Wechselrichterschaltung und Verfahren zum Betreiben der WechselrichterSchaltung

Besehreibung

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung, einen Primärkreis und einen Sekundärkreis umfassend, welche mittels eines Transformators galvanisch getrennt sind, wobei der Primärkreis Mittel zum getakteten Anschließen einer Primärwicklung an eine am Eingang der Wechselrichterschaltung anliegende Gleichspannung umfasst und wobei der Sekundärkreis Mittel zum Anschließen einer Sekundärwicklung an eine am Ausgang der Wechselrichterschaltung anliegende Wechselspannung umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Wechselrichterschaltung.

Nach dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Wechselrichterschaltungen mit unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten bekannt. Verwendet werden dabei verschiedene Grundtypen elektronsicher Wandler wie z.B.

Hochsetzsteller, Tiefsetzsteiler oder Hochtiefsetzsteiler und Kombinationen davon. Als Beispiel sei hier 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.

Unterschiedliche Wechselrichterschaltungen und deren elektronische Steuerungen sind beispielsweise auch aus US-Z.: CM. Penalver, u.a. „Microprocessor Control of DC/AC Static Converters"; IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No.3, August 1985, S.186 -191; bekannt.

Wechselrichterschaltungen werden beispielsweise in Photovoltaikanlagen dazu eingesetzt, den durch Photovoltaikzellen erzeugten Gleichstrom so umzuformen, dass

eine Einspeisung in öffentliche Wechselstromnetze möglich ist. Insbesondere in Photovoltaikanlagen sind

Wechselrichterschaltungen mit hohen Wirkungsgraden gefordert, um einen wirtschaftlichen Nutzung dieser alternativen Stromerzeugung zu ermöglichen. Zusätzlich sind verschiedene Auflagen der Stromnetzbetreiber und der Behörden zu erfüllen, beispielsweise die Einspeisung eines sinusförmigen Stromes oder die galvanische Trennung von Photovoltaikzellen und öffentlichem Netz.

In der Schrift: Heinz van der Broeck, „Interactive Inverter for Photovoltaic Applications", Institut für Automatisierungstechnik, Fachhochschule Köln, Köln (2006) sind verschiedene Wechselrichterschaltungen für den Einsatz in Photovoltaikanlagen angegeben. Nachteilig ist bei diesen Topologien jedoch die Anzahl der benötigten Bauteile, insbesondere der elektronischen Schalter, weil damit erhöhte Schaltverluste und Bauteilkosten verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine

Wechselrichterschaltung der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Wechselrichterschaltung, einen Primärkreis und einen

Sekundärkreis umfassend, welche mittels eines Transformators galvanisch getrennt sind, wobei der Primärkreis Mittel zum getakteten Anschließen einer Primärwicklung an eine am Eingang der Wechselrichterschaltung anliegende Gleichspannung umfasst und wobei der Sekundärkreis Mittel zum Anschließen einer Sekundärwicklung an eine am Ausgang der Wechselrichterschaltung anliegende Wechselspannung umfasst, und wobei des Weiteren der Primärkreis mit einer ersten Drossel an die Gleichspannung angeschlossen ist und wobei die Sekundärwicklung in Reihe mit einem ersten Kondensator über eine aus vier Schaltelementen gebildete Vollbrücke mit einer zweiten Drossel an die Wechselspannung angeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Wechselrichterschaltung ist für den Einsatz von Hochfrequenz-Transformatoren geringer Baugröße geeignet, wodurch ein kleiner und kostengünstiger Wechselrichter mit galvanischer Trennung realisierbar ist.

Durch eine flexible Ausgestaltung des Primärkreises und durch die Anordnung von nur vier Schaltern auf der Sekundärseite werden einerseits die Bauteilkosten gering gehalten und andererseits die Schaltverluste beschränkt. Das führt insgesamt zu einer besonders verlustarmen

Wechselrichterschaltung mit hohem Wirkungsgrad. Zudem ist durch die beiden Drosseln der Eingangs- und der Ausgangsrippel gering sowie die gesamte Wechselrichterschaltung beidseitig gegen Spannungsspitzen geschützt.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit zur bidirektionalen Energieübertragung. Damit können Beispielsweise Pufferschaltungen realisiert werden, wobei die Wechselrichteranordnung zwischen einer Batterie und einem Stromnetz angeordnet ist. Bei einem Energieüberschuss im Stromnetz wird dann die Batterie aus dem Netz aufgeladen, indem der Wechselrichter Energie von der eigentlichen Sekundärseite auf die eigentliche Primärseite überträgt.

Die bidirektionale Energieübertragung ermöglicht auch den Anschluss einer Photovoltaikanlage an ein Insel- Wechselstromnetz, in dem kapazitive und induktive Lasten Phasenverschiebungen zwischen Spannung und Strom bewirken. Die Blindleistung kann dann aus dem Netz in einen Speicherkondensator auf der Primärseite der Wechselrichterschaltung übertragen werden.

