電気エネルギーを送電網に供給するための装置および当該装置のための直流変換機
直流発電機（１）と直流変換機（２）とインバータ（３）とを備える、電気エネルギーを送電網（８）に供給するための装置、ならびに、特にこれに適している直流変換機（２）が記載される。直流変換機（２）は、磁気接続および電気接続されている２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）と２つの回路（Ｓ５、Ｓ６）と３つのダイオード（Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８）とを有する格納チョークコイル（１５）を備える。また、直流変換機（２）は、直流発電機（１）がその負の出力部（５）にアースされることを可能にするとともに回路（Ｓ５、Ｓ６）の電圧負荷を小さいままにするように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプレアンブルに記載されている形式の装置および当該装置に適した直流変換機に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電池設備または燃料電池設備等の直流発電機によって生成される電気エネルギーを交流網、特に公的な送電網（５０／６０Ｈｚ）に供給するために、さまざまな形式のインバータが使用されている。直流発電機とインバータとの間には、たいていの場合、直流変換機（ＤＣ−ＤＣ−チョッパ）が設けられている。この直流変換機は、直流発電機から搬送された直流を、インバータによって必要とされるまたはインバータに適合された交流に変化するために用いられる。
【０００３】
さまざまな理由から、直流発電機の出力部の一つにアースすることが望ましい。その際、本発明の範疇では、特に、直流変換機の負の出力部にアース端子が設けられるという場合が観察される。このようにアースが望まれる理由は、一つには、このようなアースが法律で規定されている国々が存在するということである。また、他の理由として、アースが施されていないと、運転の際にさまざまな欠点が生じることになるからである。この欠点としては、特に、高周波数の迷走電流の問題が挙げられる。直流発電機と大地との間に存在する不可避の寄生容量に起因して、電位が変動する際に、結果として、許容不可能な安全リスクである多大な均等化電流となる。したがって、このような均等化電流は、接触保護のために、または電磁的両極性（ＥＭＣ）を生成するために、エラー電流センサ等を用いる高価な監視手段を必要とすることになり、均等化電流は、アースを行うことによってしか回避することはできない。直流発電機における電位の変動は、たとえば薄膜モジュール等の特定のソーラーモジュールの際にも、持続的な故障につながるおそれがある。
【０００４】
上記の形式のアースは、変圧器を有する直流変換機を用いる場合には簡単に可能になる。この変圧器は、直流側を交流側から電気的に絶縁するものである。しかしながら、変圧器は、用いられるのが電源変圧器または高周波数変圧器であるかにかかわらず、特に効率の低下が一方では構造サイズの巨大な重量に、かつ／または、追加の制御コストを結果としてもたらす。したがって、基本的には、変圧器を有さない電流交換器が好まれる。変圧器を有さない直流変換機のその他のトポロジーは、望ましいアースを不可能にする。その理由は、このアースが必要とされる回路、容量等の短絡につながるからである。あるいは、変圧器を有さない直流変換機のその他のトポロジーは、増大化した回路コストおよび他の欠点を結果としてもたらす。
【０００５】
したがって、上述した欠点が生じることを別の方法で回避するための数々の試みがなされてきた。特に、不所望の迷走電流を減少させるための目的で用いられる回路が公知となっている（たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３を参照）。これらの回路では、たとえば太陽発電機が、送電網による内部の電流の搬送の特定の位相で運転される。この場合、周期的に新しくなる、太陽発電機と送電網との電気接続の際、送電網の規制容量はわずかしか移送されない。したがって、網周波数を有する太陽発電機の電位は、送電網の電流の半分に相当する電圧振幅の際には正弦波状に変化する。この場合、高周波電流は、２つの回路サイクル間のみの太陽発電機のわずかな電圧差によって、かつ、回路接続の際の非対称によって生じる。したがって、容量性の迷走電流は、このようにして、大いに減少されるが、基本的には完全に防止することはできない。
【０００６】
さらに、中心でアースされている分割した太陽発電機を使用する回路機構（特許文献４）が公知となっている。これによって、太陽発電機のすべての部分が固定電位を有するようになり、容量性の迷走電流は、基本的に流れないことになる。２つの直流源が異なる生産性を有しているので、性能差および電圧の補償のための回路が設けられる。この回路機構において不都合なのは、太陽発電機および回路における高い電圧差、補償回路内の追加の損失、および少なくとも４つの高周波に同期された回路が必要であるという手間である。
