ZELLER, Peter, Kilian (Mahdachstrasse 22, Reutlingen-Ohmenhausen, 72770, DE)
| Patentansprüche
1. Elektrischer Wandlerschaltkreis (20) zur Wechselumrichtung von elektrischen Leistungsgrößen, insbesondere für einen elektrischen Stromerzeuger (10), mit einer Gleichrichtungsschaltung (24, 3) , die mit dem elektrischen Ausgang (16) eines elektrischen Generators (14) verbindbar ist, einem Zwischenkreis (24, 4), der eingangsseitig mit der Gleichrichtungsschaltung (24, 3) verbunden ist und der ausgangsseitig mit einer Wechselrichterschaltung (26, 5) zur Erzeugung einer Wechselspannung (UAN) verbunden ist, wobei der Zwischenkreis (24, 4) eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern (4-1, 4-4) und eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren (4-5, 4-2) aufweist, wobei die Reihenschaltungen über Fängerdioden (4-6, 4-3) miteinander verbunden sind und wobei die Schalter (4-1, 4-4) und die Kondensatoren (4-5, 4-2) in einem ersten Mittenabgriff (44) miteinander verbunden sind, und mit einer Steuereinrichtung (30, 32, 34) zur unabhängigen Steuerung der Schalter (4-1, 4-4) und zur Steuerung der Wechselrichterschaltung (26, 5),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wechselrichterschaltung (26, 5) wenigstens eine mit dem Zwischenkreis (24, 3) verbundene Halbbrückenschaltung (49) mit einem zweiten Mittenabgriff (50) aufweist, wobei die von der Wechselrichterschaltung (26, 5) erzeugte Wechselspannung (UAN) aus den Potentialen an dem ersten und an dem zweiten Mittenabgriff (44, 50) abgeleitet ist.
2. Wandlerschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (26, 5a) wenigstens zwei Halbbrückenschaltungen (49A, 49B; 49A", 49B", 49C") aufweist und an ihrem Ausgang eine entsprechende Anzahl von Wechselspannungen (UAN, UBN; U AN-, UBN-, UCN ) bereitstellt.
3. Wandlerschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (34'; 34") dazu ausgelegt ist, die Halbbrückenschaltungen (49A, 49B; 49A", 49B", 49C") entweder gleich- oder phasenversetzt anzusteuern, so dass die bereitgestellten Wechselspannungen (UAN, UBN; UAN", IW', UCN") gleichphasig oder phasenversetzt zueinander sind.
4. Wandlerschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (26, 5a) zwei Halbbrückenschaltungen (49A, 49B) aufweist und an ihrem Ausgang zwei Wechselspannungen (UAN, UBN) bereitstellt, die je nach Ansteuerung der Halbbrückenschaltungen (49 A, 49B) gleich- oder gegenphasig sind.
5. Wandler Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (26, 5a) drei Halbbrückenschaltungen (49A, 49B) aufweist und an ihrem Ausgang drei Wechselspannungen (UAN, UBN) bereitstellt, die drehstromartig phasenversetzt zueinander sein können.
6. Wandlerschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ausgang der Wechselrichterschaltung (26, 5) unterschiedliche kodierte Steckdosen (36) zum Anschließen von elektrischen Lasten (28) verbindbar sind, die jeweils mit der Steuereinrichtung (30, 32, 34) verbindbar sind, so dass die Steuereinrichtung (30, 32, 34) je nach mit dem Ausgang verbundener Steckdose (36) an dem ersten und dem zweiten Mittenabgriff ( 49, 50) geeignete Potentiale erzeugt.
7. Verfahren zum Ansteuern eines Wandlerschaltkreises nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei die Steuereinrichtung (30, 32, 34) die zwei Schalter (4-1, 4-4) in einem Lastbetrieb beide öffnet, wenn sich die Spannungen über den Kondensatoren (4-5, 4-2) durch direkte Speisung aus einem den Wandlerschaltkreis treibenden Generators bereits in einem gewünschten Spannungsbereich befinden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30, 32, 34) einen Schalter (4-1, 4-4) schließt, wenn die über dem jeweils hierzu parallelen Kondensator (4-5, 4-2) anliegende Spannung einen Maximalwert überschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30, 32, 34) die zwei Schalter (4-1, 4-4) abwechselnd öffnet und schließt, um die über den Kondensatoren (4-2, 4-5) anliegende Spannung zu erhöhen, wenn die durch die Drehzahl eines den Wandlerschaltkreis (20) treibenden Generators (14) hervorgerufene Klemmenspannung kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30, 32, 34) beide oder jeweils einen Schalter (4-1, 4-4) kurzzeitig hochfrequent taktet und unter Einbeziehung der Streureaktanz eines den Wandlerschaltkreis (20) treibenden Generators hierdurch die über beiden oder jeweils einem Kondensator anliegende Spannung erhöht.