In einer vorteilhaften Anordnung ist die Vollbrücke auf einfache Art in der Weise angeordnet, dass ein erster

Wicklungsanschluss der Sekundärwicklung über ein erstes Schaltelement mit einem ersten Anschluss der zweiten Drossel

und über ein viertes Schaltelement mit einem Bezugspotential der Wechselspannung verbunden ist und dass ein zweiter Wicklungsanschluss der Sekundärwicklung in Reihe mit dem ersten Kondensator über ein zweites Schaltelement mit dem ersten Anschluss der zweiten Drossel und über ein drittes Schaltelement mit dem Bezugspotential der Wechselspannung verbunden ist.

Dabei sieht eine vorteilhafte Ausprägung der Erfindung vor, dass der Primärkreis ein fünftes Schaltelement und einen zweiten Kondensator umfasst, welche gemeinsam mit der ersten Drossel als Primärstufe eines Cuk-Wandlers angeordnet sind. Damit ist primärseitig nur ein Schaltelement erforderlich, wodurch eine einfache Steuerung der getakteten Schalter anwendbar ist. Zudem ist die Entmagnetisierung des Trafos nicht von der Toleranz der Steuersignalzeiten abhängig und durch die kapazitive Kopplung wird das Risiko der Sättigung durch Gleichströme ausgeschlossen. Des Weiteren ist durch die geringe Bauteilanzahl gegenüber Wechselrichtertopologien nach dem Stand der Technik eine Verringerung der Wechselrichterbaugröße gegeben.

In einer anderen vorteilhaften Ausprägung der Erfindung umfasst der Primärkreis eine geteilte Primärwicklung sowie ein fünftes und ein sechstes Schaltelement, welche gemeinsam mit der ersten Drossel als Primärstufe eines Gegentakt- Wandlers angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist kein Kondensator auf der Primärseite erforderlich. Auch hier wird keine Extrawicklung benötigt, um das Magnetfeld des Transformators zu entladen, da das Magnetfeld des Transformators in beide Richtungen genutzt wird.

Von Vorteil ist es zudem, wenn die Primärwicklung, die Sekundärwicklung und die Wicklung der ersten Drossel auf einem Transformatorkern angeordnet sind. Damit wird eine kompaktere Bauweise der Schaltung erreicht, die einerseits

Kosten spart und andererseits zu einer Reduktion der Baugröße des Wechselrichtergeräts führt.

In einer günstigen Ausprägung der Erfindung sind die Schaltelemente als Isolierschicht-Feldeffekttransistoren mit N-Kanal Sperrschicht ausgebildet. Die parasitären Dioden dieser elektronischen Schaltelemente reduzieren die benötigten Schaltvorgänge, da diese parasitären Dioden sekundärseitig unabhängig vom Schaltzustand als Gleichrichterelemente wirken.

Eine andere günstige Ausprägung sieht vor, die Schaltelemente als sogenannte Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) mit parallel dazu angeordneten Dioden auszubilden. Diese Schaltelemente weisen im eingeschalteten Zustand eine besonders geringe Abfallspannung auf und führen damit zu geringen Verlusten.

Günstig ist es auch, wenn eine zur Steuerung der Schaltelemente eingerichtete Steuerungseinheit vorgesehen ist, welche über Messanordnungen an die Gleichspannung und an die Wechselspannung angeschaltet und mit den Schaltelementen verbunden ist. Damit ist eine einfache Regelung der WechselrichterSchaltung realisierbar.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Wechselrichterschaltung sieht vor, dass während einer positiven Wechselspannungshalbwelle das erste Schaltelement ausgeschaltet und das zweite und vierte Schaltelement eingeschaltet werden und dass das dritte Schaltelement invers zum Takt des Primärkreises getaktet wird und dass des Weiteren während einer negativen Wechselspannungshalbwelle das vierte Schaltelement ausgeschaltet und das erste und dritte Schaltelement eingeschaltet werden und dass das zweite Schaltelement invers zum Takt des Primärkreises getaktet wird. Damit werden alle baulichen Vorteile der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung genutzt. Zudem ist

dieses Verfahren auf einfache Weise in einer Steuerungseinheit implementierbar .

Ein vorteilhaftes Verfahren sieht vor, dass bei einer positiven Wechselspannungshalbwelle und einem negativen Ausgangsstrom das dritte Schaltelement in der Weise pulsweitenmoduliert getaktet wird, dass jeder Ladezyklus des Transformators mit einem Einschalten des dritten Schaltelements beginnt und dass bei einer negativen Wechselspannungshalbwelle und einem positiven Ausgangsstrom das zweite Schaltelement in der Weise getaktet wird, dass jeder Ladezyklus des Transformators mit dem Einschalten des zweiten Schaltelements beginnt. Damit kann Energie aus dem Netz auf die eigentliche Primärseite übertragen werden. Andererseits ermöglicht dieses Verfahren die primärseitige Aufnahme von Blindleistung und somit den Einsatz der Wechselrichterschaltung in einem Insel-Wechselspannungsnetz.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Wechselrichterschaltung mit Cuk-Primärstufe und allgemeinen Schaltelementen Fig. 2 Wechselrichterschaltung mit Cuk-Primärstufe und N- Kanal Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (Sperrschicht MOSFETs)

Fig. 3 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit

Stromfluss während einer Einschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 4 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit

Stromfluss während einer Ausschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 5 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit Stromfluss während einer Einschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 6 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit

Stromfluss während einer Ausschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 7 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer

Einschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 8 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Ausschaltphase bei einer positiven Halbwelle Fig. 9 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Einschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 10 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 1 mit

Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Ausschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 11 Zeitlicher Verlauf der Spannung und Steuersignale bei Energiefluss in das Wechselspannungsnetz

Fig. 12 Zeitlicher Verlauf der Spannung und Steuersignale bei Zurückspeisung aus dem Wechselspannungsnetz Fig. 13 Zeitlicher Verlauf der Netzspannung, des Netzstromes und der Steuersignale bei Blindleistungsaufnahme mit induktiver Last im Inselbetrieb

Fig. 14 Zeitlicher Verlauf der Netzspannung, des Netzstromes und der Steuersignale bei Blindleistungsaufnahme mit kapazitiver Last im Inselbetrieb

Fig. 15 Wechselrichterschaltung mit potenzialgetrennter Gegentakt-Primärstufe und allgemeinen Schaltelementen

Fig. 16 Wechselrichterschaltung mit potenzialgetrennter Gegentakt-Primärstufe und N-Kanal Sperrschicht

MOSFETs

Fig. 17 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 15 mit Stromfluss während einer Einschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 18 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 15 mit Stromfluss während einer Ausschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 19 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 15 mit Stromfluss während einer Einschaltphase bei einer negativen Halbwelle Fig. 20 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 15 mit Stromfluss während einer Ausschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 21 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 15 mit

Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Einschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 22 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 15 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Ausschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 23 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 15 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer

Einschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 24 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 15 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Ausschaltphase bei einer negativen Halbwelle Fig. 25 Wechselrichterschaltung mit potenzialgetrennter Vollbrücken-Primärstufe und allgemeinen Schaltelementen

Fig. 26 Wechselrichterschaltung mit potenzialgetrennter

Vollbrücken-Primärstufe und N-Kanal Sperrschicht MOSFETs

Fig. 27 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 25 mit Stromfluss während einer Einschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 28 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 25 mit Stromfluss während einer Ausschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 29 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 25 mit Stromfluss während einer Einschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 30 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 25 mit Stromfluss während einer Ausschaltphase bei einer negativen Halbwelle Fig. 31 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 25 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Einschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 32 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 25 mit

Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Ausschaltphase bei einer positiven Halbwelle

Fig. 33 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 25 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer Einschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 34 Wechselrichterschaltung entsprechend Fig. 25 mit Stromfluss bei Zurückspeisung während einer

Ausschaltphase bei einer negativen Halbwelle

Fig. 35 Wechselrichterschaltung mit potenzialgetrennter Halbbrücken-Primärstufe und allgemeinen Schaltelementen

In Figur 1 ist eine Primärstufe eines Cuk-Wandlers mit einem Transformator T und einer als Vollbrücke ausgebildeten Sekundärstufe dargestellt. Die Sekundärstufe umfasst vier Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4, welche als Vollbrücke zusammengeschaltet sind. Die Vollbrücke verbindet eine am Transformator T in Reihe mit einem ersten Kondensator C _s angeordnete Sekundärwicklung N ₃ über eine zweite Drossel L ₃ und einen Ausgangskondensator C ₀ mit einer Wechselspannung UNETZ •

Die Primärstufe umfasst eine am Transformator T angeordnete Primärwicklung N _P , welche in Reihe mit einem zweiten Kondensator C _P und einer ersten Drossel L _P über einen Eingangskondensator C ₁ an eine Gleichspannung U _IN angeschlossen ist. Parallel zu der Reihenschaltung aus Primärwicklung N _P und zweitem Kondensator C _P ist ein fünftes Schaltelement S5 angeordnet.

Die Primär- und die Sekundärwicklung N _P , N ₃ sind dabei mit derselben Wicklungsrichtung am Transformator T angeordnet. Es kann auch beispielsweise ein dreischenkeliger

Transformatorkern verwendet werden, wobei die Primär- und die Sekundärwicklung N _P , N ₃ an den Außenschenkeln und die Wicklung der ersten Drossel L _P am Innenschenkel angeordnet sind.

Die in Figur 2 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht jener in Figur 1 mit dem Unterschied, dass die Schaltungselemente Sl, S2, S3, S4 und S5 als N-Kanal Sperrschicht MOSFETs ausgebildet sind. In der Primärstufe ist das als MOSFET ausgebildete fünfte Schaltelement S5 mit der parasitären Diode in der Weise angeordnet, dass der Sourceanschluss mit dem negativen Pol und der Drainanschluss über die erste Drossel L _P mit dem positiven Pol der Gleichspannung U _σN verbunden ist.

