DE9107538U1 - Electrical circuit for feeding energy into an alternating voltage network - Google Patents
Electrical circuit for feeding energy into an alternating voltage networkInfo
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Description
EISENFÜHR, SPEISER &. STRASSEIRON FEEDER, SPEISER &. STREET
Dipl.-Ing. Günther EisenfUhr Dipl.-Ing. Dieter K. Speiser Dipl.-Ing. Joachim Stresse· Dr.-Ing. Werner W. Rabus Dipl.-Ing. Jürgen Brügge Dipl.-Chem. Dr. Walter Maiwald* Dipl.-Ing. JUrgen KlinghardtDipl.-Ing. Günther EisenfUhr Dipl.-Ing. Dieter K. Speiser Dipl.-Ing. Joachim Stresse· Dr.-Ing. Werner W. Rabus Dipl.-Ing. Jürgen Brügge Dipl.-Chem. Dr. Walter Maiwald* Dipl.-Ing. JUrgen Klinghardt
European Patent Attorney Dipl.-Phys. R. Michael JanotteEuropean Patent Attorney Dipl.-Phys. R. Michael Janotte
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Peters P 294 18. Juni 1991Peters P 294 18 June 1991
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Helmut Peters
Neue Straße 12, 2854 LoxstedtHelmut Peters
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Elektrische Schaltung zum Einspeisen von Energie in ein Wechselspannungsnet&zgr;Electrical circuit for feeding energy into an alternating current network
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Einspeisen von Energie aus einem beliebigen Gleichspannungsnetz in ein vorhandenes Wechselspannungsnet&zgr;, mit mindestens einer Eingangsklemme, an der eine Gleichspannung aus dem Gleichspannungsnetz anliegt, und mindestens einer Ausgangsklemme, die an eine Phase des Wechselspannungsnetzes geschaltet ist.The invention relates to an electrical circuit for feeding energy from any DC voltage network into an existing AC voltage network, with at least one input terminal to which a DC voltage from the DC voltage network is applied, and at least one output terminal which is connected to a phase of the AC voltage network.
JK/asJK/as
Als derartige Schaltungen werden bisher elektronische Wechselrichter verwendet, die aus Gleichspannung netzsynchrone Wechselspannung erzeugen. Diese Schaltungen sind jedoch sehr aufwendig und teuer und wegen ihres hohen Eigenverbrauches erst ab relativ großen Leistungen von mehr als etwa 5 kW wirtschaftlich einsetzbar. Außerdem können die Wechselrichter keinen Strom mit einem sinusförmigen Kurvenverlauf erzeugen, sondern bestenfalls einen Strom, dessen Kurvenform der idealen Sinuskurve treppenförmig angenähert ist. Einfache Wechselrichter erzeugen sogar nur Rechteckimpulse. Dies führt zu einer erheblichen "Verschmutzung·1 des Wechselspannungsnetzes durch Oberwellen und dann bei bestimmten Verbrauchern zu unerwünschten Störungen. Ferner benötigen die Wechselrichter eine Eingangsspannung, welche höher als die Ausgangsspannung ist, da die interne Regelung des Wechselrichters nur abwärts regeln kann. Wenn nun die eingegebene Gleichspannung kleiner und außerdem noch variabel ist, müssen am Eingang des Wechselrichters Schaltungen vorgesehen werden, wodurch die Gleichspannung auf den gewünschten Wert hochtransformiert und geregelt werden kann. Dadurch wird der Aufwand in nachteiliger Weise noch zusätzlich erhöht. Schließlich ist auch der Wirkungsgrad bei den bekannten Wechselrichtern nicht allzu befriedigend.Electronic inverters have been used as such circuits to date, which generate AC voltage synchronized with the mains from DC voltage. However, these circuits are very complex and expensive and, due to their high self-consumption, are only economically viable for relatively high outputs of more than about 5 kW. In addition, the inverters cannot generate current with a sinusoidal curve, but at best a current whose curve shape is a step-like approximation of the ideal sinusoidal curve. Simple inverters even only generate square pulses. This leads to considerable "pollution " of the AC network by harmonics and then to undesirable interference for certain consumers. Furthermore, the inverters require an input voltage that is higher than the output voltage, since the internal control of the inverter can only regulate downwards. If the input DC voltage is smaller and also variable, circuits must be provided at the input of the inverter, whereby the DC voltage can be transformed up to the desired value and regulated. This disadvantageously increases the effort even further. Finally, the efficiency of the known inverters is not particularly satisfactory.
Daher sind die bekannten Wechselrichter nicht sonderlich geeignet, aus regenerativer Primärenergie wie Licht, Wind und Wasser erzeugten Strom in ein vorhandenes Wechselspannungsnetz einzuspeisen. Die regenerativen Primärenergiemengen fallen nämlich nicht konstant an, sondern in stark schwankender Höhe. Dies hat zur Folge, daß auch Spannung und Strom, die aus diesen Energiequellen erzeugt wurden, sehr variieren. Wechselrichter und insbe-Therefore, the known inverters are not particularly suitable for feeding electricity generated from renewable primary energy such as light, wind and water into an existing alternating voltage network. The amounts of renewable primary energy are not constant, but fluctuate greatly. This means that the voltage and current generated from these energy sources also vary greatly. Inverters and in particular
sondere netzgeführte Wechselrichter haben aber für eine Stromerzeugung aus regenerativen Primärenergiequellen eine zu geringe Leistungsbandbreite.However, grid-commutated inverters in particular have too small a power bandwidth for generating electricity from renewable primary energy sources.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung zu entwickeln, die in der Lage ist, auf preiswerte Art elektrische Energie aus einem beliebigen Gleichspannungsnetz, dessen Spannung und Strom insbesondere durch Nutzung von regenerativen Primärenergiequellen erzeugt werden und in weiten Grenzen variabel sein können, in ein vorhandenes Wechselspannungsnetz einzuspeisen.The object of the invention is therefore to develop a circuit which is capable of feeding electrical energy from any direct current network, the voltage and current of which are generated in particular by using renewable primary energy sources and can be variable within wide limits, into an existing alternating current network in an inexpensive manner.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme in Reihe eine Drosselspule, ein steuerbarer Schalter und eine Diode in Durchflußrichtung zur Ausgangsklemme bei positiver Gleichspannung bzw. in Sperrichtung zur Ausgangsklemme bei negativer Gleichspannung geschaltet sind und daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die den Schalter so steuert, daß dieser stets frühestens am Beginn derjenigen Wechselspannungs-Halbwelle, die die gleiche Polarität wie die an der Eingangsklemme anliegende Gleichspannung hat, geschlossen und spätestens am Ende dieser Halbwelle wieder geöffnet wird.This task is solved in that in the electrical circuit of the type mentioned at the beginning, a choke coil, a controllable switch and a diode are connected in series between the input terminal and the output terminal in the flow direction to the output terminal in the case of positive direct voltage or in the blocking direction to the output terminal in the case of negative direct voltage, and that a control circuit is provided which controls the switch in such a way that it is always closed at the earliest at the beginning of the alternating voltage half-wave that has the same polarity as the direct voltage applied to the input terminal and is opened again at the latest at the end of this half-wave.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird der Strom aus dem Gleichspannungsnetz, an das die Schaltung mit der Eingangsklemme angeschlossen ist, direkt über die Drosselspule und den steuerbaren Schalter in das an die Ausgangsklemme angeschlossene Wechselspannungsnetz gespeist. Damit der strom fließen kann, wird der steuerbare Schalter von der Steuerschaltung erfindungsgemäß frühestens am Beginn derjenigen an der AusgangsklemmeIn the circuit according to the invention, the current from the direct voltage network to which the circuit is connected with the input terminal is fed directly via the choke coil and the controllable switch into the alternating voltage network connected to the output terminal. In order for the current to flow, the controllable switch is controlled by the control circuit according to the invention at the earliest at the beginning of the current at the output terminal.
anliegenden Wechselspannungs-Halbwelle geschlossen, welche die gleiche Polarität wie die an der Eingangsklemme anliegende Gleichspannung hat. Vorzugsweise wird der Schalter im wesentlichen direkt am Beginn der Halbwelle, also in deren Nulldurchgang, geschlossen. Das Gleichspannungsnetz und das Wechselspannungsnetz sind dann zwar elektrisch miteinander verbunden, jedoch wird ein Kurzschluß zwischen beiden Netzen durch die dazwischengeschaltete Drosselspule verhindert. An der Drosselspule liegt nämlich die Spannungsdifferenz zwischen der Gleichspannung und dem Augenblickswert der Wechselspannung an, und die Induktivität der Drosselspule verhindert einen sprunghaften Anstieg des Stromes. Von der Eingangsklemme fließt deshalb dann ein von Null aus ansteigender Strom durch die Drosselspule über die Ausgangsklemme in das Wechselspannungsnet&zgr;, und zwar mindestens so lange, bis der Augenblickswert der Wechselspannung an der Ausgangsklemme den Wert der Gleichspannung an der Eingangsklemme übersteigt.The switch is closed by the alternating voltage half-wave present, which has the same polarity as the direct voltage present at the input terminal. Preferably, the switch is closed essentially directly at the start of the half-wave, i.e. at its zero crossing. The direct voltage network and the alternating voltage network are then electrically connected to one another, but a short circuit between the two networks is prevented by the choke coil connected in between. The choke coil is subject to the voltage difference between the direct voltage and the instantaneous value of the alternating voltage, and the inductance of the choke coil prevents a sudden increase in the current. A current increasing from zero therefore flows from the input terminal through the choke coil via the output terminal into the alternating voltage network, at least until the instantaneous value of the alternating voltage at the output terminal exceeds the value of the direct voltage at the input terminal.