【０００７】
これに加えて、既に、発電機が存在しないにも関わらず太陽発電機が一方にアースされ得る回路設備が公知となっている。これによって、容量性の迷走電流が、原則的に防止される。しかしながら、こうした回路設備の中のひとつ（特許文献５）は、５つの能動回路を必要とする。ここで、１つまたは２つの回路が同時に高周波数で切り替わって平均出力電流を提供する必要がある。したがって、この「フライングインダクター（Flying Inductor）」という名称でも呼ばれる回路では、同時に直列に電流につながる多数の構造部材によって効率が損なわれる。この回路において不都合なのは、継続的な電流パルスが送電網内に刻み込まれることである。これは、容量性の送電網フィルターを必要とする。このフィルターは、基本的に自身の無効電力需要および力率を必要とし、部分負荷範囲における回路の効率を悪化させる。このような容量性の送電網フィルターは、別の公知の回路では回避することができる（特許文献６）。しかし、この目的のために、９つの能動回路が必要となり、そのうち、少なくとも２つが高周波数で切り替えられる必要がある。その結果、構造コストがさらに増加し、装置全体の堅牢性も効率も悪影響を被ることになる。フライングインダクターのトポロジーは、さらに、回路の電圧負荷が送電網の電圧に依存し、送電網の故障に影響を受けやすくなり、したがって三相でのみ運転可能である、かつ、フライングインダクターは３つのインバータによって三通りに応用される、という欠点を有する。それ以外にも、電流源の特徴を有するインバータを必要とするが、これは多くの場合には望ましくない。
【０００８】
最終的に、冒頭に記載した形式の装置（特許文献７）が公知となっている。この装置は、イバイポーラ電圧中間回路を有するインバータのために設計されたものである。このバイポーラ電圧中間回路は、直列に並ぶアース端子において接続された２つのコンデンサを有している。本願で話題にしている目的のために今日よく使用されるこの種のインバータは、いわゆる半ブリッジインバータとして、すなわち、３点切り替えの半ブリッジインバータとして、さらには必要に応じて、単相または三相の送電網供給のためのインバータとして構成され得る。これらすべての場合において、２つのコンデンサの間の接続点がアース端子を構成している。このアース端子は、各送電網のゼロ線または中性線に対応して設けられており、かつそれと接続される。
【０００９】
この公知の装置の交流変換機は、格納チョークコイル、２つのダイオードおよび回路を有する。インバータのアース端子は、この場合には、直流発電機の負の出力部に接続され得る。このことは、格納チョークコイルによって可能になる。この格納チョークコイルは、磁気接続された２つの巻線から構成されている。この格納チョークコイルの２つの巻線は、回路が閉じている場合には２つの巻線のうち１つが直流発電機によって充電され他方の巻線は磁気接続を介して１つ目の巻線から充電されるように、また、回路が開いている場合には２つの巻線が対応して設けられている２つのコンデンサのうちの１つおよびそれぞれ付属のダイオードを介して放電されるように、端部において互いに電気接続されている。
【００１０】
この装置が比較的簡単な手段を有していること、特に、変圧器がなく１つのカイロで直流電圧気のアースを可能にするという利点は、しかしながら、回路が開いた状態では電圧の負荷にさらされるという欠点と対比される。この電圧は直流発電機の出力電圧とインバータの電圧中間回路の２つのコンデンサのうちの１つの電圧との合計から生じる。これによって、逆に、回路の故障を確実に防ぐためには、直流発電機の出力電圧がせいぜい回路の許容電圧と該当するコンデンサの電圧との差になる程度でなくてはならないということになる。直流発電機の出力電圧に対するこのような制限は望ましくない。流出電流およびそれによって損失を最小に抑えるためには、上記の電圧差に相当する電圧よりもはるかに大きい電圧が望ましい。そして、この大きな電圧を得るためには、高価で、したがって高負荷の回路が必要となるか、通常の回路を使用した場合には直流発電機の出力電圧の減少が絶対に必要となる。よって、この種の装置は、使用できる利用分野が限られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許公開公報第１０２００４０３７４６６号明細書
【特許文献２】独国特許公開公報第１０２２１５９２号明細書
【特許文献３】独国特許第１０２００４０３０９１２号明細書
【特許文献４】独国特許公開公報第１０２２０５０２０号明細書
【特許文献５】独国特許第１９６４２５２２号明細書