Sekundärseitig sind die als MOSFETs ausgebildeten Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4 der Vollbrücke in der Weise angeordnet, dass der Wicklungsanfang der Sekundärwicklung N ₃ mit den Sourceanschlüssen des ersten und des vierten

Schaltelements Sl und S4 der ersten Brückenhälfte verbunden ist und dass das Wicklungsende der Sekundärwicklung N. über den ersten Kondensator C ₃ mit den Drainanschlussen des zweiten und des dritten Schaltelementes S2 und S3 der zweiten Brückenhälfte verbunden ist. In dieser Beschaltung werden die parasitären Dioden der MOSFETs nur in der gewünschten Stromrichtung leitend. Dabei fließt der Strom in bestimmten

Phasen eines Schaltzyklus auch durch bestimmte abgeschaltete MOSFETs, womit sich die erforderlichen Schaltsignaländerungen reduzieren. Diese bestimmten MOSFETs müssen also während dieser Schaltzyklusphasen nicht extra eingeschaltet werden, um den gewünschten Stromfluss zu ermöglichen, da der Strom durch die parasitären Dioden fließt. Aufgrund der geringeren Abfallspannungen der eingeschalteten MOSFET-Schalter gegenüber den parasitären Dioden ist es jedoch vorteilhaft, die als MOSFET-Schalter ausgebildeten Schaltelemente immer entsprechend dem gewünschten Stromfluss zu schalten.

Alternativ dazu sind auch IGBTs mit parallel geschalteten schnellen Dioden einsetzbar. Diese schnellen Dioden weisen geringere Schaltverluste als die parasitären Dioden der MOSFETs auf und ersetzen beispielsweise die Schaltzyklen eines als IGBT ausgebildeten dritten Schaltelements S3 während der Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz (Fig. 3 und Fig. 4) . Auch ein als IGBT ausgebildetes zweites Schaltelement S2 bleibt dann während der Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz (Fig. 3 und Fig. 4) immer offen, wobei der Strom in der parallel geschalteten schnellen Diode fließt.

Den gewünschten Stromfluss und die entsprechenden Schaltzustände zeigen die Figuren 3 bis 10 für die in Figur 1 dargestellte Schaltung.

Die Figuren 3 bis 6 zeigen den Stromfluss bei Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz mit netzgeführtem Betrieb. Dabei liefert die Wechselrichterschaltung synchron zur Netz- Wechselspannung U _NETZ den von einer Stromquelle erzeugten Strom in das Wechselspannungsnetz. In Figur 3 ist die erste Schaltphase bei einer positiven Netzhalbwelle dargestellt. Das erste Schaltelement Sl der Vollbrücke ist während einer positiven Netzhalbwelle immer ausgeschaltet. Das zweite und das vierte Schaltelement S2 und S4 sind während einer positiven Netzhalbwelle immer eingeschaltet. Der erste Zyklus

beginnt mit dem Einschalten des fünften Schaltelements S5 in der Primärstufe und dem Ausschalten des dritten Schaltelementes S3 der Vollbrücke. Diese beiden Schaltelemente Sl und S3 werden in weiterer Folge pulsweitenmoduliert geschaltet, wobei die beiden

Schaltelemente Sl und S3 zueinander invers geschaltet werden.

Bei eingeschaltetem fünftem Schaltelement S5 fließt Strom vom positiven Pol der Gleichspannung U _IN durch die erste Drossel Lp über das fünfte Schaltelement S5 zum negativen Pol der Gleichspannung U _IN . In einem zweiten primärseitigen Stromkreis fließt Strom in der gleichen Richtung durch das fünfte Schaltelement S5 und durch die Primärwicklung N _P des Transformators T sowie den zweiten Kondensator C _P .

Sekundärseitig wird Strom in die Sekundärwicklung N ₃ induziert und fließt über den ersten Kondensator C _s , das zweite Schaltelement S2 und die zweite Drossel L ₃ in das angeschlossene Wechselspannungsnetz, wobei der Stromkreis über das vierte Schaltelement S4 der Vollbrücke geschlossen ist .

Figur 4 zeigt die nächste Phase, zu deren Beginn das fünfte Schaltelement S5 ausgeschaltet und das dritte Schaltelement S3 eingeschaltet wird. Dabei fließt weiter Strom vom positiven Pol der Gleichspannung U _σN durch die erste Drossel Lp und weiter (gegenüber der Einschaltphase in umgekehrter Richtung) über den zweiten Kondensator C _P durch die Primärwicklung N _P zum negativen Pol der Gleichspannung U _ϊN .

Sekundärseitig bildet sich mit dem eingeschalteten zweiten und dem eingeschalteten dritten Schaltelement S2, S3 ein Stromkreis, bei welchem die Stromflussrichtung durch die zweite Drossel L ₃ unverändert bleibt. Ein zweiter sekundärseitiger Stromkreis bildet sich durch das eingeschaltete dritte Schaltelement, den ersten Kondensator C ₃ , die Sekundärwicklung N ₃ sowie das eingeschaltete vierte

Schaltelement S4, wobei die Stromrichtung in der Sekundärwicklung N ₃ gegenüber der vorhergehenden Phase umgekehrt ist. Der Transformator T wird dabei für die nächste Einschaltphase entmagnetisiert.

In den Figuren 5 und 6 ist der Stromfluss während einer Einschalt- und einer Ausschaltphase bei einer negativen Netzspannungshalbwelle dargestellt. Hierbei sind das erste und das dritte Schaltelement Sl und S3 während der gesamten negativen Halbwelle eingeschaltet. Das vierte Schaltelement ist während der gesamten negativen Halbwelle ausgeschaltet und das zweite Schaltelement taktet invers zum fünften Schaltelement S5 der Primärstufe.