Damit dann kein unerwünschter Rückfluß in das Gleichspannungsnetz stattfindet, ist erfindungsgemäß die Diode vorgesehen. Wenn der Augenblickswert der Wechselspannung die Gleichspannung überschreitet, sperrt die Diode. Wenn der Augenblickswert der Wechselspannung nach Erreichen ihres Spitzenwertes die Gleichspannung wieder unterschreitet, öffnet die Diode, damit weiterer Strom vom Gleichspannungsnetz ins Wechselspannungsnetz fließen kann. Um einen unerwünschten Rückfluß von Energie aus dem Wechselspannungsnetz beim Vorzeichenwechsel und somit bei der Umkehrung der Richtung des Augenblickswertes der im Wechselspannungsnetz "eingeprägten" Wechselspannung zu verhindern, muß der Schalter spätestens am Ende der Halbwelle der Wechselspannung wieder geöffnetIn order to prevent unwanted backflow into the direct current network, the diode is provided according to the invention. If the instantaneous value of the alternating voltage exceeds the direct current, the diode blocks. If the instantaneous value of the alternating voltage falls below the direct current again after reaching its peak value, the diode opens so that further current can flow from the direct current network into the alternating current network. In order to prevent unwanted backflow of energy from the alternating current network when the sign changes and thus when the direction of the instantaneous value of the alternating current "impressed" in the alternating current network is reversed, the switch must be opened again at the end of the half-wave of the alternating current at the latest.
werden. Die Strompause innerhalb der Halbwelle beiderseits der Amplitudenspitze wird dabei immer kürzer, je höher die Gleichspannung ist: Wenn diese höher als der Spitzenwert der Wechselspannung ist, entfällt die kurzzeitige Sperrwirkung der Diode, und es fließt ein während der gesamten Halbwelle andauernder Strom.The current pause within the half-wave on both sides of the amplitude peak becomes shorter the higher the direct voltage is: If this is higher than the peak value of the alternating voltage, the short-term blocking effect of the diode is eliminated and a current flows throughout the entire half-wave.
Die Erfindung macht sich also die Erkenntnis zunutze, daß die Drosselspule als Stromspeicher wirkt, der beim Anlegen einer Spannung erst einmal ··aufgeladen" werden muß und somit einen sprunghaften Stromanstieg verhindert, und daß der Strom durch eine Drosselspule um 90° der daran anliegenden Wechselspannung hinterher eilt. Erfindungsgemäß wird nun die Drosselspule als Puffer zwischen das Gleichspannungsnetz und das Wechselspannungsnetz geschaltet, wodurch in Zusammenwirken mit dem steuerbaren Schalter der überraschende Effekt erzielt wird, Gleichstrom direkt ins Wechselspannungsnet&zgr; speisen zu können, ohne daß ein Kurzschluß zwischen diesen beiden Netzen stattfindet. Dadurch ergibt sich ein im Gegensatz zu den bekannten Wechselrichtern erheblich höherer Wirkungsgrad, was eine bessere Energieausbeute zur Folge hat. Außerdem verläuft die Kurvenform des über die Drosselspule in das Wechselspannungsnet&zgr; gespeisten Stromes stetig und kann besser als bei dem von einem Wechselrichter erzeugten Strom an die ideale Sinusform angenähert werden.The invention therefore makes use of the knowledge that the choke coil acts as a power storage device that must first be "charged" when voltage is applied, thus preventing a sudden increase in current, and that the current through a choke coil lags behind the alternating voltage applied to it by 90°. According to the invention, the choke coil is now connected as a buffer between the direct current network and the alternating voltage network, which, in conjunction with the controllable switch, achieves the surprising effect of being able to feed direct current directly into the alternating voltage network without a short circuit occurring between these two networks. This results in a significantly higher efficiency in contrast to the known inverters, which results in a better energy yield. In addition, the curve shape of the current fed into the alternating voltage network via the choke coil is continuous and can be approximated to the ideal sinusoidal shape better than with the current generated by an inverter.
Mit Hilfe der Erfindung wird somit eine besonders preiswerte und überraschend effektive Schaltung zum Einspeisen von Energie aus einem beliebigen Gleichspannungsnetz in ein vorhandenes Wechselspannungsnetz geschaffen. Dabei braucht die an der Eingangsklemme anliegende Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes nicht auf einemWith the help of the invention, a particularly inexpensive and surprisingly effective circuit is created for feeding energy from any DC voltage network into an existing AC voltage network. The DC voltage of the DC voltage network present at the input terminal does not need to be on a
bestimmten Wert festgelegt zu sein, sondern kann in weiten Grenzen variabel sein. Insbesondere kann die Gleichspannung auch unterhalb des Spitzenwertes der Wechselspannung liegen, da die erfindungsgemäße Schaltung in der Lage ist, während einer Wechselspannungs-Halbwelle auch nur zeitweise Strom in das Wechselspannungsnetz zu speisen. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung insbesondere für das Einspeisen von aus regenerativen Primärenergiequellen erzeugtem Strom in vorhandene Wechselspannungsnetze. Die einzige Voraussetzung für die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, daß es sich bei dem Wechselspannungsnetz um ein im wesentlichen starres Netz handeln sollte.The voltage does not have to be fixed to a specific value, but can be variable within wide limits. In particular, the direct voltage can also be below the peak value of the alternating voltage, since the circuit according to the invention is able to feed current into the alternating voltage network only temporarily during an alternating voltage half-wave. This makes the circuit according to the invention particularly suitable for feeding current generated from renewable primary energy sources into existing alternating voltage networks. The only requirement for the function of the circuit according to the invention is that the alternating voltage network should be an essentially rigid network.