【特許文献６】独国特許第１９７３２２１８号明細書
【特許文献７】米国特許公開公報第２００７／００４７２７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術を踏まえて、本発明の技術的課題は、冒頭に記載した形式の装置および特に当該装置に適している直流変換機を、直流発電機の負の接続部のアースを比較的簡単な構成手段を用いるだけではなく交流交換器の回路の電圧負荷を大いに減少させながら可能にするように構成するということである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、上記課題は、請求項１、２および１１の特徴部の特徴によって解決される。
【００１４】
本発明によって、直流変換機を用いることによって直流発電機をアースした状態で運転することが可能になる。この直流変換機は、最も簡単な場合には、格納チョークコイル、２つのダイオード、および２つの回路だけを必要とする。わずかにコストが上がっただけにもかかわらず、これによって、回路のうちの１つの最大負荷が、交流発電機の出力電圧に相当する負荷よりも大きくならず、一方、他の回路の電圧負荷がコンデンサの電圧よりも大きくならないので、結果として直流発電機の出力電圧が冒頭に記載した形式の装置と比較して回路の負荷限界まで上昇することができる、という利点が得られる。
【００１５】
本発明のさらなる有利な特徴は、従属請求項から明らかになる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を添付の図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】送電網に電気エネルギーを供給するためのアースされた直流発電機を有する装置の公知の構造を示す図である。
【図２】送電網に電気エネルギーを供給するためのアースされた直流発電機を有する本発明に係る装置を示す図である。
【図３】図２に係る装置の２つの回路を制御するための信号とそれによって生じた電流路を示す図である。
【図４】図２に係る装置であるが、変更された直流変換機を有する装置の図である。
【図５】図２に係る装置であるが、変更された直流変換機を有する装置の図である。
【図６】図１に係る装置であるが、変更された直流変換機を有する装置の図である。
【図７】本発明に係る装置を運転することができる図１に係るインバータの代替となる様々なインバータのうちの１つを示す図である。
【図８】本発明に係る装置を運転することができる図１に係るインバータの代替となる様々なインバータのうちの１つを示す図である。
【図９】本発明に係る装置を運転することができる図１に係るインバータの代替となる様々なインバータのうちの１つを示す図である。
【００１８】
図１によると、本発明の範疇とみなされる通常の装置は、直流発電機１、直流変換機２およびインバータ３を有している。直流発電機１は、たとえば、太陽電池設備または燃料電池設備から成り、自身の２つの出力部４（＋）および５（−）を並行に接続するコンデンサＣを有している（たとえば、特許文献７、図１０を参照）。
【００１９】
公知の装置のインバータ３は、出力部６および７を有している。これら出力部は、この場合、送電網８への電気エネルギーの単相供給のために用いられる。相Ｌは、出力部６に接続されており、ゼロ線または中性線Ｎは出力部７に接続されている。インバータ３は、さらに、３つの入力部Ｅ１、Ｅ２およびＥ３を有する。入力部Ｅ１およびＥ２の間には、直列に接続された２つのコンデンサＣ１およびＣ２が設けられており、これらコンデンサの接続点は入力部Ｅ３のところにある。コンデンサＣ１およびＣ２は、インバータ３の通常のバイポーラ電圧中間回路を構成する。図１によると、インバータ３は、半ブリッジインバータとして構成されており、それに加えて、回路Ｓ１およびＳ２が設けられている。これら回路の端子のうちの１つは、それぞれ入力部Ｅ１またはＥ２に接続されており、これら回路のもう一方の端子は共通の接続点９に接続され、そこから平滑リアクトルまたはラインリアクトルＬ１を経由して出力部６につながっている。２つの回路Ｓ１、Ｓ２には、さらに、それぞれ１つのダイオードＤ１、Ｄ２が並行に接続されている。ここで、ダイオードＤ１は、接続点９から入力部Ｅ１の方向へ、そして、ダイオードＤ２は、入力部Ｅ３から接続点９の方向へ通電されるとともに反対方向では電流が遮断され得るようになっている。最終的に、入力部Ｅ３は、出力部７に直接接続されるとともに、アースにも接しており、よってアース端子として構成され、直流発電機１の負の出力部５に接続されている。
【００２０】
