet.

Description

Wechselrichter
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der US-Z.: C. M. Penalver, u. a. : Mikroprocessor Control of DC/AC Static Converters", in: IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No. 3, August 1985, S. 186 - 191 bekannt ist.
Aus der AT 381 813 B ist es bei einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer bipolaren Ausgangsspannung aus einer unipolaren Eingangsspannung bekannt, eine Drossel zu verwenden, deren eine Seite über einen ersten Halbleiter mit dem einen Gleichspannungseingang und deren andere Seite über einen zweiten Halbleiter mit dem anderen Gleichspannungseingang verbunden ist, wobei die Drossel entsprechend dem Ein-/Aus-Zyklus der zugeordneten Schalter Energie speichert.
Die bisher üblichen Wechselrichter haben folgende Nachteile: Bei Verwendung von 50 Hz-Transformatoren sind die Geräte schwer und voluminös. Bei Verwendung von HF- Transformatoren entstehen hohe Verluste. Bei den Schaltungen, die auf einen Transformator verzichten, wird eine relativ hohe Eingangsspannung benötigt, das Gleich- spannungspotential liegt nicht kontinuierlich auf Masse. Bei der Verwendung von Thyristorwechselrichtern ist der erzeugte Wechselstrom mit relativ hohen Klirrfaktoren behaftet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leichten, verlustarmen und mit einem geringen Klirrfaktor behafteten Wechselrichter zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung an.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 das Schaltbild eines solchen Wechselrichters, und
Fig. 2 ein Schaltmuster, mit dem die Halbleiterschalter in Abhängigkeit von dem Verlauf der Wechselspannung geschaltet werden.
Die Schaltung besteht aus einem Kondensator 34, der über den Wechselspannungseingängen 12, 16 liegt. Eine Drossel 8 ist vorgesehen, deren eine Seite über einen ersten Halbleiter 10 mit dem einen Gleichspannungsanschluß 12 und deren andere Seite über einen zweiten Halbleiter 14 mit dem anderen Gleichspannungseingang verbunden ist.
Zwischen der einen Seite der Drossel und dem einen Wechselspannungsausgang 22 liegt eine erste Reihenschaltung, die aus einer ersten Diode 18 und einem dritten Halbleiter 20 gebildet ist, zwischen der anderen Seite der Drossel 8 und dem einen Wechselspannungsausgang 22 liegt weiter eine zweite Reihenschaltung, die aus einer zweiten Diode 24 und einem vierten Halbleiter 26 gebildet ist.
Ein fünfter Halbleiter 32 verbindet den Mittelpunkt der zweiten Reihenschaltung mit einer den anderen Gleich- spannungseingang direkt mit dem anderen Wechselspannungsausgang verbindenden Leitung.
Ein - nicht gezeigter - Mikrocontroller schaltet die Halbleiter 10, 14, 20, 26 und 32. Der erste Halbleiter 10 wird nur während der positiven Halbwelle der sinusförmigen Netzspannung mehrfach ein- und ausgeschaltet, während der negativen Halbwelle bleibt er eingeschaltet. Der andere Halbleiter 14 wird dagegen ständig ein- und ausgeschaltet, wobei das Verhältnis zwischen den Ein- und Ausschaltzeiten von der jeweiligen Höhe der Netzspannung abhängig ist. Der dritte Halbleiter 20 und der fünfte Halbleiter 32 werden während der positiven Halbwelle ein- und während der negativen Halbwelle ausgeschaltet. Für den Halbleiter 26 gilt das Umgekehrte.
Der gepulst geschaltete zweite Halbleiter 14 beaufschlagt während seines leitenden Zustands die Drossel 8 mit einem Strom, der über den dann geschlossenen Halbleiter 10 den Gleichspannungsanschlüssen 12, 16 entnommen wird. Hierbei wird in der Drossel 8 Energie gespeichert. Öffnet nun der zweite Halbleiter 14 wieder, wird die in der Drossel 8 gespeicherte Energie über den ersten Halbleiter 10 und die zweite Reihenschaltung den Wechselspannungsausgängen zugeführt. Dieser Vorgang wiederholt sich in schneller Folge für die Dauer der positiven Halbwelle.
Die während der negativen Halbwelle in der Drossel 8 nach gleichzeitigem Sperren des ersten und des zweiten Halbleiter 10, 14 gespeicherte Energie wird bei gleichzeitigem Leiten der beiden Halbleiter 14, 10 über die erste Reihenschaltung und den in Reihe mit der zweiten Diode 24 liegenden leitenden vierten Halbleiter 26 den Wechselspannungsanschlüssen zugeführt. Das Pulsmuster wird aus einer Ansteuerschaltung gewonnen, in der das Tastverhältnis der Pulse (EIN/AUS) aus einem Fehlerverstärker abgeleitet wird, dem zum einen ein Sollwert (beispielsweise eine Sinusfunktion) und zum anderen ein Istwert der erzeugten Wechselspannung bzw. des Wechselstromes zugeführt wird. Der Fehlerverstärker variiert daraufhin entsprechend das den Halbleiter 14, 10 zugeführte Pulsmuster. Das den anderen Halbleiter 20, 26, 32 zugeführte Signal wird entsprechend im jeweiligen Nulldurchgang der Wechselspannungsseite erzeugt.
Bei Verwendung des Wechselrichters in einem Inselbetrieb können die Dioden 18, 24 durch steuerbare Halbleiter ersetzt werden, die dann von dem Mikrocontroller geeignet anzusteuern sind.
Alternativ zu dem in Fig. 2 dargestellten Schaltmuster sind für die Halbleiter 10 und 14 auch Schaltmuster mit variabler Frequenz möglich, wie sie in Resonanzwandlern vorkommen. Dabei werden die Halbleiter 10 und 14 entweder stromlos oder spannungslos geschaltet, was durch geringere Verlustleitung höhere Schaltfrequenzen ermöglicht, und eine verkleinerte Induktivität 8 erlaubt. Kleine zusätzlich Kapazitäten bzw. Induktivitäten ermöglichen dieses stromlose bzw. spannungslose Schalten.
Die Schaltmuster für die Halbleiter 10 und 14 unterscheiden sich dadurch, daß die Summe von Ein- und Ausschaltzeit nicht mehr konstant ist, d.h. die Frequenz des pulsmodulierten Schaltmusters variable ist.