Besteht die Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes aus einer positiven Gleichspannungskomponente und einer negativen Gleichspannungskomponente, bezogen auf den Nullpunkt des Wechselspannungsnetzes, und sind zwei Eingangsklemmen vorgesehen, von denen an der ersten Eingangsklemme die positive Gleichspannungskomponente und an der zweiten Eingangsklemme die negative Gleichspannungskomponente anliegt, zeichnet sich eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung dadurch aus, daß jeweils zwischen den Eingangsklemmen und der Ausgangsklemme eine Drosselspule, ein steuerbarer Schalter und eine Diode in Reihe geschaltet sind und daß die Steuerschaltung die beiden Schalter so steuert, daß stets der eine Schalter frühestens am Beginn der positiven Wechselspannungs-Halbwelle geschlossen und spätestens an deren Ende wieder geöffnet und der andere Schalter frühestens am Beginn der negativen Halbwelle geschlossen und spätestens an deren Ende wieder geöffnet wird. Diese Schaltung ist insbesondere dann von Vorteil,If the direct voltage of the direct voltage network consists of a positive direct voltage component and a negative direct voltage component, based on the zero point of the alternating voltage network, and two input terminals are provided, of which the positive direct voltage component is present at the first input terminal and the negative direct voltage component is present at the second input terminal, a preferred embodiment of the circuit according to the invention is characterized in that a choke coil, a controllable switch and a diode are connected in series between the input terminals and the output terminal and that the control circuit controls the two switches in such a way that one switch is always closed at the earliest at the beginning of the positive alternating voltage half-wave and opened again at the latest at the end of the half-wave and the other switch is closed at the earliest at the beginning of the negative half-wave and opened again at the latest at the end of the half-wave. This circuit is particularly advantageous if
wenn die Spannung als Dreiphasen-Wechselspannung von einem Drehstrom-Generator erzeugt und anschließend von einem Gleichrichter in eine positive und eine negative Gleichspannungskomponente, bezogen auf den Sternpunkt, gleichgerichtet wird. Dieser Sternpunkt ist dann identisch mit dem Stern- bzw. Nullpunkt des an der Ausgangsklemme anliegenden Wechselspannungsnetzes. Bei dieser Ausführung teilt demnach die Schaltung die Wechselspannung in eine positive und eine negative Periodenhälfte, wobei der Stromfluß im negativen Pfad auf die gleiche zuvor beschriebene - Weise erfolgt wie im positiven Pfad.when the voltage is generated as a three-phase alternating voltage by a three-phase generator and is then rectified by a rectifier into a positive and a negative direct voltage component, related to the star point. This star point is then identical to the star or zero point of the alternating voltage network connected to the output terminal. In this design, the circuit divides the alternating voltage into a positive and a negative half of the period, with the current flowing in the negative path in the same way as in the positive path, as described above.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist zwischen Eingangsklemine und Drosselspule ein zusätzlicher steuerbarer Schalter und vom Eingang der Drosselspule eine weitere Diode in Sperrichtung bei positiver Gleichspannung bzw. in Durchlaßrichtung bei negativer Gleichspannung gegen Masse geschaltet und steuert die Steuerschaltung diesen zusätzlichen Schalter derart, daß dieser im wesentlichen zusammen mit dem zwischen Drosselspule und Ausgangsklemme befindlichen Schalter geschlossen, jedoch vor jenem Schalter wieder geöffnet wird. Bei dieser Ausführung wird also der vor der Drosselspule befindliche zusätzliche Schalter früher wieder geöffnet als der hinter der Drosselspule befindliche Schalter, welcher im allgemeinen am Ende der Wechselspannungs-Halbwelle geöffnet wird. Beim frühzeitigen öffnen dieses zusätzlichen Schalters fließt der durch die Induktionsspitze verursachte Strom weiter über die Drosselspule ins Netz, wobei durch die zwischen dem Eingang der Drosselspule und der Masse geschaltete Diode ein geschlossener Stromkreis gebildet wird, bis das Magnetfeld in der Drosselspule abgebaut ist. Durch die richtige Wahl des öff-In a preferred design, an additional controllable switch is connected between the input terminal and the choke coil, and a further diode is connected from the choke coil input in the reverse direction with positive DC voltage or in the forward direction with negative DC voltage to ground, and the control circuit controls this additional switch in such a way that it is essentially closed together with the switch between the choke coil and the output terminal, but is opened again before that switch. In this design, the additional switch in front of the choke coil is opened again earlier than the switch behind the choke coil, which is generally opened at the end of the AC half-wave. If this additional switch is opened early, the current caused by the induction peak continues to flow through the choke coil into the network, with the diode connected between the choke coil input and ground forming a closed circuit until the magnetic field in the choke coil is reduced. By choosing the right open-
nungszeitpunktes des zusätzlichen Schalters läßt sich erreichen, daß der ins Wechselspannungsnetz gespeiste Strom etwa am Ende der Wechselspannungs-Halbwelle ausklingt, also der Stromnullpunkt mit dem Wechselspannungsnullpunkt des Wechselspannungsnetzes zusammenfällt.By adjusting the timing of the additional switch, it is possible to ensure that the current fed into the AC voltage network dies out at approximately the end of the AC voltage half-wave, i.e. the current zero point coincides with the AC voltage zero point of the AC voltage network.
Zweckmäßigerweise sollte bei dieser Ausführung der Öffnungszeitpunkt des zusätzlichen Schalters variabel sein. Da die nämlich die Stärke des Magnetfeldes in der Drosselspule und somit die Dauer des Induktionsstromes nach dem öffnen des zusätzlichen Schalters von der Höhe der Gleichspannung an der Eingangsklemme abhängt, muß mit höherer Gleichspannung das öffnen früher erfolgen, damit der Stromnullpunkt unabhängig von der Höhe der Gleichspannung immer mit dem Spannungsnulldurchgang des Wechselspannungsnetzes im wesentlichen zusammenfällt. Die Verschiebung des Öffnungszeitpunktes sollte vorzugsweise so erfolgen, daß der Strom möglichst noch etwas vor dem Ende der Wechselspannungs-Halbwelle abgeklungen ist. Da nämlich der zwischen Drosselspule und Ausgangsklemme befindliche Schalter spätestens am Ende der Wechselspannungs-Halbwelle öffnet, kann durch eine Abschaltung zu einem Zeitpunkt, bei dem der Strom noch nicht auf Null abgeklungen ist, eine Induktionsspitze verursacht werden. Wenn die vorgenannte Bedingung eingehalten wird, kann für den zwischen Drosselspule und Ausgangsklemme geschalteten Schalter ein Thyristor oder Triac verwendet werden.In this design, the opening time of the additional switch should be variable. Since the strength of the magnetic field in the choke coil and thus the duration of the induction current after the additional switch has opened depends on the level of the direct voltage at the input terminal, the opening must take place earlier with a higher direct voltage so that the current zero point always essentially coincides with the voltage zero crossing of the alternating voltage network, regardless of the level of the direct voltage. The opening time should preferably be shifted so that the current has decayed somewhat before the end of the alternating voltage half-wave. Since the switch located between the choke coil and the output terminal opens at the end of the alternating voltage half-wave at the latest, an induction peak can be caused by switching off at a time when the current has not yet decayed to zero. If the above condition is met, a thyristor or triac can be used for the switch connected between the choke coil and the output terminal.
Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung zeichnet sich dadurch aus, daß vom Ausgang der Drosselspule eine zusätzliche Diode in Durchlaßrichtung bei positiver Gleichspannung bzw. in Sperrichtung bei negativer Gleichspannung an einen ersten Pol eines Kondensa-A further embodiment of the circuit according to the invention is characterized in that an additional diode is connected from the output of the choke coil in the forward direction with positive DC voltage or in the reverse direction with negative DC voltage to a first pole of a capacitor.
tors geschaltet ist, dessen zweiter Pol auf Masse liegt, von Eingang der Drosselspule eine weitere Diode in Durchlaßrichtung bei positiver Gleichspannung bzw. in Sperrichtung bei negativer Gleichspannung zum ersten Pol des Kondensators geschaltet ist, der erste Pol des Kondensators außerdem über einen weiteren zusätzlichen steuerbaren Schalter mit einer Anzapfung der Drosselspule verbunden ist und die Steuerschaltung diesen zusätzlichen Schalter so steuert, daß dieser im wesentlichen zusammen mit dem zwischen Drosselspule und Ausgangsklemme befindlichen Schalter geschlossen, jedoch vor jenem Schalter wieder geöffnet wird. Beim Abschalten entsteht nämlich eine sehr energiereiche Induktionsspitze. Diese darf nicht vernichtet werden. Sie wird deshalb bei dieser Ausführung über die zusätzliche Diode am Ausgang der Drosselspule in den Kondensator abgeleitet, wodurch der Kondensator mit der von der Induktionsspitze resultierenden Energie aufgeladen wird. Über die vom Eingang der Drosselspule zum ersten Pol des Kondensators geschaltete weitere Diode liegt an diesem konstant die Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes an. Zu Beginn des nächsten Schaltzyklus wird der zwischen dem ersten Pol des Kondensators und einer Anzapfung der Drosselspule geschaltete, zusätzliche steuerbare Schalter gemeinsam mit dem zwischen Drosselspule und Ausgangsklemme befindlichen Schalter geschlossen, wodurch über die Anzapfung der Drosselspule die im Kondensator gespeicherte Energie der Induktionsspitze wieder in das Wechselspannungsnetz fließt, bevor das Magnetfeld in der Drosselspule aufgebaut worden ist und der Strom aus dem Gleichspannungsnetz in das Wechselspannungsnet&zgr; zu fließen beginnt. Dabei wird durch die Anzapfung verhindert, daß die volle Induktivität der Drosselspule dem aus dem Kondensator abfließenden Strom entgegenwirkt, sondern nur ein Bruch-tor, the second pole of which is connected to ground, another diode is connected from the input of the choke coil in the forward direction with positive direct voltage or in the reverse direction with negative direct voltage to the first pole of the capacitor, the first pole of the capacitor is also connected to a tap on the choke coil via another additional controllable switch and the control circuit controls this additional switch so that it is essentially closed together with the switch located between the choke coil and the output terminal, but is opened again before that switch. When switched off, a very high-energy induction peak is created. This must not be destroyed. In this design, it is therefore diverted into the capacitor via the additional diode at the output of the choke coil, whereby the capacitor is charged with the energy resulting from the induction peak. The additional diode connected from the input of the choke coil to the first pole of the capacitor constantly applies the direct voltage of the direct voltage network to the capacitor. At the beginning of the next switching cycle, the additional controllable switch connected between the first pole of the capacitor and a tap on the choke coil is closed together with the switch between the choke coil and the output terminal, whereby the energy of the induction peak stored in the capacitor flows back into the AC network via the tap on the choke coil before the magnetic field has been built up in the choke coil and the current from the DC network begins to flow into the AC network. The tap prevents the full inductance of the choke coil from counteracting the current flowing out of the capacitor, but only a fractional current.