11. Stromerzeuger mit einem Antriebsmotor (12), einem elektrischen Generator (14) und einem elektrischen Wandlerschaltkreis (20) nach einem der Ansprüche 1 - 6. |
Wandlerschaltkreis zur Wechselumrichtung elektrischer Leistungsgrößen. Verfahren zum Ansteuern eines Wandlerschaltkreises und Stromerzeuger
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Wandlerschaltkreis zur Wechselumrichtung von elektrischen Leistungsgrößen, insbesondere zum Gebrauch in einem elektrischen Stromerzeuger, mit einer Gleichrichtungsschaltung, die mit dem elektrischen Ausgang eines elektrischen Generators verbindbar ist, einem Zwischenkreis, der eingangsseitig mit der Gleichrichtungsschaltung verbunden ist und der ausgangsseitig mit einer Wechselrichterschaltung zur Erzeugung einer Wechselspannung verbunden ist, wobei der Zwischenkreis eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern und eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren aufweist, wobei die Reihenschaltungen über Fängerdioden miteinander verbunden sind, wobei die Schalter und die Kondensatoren in einem ersten Mittenabgriff miteinander verbunden sind, und mit einer Steuereinrichtung zur unabhängigen Steuerung der Schalter und zur Steuerung der Wechselrichterschaltung.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Wandlerschaltkreises sowie einen Stromerzeuger mit einem Antriebsmotor, beispielsweise in Form eines Verbrennungsmotors, mit einem elektrischen Generator und einem elektrischen Wandlerschaltkreis der eingangs genannten Art.
Ein Teil der Eingangsgleichrichterschaltung des elektrischen Wandlerschaltkreises ist bekannt aus dem Dokument WO 02/09267.
Zur portablen und mobilen Stromerzeugung sind sogenannte elektrische Netzersatz- Stromerzeuger (Gen-Sets) bekannt. Die Stromerzeuger weisen typischerweise einen Antriebsmotor wie einen Verbrennungsmotor (Benzin oder Diesel) sowie einen hiermit verbundenen elektrischen Generator auf. Man unterscheidet zwischen sogenannten konventionellen Stromerzeugern, bei denen die elektrische Leistung direkt aus dem Generator abgegriffen wird und keine weitere Umrichtung erfolgt, und sogenannten Inverter-Stromerzeugern (VSCF), bei denen zunächst eine Gleichrichtung der Wechselgrößen aus dem Generator und anschließend eine Umrichtung bzw. Wechselrichtung der Gleichgrößen in entsprechende Wechselgrößen erfolgt. Die Inverter-Stromerzeuger haben den Vorteil, dass die Bereitstellung von nahezu beliebigen Ausgangsspannungen und -frequenzen sowie Netzformen realisierbar ist.
Ein Inverter-Stromerzeuger ist aus dem Dokument EP 1 187 305 A2 bekannt. Der Wandlerschaltkreis weist eine halbgesteuerte sechs-pulsige Brückenschaltung auf, mit der eine konstante Ausgangsgleichspannung erzeugt werden kann. Diese Zwischen- kreisspannung kann über eine nachgeschaltete Vollbrücke in eine Wechselgröße umgewandelt und mittels Ausgangsfilter (LC-Filter) geglättet werden.
Ferner ist aus dem Dokument WO 06/035612 A ein Inverter-Stromerzeuger bekannt, bei dem eine vom Generator gelieferte Wechselspannung zunächst gleichgerichtet und anschließend über einen Hochsetzsteller hochgesetzt wird, um eine konstante Zwischenkreisspannung zu erzeugen. Wiederum wird eine Vollbrücke zur Erzeugung einer Wechselgröße verwendet. Weitere, parallel hierzu angeschlossene Schalter
dienen dazu, einen belastbaren Mittelpunkt zu erzeugen. Mittels der Ausgänge der Vollbrücke können gegen den belastbaren Mittelpunkt, (der zudem durch eine Spule gestützt wird) zwei Ausgangsspannungen bereitgestellt werden, die entweder jeweils alleine oder in Summe von einer Last abgreifbar sind.
Der hierzu erforderliche Halbleiteraufwand ist jedoch erheblich.
Aus dem eingangs genannten Dokument WO 02/09267 Al ist ein Verfahren zur Konstantstromerzeugung mittels einer Rotationsenergiequelle (Verbrennungsmotor), eines Generators sowie eines Steuerschaltkreises bekannt. Der Generator ist zur Konstantstromerzeugung ausgelegt. Der Steuerschaltkreis weist einen Zwischenkreis auf, der eingangsseitig mit einer ungeregelten Gleichrichtungsschaltung verbunden ist und der ausgangsseitig mit einer Abtaktanordnung verbunden ist. Der Zwischenkreis weist eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern und eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren auf, wobei die Reihenschaltungen über Fängerdioden miteinander verbunden sind. Die Schalter und die Kondensatoren sind in einem ersten Mittenabgriff miteinander verbunden. Die Schalter sind getrennt voneinander ansteuer- und schließbar, so dass in einem weiten Bereich voneinander unabhängige einstellbare Spannungen zwischen dem ersten Mittenabgriff zu den jeweiligen Parallelklemmen aufgebaut werden können.
Es ist offenbart, dass der Generator dann, falls er zuviel Strom erzeugt, kurzgeschlossen werden kann. Ferner ist offenbart, dass beide Kondensatoren geladen werden, wenn die beiden Schalter offen sind. Die Schalter können als IGBTs ausgebildet sein. Falls nur ein Schalter offen ist, wird der schräg gegenüberliegende Kondensator geladen. So kann bei durch niedrige Generatordrehzahlen verursachte niedrige Generatorklemmenspannung das „Strompumpen" über die Kondensatoren zu einer gewünschten Endspannung führen.
Vor dem obigen Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Wandlerschaltkreis anzugeben, der gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist,
und insbesondere für die Belastung durch die nachfolgende Wechselrichterschaltung mit relativ klein dimensionierten Kondensatoren ausgestattet werden kann.
