Wechselrichter und korrespondierendes Verfahren zum Wechsel ^¬ richten einer Gleichspannung

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit mehreren Ersatz-Dreipolen, die jeweils einen Plusanschluss zur Verbindung mit dem Pluspol einer Gleichspannung und einen Minusan- schluss zur Verbindung mit dem Minuspol derselben Gleichspan- nung sowie einen Netzanschluss aufweisen, wobei jeweils zwi ^¬ schen einem der Netzanschlüsse und dem Plusanschluss einer ^¬ seits sowie dem Minusanschluss andererseits ein Zweig mit mindestens zwei zweipoligen, in Reihe geschalteten Subsyste ^¬ men vorliegt, die jeweils einen Speicherkondensator sowie ei- ne elektronische Schalteinrichtung aufweisen, mit der der Speicherkondensator zu- und wegschaltbar ist.

Die Erfindung betrifft außerdem ein korrespondierendes Ver ^¬ fahren zum Wechselrichten einer Gleichspannung.

Ein derartiger Wechselrichter ist in der DE 101 03 031 AI offenbart. Zur Wechselrichtung können hierbei die Speicherkondensatoren der Subsysteme eines Zweiges mittels der elektro ^¬ nischen Schalteinrichtungen zu- und abgeschaltet werden. Es besteht die Möglichkeit, den wirksamen Energieinhalt einer solchen Stromrichterschaltung gezielt zu steuern und Störungsfälle zu beherrschen. Weiterhin besteht der Vorteil der Redundanz und der modularen Erweiterbarkeit auf beliebige Reihenschaltzahlen .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter und ein korrespondierendes Verfahren zum Wechselrichten der oben genannten Art vorzuschlagen, so dass ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Die erste Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 ge ^¬ löst. Dabei ist die Spannungsaufteilung auf die in Reihe ge ^¬ schalteten Speicherkondensatoren der zweipoligen Subsysteme innerhalb jeden Zweiges unterschiedlich, so dass Spannungs ^¬ blöcke unterschiedlicher Höhe unabhängig voneinander zugleich oder zeitlich versetzt auf den betreffenden Netzanschluss aufschaltbar sind. Mindestens zwei der elektronischen Schalt- einrichtungen je Zweig sind unterschiedlich ausgeführt, wobei die unterschiedliche Ausführung den verschiedenen Anforderungen zum Schalten der Spannungsblöcke angepasst ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Wechselrichters besteht, wenn gemäß Anspruch 2 die elektronische Schalteinrichtung mit einem elektronischen Schalter ausgeführt ist, dessen Bauart dem erforderlichen Schaltfrequenzverhalten und/oder der

Schaltleistung für die zu schaltenden Spannungsblöcke angepasst ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 3 der elektronische Schalter ein GTO ist, da dieser für Anwendungen mit langsamen Schaltfrequenzen und hohen Schaltleistungen besonders geeignet ist.

Ist der Einsatz des elektronischen Schalters für mittlere Schaltfrequenzen und mittlere Schaltleistungen vorgesehen, so eignet sich, gemäß Anspruch 4, besonders ein IGBT als elektronischer Schalter.

Für schnellere Schalthandlungen ist es von Vorteil, wenn ge ^¬ mäß Anspruch 5 der elektronische Schalter ein MOSFET ist.

Ist ein sehr schnelles Schalten erforderlich, so ist es vor- teilhaft, wenn der elektronische Schalter gemäß Anspruch 6 ein HF MOSFET ist.

Die weitere ein Verfahren zum Wechselrichten betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst.

Dabei werden durch Zu- oder Wegschalten der in Reihe geschalteten Speicherkondensatoren mit der zugehörigen elektronischen Schalteinrichtung ein oder mehrere entsprechende Span- nungsblöcke auf den Netzanschluss geschaltet. Innerhalb jeden Zweiges werden mindestens zwei Speicherkondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität in Reihe geschaltet. Spannungsblö ^¬ cke unterschiedlicher Höhe werden unabhängig voneinander zugleich oder zeitlich versetzt auf den betreffenden Netzan- schluss aufgeschaltet . Mindestens 2 unterschiedlich ausge ^¬ führte elektronische Schalteinrichtungen werden je Zweig eingesetzt, wobei die unterschiedliche Ausführung den verschie ^¬ denen Anforderungen zum Schalten der Spannungsblöcke ange- passt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: FIG 1 eine Schaltung des erfindungsgemäßen Wechselrichters, FIG 2 eine erste Ausführungsform eines Subsystems des erfin ^¬ dungsgemäßen Wechselrichters nach FIG 1,

FIG 3 eine zweite Ausführungsform eines Subsystems des erfin ^¬ dungsgemäßen Wechselrichters nach FIG 1 und

FIG 4,5,6,7 die näherungsweise Nachbildung einer sinusförmigen Spannung unter Verwendung der Subsysteme des erfindungsgemäßen Wechselrichters.