Claims

ANSPRUCHE
1. Mikrocontroller-gesteuerter Einphasen-Wechsel- richter mit zwei Gleichspannungsanschlussen und zwei Wechselspannungsanschlüssen und einer Mehrzahl von von einem Mikrocontroller gesteuerten Halbleitern,
gekennzeichnet durch
eine Drossel (8), deren eine Seite über einen ersten Halbleiter (10) mit dem einen Gleichspannungseingang (12) und deren andere Seite über einen zweiten Halbleiter (14) mit dem anderen Gleichspannungseingang (16) verbunden ist,
eine zwischen der einen Seite der Drossel (8) und dem einen Wechselspannungsausgang (22) liegenden, aus einer ersten Diode (18) und einem dritten Halbleiter (20) gebildeten ersten Reihenschaltung,
eine zwischen der anderen Seite der Drossel (8) und dem einen Wechselspannungsausgang (22) liegende, aus einer zweiten Diode (24) und einem vierten Halbleiter (26) gebildeten zweiten Reihenschaltung, und
einen den Mittelpunkt der zweiten Reihenschaltung mit einer den anderen Gleichspannungseingang (12) direkt mit dem anderen Wechselspannungsausgang (30) verbindende Leitung verbindenden fünften Halbleiter (32),
wobei der Mikrocontroller während der einen Halbwelle den ersten Halbleiter (10) und den vierten Halbleiter (26) und während der andere Halbwelle den dritten Halbleiter (20) und den fünften Halbleiter (32) sperrt, und
der Mikrocontroller während der einen Halbwelle den zweiten Halbleiter (14) gepulst schaltet und während der anderen Halbwelle den ersten und den zweiten Halbleiter (10, 14) gepulst schaltet.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen über den Gleichspannungseingängen (12, 16) liegenden ersten Kondensator (34) .
3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2 , gekennzeichnet durch einen über den Wechselspannungsausgän- gen (30, 22) liegenden zweiten Kondensator (36) .
4. Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter mit parallelen Inversdioden versehen sind.
5. Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter (10, 14) mit einem Schaltmuster mit variabler Frequenz versehen sind.
PCT/DE1997/002334 1996-10-15 1997-10-13 Wechselrichter WO1998016994A1 (de)

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