Der erste Zyklus beginnt mit dem Einschalten des fünften Schaltelements S5 und dem Ausschalten des zweiten Schaltelements S2. Der primärseitige Stromfluss entspricht dem in Figur 3 dargestellten. Sekundärseitig wird Strom in die Sekundärwicklung N ₅ induziert und fließt über den ersten Kondensator C _s und das dritte Schaltelement S3 in das

Wechselspannungsnetz, wobei sich der Stromkreis über die zweite Drossel L ₃ und das erste Schaltelement Sl schließt.

Die anschließende Ausschaltphase, in Figur 6 dargestellt, beginnt mit dem Ausschalten des fünften Schaltelements S5 und dem Einschalten des zweiten Schaltelements S2. Dabei entspricht der primärseitige Stromfluss dem in Figur 4 dargestellten. Sekundärseitig dreht sich wieder der Stromfluss in der Sekundärspule N ₅ um, wobei ein erster Stromkreis über das erste Schaltelement Sl, das zweite

Schaltelement S2 und den ersten Kondensator C _s verläuft. Ein zweiter Stromkreis verläuft in gleicher Richtung über das zweite Schaltelement S2, das dritte Schaltelement S3, das Wechselspannungsnetz und die zweite Drossel L ₃ . Während dieser Phase wird der Transformator T wieder für den nächsten Einschaltvorgang entmagnetisiert .

Durch die änderung des Verhältnisses zwischen Einschalt- und Ausschaltphase mittels Pulsweitenmodulation wird eine sinusförmige Einspeisung des Stromes erreicht, wobei die erste und die zweite Drossel L _P und L ₃ den eingangsseitigen und den ausgangsseitigen Stromrippel dämpfen.

Erfindungsgemäß ermöglicht die dargestellte Schaltung einen Energiefluss von der eigentlichen Sekundärseite zur eigentlichen Primärseite. Ein derart umgekehrter Energiefluss kann dann erforderlich sein, wenn z.B. primärseitig eine

Batterie angeordnet ist. Diese Batterie dient beispielsweise als Puffer für eine alternative Stromquelle und liefert in der Regel Strom in das Netz, kann mit einer erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung aber auch mit Energie aus dem Netz aufgeladen werden. In gleicher Weise ist es möglich,

Blindleistung aus dem Netz auf die Primärseite zu übertragen. Damit ist die Wechselrichterschaltung für den Anschluss von Stromquellen mit Pufferelementen (z.B. Batterie, Elektrolytkondensatoren) an ein Inselstromnetz einsetzbar. In Inselstromnetzen führen induktive und kapazitive Verbraucher zu einer nicht ausgleichbaren Blindleistung. Aber auch in öffentlichen Netzen kann durch die Rückspeisung von Blindleistung die Netzbelastung gesenkt werden, wenn die Rückspeisung in unmittelbarer Nähe zur Blindleistung verursachenden Last geschieht.

In den Figuren 7 bis 10 ist eine Energieübertragung aus einem sekundärseitig angeschlossenen Wechselspannungsnetz auf die eigentliche Primärseite dargestellt. Dabei sind, wie in den Figuren 7 und 8 dargestellt, während einer positiven

Netzhalbwelle das zweite Schaltelement S2 und das vierte Schaltelement S4 eingeschaltet und das erste Schaltelement Sl ausgeschaltet. Das dritte Schaltelement S3 der Vollbrücke taktet invers zum fünften Schaltelement S5 der Primärstufe.

Ein Zyklus beginnt mit dem Einschalten des dritten Schaltelements S3 und dem Ausschalten des fünften

Schaltelements S5. Sekundärseitig lädt sich die zweite Drossel L ₃ auf, wobei der Stromkreis über das zweite und dritte Schaltelement S2 und S3 geschlossen ist. Ein zweiter sekundärseitiger Stromkreis verläuft in gleicher Richtung über das dritte Schaltelement S3 und über das vierte

Schaltelement S4, die Sekundärwicklung N ₃ sowie den ersten Kondensator C ₃ . Primärseitig wird Strom in die Primärwicklung Np induziert und fließt vom Minuspol über den zweiten Kondensator C _P und die erste Spule L _P zum Pluspol der Gleichspannung U _σN .

Zu Beginn der in Figur 8 dargestellten Ausschaltphase wird das dritte Schaltelement S3 ausgeschaltet und das fünfte Schaltelement S5 eingeschaltet. Die Schaltzustände der restlichen Schaltelemente Sl, S2 und S4 bleiben unverändert. Hierbei fließt Strom aus dem Wechselspannungsnetz weiterhin durch die zweite Drossel L ₃ über das zweite Schaltelement S2 und weiter über den ersten Kondensator C ₃ , die Sekundärwicklung N ₃ und das vierte Schaltelement S4. Primärseitig dreht sich die Stromrichtung in der

Primärwicklung N _P um und über das fünfte Schaltelement S5 und den zweiten Kondensator C _P verläuft ein erster primärseitiger Stromkreis. In einem zweiten primärseitigen Stromkreis fließt Strom vom Minuspol über das fünfte Schaltelement durch die erste Drossel L _P zum Pluspol der Gleichspannung U _σN .