直流変換機２は、直流発電機１の出力部４および５に接続される２つの入力部１０および１１を有する。入力部１０には、回路Ｓ４が接続されている。この回路は、接続点１４につながっている。この接続点１４には、連結されたチョークコイルとして構成されている格納チョークコイル１５の端子のうちの１つが接続されている。格納チョークコイル１５は、第１の巻線Ｗ１および第２の巻線Ｗ２を有する。これらは互いに磁気接続されており、さらに共通の芯１６に巻きつけられている。これらの巻線の一方の端部は、さらなる接続点１７を構成しながら巻線Ｗ１およびＷ２を互いに接続する。
【００２１】
アース端子として構成されている、インバータ３の入力部Ｅ３は、直流発電機１の負の出力部５に接続されている入力部１１とだけではなく、直流変換機２の２つの巻線Ｗ１、Ｗ２の接続点１７とに電気的に接続されている。さらに、巻線Ｗ２の他方の端子が、ダイオードＤ４を介して、入力部Ｅ１に接続され、入力部Ｅ２が、さらなるダイオードＤ５を介して回路Ｓ４と巻線Ｗ１との間の接続点１４に接続されている。これによって、全体として、３つの回路機構が成立する。第１の回路機構は、直流変換機３の入力部１０から始まって、回路Ｓ４と、回路Ｓ４に直列になっている巻線Ｗ１と、接続点１７から入力部１１に延びる配線とによって構成されている。第２の回路機構は、第１の巻線Ｗ１を有し、かつ、接続点１４から、全体として直列になっている第１の巻線Ｗ１と、アース端子Ｅ３と、巻線Ｗ１に対応して設けられているコンデンサＣ２とダイオードＤ５とを介して、接続点１４に戻るようになっている。第３の回路機構は、最終的に、第２の巻線Ｗ２を有し、かつ、接続点１４から、巻線Ｗ２とダイオードＤ４とを介して入力部Ｅ１へつながり、そこから、巻線Ｗ２に対応して設けられている２つのコンデンサのうちの１つＣ１を介して、アース端子Ｅ３へつながり、そこから、２つの巻線Ｗ１およびＷ２の間の接続点１７に戻るようになっている。
【００２２】
２つの巻線Ｗ１、Ｗ２は、巻線Ｗ２が巻線Ｗ１を充電している際に磁気接続によって第１の巻線Ｗ１から同様に充電されるように、共通の芯１６に巻きつけられている。この場合、２つの巻線Ｗ１、Ｗ２の巻き方向は、図２の点線で示された端子において同一の電圧極性が得られるように選択される。
【００２３】
回路Ｓ１、Ｓ２およびＳ４は、公知の方法で、半ブリッジ回路として構成されることが目的にかなっている。これら回路は、運転の際に、図示されていない制御ユニット（マイクロコントローラ、ＰＷＭ制御部等）によって、周期的にスイッチオン・オフすることができる。その際、切り替え周波数は、たとえば１６ｋＨｚ以上である。
【００２４】
上記の装置の機能方法は以下のとおりである。
【００２５】
直流発電機１の側において、回路Ｓ４が閉じられている状態で、連結されている格納チョークコイル１５が、第１の回路機構１０、Ｓ４、Ｗ１、１１によって充電される。回路Ｓ４が解放されている状態では、巻線Ｗ１が、第２の回路機構を介して、Ｃ２によって充電される（１４、Ｗ１、Ｅ１、Ｃ２、Ｄ５および１４の経路を介して）。一方、巻線Ｗ２が、第３の回路機構を介して、Ｃ１によって放電され得る（１７、Ｗ２、Ｄ４、Ｅ１、Ｃ１、Ｅ３および１７の経路を介して）。これらの機能のために、回路（Ｓ４）、連結されたチョークコイル（１５）および２つのダイオード（Ｄ４、Ｄ５）のみが必要となるので、結果として、コストは比較的少なくなり効率は高くなる。さらに、所望の場合には、直流発電機１の負の出力部５をアースするか、または地上に接続可能とする。これはちょうど、送電網８の中性線Ｎと同様である。したがって、電圧中間回路は、ここでは、３つの有効な出力部Ｅ１、Ｅ２およびＥ３を有している。電圧中間回路が別体の回路部分として製造および／または提供されている場合、これら出力部には、直流変換機２が、出力部１８、１９または入力部１１で接続されているかまたは接続可能である。
【００２６】
インバータ３の側では、回路Ｓ１、Ｓ２が、交互にスイッチオン・オフされる。これによって、たとえば、回路信号の正の半波の間（最初回路Ｓ１が閉じられ、回路Ｓ２が開放されている）、コンデンサＣ１のＥ３に対して正の側（Ｅ１）が、接続点９およびラインリアクトルＬ１を介して位相Ｌに印加される。その後、回路Ｓ１を開放すると、電流は再びラインリアクトルＬ１、コンデンサＣ２およびダイオードＤ２を通って流れることができる。これに対して、送電網８の負の半波の間（回路Ｓ１が開放され、最初回路Ｓ２が閉止されている）、コンデンサＣ２のＥ３に対して負の側（入力部Ｅ２）が、接続点９およびリアクトルＬ１を介して、位相Ｌに印加される。ここで、回路２を閉じた後では電流は再びダイオードＤ１およびコンデンサＣ１を介して流れることができる。２つのコンデンサＣ１およびＣ２は、これによって、交替で放電および再充電される。
【００２７】
対称に負荷を受けるとともにＷ１とＷ２が同じ巻き数を有していることによって、電圧が、Ｃ１およびＣ２において同じ大きさになる。運転中にたとえばＣ１がＣ２よりも送電網側のインバータ３によって強い負荷を受けると、自動的にＷ２からの放電電流はＷ１からの放電電流よりも大きくなる。これによって、回路機構が自動的に「対称化」することになり、これは、インバータ３を送電網側で運転するための基本条件である。