teil der Induktivität, welcher jedoch ebenfalls ein allmähliches Ansteigen dieses Stromes bewirkt und ein Kurzschließen des Kodensators verhindert. Im allgemeinen genügt es, daß der zusätzliche Schalter im Verhältnis zu dem zwischen Drosselspule und Ausgangsklemme befindlichen Schalter nur kurzzeitig geschlossen wird, um die gesamte im Kondensator gespeicherte Energie in das Wechselspannungsnetz abfließen zu lassen.part of the inductance, which also causes a gradual increase in this current and prevents the capacitor from short-circuiting. In general, it is sufficient that the additional switch is only closed for a short time in relation to the switch located between the choke coil and the output terminal in order to allow all the energy stored in the capacitor to flow into the AC voltage network.
Die beiden zuvor erwähnten Ausführungen können auch miteinander kombiniert werden. Die Steuerschaltung einer solchen Schaltung könnte vorzugsweise so eingestellt sein, daß der Schalter zwischen der Eingangsklemme und der Drosselspule zu einem festen Zeitpunkt vor dem Ende der Halbwelle der Wechselspannung, beispielsweise bei 90", geöffnet wird. Dann können sich an die Sinuskurve besonders angenäherte Stromverläufe ergeben, welche sich im wesentlichen in Phase mit der Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes befinden.The two previously mentioned designs can also be combined with one another. The control circuit of such a circuit could preferably be set so that the switch between the input terminal and the choke coil is opened at a fixed point in time before the end of the half-wave of the alternating voltage, for example at 90". This can then result in current profiles that are particularly close to the sine curve and are essentially in phase with the alternating voltage of the alternating voltage network.
Besteht die Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes aus einer positiven Gleichspannungskomponente und einer negativen Gleichspannungskomponente, bezogen auf den Nullpunkt des Wechselspannungsnetzes, und sind zwei Eingangsklemmen vorgesehen, von denen an der ersten Eingangsklemme die positive Gleichspannungskomponente und an der zweiten Eingangsklemme die negative Gleichspannungskomponente anliegt, kann eine weitere Ausführung vorgesehen werden, bei der von der ersten Eingangsklemme zur Ausgangsklemme in Reihe eine erste Diode in Durchlaßrichtung zur Ausgangsklemme, ein erster steuerbarer Schalter und eine Drosselspule und von der zweiten Eingangsklemme in Reihe eine zweite Diode in Sperrichtung zur Ausgangsklemme und ein zweiter steuerbarerIf the direct voltage of the direct voltage network consists of a positive direct voltage component and a negative direct voltage component, referred to the zero point of the alternating voltage network, and two input terminals are provided, of which the positive direct voltage component is present at the first input terminal and the negative direct voltage component is present at the second input terminal, a further design can be provided in which a first diode in the forward direction to the output terminal, a first controllable switch and a choke coil are connected in series from the first input terminal to the output terminal, and a second diode in the reverse direction to the output terminal and a second controllable
Schalter zum Eingang der Drosselspule geschaltet sind, vom Eingang der Drosselspule über jeweils einen dritten bzw. vierten steuerbaren Schalter eine dritte Diode in Sperrichtung und eine vierte Diode in Durchlaßrichtung gegen Masse geschaltet sind und die Steuerschaltung diese steuerbaren Schalter so steuert, daß der erste Schalter frühestens am Beginn der positiven Wechselspannungs-Halbwelle geschlossen und spätestens an deren Ende wieder geöffnet wird, der zweite Schalter frühestens am Beginn der negativen Halbwelle geschlossen und spätestens an deren Ende wieder geöffnet wird, der dritte Schalter während der positiven Halbwelle geschlossen und während der negativen Halbwelle geöffnet ist und der vierte Schalter während der positiven Halbwelle geöffnet und während der negativen Halbwelle geschlossen ist. Diese Ausführung besitzt den.Vorteil, daß nur eine einzige Drosselspule verwendet werden muß und auf eine zweite Drosselspule verzichtet werden kann. Da die Drosselspulen insbesondere für den höheren Leistungsbereich in der Anschaffung recht teuer sind, können auf diese Weise weitere Kosten eingespart werden. Allerdings benötigt man für diese Ausführung eine etwas aufwendigere Steuerschaltung.Switches are connected to the input of the choke coil, a third diode in the reverse direction and a fourth diode in the forward direction are connected to ground from the input of the choke coil via a third or fourth controllable switch, respectively, and the control circuit controls these controllable switches in such a way that the first switch is closed at the earliest at the beginning of the positive alternating voltage half-wave and opened again at the latest at the end of the half-wave, the second switch is closed at the earliest at the beginning of the negative half-wave and opened again at the latest at the end of the half-wave, the third switch is closed during the positive half-wave and opened during the negative half-wave and the fourth switch is opened during the positive half-wave and closed during the negative half-wave. This design has the advantage that only a single choke coil has to be used and a second choke coil is not required. Since choke coils are quite expensive to purchase, especially for the higher power range, further costs can be saved in this way. However, a somewhat more complex control circuit is required for this design.
Vorzugsweise werden die ersten und zweiten Schalter dieser Ausführung spätestens bei 90° nach Beginn der jeweiligen Wechelspannungs-Halbwelle wieder geöffnet. Dadurch wird insbesondere bei im Verhältnis zur Amplitude der Wechselspannung kleinen Gleichspannungen die in der zweiten Hälfte der jeweiligen Halbwelle auftretende weitere Stromspitze vermieden. Diese Stromspitze ist ohnehin nicht sehr hoch, so daß durch diese nur wenigPreferably, the first and second switches of this design are opened again at the latest at 90° after the start of the respective alternating voltage half-wave. This avoids the further current peak occurring in the second half of the respective half-wave, especially in the case of direct voltages that are small in relation to the amplitude of the alternating voltage. This current peak is not very high anyway, so that only a small amount of
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Energie in das Wechselspannungsnetz gespeist wird. Jedoch würde diese zusätzliche Stromspitze mehr unerwünschte Oberwellen erzeugen.energy is fed into the AC grid. However, this additional current peak would generate more unwanted harmonics.
Zweckmäßigerweise sollten die steuerbaren Schalter als elektronische Schalter ausgebildet sein.Ideally, the controllable switches should be designed as electronic switches.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. They show:
Figur 1 eine erste Ausführung der Schaltung; Figure 1 shows a first embodiment of the circuit;
Figuren 2aFigures 2a
bis d Spannungs- und Stromverläufe into d Voltage and current curves in
der Schaltung von Figur 1 bei verschiedenen Gleichspannungen;the circuit of Figure 1 at different DC voltages;
Figur 3 eine zweite Ausführung der Schaltung; Figure 3 shows a second embodiment of the circuit;
Figuren 4aFigures 4a
bis d Spannungs- und Stromverläufe into d Voltage and current curves in
der Schaltung von Figur 3 bei verschiedenen Gleichspannungen;the circuit of Figure 3 at different DC voltages;
Figur 5 eine dritte Ausführung der Schaltung; Figure 5 shows a third embodiment of the circuit;
Figuren 6aFigures 6a
bis c Spannungs- und Stromverläufe into c Voltage and current curves in
der Schaltung von Figur 5 bei verschiedenen Gleichspannungen;the circuit of Figure 5 at different DC voltages;
Figur 7 eine vierte Ausführung der Schaltung; Figure 7 shows a fourth embodiment of the circuit;
Figuren 8aFigures 8a
bis c Spannungs- und Stromverläufe into c Voltage and current curves in
der Schaltung von Figur 7 bei verschiedenen Gleichspannungen;the circuit of Figure 7 at different DC voltages;
Figur 9 einen Gleichrichter zum AnschlußFigure 9 a rectifier for connection
eines Drehstromgenerators an die S cha1tung; unda three-phase generator to the circuit; and
Figur 10 der Anschluß von Batterie- oderFigure 10 the connection of battery or
Solarzellen an die Schaltung.Solar cells to the circuit.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungen ist die Schaltung an ein Gleichspannungsnetz angeschlossen, bei dem die Gleichspannung aus einer positiven Gleichspannungskomponente und einer negative Gleichspannungskomponente besteht, und zwar bezogen auf einen Nullpunkt, der mit dem Nullpunkt des Wechselspannungsnetzes übereinstimmt, in welches über die Schaltung Energie aus dem Gleichspannungsnetz eingespeist werden soll. Die positiven und negativen Gleichspannungskomponenten haben in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen einen gleich hohen Betrag und liegen somit symmetrisch zum Nullpunkt.In the embodiments described below, the circuit is connected to a direct current network in which the direct current consists of a positive direct current component and a negative direct current component, based on a zero point that corresponds to the zero point of the alternating current network into which energy from the direct current network is to be fed via the circuit. The positive and negative direct current components in the embodiments described below have the same magnitude and are therefore symmetrical to the zero point.
Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß das Wechselspannungsnetz, in das die Energie aus dem Gleichspannungsnetz eingespeist werden soll, starr ist und somit die Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes als 'eingeprägt zu betrachten ist.It should also be noted that the AC network into which the energy from the DC network is to be fed is rigid and thus the AC voltage of the AC network is to be regarded as 'impressed'.
In Figur 1 ist nun eine erste Ausführung einer elektrischen Schaltung zum Einspeisen von Energie aus dem Gleichspannungsnetz in das Wechselspannungsnetz dargestellt. Von der ersten Eingangsklemme E, an der die positive Gleichspannungskomponente +üE anliegt, sind in Reihe eine Drosselspule L, ein erster steuerbarer Schalter S1 und eine erste Diode D1 zur Ausgangsklemme A geschaltet, die an das Wechselspannungsnetz mit der Wechselspannung uN angeschlossen ist. Zwischen der Eingangsklemme E und der Drosselspule L ist außerdem nochFigure 1 shows a first embodiment of an electrical circuit for feeding energy from the direct current network into the alternating current network. From the first input terminal E, to which the positive direct current component +ü E is applied, a choke coil L, a first controllable switch S 1 and a first diode D 1 are connected in series to the output terminal A, which is connected to the alternating current network with the alternating voltage u N. Between the input terminal E and the choke coil L there is also
ein zweiter steuerbarer Schalter S2 geschaltet. Von der den zweiten steuerbaren Schalter S2 mit der Drosselspule L verbundenen Leitung und somit vom Eingang der Drosselspule L ist eine zweite Diode D2 in Sperrichtung gegen Masse geschaltet, auf der auch die Nullpunkte des Gleichspannungsnetzes und des Wechselspannungsnetzes liegen. Die steuerbaren Schalter S1 und S2 werden von einer Steuerschaltung ST gesteuert, und zwar in Abhängigkeit vom Verlauf des Augenblickswertes der Wechselspannung uN, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird. Zwischen der Eingangsklemme E und der Ausgangsklemme A wird der Strom vom Gleichspannungsnetz in das Wechselspannungsnetz während der positiven Halbwelle der Wechselspannung uN gespeist, wie ebenfalls nachfolgend noch näher beschrieben wird.a second controllable switch S 2 is switched. From the line connecting the second controllable switch S 2 to the choke coil L and thus from the input of the choke coil L, a second diode D 2 is switched in reverse direction to ground, which is also the zero point of the direct voltage network and the alternating voltage network. The controllable switches S 1 and S 2 are controlled by a control circuit ST, depending on the course of the instantaneous value of the alternating voltage u N , as will be described in more detail below. Between the input terminal E and the output terminal A, the current is fed from the direct voltage network into the alternating voltage network during the positive half-wave of the alternating voltage u N , as will also be described in more detail below.
Ferner ist eine zweite Eingangsklemme E1 vorgesehen, an der die negative Gleichspannungskomponente -UE des Gleichspannungsnetzes anliegt. Der Aufbau der Schaltung im sogenannten negativen Pfad zwischen der zweiten Eingangsklemme E· und der Ausgangsklemme A ist der gleiche wie zwischen der ersten Eingangsklemme E und der Ausgangsklemme A. So sind zwischen der zweiten Eingangsklemme E· und der Ausgangsklemme A in Reihe ein steuerbarer Schalter S2 1, eine Drosselspule L1, ein steuerbarer Schalter S1 · und eine Diode D1' sowie zwischen dem Eingang der Drosselspule L1 und Masse eine weitere Diode D2 1 geschaltet. Jedoch sind die Dioden D1 1 und D2 1 in diesem negativen Pfad gegenüber den Dioden D1 und D2 im positiven Pfad umgekehrt gepolt. Sp ist die Diode D1 1 in Sperrichtung zur Ausgangsklemme A und die Diode D2 1 in Durchlaßrichtung zur Masse geschaltet. Außerdem ist auch eine weitere Steuerschaltung ST1 zur Ansteuerung der steuerbaren Schalter S1 1 und S2 1 im negativen Pfad vorgesehen.Furthermore, a second input terminal E 1 is provided, to which the negative DC voltage component -U E of the DC voltage network is applied. The structure of the circuit in the so-called negative path between the second input terminal E· and the output terminal A is the same as that between the first input terminal E and the output terminal A. A controllable switch S 2 1 , a choke coil L 1 , a controllable switch S 1 · and a diode D 1 ' are connected in series between the second input terminal E· and the output terminal A, and a further diode D 2 1 is connected between the input of the choke coil L 1 and ground. However, the diodes D 1 1 and D 2 1 in this negative path have the opposite polarity to the diodes D 1 and D 2 in the positive path. Sp the diode D 1 1 is connected in the reverse direction to the output terminal A and the diode D 2 1 is connected in the forward direction to ground. In addition, another control circuit ST 1 is provided for controlling the controllable switches S 1 1 and S 2 1 in the negative path.
Bei diesem Ausführungsbeispiel steuert die Steuerschaltung ST den Schalter S1 im positiven Pfad so, daß dieser am Beginn der positiven Halbwelle der Wechselspannung Un geschlossen und an dem Ende dieser Halbwelle wieder geöffnet wird, während die Steuerschaltung ST1 den Schalter S1 1 so steuert, daß dieser am Beginn der negativen Wechselspannungs-Halbwelle geschlossen und an deren Ende wieder geöffnet wird. Die zweiten Schalter S2 und S2 1 vor den Drosselspulen L und L1 werden von den Steuerschaltungen ST und ST' so gesteuert, daß sie zusammen mit den zugehörigen ersten Schaltern S1 und S1 · geschlossen, jedoch stets vor diesen wieder geöffnet werden. Der Ausschalt- bzw. Öffnungszeitpunkt der zweiten Schalter S2 und S2' ist variabel und hängt von der Höhe der Eingangsspannung UE ab, wie nachfolgend anhand der Figur 2 näher beschrieben wird.In this embodiment, the control circuit ST controls the switch S 1 in the positive path so that it is closed at the beginning of the positive half-wave of the alternating voltage U n and opened again at the end of this half-wave, while the control circuit ST 1 controls the switch S 1 1 so that it is closed at the beginning of the negative alternating voltage half-wave and opened again at the end of the half-wave. The second switches S 2 and S 2 1 upstream of the choke coils L and L 1 are controlled by the control circuits ST and ST' so that they are closed together with the associated first switches S 1 and S 1 ·, but are always opened again before these. The switch-off or opening time of the second switches S 2 and S 2 ' is variable and depends on the level of the input voltage U E , as is described in more detail below with reference to Figure 2.
In Figur 2a bis d sind die Spannungs- und Stromverläufe dargestellt, allerdings der Einfachheit halber nur für den positiven Pfad während der positiven Halbwelle der Wechselspannung uN. Für den negativen Pfad der in Figur dargestellten Schaltung während der negativen Halbwelle der Wechselspannung uN gilt entsprechendes.In Figure 2a to d the voltage and current curves are shown, however for the sake of simplicity only for the positive path during the positive half-wave of the alternating voltage u N . The same applies to the negative path of the circuit shown in Figure during the negative half-wave of the alternating voltage u N .