Diese Aufgabe wird bei dem elektrischen Wandlerschaltkreis, der eingangs genannt wurde, dadurch gelöst, dass die Wechselrichterschaltung wenigstens eine mit dem Zwischenkreis verbundene Halbbrückenschaltung mit einem zweiten Mittenabgriff aufweist, wobei die von der Wechselrichterschaltung erzeugte Wechselspannung aus den Potentialean dem ersten und an dem zweiten Mittenabgriff abgeleitet ist.
Bei dieser Ausführungsform wird durch die Verbindung von Zwischenkreis und Wechselrichterschaltung ein belastbarer Mittelpunkt in Form des ersten Mittenabgriffes geschaffen, der höher belastbar ist als bei herkömmlichen Halbbrückenschaltungen.
Der niederfrequente Laststrom wird über den Generator geführt, lediglich hochfrequente Laststromanteile werden über die Kondensatoren geführtFerner ermöglicht der belastbare Mittenabgriff insbesondere, mehrere Halbbrücken parallel zu schalten und diese z. B. im Parallelmodus zu betreiben. Da die niederfrequenten Lastströme hierbei wiederum über den Generator geführt werden, müssen die verwendeten Kondensatoren nur den hochfrequenten Laststromanteil führen, d.h. auch bei einem Parallelbetrieb müssen die Kondensatoren nicht größer dimensioniert werden.
Ferner ist der erste Mittenabgriff nicht über eine Drossel zu stützen, wie es bei dem Wandlerschaltkreis der WO 2006/035612 A erforderlich ist.
Die zwei Schalter des Zwischenkreises ermöglichen eine aktive Symmetrierung der über den Kondensatoren anliegenden Spannungen, wie es auch in dem Dokument WO 02/09267 offenbart ist. Erfindungsgemäß wird jedoch anstelle der an den Zwischenkreis üblicherweise angeschlossenen Vollbrücke nur eine Halbbrückenschaltung vorgesehen, um eine Wechselspannung zwischen einem zweiten Mittenabgriff dieser Halbbrückenschaltung und dem ersten Mittenabgriff bereitzustellen.
Vorzugsweise ist ferner die Gleichrichtungsschaltung eine ungeregelte, d.h. ungepuls- te Gleichrichtungsschaltung, und der Generator ist vorzugsweise bereits konstruktiv dazu ausgelegt, einen möglichst konstanten Strom am Ausgang der nachgeschalteten ungepulsten Gleichrichtungsschaltung zu liefern.
Ein mit dem elektrischen Wandlerschaltkreis ausgestatteter Stromerzeuger kann insbesondere ein mobiler Stromerzeuger, insbesondere in Form eines von einer Person tragbaren Stromerzeugers sein. Der Wandlerschaltkreis lässt sich jedoch auch für andere Stromerzeuger verwenden, insbesondere für halbmobile Stromerzeuger für den professionellen Gebrauch.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Ansteuern eines erfindungsgemäßen Wandlerschaltkreises, wobei die Steuereinrichtung die zwei Schalter in einem Lastbetrieb beide öffnet, wenn sich die Spannungen über den Kondensatoren durch direkte Speisung aus einem den Wandlerschaltkreis treibenden Generator bereits in einem gewünschten Spannungsbereich befinden.
Bei Lastbetrieb (beispielsweise unter Volllast) ergibt sich folglich am Ausgang des Wandlerschaltkreises im Wesentlichen die maximal zulässige Spannung. In der Regel ist keine Hochsetzung erforderlich. Auch eine Symmetrierung ist in der Regel nicht erforderlich, sofern die Last keine Unsymmetrie hervorruft. . Die Betriebsart, bei der beide Schalter offen sind, wird auch als „Free Running Mode" bezeichnet.
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn die Wechselrichterschaltung wenigstens zwei Halbbrückenschaltungen aufweist und an ihrem Ausgang eine entsprechende Anzahl von Wechselspannungen bereitstellt.
Hierdurch ist auf vergleichsweise einfache Weise, wie bei der eingangs genannten WO 06/035612 A, die Bereitstellung von mehreren, gegebenenfalls miteinander kombinierbaren Wechselspannungen möglich.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die Halbbrückenschaltungen entweder gleich- oder phasenversetzt anzusteuern, so dass die bereitgestellten Wechselspannungen gleichphasig oder phasenversetzt zueinander sind.
Die Bereitstellung von gleichphasigen oder phasenversetzten Wechselspannungen kann je nach Anwendungsfall erfolgen.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn die Wechselrichterschaltung genau zwei Halbbrückenschaltungen aufweist und an ihrem Ausgang zwei Wechselspannungen bereitstellt, die je nach Ansteuerung der Halbbrückenschaltungen gleich- oder ge- genphasig sind.
Auf diese Weise ist es auf einfache Weise möglich, die zwei Wechselspannungen miteinander zu kombinieren oder aber auch individuell zu nutzen. Selbst bei dem Anschluss einer Last an nur einer der zwei Wechselspannungen ist es möglich, durch aktive Symmetrierung des Zwischenkreises die vollständige Funktion des Wandlerschaltkreises zu gewährleisten.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist die Wechselrichterschaltung drei Halbbrückenschaltungen auf und stellt an ihrem Ausgang drei Wechselspannungen bereit, die drehstromartig phasenversetzt zueinander sind.
Auf diese Weise kann mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine Art Drehstrom bereitgestellt werden, wobei der erste Mittenabgriff einen echten belastbaren Neutralleiter bilden kann (echtes Vierleitersystem).