【００２８】
直流変換機２の上記の構成は、比較的大きな範囲を有する直流発電機１を出力電圧によって運転することができるという利点をもたらす。直流変換機２が欠けていると、不都合な状況下であっても直流発電機１が、常にコンデンサＣ１およびＣ２が送電網の振幅（通常は訳±３２５Ｖ）に相当するだけの高い電圧で充電されるように、高い出力電圧を入力部Ｅ１およびＥ２に送るようにしなければならなくなる。これに対して、増加する直流変換機２があると、直流発電機１の出力電圧がインバータ３（または送電網８）が最低限必要とするよりも小さいものである場合には、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧が、回路Ｓ４を運転するためのデューティーファクターの選択によって所望の高さまで調整されなければならない。
【００２９】
ここまで記載してきた装置は、さらに、とても柔軟に使用することができる。このことは、Ｃ１およびＣ２への電圧が選択されたＳ４のためのデューティーファクターに依存して、コンデンサＣの入力電圧よりも大きくなったり小さくなったりすることができるということから結果としてもたらされたものである。デューティーファクターが０．５よりも大きい場合には、直流変換機は電圧を増加させる。デューティーファクターが０．５よりも小さい場合は、直流変換機２は電圧を減少させる。０．５のデューティーファクターは、実質的に、直流発電機１の出力部に印加された電圧の直接供給となる。これによって、アースされた直流発電機１の場合、直流変換機２には１つの回路のみによって、大きな運転電圧領域が得られるようになる。インバータ回路Ｓ１およびＳ２の最大電圧負荷は、約２・ＵＣ１である。ここで、ＵＣ１は、コンデンサＣ１の最大電圧である。最も簡単な場合には、これらの回路のうちの１つのみが、半分の送電網周期ごとに高周波に切り替えられることができる。一方、他方の回路は、スイッチオフされたままである。さらに、インバータ側では、連続する電流が送電網８に流れることができる。
【００３０】
すでに上述したように、上記の装置の欠点は、回路Ｓ４が開放された状態でＵＳ４＝ＵＣ＋ＵＣ２の電圧の負荷を受けるということであり、その際、ＵＣおよびＵＣ２は、コンデンサＣおよびＣ２の電圧である。この欠点は、本発明によると回避される。
【００３１】
図２は、本発明に係る装置の第１の実施例を示す。ここで、所望の作用は、図１に係る連結されたチョークコイル１５および２つの回路Ｓ５、Ｓ６および３つのダイオードＤ６、Ｄ７、Ｄ８によって達成される。すなわち、この場合も回路のコストは低い。第１の回路Ｓ５は、入力部１０と接続点２２との間に設けられている。この接続点において、格納チョークコイル１５が巻線Ｗ１の端子のうちの１つと接続されている。巻線Ｗ１の他方の端子は、第２の接続点２３を介して、および、第２の回路Ｓ５によって、アース端子として構成されている、インバータ３の入力部Ｅ３に接続されている。この端子Ｅ３は、直流変換機２の入力部１１への接続のために、または、直流発電機１の負の出力部５への接続のために機能する。これによって、１０からＳ５、２２、Ｗ１、２３、Ｓ６、１１を介して１０に戻る電流経路は、第１の回路機構を形成する。
【００３２】
図２によるとアース端子Ｅ３から延長された第１のダイオードＤ６が接続点２２、巻線Ｗ１、接続点２３、第２のダイオードＤ７および、ここでは巻線Ｗ１に対応して設けられているコンデンサＣ１を経由して、アース端子Ｅ３に戻るようになっている。これによって、第２の回路機構が形成される。この回路機構では、ダイオードＤ６、Ｄ７は、方向Ｅ１にのみ導電するようになっている。そして、第２の巻線Ｗ２を備える第３の回路機構が存在する。この回路機構は、アース端子Ｅ３から、ここでは巻線Ｗ２に対応して設けられているコンデンサＣ２、第３のダイオードＤ８および第２の巻線Ｗ２を経由して、アース端子Ｅ３に戻るようになっている。
【００３３】
回路Ｓ５およびＳ６の始動制御および格納チョークコイル１５の巻線Ｗ１、Ｗ２内の電流プロファイルのための信号が、図３で例示的に示されている。この図から分かるのは、２つの回路Ｓ５、Ｓ６は、常に同時にスイッチオン・オフされるということである。したがって、その他の点では図１の装置同じように構成されている図２に係る装置の機能方法は、実質的に以下のようになっている。
【００３４】
回路Ｓ５およびＳ６を同時にスイッチオンすると、上記の第１の回路機構が閉止される。それによって、格納チョークコイル１５が上記の通りに充電される。これに対して、回路Ｓ５およびＳ６が開放された状態では、一方では、巻線Ｗ１がＤ６、Ｗ１、Ｄ７およびＣ１を介して放電され、また、巻線Ｗ２がＣ２およびＤ８を介して放電される。これによって、図１と同様に、コンデンサＣ１、Ｃ２のうちの１つが、対応して設けられている巻線Ｗ１、Ｗ２のうちのいずれかによって充電される。