Am Beginn der positiven Halbwelle zum Zeitpunkt t, wird der Schalter S1 geschlossen. Gleichzeitig wird auch der Schalter S2 geschlossen, so daß nun an der Drosselspule L die Differenz aus der positiven Gleichspannungskomponente +UE und dem Augenblickswert der Wechselspannung u„ anliegt. Diese Spannungsdifferenz ist zu Beginn der Halbwelle am größten und nimmt mit ansteigendem Augenblickswert der Wechselspannung uN ab. Wegen der Wirkung der Induktivität der Drosselspule L fängt ein Strom IAt the beginning of the positive half-wave at time t, the switch S 1 is closed. At the same time, the switch S 2 is also closed, so that the difference between the positive DC voltage component +U E and the instantaneous value of the AC voltage u” is now present at the choke coil L. This voltage difference is greatest at the beginning of the half-wave and decreases as the instantaneous value of the AC voltage u N increases. Due to the effect of the inductance of the choke coil L, a current I
aus den Gleichspannungsnetz in das Wechselspannungsnet&zgr; erst langsam an zu fließen. Mit kleiner werdender Spannungsdifferenz steigt der Strom I an, bis der Augenblickswert der Wechselspannung uN den Wert der Gleichspannung UE erreicht hat. Ab diesem Zeitpunkt t3, an dem der Augenblickswert der Wechselspannung uN den Wert der Gleichspannung UE übersteigt, liegt an der Kathode der Diode D1 eine höhere Spannung als an deren Anode an, so daß die Diode D1 einen Rückfluß von Strom aus dem Wechselspannungsnetz über die Drosselspule L und den geschlossenen Schalter S2 in das Gleichspannungsnetz verhindert. Jedoch kann der in der Drosselspule L gespeicherte Strom über die Diode D1 ungehindert in das Wechselspannungsnetz abfließen, wobei durch die Diode D2 ein geschlossener Stromkreis bildet.from the direct current network into the alternating current network&zgr; begins to flow slowly. As the voltage difference becomes smaller, the current I increases until the instantaneous value of the alternating voltage u N has reached the value of the direct current U E. From this point in time t 3 , at which the instantaneous value of the alternating voltage u N exceeds the value of the direct current U E , a higher voltage is present at the cathode of the diode D 1 than at its anode, so that the diode D 1 prevents a backflow of current from the alternating current network via the choke coil L and the closed switch S 2 into the direct current network. However, the current stored in the choke coil L can flow unhindered into the alternating current network via the diode D 1 , forming a closed circuit through the diode D 2 .
Unterschreitet der Augenblickswert der Wechselspannung uN im abfallenden Ast den Wert der Gleichspannung UE, öffnet die Diode D1 wieder (Zeitpunkt t4), so daß mit zunehmender Spannungsdifferenz über die Drosselspule L wieder ein Strom vom Gleichspannungsnetz ins Wechselspannungsnetz fließt. Damit jedoch der Strom I etwa mit dem Nulldurchgang der Wechselspannung uN ausklingt, muß rechtzeitig vor dem Nulldurchgang des Augenblickswertes der Wechselspannung uN der zweite Schalter S2 geöffnet werden. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t5 (öffnen des Schalters S2) und dem Ende der positiven Wechselspannungs-Halbwelle beim Zeitpunkt t2 muß so bemessen sein, daß der zwischenzeitlich wieder in der Drosselspule L gespeicherte Reststrom in das Wechselspannungsnetz abfließen kann.If the instantaneous value of the alternating voltage u N in the falling branch falls below the value of the direct voltage U E , the diode D 1 opens again (time t 4 ), so that as the voltage difference increases, a current flows again from the direct voltage network into the alternating voltage network via the choke coil L. However, in order for the current I to die out approximately when the alternating voltage u N passes through zero, the second switch S 2 must be opened in good time before the instantaneous value of the alternating voltage u N passes through zero. The time period between the times t 5 (opening of the switch S 2 ) and the end of the positive alternating voltage half-wave at the time t 2 must be dimensioned such that the residual current stored in the choke coil L in the meantime can flow into the alternating voltage network.
Bei geringer Gleichspannung UE entsteht eine Stromlücke während der Halbwellenperiode, wie Figur 2a erkennenAt low DC voltage U E a current gap occurs during the half-wave period, as can be seen in Figure 2a
läßt. Bei zunehmender Gleichspannung UE nimmt die Zeit des Stromflusses zwischen t1 und t3 sowie t4 und t2 zu und die Zeit zwischen den Zeitpunkten t3 und t4, während derer die Diode D1 sperrt, ab. Dies hat zur Folge, daß ab einer bestimmten Höhe der Gleichspannung UE die Stromlücke geschlossen wird (vgl. Figur 2b). Wenn die Gleichspannung UE höher als die Amplitude der Wechselspannung Un liegt, fließt ein Strom I während der gesamten Halbwelle der Wechselspannung uM (vgl. Figuren 2c und d), der einen der Sinuskurve recht angenäherten Verlauf hat.As the direct voltage U E increases, the time of the current flow between t 1 and t 3 and t 4 and t 2 increases and the time between the times t 3 and t 4 during which the diode D 1 is blocked decreases. This means that from a certain level of the direct voltage U E the current gap is closed (see Figure 2b). If the direct voltage U E is higher than the amplitude of the alternating voltage U n , a current I flows during the entire half-wave of the alternating voltage u M (see Figures 2c and d), which has a course that is very close to a sine curve.
Da die Stärke des Magnetfeldes in der Drosselspule L und damit die Dauer des Induktionsstromes nach dem öffnen des Schalters S2 von der Höhe der Gleichspannung UE abhängt, muß mit höherer Gleichspannung UE die Ausschaltung früher erfolgen, damit der Nullpunkt des Stromes I weiterhin mit dem Nulldurchgang des Augenblickswertes der Wechselspannung uN zusammenfällt. Der Ausschaltzeitpunkt t5 des Schalters S2 wandert also mit höher werdender Gleichspannung UE immer weiter nach vorn, so daß die Einschaltzeit t,-t5 kürzer wird, wie die Figuren 2a bis d erkennen lassen. Der Ausschaltzeitpunkt t5 sollte zweckmäßigerweise so gewählt werden, daß der Stromnullpunkt möglichst etwas vor dem Spannungsnulldurchgang liegt. Denn eine Abschaltung zu einem Zeitpunkt, bei dem der Strom I noch nicht auf Null ist, verursacht wieder eine Induktionsspitze. Wenn diese Bedingung eingehalten wird, kann für den Schalter S1 ein Thyristor oder Triac verwendet werden. Der Gate-Strom muß allerdings während der gesamten Halbwelle fließen, weil bei kleinerer Gleichspannung UE der Haltestrom zeitweise unterschritten werden kann.Since the strength of the magnetic field in the choke coil L and thus the duration of the induction current after the switch S 2 opens depends on the level of the direct voltage U E , the switch-off must take place earlier with a higher direct voltage U E so that the zero point of the current I continues to coincide with the zero crossing of the instantaneous value of the alternating voltage u N. The switch-off time t 5 of the switch S 2 therefore moves further and further forward with increasing direct voltage U E so that the switch-on time t 1 - t 5 becomes shorter, as can be seen from Figures 2a to d. The switch-off time t 5 should ideally be chosen so that the current zero point is as far before the voltage zero crossing as possible. This is because switching off at a time when the current I is not yet at zero causes another induction peak. If this condition is met, a thyristor or triac can be used for the switch S 1 . However, the gate current must flow during the entire half-wave because at lower DC voltage U E the holding current may be temporarily exceeded.
In Figur 3 ist eine weitere Schaltung dargestellt, die im wesentlichen das gleiche Spannungs-Strom-Verhalten wie die in Figur 1 dargestellte Schaltung zeigt, jedoch nur mit einer einzigen Drosselspule L auskommt. Im Gegensatz zu der Schaltung von Figur 1 ist die Reihenfolge der Reihenschaltung aus der ersten Diode D1, dem ersten steuerbaren Schalter Sl und der Drosselspule L im positiven Pfad von der ersten Eingangsklemme E zur Ausgangsklemme A umgekehrt. Von der ersten Eingangsklemme E zur Ausgangsklemme A sind demnach die erste Diode D1 in Durchlaßrichtung zur Ausgangsklemme A, der erste steuerbare Schalter S1 und die Drosselspule L geschaltet. Im Gegensatz zu der in Figur 1 gezeigten Schaltung besteht der negative Pfad nur aus einer Reihenschaltung aus einer Diode D1 · und einem steuerbaren Schalter S1 ·, wobei die Diode D1' in Durchlaßrichtung zur zweiten Eingangsklemme E1 geschaltet ist. Der Ausgang des ersten Schalters S1' im negativen Pfad ist zusammen mit dem Ausgang des ersten Schalters S1 im positiven Pfad auf den Eingang der Drosselspule L geschaltet. Eine weitere Drosselspule im negativen Pfad ist nicht vorhanden. Von der die Ausgänge der beiden Schalter S1 und S1' mit dem Eingang der Drosselspule L verbindenen Leitung sind zwei Dioden D2" und D2 111 über jeweils einen zugehörigen Schalter S2" und S2 1" gegen Masse geschaltet. Dabei ist die Diode D2" in Sperrichtung und die Diode D2"' in Durchlaßrichtung zur Masse geschaltet.Figure 3 shows a further circuit which essentially has the same voltage-current behavior as the circuit shown in Figure 1, but only requires a single choke coil L. In contrast to the circuit in Figure 1, the order of the series connection of the first diode D 1 , the first controllable switch S 1 and the choke coil L in the positive path from the first input terminal E to the output terminal A is reversed. From the first input terminal E to the output terminal A, the first diode D 1 is therefore connected in the forward direction to the output terminal A, the first controllable switch S 1 and the choke coil L. In contrast to the circuit shown in Figure 1, the negative path only consists of a series connection of a diode D 1 · and a controllable switch S 1 ·, with the diode D 1 ' being connected in the forward direction to the second input terminal E 1. The output of the first switch S 1 ' in the negative path is connected to the input of the choke coil L together with the output of the first switch S 1 in the positive path. There is no further choke coil in the negative path. From the line connecting the outputs of the two switches S 1 and S 1 ' with the input of the choke coil L, two diodes D 2 " and D 2 111 are connected to ground via an associated switch S 2 " and S 2 1 ". The diode D 2 " is connected to ground in the reverse direction and the diode D 2 "' in the forward direction.