Insgesamt ist es ebenfalls bevorzugt, wenn mit dem Ausgang der Wechselrichterschaltung unterschiedliche kodierte Steckdosen zum Anschließen von elektrischen Lasten verbindbar sind, die jeweils mit der Steuereinrichtung verbindbar sind, so dass die Steuereinrichtung je nach mit dem Ausgang verbundener Steckdose an dem ersten und dem zweiten Mittenabgriff geeignete Potentiale erzeugt.
Bei diese Ausführungsform kann der universelle Charakter des erfindungsgemäßen Wandlerschaltkreises vorteilhaft genutzt werden. Durch die Bereitstellung unterschiedlicher Steckdosen (beispielsweise für die Anwendung in den USA oder die Anwendung in Europa) kann über eine geeignete Kodierung von der jeweiligen Steckdose eine Information für die Steuereinrichtung bereitgestellt werden. Dies ermöglicht es, die Steuereinrichtung so zu betreiben, dass sie für den jeweiligen Anwendungsfall bzw. das jeweilige Anwendungsgebiet geeignete Wechselspannungen bereitstellt.
Es versteht sich, dass die Steckdosen Kodierungen tragen können, die von der Steuereinrichtung abgefragt werden, oder aber auch aktiv ihren Zustand an die Steuereinrichtung „melden" können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von besonderem Vorteil, wenn die Steuereinrichtung einen Schalter schließt, wenn die über dem hierzu parallelen Kondensator anliegende Spannung einen Maximalwert überschreitet.
Bei dieser Ausführungsform wird entweder ein einzelner Schalter oder es werden beide Schalter geschlossen, was dazu führen kann, dass der Generator kurzgeschlossen wird. Es versteht sich, dass diese Betriebsart in der Regel nur relativ kurz angewendet wird, beispielsweise bei einem plötzlichen Lastabwurf, was zu einer Erhöhung der Kondensatorspannungen führen kann. Diese bevorzugte Betriebsart wird auch als „Backward-Control-Mode" bezeichnet.
Ferner versteht sich hierbei, dass der Generator generell kurzschlussfest ausgebildet sein muss.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens öffnet und schließt die Steuereinrichtung die zwei Schalter abwechselnd, um die über den Kondensatoren anliegende Spannung zu erhöhen, und zwar dann, wenn die Drehzahl eines den Wandlerschaltkreis treibenden Generators kleiner ist als eine vorbestimmte Drehzahl. Dieser Modus, bei dem die Kondensatoren über kreuzweise aufgeladen werden, wird vorzugsweise in einem Teillastbereich verwendet. Beispielsweise ist die vorbestimmte Drehzahl ein Wert im Bereich von 1/2 bis 4/5 der Nenndrehzahl des Generators (und damit des Antriebsmotors). Vorzugsweise kann die ausgangsseitige Wechselspannung relativ gesehen hoch gehalten werden, wobei der Antriebsmotor mit einer deutlich verringerten Drehzahl laufen kann (um im Teillast- oder Leerlaufbetrieb Energie zu sparen). Die bevorzugte Betriebsart wird auch als „Voltage-Doubler-Mode" bezeichnet.
Bei den bislang beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen die Schalter nur mit relativ niedrigen Frequenzen betrieben werden, so dass die Schalter jeweils kostengünstig ausgebildet sein können.
Es ist jedoch vorteilhaft, eine weitere Betriebsart vorzusehen, um Lastspitzen abzufangen. Hierbei taktet die Steuereinrichtung beide Schalter kurzzeitig mit hoher Frequenz, um hierdurch die über dem Kondensator-Reihenkreis anliegende Spannung zu erhöhen.
Bei dieser Ausführungsform müssen die beiden Schalter für ein relativ hochfrequentes Takten ausgelegt sein (beispielsweise im Bereich von 4-10 kHz). Die Ausgangsspannung des Generators kann dabei unter Ausnutzung der Streuinduktivität des Generators hochgesetzt werden.
Diese Betriebsart eignet sich insbesondere wenn die Kombination aus Motor und Generator ein großes Massenträgheitsmoment aufweist.. Bei dieser Betriebsart werden vergleichsweise hohe elektronische Störungen (EMV) erzeugt, so dass dieser Modus bevorzugt bei Anwendungen mit Lasten >10 kVA implementiert wird. Dieser Betriebsmodus wird auch als „Boost-Modus" bezeichnet.
In dem „Voltage-Doubler-Mode" und in dem „Backward-Control-Mode" kann gegebenenfalls eine Symmetrierung der über den Kondensatoren anliegenden Spannungen erfolgen, falls diese nicht den gleichen Betragswert aufweisen. Dies könnte beispielsweise durch eine unsymmetrische Belastung am Ausgang hervorgerufen werden. Durch entsprechendes öffnen und Schließen der Schalter kann in diesen Betriebsarten die Symmetrierung erfolgen.