【００３５】
図２に係る装置によって、上記のすべての利点が、対応の方法によって、図１の装置同様に達成される。しかしながら、図１の装置とは異なりかつ図２の装置の利点として、開放された状態の回路Ｓ５の最大電圧負荷がコンデンサＣの圧力ＵＣによって、または、直流発電機１の出力電圧が付与され、一方、回路Ｓ６の最大負荷がＣ１の最大電圧によって達成されるということが挙げられる。
【００３６】
その他の点においては、図２に係る装置は、図１に係る装置と同様に順庵である。その理由は、Ｃ１およびＣ２の電圧が、直流発電機１の出力電圧よりも大きくも小さくもなり得るので、大きな運転電圧範囲が達成できるからである。
【００３７】
図４は、図２に対して、巻線Ｗ１が２つの巻線部分Ｗ１１およびＷ１２（＝巻き数）に分割されているという点で変更されている実施例を示す。この場合、この機構は、巻線Ｗ１の中央端子または巻線タップ２１が第１の回路Ｓ５への接続点２２に存在しており、また、このタップ２１によって固定されている巻線Ｗ１の部分Ｗ１１が第１の回路機構に存在しており、この回路機構は、格納チョークコイル２０の充電のために用いられる。これに対して、第２の回路機構は、ダイオードＤ６およびＤ７の間に存在する第１の巻線Ｗ１全体または部分Ｗ１１＋Ｗ１２を有している。これによって、本発明によると、本発明による機構のさらなる最適電位が、入力電圧とよび出力電圧の関係、回路Ｓ５およびダイオードＤ６、Ｄ７、Ｄ８の関係に関して、理解できるものになる。大きな変圧比の場合、Ｓ５およびＳ６のデューティーファクターのほかにも、Ｗ１２対（Ｗ１２＋Ｗ１１）の比率に関して、構成要素の効率的な電流および電圧負荷に影響を与えるという可能性がある。タップ２１の位置は、基本的には任意で選択することができる。タップ２１の特別な利点は、開放された状態の回路Ｓ５の最大の電圧負荷が、電圧ＵＳ５＝ＵＣ−[Ｗ１２／（Ｗ１２＋Ｗ１１）]・ＵＣ１によってのみ与えられ、回路Ｓ６では再びＵＳ６＝ＵＣ１となる、ということである。
【００３８】
代替的に、図５に係るタップ２１は、第２の回路Ｓ６への接続点２４に存在し得る。一方、部分Ｗ１１およびＷ１２から成る格納チョークコイル１５の部分は、図２に示すように接続点２２および２３の間に存在する。これによって、タップ２１によって固定されている巻線Ｗ１の部分Ｗ１２のみが、第１の回路機構内に存在し、充電サイクル中に使用される。これに対して、巻線Ｗ１全体または部分Ｗ１１＋Ｗ１２は、第２の回路機構内に存在し、放電サイクル中に機能する。回路Ｓ５の最大負荷は、この場合、ＵＳ５＝ＵＣであり、これに対して、回路Ｓ６の最大負荷はＵＳ６＝ＵＣ１−[Ｗ１１／（Ｗ１２＋Ｗ１１）]・ＵＣ１である。
【００３９】
図６は、格納チョークコイル２５の第１の巻線Ｗ１の分解によって回路Ｓ４のみを有する図１に係る装置を使用する場合であっても電圧負荷の減少が可能になっている実施例を示す。この目的のために、連結された格納チョークコイル２５の第１の巻線Ｗ１は、巻線タップ２６によって２つの部分Ｗ１１およびＷ１２（＝巻き数）に分割される。図１とは異なり、さらに、タップ２６が、回路Ｓ４によって接続点１４に接続されている。これに対して、Ｗ１の通常の入力端子は、図１と同じように、ダイオードＤ５の出力部に接続されている。これによって、タップ２と出力端子との間に存在する第１の巻線Ｗ１の部分Ｗ１１のみが、上述した回路機構（１０、Ｓ４、１４、Ｗ１１、１１）内に存在する。一方、図１と同様に、巻線Ｗ１全体または部分Ｗ１１＋Ｗ１２は、Ｃ２およびＤ５を有する第２の回路機構に存在する。これによって、本発明によると、回路Ｓ４の最大の負荷を、値ＵＳ４＝［Ｗ１１／（Ｗ１１＋Ｗ１２）］ＵＣ２＋ＵＣに減少することができる。タップ２６の位置は、図４および図５のように、基本的には任意で選択することができる。
【００４０】
インバータ３の機能法は、上述したすべての場合において基本的に同一である。
【００４１】
ここまでの記載は、もっぱら半ブリッジインバータとして構成されているインバータ３に関連するものであったが、バイポーラ電圧中間回路を有する他のインバータも本発明に係る直流変換機２に接続することができる、ということは当業者には明らかである。このことが、図５ないし図７に概略的に示されている。図５は、３点切り替えの半ブリッジインバータを示している。図６は、中央点を有する３点切り替え（それぞれ単相構成）のさらなるインバータを示している。図７は、送電網８への３相供給のためのインバータを示している。上記の記載に従うと、これら３つすべてのインバータは、バイポーラ電圧中間回路、入力部Ｅ１ないしＥ３および出力部６、７を有している。この種のインバータ事態は公知であるので、ここでは更なる説明は不要である。
【００４２】