Die Steuerschaltung ST steuert die Schalter S1, S1 ·, S2" und S2"1 derart, daß der Schalter S1 am Beginn der positiven Halbwelle der Wechselspannung uM geschlossen und spätestens an deren Ende wieder geöffnet wird, der Schalter S1 · am Beginn der negativen Halbwelle der Wechselspannung uH geschlossen und spätestens an deren EndeThe control circuit ST controls the switches S 1 , S 1 ·, S 2 " and S 2 " 1 in such a way that the switch S 1 is closed at the beginning of the positive half-wave of the alternating voltage u M and is opened again at the latest at the end of the same, the switch S 1 · is closed at the beginning of the negative half-wave of the alternating voltage u H and is opened again at the latest at the end of the same
wieder geöffnet wird, der Schalter S2" während der positiven Halbwelle geschlossen und während der negativen Halbwelle geöffnet ist und der Schalter S2" · während der positiven Halbwelle geöffnet und während der negativen Halbwelle geschlossen ist.is opened again, the switch S 2 " is closed during the positive half-wave and open during the negative half-wave and the switch S 2 " · is open during the positive half-wave and closed during the negative half-wave.
Die Spannungs-Strom-Verläufe.für die Schaltung von Figur 3 sind für den positiven Pfad während der positiven Halbwelle der Wechselspannung uN in den Figuren 4a bis d dargestellt. In diesem Beispiel ist die Steuerschaltung ST so eingestellt, daß der erste Schalter S1 spätestens während der Spitze, also bei 90*, wieder geöffnet wird. Der Ausschaltzeitpunkt t2 des Schalters S1 liegt also im Gegensatz zu der Schaltung von Figur 1 nicht später als bei 90*. Entsprechendes gilt auch für den Schalter S1" im negativen Pfad. Der Ausschaltzeitpunkt t2 wandert mit höherer Gleichspannung UE immer weiter nach vorn, so daß die Einschaltzeit tt-t2 des Schalters S1 immer kürzer wird (vgl. Figuren 4c und d). Ein Vergleich der Figuren 2c und d mit den Figuren 4c und d ergibt, daß der in das Wechselspannungsnetz eingespeiste Strom I einen ähnlichen Kurvenverlauf hat, wenn der Wert der Gleichspannung UE über dem Amplitudenwert der Wechselspannung uN liegt. Unterschiede ergeben sich lediglich bei kleinerer Gleichspannung UE, da ein zweiter Stromfluß in Form eines "Stromhöckers" nicht stattfindet, wenn der Augenblickswert der Wechselspannung uN unter den Wert der Gleichspannung UE wieder absinkt, da zu diesem Zeitpunkt der Schalter S1 bereits wieder geöffnet ist, wie ein Vergleich der Figuren 4a und b mit den Figuren 2a und b deutlich erkennen läßt. Allerdings läßt sich dieser Stromverlauf auch mit der Schaltung von Figur 1 erzielen, sofern der in dieser Schaltung vorhandene zweite Schalter S2 bzw. S2 1 vor der Drosselspule L bzw. L1 nichtThe voltage-current curves for the circuit in Figure 3 are shown for the positive path during the positive half-wave of the alternating voltage u N in Figures 4a to d. In this example, the control circuit ST is set so that the first switch S 1 is opened again at the latest during the peak, i.e. at 90*. The switch-off time t 2 of the switch S 1 is therefore no later than 90*, in contrast to the circuit in Figure 1. The same applies to the switch S 1 " in the negative path. The switch-off time t 2 moves further and further forward with higher DC voltage U E , so that the switch-on time t t -t 2 of the switch S 1 becomes shorter and shorter (see Figures 4c and d). A comparison of Figures 2c and d with Figures 4c and d shows that the current I fed into the AC voltage network has a similar curve when the value of the DC voltage U E is above the amplitude value of the AC voltage u N. Differences only arise with a lower DC voltage U E , since a second current flow in the form of a "current hump" does not take place when the instantaneous value of the AC voltage u N drops below the value of the DC voltage U E again, since at this time the switch S 1 is already open again, as a comparison of Figures 4a and b with Figures 2a and b clearly shows. However, this current curve can also be achieved with the circuit in Figure 1, provided that the Circuit existing second switch S 2 or S 2 1 before the choke coil L or L 1 not
später als bei 90" nach Beginn der Halbwelle wieder geöffnet wird.later than 90" after the start of the half-wave.
Im übrigen ist das Verhalten der Schaltung von Figur 3 das gleiche wie das der Schaltung von Figur 1, so daß auf die entsprechende Beschreibung verwiesen wird.Otherwise, the behavior of the circuit in Figure 3 is the same as that of the circuit in Figure 1, so that reference is made to the corresponding description.
Nachfolgend werden zwei Modifikationen der Schaltung von Figur 1 beschrieben.Two modifications of the circuit of Figure 1 are described below.
Die in Figur 5 dargestellte Schaltung unterscheidet sich von der Schaltung von Figur 1 dadurch, daß anstelle der in jener Schaltung vorgesehenen Schalter S2 und S2' und der Dioden D2 und D2 1 im positiven und im negativen Pfad jeweils eine Diode D3 bzw. D3' den Ausgang der Drosselspule L bzw. L1 mit einem ersten Pol eines Kondensators C bzw. C verbindet, dessen zweiter Pol gegen Masse geschaltet ist. Außerdem ist von der Eingangsklemme E bzw. E1 eine weitere Diode D4 bzw. D4 1 in Durchlaßrichtung im positiven Pfad bzw. in Sperrichtung im negativen Pfad an den ersten Pol des Kondensators C bzw. C geschaltet und der erste Pol des Kondensators C bzw. C über einen zusätzlichen steuerbaren Schalter S3 bzw. S3 1 mit einer Anzapfung der Drosselspule L bzw. L1 verbunden. The circuit shown in Figure 5 differs from the circuit in Figure 1 in that, instead of the switches S 2 and S 2 ' and the diodes D 2 and D 2 1 provided in that circuit, a diode D 3 or D 3 ' connects the output of the choke coil L or L 1 to a first pole of a capacitor C or C, the second pole of which is connected to ground. In addition, a further diode D 4 or D 4 1 is connected from the input terminal E or E 1 in the forward direction in the positive path or in the reverse direction in the negative path to the first pole of the capacitor C or C, and the first pole of the capacitor C or C is connected to a tap of the choke coil L or L 1 via an additional controllable switch S 3 or S 3 1 .