Generell ist es auch denkbar, in dem „Free-Running-Mode" eine Symmetrierung durchzuführen, sofern dies notwendig ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers;
Fig. 2 ein detaillierteres Schaltungsdiagramm des Stromerzeugers der Fig. 1, wobei die Wechselrichterschaltung zwei Halbbrückenschaltungen aufweist;
Fig. 3 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers, wobei die Wechselrichterschaltung eine einzelne Halbbrückenschaltung aufweist;
Fig. 4 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers, wobei die Wechselrichterschaltung drei Halbbrückenschaltungen aufweist;
Fig. 5 in schematischer Form eine mögliche Kodierung von Steckdosen eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers;
Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm eines Teils der Wechselrichterschaltung der Fig. 2 mit einer parallel hierzu angeschlossenen OVC-Halbbrücke zum Abbau von Spannungen;
Fig. 7 ein Stromlaufplan des erfindungsgemäßen Stromerzeugers in dem „Free- Running-Mode";
Fig. 8 Stromlaufpläne des erfindungsgemäßen Stromerzeugers in dem „Voltage- Doubler-Mode";
Fig. 9 ein Stromlaufplan des erfindungsgemäßen Stromerzeugers in dem „Back- ward-Con trol-Mode " ;
Fig. 10 Stromlaufpläne des erfindungsgemäßen Stromerzeugers in dem „Boost-
Mode"; und
Fig. 11 in schematischer Form vier Betriebsarten des erfindungsgemäßen
Stromerzeugers in Abhängigkeit von der jeweiligen Zwischenkreisspannung.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers (Gen-Set) generell mit 10 bezeichnet.
Der Stromerzeuger 10 kann insbesondere ein tragbarer Stromerzeuger sein, wobei die nachfolgend beschriebenen Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse oder an einem gemeinsamen Gestell festgelegt sind, was jedoch in den Figuren nicht näher dargestellt ist.
Der Stromerzeuger 10 weist einen Antriebsmotor 12 in Form eines Verbrennungsmotors (Diesel oder Benzin) sowie einen elektrischen Generator 14 auf. Der elektrische Generator 14 ist mit einer permanentmagnetischen Erregung ausgestattet, wie es schematisch durch den dargestellten Magneten angedeutet ist.
Der elektrische Generator 14 stellt (beispielsweise an entsprechenden Statorwicklungen) eine dreiphasige Wechselspannung 16 bereit, die dem erfindungsgemäßen Wandlerschaltkreis zugeführt wird, der in Fig. 1 generell mit 20 bezeichnet ist.
Der Wandlerschaltkreis 20 stellt an seinem Ausgang eine Ausgangsspannung 22 oder eine Mehrzahl von Ausgangsspannungen bereit, was nachfolgend noch erläutert werden wird.
Der Wandlerschaltkreis 20 weist eine Gleichrichtungs-/Leistungssteuerungsanord- nung 24 auf, die, wie nachstehend noch erläutert werden wird, eine ungeregelte Gleichrichtungsschaltung 3 und Zwischenkreis 4 beinhaltet. Der Ausgang der Gleich- richtungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 ist mit einer Wechselrichteranordnung 26 verbunden. Der Ausgang der Wechselrichteranordnung 26 ist über nicht näher bezeichnete Glättungsglieder (LC-Glieder) mit einer Last 28 verbindbar, die hierdurch mit der Ausgangsspannung(en) 22 versorgt wird.
Der Wandlerschaltkreis 20 weist ferner eine allgemein mit 30 bezeichnete Steuervorrichtung auf. Die Steuervorrichtung 30 beinhaltet eine Steuereinrichtung 32 für die
Gleichrichtungs-/Leistungssteueningsanordnung 24 und eine Steuereinrichtung 34 für die Wechselrichteranordnung 26.
Bei 36 ist ferner in schematischer Form eine Steckdose 36 dargestellt, an der die Ausgangsspannung(en) 22 bereitgestellt wird.
Die Steuereinrichtung 32 misst den Strom an den Parallelklemmen am Ausgang der Gleichrichtungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 und misst ferner die Spannungen zwischen den Parallelklemmen und einem nicht näher bezeichneten Mittenleiter. Die Steuereinrichtung 32 steuert über einen Treiber zwei Schalter der Gleich- richtungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 an.
Ferner empfängt die Steuereinrichtung 32 die Drehfrequenz des Generators 14 oder ein Signal, aus dem die Drehfrequenz bestimmt werden kann - beispielsweise ein oder mehrere Pulse pro Umdrehung - und ist ebenfalls dazu ausgelegt, den Antriebsmotor 12 zu steuern, beispielsweise über die Drosselklappenstellung.
Die Steuereinrichtung 34 für die Wechselrichteranordnung 26 empfängt die gleichen Messsignale vom Ausgang der Gleichrichtungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 und empfängt ferner entsprechende elektrische Messsignale von der Ausgangsseite der Wechselrichteranordnung 26. In der Wechselrichteranordnung 26 sind, wie nachstehend noch ausgeführt werden wird, zwei Halbbrücken vorgesehen, die jeweils über zwei Schalter verfügen. Die Schalter werden von der Steuereinrichtung 34 über einen entsprechenden Treiber angesteuert.
Die Steuereinrichtung 34 empfängt ferner eine Referenzspannung U * re f.
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 dargestellten Stromerzeuger 10 in Form eines Gleichrichter- schaltungsdiagrammes.
Die einzelnen Abschnitte des Stromerzeugers sind mit 1 bis 6 durchnummeriert, wobei der Abschnitt 1 dem Antriebsmotor 12 entspricht, wobei der Abschnitt 2 dem Generator 14 entspricht, wobei der Abschnitt 3 der Gleichrichtungsschaltung entspricht, wobei der Abschnitt 4 dem Zwischenkreis entspricht, wobei der Abschnitt 5 der Wechselrichteranordnung 26 entspricht und wobei der Abschnitt 6 der Lastanordnung 28 entspricht.