In den Figuren 9 und 10 ist die Zurückspeisung bei einer negativen Netzhalbwelle dargestellt. Dabei sind das erste und das dritte Schaltelement Sl und S3 eingeschaltet und das vierte Schaltelement S4 ausgeschaltet. Das zweite

Schaltelement S2 taktet invers zum fünften Schaltelement S5. Die in Figur 9 dargestellte Einschaltphase beginnt mit dem Einschalten des zweiten Schaltelements S2 und dem Ausschalten des fünften Schaltelements. Aus dem Stromnetz fließt Strom über das dritte Schaltelement S3 und das zweite Schaltelement S2 in die zweite Drossel L ₃ . In einem zweiten Stromkreis fließt Strom in derselben Richtung über das zweite

Schaltelement S2 weiter über das erste Schaltelement Sl in die Sekundärspule N ₃ und weiter über den ersten Kondensator C _s • Auf der eigentlichen Primärseite entspricht der Stromfluss dem in Figur 7 dargestellten.

Die in Figur 10 dargestellte Ausschaltphase beginnt mit dem Ausschalten des zweiten Schaltelements S2 und dem Einschalten des fünften Schaltelements S5. Es fließt weiter Strom durch die zweite Drossel L ₃ aus dem Stromnetz über das dritte Schaltelement S3, den ersten Kondensator C _s , die

Sekundärspule N ₃ und das erste Schaltelement Sl. Der Stromfluss auf der eigentlichen Primärseite entspricht dem in Figur 8 dargestellten. Während dieser Phase wird der Transformator T wieder für die nächste Einschaltphase entmagnetisiert. Der ersten und der zweite Kondensator C _s und Cp stellen dabei sicher, dass der Kern des Transformators T nicht durch Gleichstromanteile gesättigt wird.

Die Figuren 11 bis 14 zeigen den zeitlichen Verlauf einer positiven und einer negativen Spannungshalbwelle mit unterschiedlichen Stromflüssen entsprechenden Schaltzuständen der Schaltelemente Sl, S2, S3, S4 und S5.

Der zeitliche Verlauf bei einer Einspeisung in ein sekundärseitig angeschlossenes öffentliches

Wechselspannungsnetz zeigt die Figur 11. Wie auch in den Figuren 3 bis 6 dargestellt liegt während einer positiven Netzspannungshalbwelle ein Einschaltsignal am zweiten und vierten Schaltelement S2 und S4 an. Das erste Schaltelement Sl bleibt ausgeschaltet. Während einer negativen

Netzspannungshalbwelle werden das erste und das dritte Schaltelement Sl und S3 mit einem Einschaltsignal beaufschlagt und das vierte Schaltelement S4 bleibt ausgeschaltet. über die gesamte Sinuswelle ist damit das erste Schaltelement Sl mit einem Schaltsignal beaufschlagt, welches invers zum Schaltsignal des vierten Schaltelements S4 ist .

Während der positiven Halbwelle beginnt ein Schaltzyklus mit dem Einschalten des fünften Schaltelements S5 und dem Ausschalten des dritten Schaltelements S3. Mit steigender Netzspannung werden die Einschaltzeiten des fünften

Schaltelements S5 im Verhältnis zu den Ausschaltzeiten entsprechend einer Pulsweitenmodulation länger. Das Schaltsignal für das dritte Schaltelement S3 ist dabei invers zum Schaltsignal für das fünfte Schaltelement.

Während der negativen Halbwelle taktet das fünfte Schaltelement S5 in der gleichen Weise. Anstelle des dritten Schaltelements S3 taktet dabei jedoch das zweite Schaltelement S2 invers dazu.

In Figur 12 ist der zeitliche Verlauf bei einer Zurückspeisung aus einem öffentlichen Wechselspannungsnetz dargestellt. Das erste und das vierte Schaltelement Sl und S4 sind wie zuvor während der gesamten Sinuswelle mit zueinander inversen Schaltsignalen beaufschlagt. Dabei ist das erste

Schaltelement Sl während einer positiven Spannungshalbwelle ausgeschaltet und das vierte Schaltelement S4 ist ebenso wie das zweite Schaltelement S2 eingeschaltet. Das dritte Schaltelement S3 taktet invers zum fünften Schaltelement S5, wobei ein Schaltzyklus mit dem Einschalten des dritten

Schaltelements S3 beginnt. Mit steigender Netzspannung wird die Einschaltzeit des dritten Schaltelements im Verhältnis zur Ausschaltzeit entsprechend einer Pulsweitenmodulation kürzer. Die Einschaltzeit des fünften Schaltelements S5 ist demnach bei der maximalen Netzspannung am längsten.

Während einer negativen Netzspannungshalbwelle taktet das fünfte Schaltelement S5 in der gleichen Weise wie während der positiven Netzspannungshalbwelle. Wie bei der Einspeisung in das Netz taktet dabei anstelle des dritten Schaltelements S3 das zweite Schaltelement S2 invers dazu. Die Umkehrung der Energieübertragung bei Zurückspeisung aus dem Netz wird

demnach durch die umgekehrte Einschaltfolge der zueinander invers taktenden Schaltelemente S5 und S3 bzw. S2 bei jedem Schaltzyklus bewirkt. Dabei sind die Verhältnisse der Einschaltzeiten zu den Ausschaltzeiten entsprechend der Spannungshöhe unterschiedlich.