巻線Ｗ１およびＷ２の磁気接続は、好適には、これらの巻線が需要に応じて上下または左右に共通の芯上二巻きつけられることによって達成される。これら巻線は、好適には、同じ巻き数を有しており、図２および図４に係る概略化された構成では、反対の巻き方向で芯１６上に巻きつけられ、それによって充電・放電プロセスの際に正しい電流方向を得ることが目的にかなっている。
【００４３】
本発明は、様々なやり方で変更することができる上記の実施例に限定されない。このことは、たとえ、図面でインバータ３と直流変換機２とが完成された構造ユニットとして製造および販売されているように示されているとしても、インバータ３および直流変換機２が互いに別体の部材として製造および販売することができる限り当てはまる。したがって、本発明は、直流変換機２とインバータ３の組み合わせだけではなく、直流変換機２のみにも関する。さらに、上記の記載では本発明の理解に必要な部材の実を説明し、特に、必要であるがそれ自体は公知の制御機器、メッセージ処理プログラム制御等も追加で存在する場合があるということは明らかである。さらに、さまざまな特徴は、記載および図示された組み合わせ以外の組み合わせでも使用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプレアンブルに記載されている形式の装置および当該装置に適した直流変換機に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電池設備または燃料電池設備等の直流発電機によって生成される電気エネルギーを交流網、特に公的な送電網（５０／６０Ｈｚ）に供給するために、さまざまな形式のインバータが使用されている。直流発電機とインバータとの間には、たいていの場合、直流変換機（ＤＣ−ＤＣ−チョッパ）が設けられている。この直流変換機は、直流発電機から搬送された直流を、インバータによって必要とされるまたはインバータに適合された交流に変化するために用いられる。
【０００３】
さまざまな理由から、直流発電機の出力部の一つにアースすることが望ましい。その際、本発明の範疇では、特に、直流変換機の負の出力部にアース端子が設けられるという場合が観察される。このようにアースが望まれる理由は、一つには、このようなアースが法律で規定されている国々が存在するということである。また、他の理由として、アースが施されていないと、運転の際にさまざまな欠点が生じることになるからである。この欠点としては、特に、高周波数の迷走電流の問題が挙げられる。直流発電機と大地との間に存在する不可避の寄生容量に起因して、電位が変動する際に、結果として、許容不可能な安全リスクである多大な均等化電流となる。したがって、このような均等化電流は、接触保護のために、または電磁的両極性（ＥＭＣ）を生成するために、エラー電流センサ等を用いる高価な監視手段を必要とすることになり、均等化電流は、アースを行うことによってしか回避することはできない。直流発電機における電位の変動は、たとえば薄膜モジュール等の特定のソーラーモジュールの際にも、持続的な故障につながるおそれがある。
【０００４】
上記の形式のアースは、変圧器を有する直流変換機を用いる場合には簡単に可能になる。この変圧器は、直流側を交流側から電気的に絶縁するものである。しかしながら、変圧器は、用いられるのが電源変圧器または高周波数変圧器であるかにかかわらず、特に効率の低下が一方では構造サイズの巨大な重量に、かつ／または、追加の制御コストを結果としてもたらす。したがって、基本的には、変圧器を有さない電流交換器が好まれる。変圧器を有さない直流変換機のその他のトポロジーは、望ましいアースを不可能にする。その理由は、このアースが必要とされる回路、容量等の短絡につながるからである。あるいは、変圧器を有さない直流変換機のその他のトポロジーは、増大化した回路コストおよび他の欠点を結果としてもたらす。
【０００５】
したがって、上述した欠点が生じることを別の方法で回避するための数々の試みがなされてきた。特に、不所望の迷走電流を減少させるための目的で用いられる回路が公知となっている（たとえば、特許文献１、特許文献２、特許文献３を参照）。これらの回路では、たとえば太陽発電機が、送電網による内部の電流の搬送の特定の位相で運転される。この場合、周期的に新しくなる、太陽発電機と送電網との電気接続の際、送電網の規制容量はわずかしか移送されない。したがって、網周波数を有する太陽発電機の電位は、送電網の電流の半分に相当する電圧振幅の際には正弦波状に変化する。この場合、高周波電流は、２つの回路サイクル間のみの太陽発電機のわずかな電圧差によって、かつ、回路接続の際の非対称によって生じる。したがって、容量性の迷走電流は、このようにして、大いに減少されるが、基本的には完全に防止することはできない。
【０００６】