Es ist gezeigt, dass die Gleichrichtungsschaltung 3 als eine ungeregelte Gleichrichtungsschaltung mit insgesamt sechs Dioden 3-1, 3-2, ... 3-6 ausgebildet ist. Am Ausgang der Gleichrichtungsschaltung steht eine Zwischenkreisspannung U∑κ an. Die Zwischenkreisspannung UZK liegt zwischen einem ersten Zwischenkreisleiter 40 und einem zweiten Zwischenkreisleiter 42 an.
Der Zwischenkreis 4 weist eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern 4-1, 4-4 auf, die mittels der Steuereinrichtung 32 angesteuert werden. Die Schalter 4-1, 4-4 können von der Steuereinrichtung 32 unabhängig voneinander angesteuert werden.
Der Zwischenkreis 4 weist ferner eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren 4-5, 4-2 auf. Die zwei Reihenschaltungen sind über Fängerdioden 4-6, 4-3 miteinander verbunden. Die Reihenschaltung aus den zwei Schaltern 4-1, 4-4 ist unmittelbar mit dem ersten und dem zweiten Zwischenkreisleiter 40, 42 verbunden.
Die Reihenschaltung aus den zwei Kondensatoren 4-5, 4-2 ist mit einem ersten Wechselrichterleiter 46 bzw. einem zweiten Wechselrichterleiter 48 verbunden.
Die zwei Schalter und die zwei Kondensatoren sind in einem ersten Mittenabgriff 44 miteinander verbunden. über dem einen Kondensator 4-5 liegt eine Spannung U« an. über dem anderen Kondensator 4-2 liegt eine entsprechende Kondensatorspannung U 4- Z an.
An dem Ausgang des Zwischenkreises 4 ist ein Wechselrichterabschnitt 5a angeschlossen, der eine erste Halbbrücke aus zwei Schaltern 5a-l, 5a-2 und eine zweite, hierzu parallele Halbbrücke aus zwei Schaltern 5a-6, 5a-7 aufweist. Die erste Halbbrücke ist in Fig. 2 generell mit 49A bezeichnet, die zweite Halbbrücke mit 49B.
Die Schalter 5a-l, etc. werden von der Steuereinrichtung 34 angesteuert.
Die in Fig. 2 dargestellten Schalter des Zwischenkreises 4 bzw. des Wechselrichterabschnittes 5a können jeweils als IGBTs oder als andere Halbleiterschalter ausgebildet sein. Eine in der Fig. 2 jeweils über dem Schalter vorgesehene Diode kann je nach Bedarf vorgesehen werden oder auch ggf. weggelassen werden.
Zwischen den zwei Schaltern 5a-l, 5a-2 der ersten Halbbrücke 49A wird ein Mittenabgriff 5OA bereitgestellt. In entsprechender Form ist zwischen den zwei Schaltern 5a-6, 5a-7 der zweiten Halbbrücke 49B ein weiterer Mittenabgriff 5OB bereitgestellt.
Der Mittenabgriff 5OA ist über einen ersten Ausgangsleiter 52 und ein erstes LC-FiI ter (aus einer Spule 15a-3 und einem Kondensator 15a-4) mit einer ersten Ausgangsklemme 60 (A) verbunden. Zwischen der ersten Ausgangsklemme 60 und dem mit dem Mittenabgriff 44 verbundenen Mittelpunktleiter N liegt eine erste Ausgangsspannung UAN an.
In entsprechender Weise ist der weitere Mittenabgriff 50B über einen zweiten Ausgangsleiter 54 und ein zweites LC-Filter 56B mit einer zweiten Ausgangsklemme 62 (B) verbunden. Zwischen dem Mittelpunktleiter N und der zweiten Ausgangsklemme 62 liegt eine zweite Ausgangsspannung UNB an.
Die Spannungen UAN, UN B liegen jeweils über den Kondensatoren 5a-4 bzw. 5a-9 der LC-Filter 56A bzw. 56B an.
Die Last 28 kann nun entweder an eine der zwei Spannungen U A N, UN B angeschlossen werden oder aber an die zwei Anschlussklemmen A, B, so dass die Gesamtspannung aus diesen zwei Spannungen an die Last angelegt wird. Auch andere Lastkombinationen sind denkbar, wie nachstehend noch erläutert werden wird.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Stromerzeugers 10'. Der Stromerzeuger 10' entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell dem Stromerzeuger 10 der Fig. 1 und 2. Im Folgenden werden lediglich Unterschiede erläutert.
So weist der Wechselrichterabschnitt 5b lediglich eine einzelne Halbbrücke 49' auf, die zwei Schalter 5b-l, 5b-2 beinhaltet. Zwischen diesen zwei Schaltern 5b-l, 5b-2 ist ein einzelner Mittenabgriff 50' vorgesehen.
Es wird lediglich eine einzige Ausgangsspannung UAN bereitgestellt, die zwischen einer ersten Ausgangsklemme A und dem Mittelpunktleiter N anliegt, der mit dem ersten Mittenabgriff 44 verbunden ist.
Somit lassen sich einphasige sinusförmige Ausgangsspannungen UAN erzeugen, deren maximale Spannungsamplitude von der Spannung über den Kondensatoren 4-5, 4-2 abhängt.
In Fig. 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Stromerzeugers 10" dargestellt. Der Stromerzeuger 10" entspricht hinsichtlich Aufbau und hinsichtlich Funktionsweise generell dem Stromerzeuger 10 der Fig. 1 und 2. Im Folgenden werden lediglich Unterschiede erläutert.