FIG 1 zeigt eine Ausführungsform mit dem grundsätzlichen Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen Wechselrichters 1 mit mehreren Ersatz-Dreipolen 2. Die Ersatz-Dreipole 2 weisen jeweils einen Plusanschluss P zur Verbindung mit dem Pluspol einer Gleichspannung und einen Minusanschluss N zur Verbindung mit dem Minuspol der Gleichspannung sowie einen Netzan- schluss LI bzw. L2 und L3 auf. Jeweils zwischen einem der Netzanschlüsse L1,L2,L3 und dem Plusanschluss P einerseits sowie dem Minusanschluss N andererseits ist ein Zweig mit vier zweipoligen, in Reihe geschalteten Subsystemen 3a, 3b, 3c, 3d vorgesehen, die jeweils einen Speicherkondensator 4 sowie eine elektronische Schalteinrichtung 5 aufweisen, mit der der Speicherkondensator 4 zu- und abschaltbar ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind vier Subsysteme 3a, 3b, 3c, 3d je Zweig vorhanden. Innerhalb eines jeden Zweiges ist die Span- nungsaufteilung auf die in Reihe geschalteten mit ungleicher Kapazität ausgeführten Speicherkondensatoren 4 der zweipoligen Subsysteme 3a, 3b, 3c, 3d unterschiedlich. Somit können Spannungsblöcke unterschiedlicher Höhe unabhängig voneinander zugleich oder zeitlich versetzt auf den betreffenden Netzan- schluss L1,L2,L3 aufgeschaltet werden. Mindestens zwei der elektronischen Schalteinrichtungen 5 je Zweig sind unterschiedlich ausgeführt, wobei die unterschiedliche Ausführung den verschiedenen Anforderungen zum Schalten der Spannungs- blocke angepasst ist. Die Amplitude der Spannungsblöcke ent ^¬ spricht den Ladespannungen U _a , U _b , U _c und U _d der Speicherkondensatoren 4 in den Subsystemen 3a, 3b, 3c, 3d.

Die Figuren 2 und 3 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Subsystems 3a, 3b, 3c oder 3d, die in der DE 101 03 031 AI offenbart und näher erläutert sind. Hierbei liegen parallel zum Speicherkondensator 4 einerseits eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltern 6 und andererseits eine Reihenschal ^¬ tung aus zwei Dioden 7. Die Verbindungspunkte der beiden Halbleiterschalter 6 und der beiden Dioden 7 sind miteinander verbunden und dienen als einer der beiden Pole zum Anschluss des Subsystems 3a, 3b, 3c oder 3d.

Die FIG 4,5,6 und 7 zeigen die näherungsweise Nachbildung der positiven Halbwelle einer sinusförmigen Spannung mit der Frequenz von 50Hz unter Verwendung der Subsysteme 3a, 3b, 3c, 3d des erfindungsgemäßen Wechselrichters 1 durch Aufschaltung von Spannungsblöcken, z.B. auf den Netzanschluss LI. In FIG 4 ist unterhalb der positiven Halbwelle der Sinuskurve der mit dem Subsystem 3a aufgeschaltete Spannungsblock a mit einer Amplitude von nahezu 200V und einer Zeitdauer von mehr als 5ms dargestellt. Die durch die anderen Subsysteme 3b, 3c und 3d vorgenommene weitere AufSchaltung von Spannungsblöcken b,c und d mit kleinerer Amplitude und kürzerer Zeitdauer zur bes- seren Annäherung an die Sinushalbwelle ist den FIG 5, 6 und 7 zu entnehmen. Die unterschiedliche Amplitude und Zeitdauer der Spannungsblöcke a,b,c und d erfordert entsprechend unter ^¬ schiedliche Anforderungen an das Schaltverhalten der hierfür in den Subsystemen 3a, 3b, 3c, 3d eingesetzten Halbleiterschalter 6. Zum Einsatz im Subsystem 3a für langsame Schaltfrequenzen und hohe Schaltleistungen ist ein GTO(Gate Turn-Off Thyristor) besonders geeignet. Er taktet mit einer niedrigen Frequenz von 50Hz sehr verlustarm. In der nächsten Stufe, d.h. für das Subsystem 3b wird z.B. ein IGB ( Insulated-Gate Bipolar Transistor) verwendet, der für mittlere Schaltfre ^¬ quenzen und mittlere Schaltleistung gut geeignet ist. Das Subsystem 3c erfordert einen Halbleiterschalter 6 für schnel- lere Schalthandlungen und wird daher mit einem MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) realisiert. Für sehr schnelle Schalthandlungen, wie sie im Subsystem 3d auftreten, wird ein HF MOSFET (High Frequency Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) eingesetzt.

Somit ist die elektronische Schalteinrichtung 5 mit einem elektronischen Schalter 6 ausgeführt, dessen Bauart dem erforderlichen Schaltfrequenzverhalten und/oder der Schaltleistung für die zu schaltenden Spannungsblöcke angepasst ist. Durch entsprechenden Einsatz optimaler Halbleiterschalter können die Schaltverluste klein gehalten werden.

Abweichend von der oben beschriebenen Ausführungsform mit vier Subsystemen 3a, 3b, 3c, 3d, d.h. mit vier Stufen, ist eine beliebige Stufung möglich, um je nach Anforderung des Netzbetreibers die Sinuskurve nachzubilden. Durch höhere Stufung kann der Oberwellengehalt der Netzspannung verringert werden, was den erforderlichen Filteraufwand und die damit verbunde ^¬ nen Kosten reduziert. Dies wiederum hat zur Folge, dass auf- grund der kleineren Filterverluste der Wirkungsgrad des Wech ^¬ selrichters gesteigert werden kann.