Wird die erfindungsgemäße Wechselrichterschaltung in einem Inselnetz betrieben, dann läuft der Netzstrom der Netzspannung in der Regel voraus oder hinterher, abhängig von den kapazitiven und induktiven Eigenschaften der angeschlossen Lasten.

In Figur 13 ist der zeitliche Verlauf mit einer induktiven Last im Inselbetrieb dargestellt, der Netzstrom läuft der Netzspannung demnach hinterher. Dabei ergibt sich ein

Mischbetrieb zwischen Einspeisung (Abschnitte b und d) in das Stromnetz und Zurückspeisung (Abschnitte a und c) von Blindenergie aus dem Stromnetz. Während einer Spannungshalbwelle gibt es sowohl negative als auch positive Stromverläufe. Dementsprechend sind die in der Figur 13 dargestellten Schaltzyklen der taktenden Schaltelemente S5 und S3 bzw. S2 davon abhängig, ob beispielsweise während einer positiven Spannungshalbwelle ein positiver Netzstrom (Einspeisung, Abschnitt b) oder ein negativer Netzstrom (Zurückspeisung, Abschnitt a) fließt. Dabei ergibt sich die zu übertragende Energie als das Produkt aus Netzspannung und Netzstrom und daraus wiederum die Pulsweitenmodulation der Steuersignale .

Die Schaltzustände des ersten Schaltelements Sl und des vierten Schaltelements S4 entsprechen denen in Figur 11 dargestellten. Während einer positiven Halbwelle taktet das dritte Schaltelement S3 und während einer negativen Halbewelle das zweite Schaltelement S2 invers zum fünften Schaltelement S5. Wenn dabei die Vorzeichen des Netzstromes und der Netzspannung gleich sind (Abschnitte b und d) , beginnt ein Schaltzyklus mit dem Einschalten des fünften

IS

Schaltelements S5 (Einspeisung) . Bei unterschiedlichen Vorzeichen hingegen beginnt ein Schaltzyklus mit dem Einschalten des dritten Schaltelements S3 während einer positiven Spannungshalbwelle (Abschnitt a) und mit dem Einschalten des zweiten Schaltelements S2 während einer negativen Spannungshalbwelle (Abschnitt c) .

In Figur 14 sind die zeitlichen Verläufe bei einem Inselbetrieb mit kapazitiver Last dargestellt. Dabei läuft der Netzstrom der Netzspannung voraus. Gegenüber den in Figur 13 dargestellten Schaltsignalverläufen ändern sich damit die Verhältnisse der Einschaltzeiten zu den Ausschaltzeiten der taktenden Schaltelemente S5, S3 bzw. S2.

In den nachfolgenden Figuren 15 bis 35 sind weiter Beispiele für erfindungsgemäße Wechselrichterschaltungen dargestellt. Dabei zeigt die Figur 15 eine Schaltung, deren Sekundärseite jener in Figur 1 dargestellten entspricht. Primärseitig ist die Primärstufe eines Cuk-Wandlers durch die Primärstufe eines Gegentaktwandlers ersetzt. Damit entfällt der zweite

Kondensator und die Primärwicklung N _P ist geteilt ausgeführt, wobei jeder Teil der Primärwicklung N _P mit einem eigen Schaltelement S5 und S6 an die Gleichspannung U _σN geschaltet wird. Die Primärstufe ist wieder über eine erste Drossel L _P an die Gleichspannung U _σN angeschlossen, wodurch wie bei der Cuk-Primärstufe ein geringer Rippel bewirkt wird. Zur Entmagnetisierung des Transformatorkerns ist darauf zu achten, dass die Einschaltzeiten der beiden primärseitigen Schaltelemente S5 und S6 genau aufeinander abgestimmt sind.

Figur 16 zeigt die in Figur 15 dargestellte Schaltung, wobei die Schaltelemente als N-Kanal Sperrschicht MOSFETs ausgebildet sind. Die Anordnung der Source- und Drainanschlüsse entspricht dabei sekundärseitig der in Figur 2 dargestellten. Auf der Primärseite sind die

Sourceanschlüsse der beiden Schaltelemente S5 und S6 mit dem negativen Pol der Gleichspannung U _IN verbunden.

In den Figuren 17 und 18 sind die Einschaltphase und die Ausschaltphase während einer positiven Netzspannungshalbwelle bei Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz dargestellt. Die Schaltzustände der sekundärseitigen Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4 entsprechen dabei jenen in den Figuren 3 und 4 dargestellten. Die Einschaltphase beginnt mit dem Einschalten des fünften Schaltelements S5 in der Primärstufe (Fig. 17). Dabei fließt Strom vom positiven Pol der Gleichspannung U _IN über die erste Drossel L _P und vom Wicklungsende zum

Wicklungsanfang des ersten Teils der Primärwicklung N _P über das fünfte Schaltelement S5 zum negativen Pol der Gleichspannung U _IN . ES wird Energie über den Transformator T auf die Sekundärseite übertragen und in das angeschlossene Netz eingespeist.