So weist der Wechselrichterabschnitt 5c des Stromerzeugers 10" drei Halbbrückenschaltungen 49A", 49B", 49C" auf, mit jeweiligen Mittenabgriffen 50A", 50B" bzw. 50C".
Die Mittenabgriffe 5OA", 5OB", 5OC" sind jeweils über LC-Filter 56A", 56B", 56C" mit nicht näher bezeichneten Ausgangsklemmen verbunden. über den Kondensatoren der LC-Filter liegen Ausgangsspannungen UAN" UBN", UCN" an. Die drei Ausgangsspannungen können drehstromartig dreiphasig ausgebildet sein. Durch den belastbaren Neutralleiter N, der mit dem ersten Mittenabgriff 44 verbunden ist, wird ein echtes Vierleitersystem gebildet.
Die Stromerzeuger 10, 10', 10" in Fig. 1 bis 4 basieren jeweils auf dem gleichen Grundaufbau und können trotz unterschiedlicher Anwendungsfälle mit dem gleichen Antriebsmotor 12, dem gleichen Generator 14 und der gleichen Gleichrich- tungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 betrieben werden.
Der Zwischenkreis 24 bzw. 4 ist in allen Fällen jeweils in dem „Free-Running-Mode", dem „Voltage-Doubler-Mode", dem „Backward-Control-Mode" zu betreiben. Ggf. ist für Anwendungen mit größeren Lasten auch vorgesehen, den „Boost-Mode" einzurichten.
In Fig. 5 ist in schematischer Form die Kodierung von unterschiedlichen Steckdosen 36 gezeigt, die austauschweise am Ausgang der Wechselrichteranordnung 26 der Fig. 1 und 2 angeschlossen werden können.
Die Kodierung kann beispielsweise mit 2 Bit erfolgen, so dass sich vier unterschiedliche Kombinationen ergeben.
In einer Kombination X wird eine Spannung V von 230 Volt und mit einer Frequenz f von 50 Hertz bereitgestellt, was in Fig. 5 als „Series-Mode" dargestellt ist. Eine ähnliche Spannung, die ebenfalls in „Series-Mode" einrichtbar ist, kann auch mit 60 Hertz bereitgestellt werden (Kodierung Y).
Andererseits ist es auch möglich, die Steckdose mit der Kodierung Z zu versehen, wodurch beispielsweise ein „Parallel-Mode" einrichtbar ist, bei dem eine Last mit 115
Volt und gewöhnlich 60 Hertz zwischen den miteinander verbunden Anschlusskontakten A, B und dem Mittelpunktleiter N angeschlossen wird.
Eine weitere Anschlussmöglichkeit ist in Fig. 5 auf der rechten Seite gezeigt („series mode with loaded center-tap"), wobei über den Klemmen A, B eine Spannung von 240 Volt anliegt und hierbei eine Last angelegt werden kann, als auch jeweils Lasten zwischen den Klemmen A, B und dem Mittelpunktleiter N (jeweils mit 115 Volt).
Fig. 6 stellt den Wechselrichter 26 der Fig. 2 dar, wobei parallel zu den zwei Halbbrücken 49A, 49B eine weitere Halbbrücke 70 zur Steuerung von überspannungen angeschlossen ist. Ein Mittenabgriff der Halbbrücke 70 zur Steuerung von überspannungen (Over Voltage Circuit, OVC) weist einen Mittenabgriff auf, der über einen Chopper- Widerstand 72 mit Masse verbunden ist.
Die zwei Schalter der OVC-Halbbrücke 70 sind normalerweise geöffnet, so dass der Wechselrichter 26 der Fig. 6 die gleiche Funktion hat wie der oben beschriebene Wechselrichter der Fig. 2.
Die OVC-Halbbrücke kann überspannungen vermeiden, die auftreten können, wenn Energie in den Zwischenkreis 4 zurückgespeist wird (bspw. beim Abbremsen einer angeschlossenen Last).
Eine derartige Spannungserhöhung kann aufgrund der Fängerdioden 4-6, 4-3 nicht durch die Schalter 4-1, 4-4 des Zwischenkreises abgebaut werden. Eine Spannungserhöhung kann dadurch vermieden bzw. reduziert werden, indem die zurückgespeiste Energie mittels des Chopper-Widerstandes 72 in Wärme umgewandelt wird. Dies kann generell für die Gesamtspannung erfolgen, erfolgt jedoch vorzugsweise mittels der Halbbrücke 70, derart, dass die Spannungsreduzierung für jeden Kondensator 4-5, 4-2 getrennt erfolgen kann.
Die OVC-Halbbrücke ist ein optionales Merkmal der vorliegenden Erfindung, ist jedoch vergleichsweise preiswert zu realisieren, da für den Wechselrichter vorzugsweise ein dreiphasiges Modul eingesetzt wird. Ferner werden vorzugsweise nur zwei der Halbbrücken (nämlich die Halbbrücken 49 A, 49B) für die Modulation der Ausgangsspannung verwendet
Die Fig. 7 bis 10 zeigen jeweils Stromablaufpläne des Stromes, der durch den Generator 2, den Gleichrichter 3 und die Leistungssteuerungseinrichtung 4 (Zwischenkreis 4) fließt, und zwar für
die vier oben beschriebenen Betriebsarten „Free-Running-Mode", „Voltage-Doubler- Mode", „Backward-Control-Mode" und „Boost-Mode". Fig. 7 zeigt zunächst den Generator 2 und den Gleichrichter 3 in Form eines Ersatzschaltbildes. Man erkennt, dass beide Schalter 4-1, 4-4 im „Free running mode" geöffnet sind, so dass der entsprechende Strom 78f vollständig über die Fängerdioden 4-6, 4-3 und die Kondensatoren 4-5, 4-2 fließt. Folglich fällt über den Kondensatoren eine entsprechende Spannung 8Of ab, die gleich der gleichgerichteten Spannung UR«* ist.