Die zuvor beschriebene Anordnung mit den zusätzlichen Dioden D3, D4 bzw. D3 1 und D4 1, dem Kondensator C bzw. C und dem zusätzlichen Schalter S3 bzw. S3 1 dient zur Speicherung derjenigen Energie, die beim öffnen des Schalters S1 bzw. S1 1 zum Zeitpunkt t2 am Ende der jeweiligen Halbwelle entsteht. Diese Energie darf nicht vernichtet werden. Sie wird deshalb über die Diode D3 bzw. D3 1 nach der Drosselspule L bzw. L' in den Kondensator C bzw. CThe previously described arrangement with the additional diodes D 3 , D 4 or D 3 1 and D 4 1 , the capacitor C or C and the additional switch S 3 or S 3 1 serves to store the energy that is generated when the switch S 1 or S 1 1 is opened at time t 2 at the end of the respective half-wave. This energy must not be destroyed. It is therefore fed via the diode D 3 or D 3 1 after the choke coil L or L' into the capacitor C or C
abgeleitet und dort gespeichert. Erst bei Beginn der nächsten positiven bzw. negativen Halbwelle wird die im Kondensator C bzw. C gespeicherte Energie über den Schalter S3 bzw. S3 1 und die Anzapfung der Drosselspule L bzw. L1 in das Wechselspannungsnetz geleitet. Hierzu wird der zusätzliche Schalter S3 bzw. S3 1 von der Steuerschaltung ST bzw. ST1 so angesteuert, daß dieser zusammen mit dem Schalter S1 bzw. S1 · am Beginn der Halbwelle (Zeitpunkt t,) geöffnet, jedoch kurzzeitig danach wieder geschlossen wird. Da dieser Strom nur über die Anzapfung der Drosselspule L bzw. L· in das Wechselspannungsnetz fließt, wird er durch das sich währenddessen in der Drosselspule L bzw. L1 aufbauende Magnetfeld nicht wesentlich behindert.and stored there. Only at the start of the next positive or negative half-wave is the energy stored in the capacitor C or C fed into the AC network via the switch S 3 or S 3 1 and the tap of the choke coil L or L 1. For this purpose, the additional switch S 3 or S 3 1 is controlled by the control circuit ST or ST 1 in such a way that it is opened together with the switch S 1 or S 1 · at the start of the half-wave (time t,), but is closed again shortly afterwards. Since this current only flows into the AC network via the tap of the choke coil L or L·, it is not significantly hindered by the magnetic field which builds up in the choke coil L or L 1 during this time.
In Figur 6 ist der Verlauf des Stromes I bei verschieden hohen Gleichspannungswerten UE dargestellt, und zwar während der positiven Halbwelle des Augenblickwertes der Wechselspannung uN für den positiven Pfad. Wie aus dieser Figur 6 deutlich zu entnehmen ist, zeigt der Stromverlauf am Ende der Halbwelle von uM zum Ausschaltzeitpunkt t2 des Schalters S1 einen steilen Anstieg, was nach dem Abschalten die zuvor erwähnte Induktionsspitze zur Folge hat.Figure 6 shows the course of the current I at different DC voltage values U E during the positive half-wave of the instantaneous value of the AC voltage u N for the positive path. As can be clearly seen from this figure 6, the current course at the end of the half-wave from u M to the switch-off time t 2 of the switch S 1 shows a steep increase, which results in the previously mentioned induction peak after switching off.
Die Schaltung von Figur 5 unterscheidet sich also von den zuvor beschriebenen Schaltungen dadurch, daß die Induktionsspitze zwischengespeichert wird, während bei den Schaltungen der Figuren 1 und 3 die Induktionsspitze sofort nach dem Abschalten direkt in das Wechselspannungsnetz abgeleitet wird. Was das übrige Verhalten des Stromverlaufes angeht, so wird auf die obige Beschreibung verwiesen.The circuit in Figure 5 differs from the previously described circuits in that the induction peak is temporarily stored, whereas in the circuits in Figures 1 and 3 the induction peak is immediately diverted into the AC voltage network after switching off. Regarding the rest of the behavior of the current curve, please refer to the above description.
Figur 7 zeigt eine Kombination der Schaltungen von Figur 1 und Figur 5. Wie die zugehörigen Stromverläufe in Figur 8 erkennen lassen, liegt in dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel der Ausschaltzeitpunkt t5 des Schalters S2 bzw. S2* vor der Drosselspule L bzw. L1 konstant bei 90* nach Beginn der Halbwelle von uM. Zwar benötigt diese Schaltungsausführung jeweils für den positiven und für den negativen Pfad drei steuerbare Schalter S1, S2 und S3 bzw. S1 ·, S2 1 und S3 1, jedoch können die Steuerschaltungen ST und ST1 relativ einfach ausgeführt werden, da die Ein- und AusschaltZeitpunkte der Schalter im wesentlichen konstant sind.Figure 7 shows a combination of the circuits of Figure 1 and Figure 5. As the associated current curves in Figure 8 show, in the exemplary embodiment shown the switch-off time t 5 of the switch S 2 or S 2 * in front of the choke coil L or L 1 is constant at 90* after the start of the half-wave of u M . Although this circuit design requires three controllable switches S 1 , S 2 and S 3 or S 1 ·, S 2 1 and S 3 1 for the positive and negative paths, the control circuits ST and ST 1 can be implemented relatively simply since the switch-on and switch-off times of the switches are essentially constant.
Wie die in den Figuren 2, 4, 6 und 8 gezeigten Stromverläufe erkennen lassen, kann mit den zuvor beschriebenen Schaltungen ein Strom I mit einem stetigen Verlauf erzeugt werden. In bestimmten Zuständen kann dabei der Strom einen der idealen Sinuskurve recht gut angenäherten Verlauf erhalten (vgl. z.B. Figuren 2c, d, Figur 4b bis d und Figur 8b und c).As can be seen from the current curves shown in Figures 2, 4, 6 and 8, a current I with a continuous curve can be generated using the previously described circuits. In certain states, the current can have a curve that is quite close to the ideal sine curve (see, for example, Figures 2c, d, Figures 4b to d and Figures 8b and c).
Abschließend sind in den Figuren 9 und 10 zwei Beispiele gezeigt, wie die Gleichspannung UE erzeugt werden kann, welche an die Eingangsklemmen E und E1 der in den Figuren 1, 3,5 und 7 gezeigten Schaltungen angelegt wird.Finally, Figures 9 and 10 show two examples of how the direct voltage U E can be generated, which is applied to the input terminals E and E 1 of the circuits shown in Figures 1, 3, 5 and 7.
In Figur 9 ist ein Dreiphasengleichrichter, bestehend aus den Dioden D5a bis D5f, dargestellt, welcher eine von einem Drehstromgenerator erzeugte Dreiphasen-Spannung in eine Gleichspannung mit zum Nullpunkt symmetrischen positiven und negativen Gleichspannungskomponenten +UE und -UE umwandelt.Figure 9 shows a three-phase rectifier consisting of the diodes D 5a to D 5f , which converts a three-phase voltage generated by a three-phase generator into a direct voltage with positive and negative direct voltage components +U E and -U E symmetrical to the zero point.
Figur 10 zeigt eine Anordnung, bei der eine solche Gleichspannung von Batterien oder Solarzellen Z erzeugt wird, die symmetrisch zu einem Nullpunkt geschaltet sind.Figure 10 shows an arrangement in which such a direct voltage is generated by batteries or solar cells Z that are connected symmetrically to a zero point.
Wenn die in den Figuren 9 und 10 gezeigten Anordnungen verwendet werden, können die Dioden D1 und D1, in den Schaltungen der Figuren 1, 3, 5 und 7 entfallen, da ein unverwunschter Stromrückfluß aus dem Wechselspannungsnetz bereits durch den Gleichrichter von Figur 9 oder die Dioden D68 und D66 von Figur 10 verhindert wird.If the arrangements shown in Figures 9 and 10 are used, the diodes D 1 and D 1 in the circuits of Figures 1, 3, 5 and 7 can be omitted, since an undesirable current backflow from the AC voltage network is already prevented by the rectifier of Figure 9 or the diodes D 68 and D 66 of Figure 10.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9107538U DE9107538U1 (en) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | Electrical circuit for feeding energy into an alternating voltage network |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9107538U DE9107538U1 (en) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | Electrical circuit for feeding energy into an alternating voltage network |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9107538U1 true DE9107538U1 (en) | 1992-10-15 |
Family
ID=6868454
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE9107538U Expired - Lifetime DE9107538U1 (en) | 1991-06-19 | 1991-06-19 | Electrical circuit for feeding energy into an alternating voltage network |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9107538U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007036374A3 (en) * | 2005-09-28 | 2007-08-09 | Siemens Ag Oesterreich | Power inverter for two direct current sources and a method for the operation thereof |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0085249B1 (en) * | 1981-12-21 | 1986-05-21 | Helionetics, Inc. | Method and apparatus for electrical power conversion |
| DE3821856A1 (en) * | 1988-06-29 | 1990-01-04 | Sonder Karl Heinz | Electronic circuit for the parallel AC network operation of renewable energy |
-
1991
- 1991-06-19 DE DE9107538U patent/DE9107538U1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0085249B1 (en) * | 1981-12-21 | 1986-05-21 | Helionetics, Inc. | Method and apparatus for electrical power conversion |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| SCHÖNHOLZER,E.T.: Wechselrichter für Photovoltaik-anlagen mit Netzverbund. In: Bulleltin SEV/VSE 79,3.Dez. 1988, S.1441-1447 * |
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