Die Ausschalphase (Fig. 18) beginnt damit, dass das fünfte Schaltelement S5 ausschaltet und das sechste Schaltelement S6 sowie das dritte Schaltelement S3 einschaltet. Der primärseitige Strom fließt somit weiterhin durch die erste Drossel L _P und vom Wicklungsanfang zum Wicklungsende des zweiten Teils der Primärwicklung N _P über das sechste Schaltelement S6 zum negativen Pol der Gleichspannung U _ϊN .

In den Figuren 19 und 20 sind die Einschaltphase und die

Ausschaltphase bei Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz während einer negativen Netzspannungshalbwelle dargestellt. Die Schaltzustände der Schaltelemente Sl, S2, S3 und S4 und die Stromflüsse auf der Sekundärseite entsprechen jenen in den Figuren 5 und 6 dargestellten. Die Einschaltphase (Fig.

19) beginnt mit dem Einschalten des fünften Schaltelements S5 und dem Ausschalten des sechsten und des zweiten Schaltelements S6 und S2. Primärseitig entspricht der Stromfluss damit dem in Figur 17 dargestelltem. Der Ausschaltvorgang (Fig. 20) beginnt wieder mit dem Umschalten der primärseitigen Schaltelemente S5 und S6 und dem Einschalten des zweiten Schaltelements S2.

Die Figuren 21 und 22 zeigen die Einschaltphase und die Ausschaltphase bei Zurückspeisung aus einem

Wechselspannungsnetz auf die eigentliche Primärseite während einer positiven Spannungshalbwelle. Die Schaltvorgänge und Stromflüsse sind identisch mit jenen in den Figuren 7 und 8 dargestellten. Dabei beginnt eine Einschaltphase mit dem Einschalten des dritten Schaltelements S3 sowie dem Umschalten vom fünften aus das sechste Schaltelement S6. Primärseitig wird Strom in den zweiten Teil der

Primärwicklung N _P induziert und fließt durch die erste Drossel L _P zum positiven Pol der Gleichspannung U _σN . Der Stromkreis schließt sich dabei über das eingeschaltete sechste Schaltelement S6.

Zu Beginn der Ausschaltphase (Fig. 22) schaltet das dritte Schaltelement S3 aus und primärseitig wird vom sechsten auf das fünfte Schaltelemente S5 umgeschaltet. Damit fließt weiter Strom durch die erste Drossel L _P zum positiven Pol der Gleichspannung und der Transistor T wird entmagnetisiert.

In den Figuren 23 und 24 sind die Einschaltphase und die Ausschaltphase bei Zurückspeisung aus einem Wechselspannungsnetz auf die eigentliche Primärseite während einer negativen Spannungshalbwelle dargestellt. Dabei entsprechen die Schaltzustände und der Stromflüsse auf der Primärseite denen in den Figur 21 und 22 dargestellten. Die Schaltungszustände der Sekundärseite sind mit jenen in den Figuren 9 und 10 identisch.

In Figur 25 ist eine beispielhafte Wechselrichterschaltung mit unveränderter Sekundärseite dargestellt. Primärseitig ist eine Vollbrückenstufe angeordnet. In Figur 26 sind die Schaltelemente als N-Kanal Sperrschicht MOSFETs ausgebildet, wobei primärseitig die Sourceanschlüsse mit dem negativen und die Drainanschlüsse mit dem positiven Pol der Gleichspannung U _IN verbunden sind. Der Anschluss an die Gleichspannung U _IN

erfolgt wieder über eine erste Drossel L _P , um die Schaltung gegen Spannungsspitzen zu schützen und den Rippel gering zu halten .

In den Figuren 27 bis 34 ist diese Wechselrichterschaltung gemäß Figur 25 mit unterschiedlichen Schaltzuständen und Stromflüssen bei Einspeisung während einer positiven und einer negativen Halbwelle sowie bei Zurückspeisung während einer positiven und einer negativen Halbwelle dargestellt. Die Schaltzustände und Stromflüsse auf der Sekundärseite entsprechen dabei jenen in den Figuren 3 bis 10 bzw. 17 bis 24.

Primärseitig ist eine Primärwicklung N _P angeordnet, wobei die in den Figuren 27 bis 34 dargestellten Stromflussrichtungen durch diese Primärwicklung N _P den in den Figuren 3 bis 10 dargestellten entsprechen. Die Schaltelemente S5, S6, S7 und S8 der primärseitigen Vollbrücke sind in der entsprechenden Weise geschaltet.

In der Figur 35 ist eine Wechselrichterschaltung mit einer primärseitigen Halbbrücke anstelle der in Figur 25 dargestellten Vollbrücke dargestellt. Das fünfte und das achte Schaltelement S5 und S8 der Vollbrücke sind dabei durch zwei Kondensatoren Cl und C2 ersetzt. Die erwünschte

Stromflussrichtung durch die Primärwicklung N _P wird durch das Umschalten der beiden Schaltelemente S6 und S7 bewirkt, wobei aufgrund der am positiven Pol der Gleichspannung angeordneten ersten Drossel L _P keine Pause während des Umschaltvorganges notwendig ist.