In Fig. 8 ist die gleiche Darstellungsform wie in Fig. 7 gewählt, wobei diesmal der „Voltage-Doubler-Mode" gezeigt ist. Hierbei werden, wie oben beschrieben, die Schalter 4-1, 4-4 alternierend angesteuert, so dass der Strom in einem Fall über die Fängerdiode 4-6, den Kondensator 4-5 und den Schalter 4-4 fließt, und im anderen Fall über den Schalter 4-1, den Kondensator 4-2 und die Fängerdiode 4-3.
Hierdurch ergibt sich über den Ausgangsklemmen des Zwischenkreises 4 eine verdoppelte Ausgangsspannung 2"IW. Der jeweilige Strom ist bei 78v, die Ausgangsspannung bei 80v dargestellt.
Fig. 9 zeigt in entsprechender Weise den „Backward-Control-Mode". In diesem Betriebsmodus sind, wie oben beschrieben, beide Schalter 4-1, 4-4 geschlossen, so
dass sich ein Strom 78bc ergibt. Die über den Kondensatoren 4-5, 4-2 abfallende Spannung ist folglich nominal Null.
Schließlich zeigt Fig. 10 zwei alternative Möglichkeiten zur Einrichtung des sogenannten „Boost-Mode".
Auf der linken Seite ist der eine Boost-Mode gezeigt, bei dem die zwei Schalter 4-1, 4- 4 jeweils gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden, jedoch mit einer deutlich höheren Taktfrequenz. Daher fließt jeweils ein entsprechender Strom 78bo und es ergibt sich eine Ausgangsspannung 80bo, die gleich LW (l-τ)/τ ist. τ entspricht dabei ein dem Tastverhältinis eines pulsweitenmodulierten Signals equivalenten Wertes zwischen Null und Eins.
Eine entsprechende Ausgangsspannung lässt sich auch erreichen, wenn die zwei Schalter 4-1, 4-4 jeweils alternierend mit der höheren Taktfrequenz angesteuert werden.
Fig. 11 zeigt im Diagramm 90 mögliche Betriebsarten der Stromerzeuger der Fig. 1 bis 4.
Der Normalbetrieb ist der „Free-Running-Mode". Dieser Modus ist der Modus, der für höhere Nennspannungen bei angeschlossener Last eingerichtet wird, also insbesondere in dem Nennspannungsbereich zwischen den Spannungen Voltage-Doubler-AUS und Backward-Control-AUS.Sofern ein übergang in den Teillastbereich erfolgt, wird dann, wenn die Spannung bis auf „Voltage-Doubler-EIN" abfällt, dieser Modus eingeschaltet. Der Voltage-Doubler-Modus bleibt so lange eingeschaltet, bis wieder die Spannung Voltage-Doubler-AUS erreicht ist, die die untere Grenze des Nennspannungsbereiches definiert. Durch die derart eingestellte Hysterese für das Einbzw. Ausschalten der Betriebsart „Voltage-Doubler-Mode" ist gewährleistet, dass kein unnötiges Hin- und Herschalten zwischen den Betriebsmodi erfolgt.
In entsprechender Weise erfolgt das Einschalten des Modus „Backward-Control" dann, wenn die Spannung „Backward-Control-EIN" erreicht ist. Dieser liegt deutlich oberhalb der Obergrenze des Nennspannungsbereiches, so dass auch hier eine Hysterese eingerichtet ist, um ein unnötiges Hin- und Herschalten zwischen den Betriebsarten zu vermeiden.
Wenn die Spannung wieder auf den Wert Backward-Control-AUS abfällt, erfolgt wiederum der übergang in den „Free-Running-Mode".
Ferner ist in Fig. 11 die Anwendung des OVC-Modus gezeigt, der verwendet wird, wenn relativ hohe Spannungen (überspannungen) auftreten, die bspw. durch eine lastseitige Energieeinspeisung hervorgerufen werden.
Das Einschalten dieses Modus erfolgt wiederum bei einer sehr hohen Spannung OVC-EIN und das Ausschalten bei einer niedrigeren Spannung OVC-AUS. Zwischen den Spannungen OVC-AUS und Backward-Control-EIN ist eine Differenzspannung von > Null V eingerichtet, um wiederum ein unnötiges Hin- und Herschalten zwischen den Modi „OVC" und „Backward-Control" zu vermeiden.
In Fig. 11 ist ferner dargestellt, dass der Free-Running-Mode außerhalb des Nennspannungsbereiches zwischen Backward-Control-AUS und Voltage-Doubler-AUS standardmäßig eingerichtet ist (d.h. die zwei Schalter 4-1 und 4-4 sind geöffnet, sofern sich aufgrund der Zwischenkreisspannung nicht das Einschalten eines der anderen Modi ergibt). Daher ist der Free-Running-Mode in dem außerhalb des Nennspannungsbereich liegenden Spannungsbereich schraffiert dargestellt.
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