さらに、中心でアースされている分割した太陽発電機を使用する回路機構（特許文献４）が公知となっている。これによって、太陽発電機のすべての部分が固定電位を有するようになり、容量性の迷走電流は、基本的に流れないことになる。２つの直流源が異なる生産性を有しているので、性能差および電圧の補償のための回路が設けられる。この回路機構において不都合なのは、太陽発電機および回路における高い電圧差、補償回路内の追加の損失、および少なくとも４つの高周波に同期された回路が必要であるという手間である。
【０００７】
これに加えて、既に、発電機が存在しないにも関わらず太陽発電機が一方にアースされ得る回路設備が公知となっている。これによって、容量性の迷走電流が、原則的に防止される。しかしながら、こうした回路設備の中のひとつ（特許文献５）は、５つの能動回路を必要とする。ここで、１つまたは２つの回路が同時に高周波数で切り替わって平均出力電流を提供する必要がある。したがって、この「フライングインダクター（Flying Inductor）」という名称でも呼ばれる回路では、同時に直列に電流につながる多数の構造部材によって効率が損なわれる。この回路において不都合なのは、継続的な電流パルスが送電網内に刻み込まれることである。これは、容量性の送電網フィルターを必要とする。このフィルターは、基本的に自身の無効電力需要および力率を必要とし、部分負荷範囲における回路の効率を悪化させる。このような容量性の送電網フィルターは、別の公知の回路では回避することができる（特許文献６）。しかし、この目的のために、９つの能動回路が必要となり、そのうち、少なくとも２つが高周波数で切り替えられる必要がある。その結果、構造コストがさらに増加し、装置全体の堅牢性も効率も悪影響を被ることになる。フライングインダクターのトポロジーは、さらに、回路の電圧負荷が送電網の電圧に依存し、送電網の故障に影響を受けやすくなり、したがって三相でのみ運転可能である、かつ、フライングインダクターは３つのインバータによって三通りに応用される、という欠点を有する。それ以外にも、電流源の特徴を有するインバータを必要とするが、これは多くの場合には望ましくない。
【０００８】
最終的に、冒頭に記載した形式の装置（特許文献７）が公知となっている。この装置は、イバイポーラ電圧中間回路を有するインバータのために設計されたものである。このバイポーラ電圧中間回路は、直列に並ぶアース端子において接続された２つのコンデンサを有している。本願で話題にしている目的のために今日よく使用されるこの種のインバータは、いわゆる半ブリッジインバータとして、すなわち、３点切り替えの半ブリッジインバータとして、さらには必要に応じて、単相または三相の送電網供給のためのインバータとして構成され得る。これらすべての場合において、２つのコンデンサの間の接続点がアース端子を構成している。このアース端子は、各送電網のゼロ線または中性線に対応して設けられており、かつそれと接続される。
【０００９】
この公知の装置の交流変換機は、格納チョークコイル、２つのダイオードおよび回路を有する。インバータのアース端子は、この場合には、直流発電機の負の出力部に接続され得る。このことは、格納チョークコイルによって可能になる。この格納チョークコイルは、磁気接続された２つの巻線から構成されている。この格納チョークコイルの２つの巻線は、回路が閉じている場合には２つの巻線のうち１つが直流発電機によって充電され他方の巻線は磁気接続を介して１つ目の巻線から充電されるように、また、回路が開いている場合には２つの巻線が対応して設けられている２つのコンデンサのうちの１つおよびそれぞれ付属のダイオードを介して放電されるように、端部において互いに電気接続されている。
【００１０】
この装置が比較的簡単な手段を有していること、特に、変圧器がなく１つのカイロで直流電圧気のアースを可能にするという利点は、しかしながら、回路が開いた状態では電圧の負荷にさらされるという欠点と対比される。この電圧は直流発電機の出力電圧とインバータの電圧中間回路の２つのコンデンサのうちの１つの電圧との合計から生じる。これによって、逆に、回路の故障を確実に防ぐためには、直流発電機の出力電圧がせいぜい回路の許容電圧と該当するコンデンサの電圧との差になる程度でなくてはならないということになる。直流発電機の出力電圧に対するこのような制限は望ましくない。流出電流およびそれによって損失を最小に抑えるためには、上記の電圧差に相当する電圧よりもはるかに大きい電圧が望ましい。そして、この大きな電圧を得るためには、高価で、したがって高負荷の回路が必要となるか、通常の回路を使用した場合には直流発電機の出力電圧の減少が絶対に必要となる。よって、この種の装置は、使用できる利用分野が限られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許公開公報第１０２００４０３７４６６号明細書
【特許文献２】独国特許公開公報第１０２２１５９２号明細書
【特許文献３】独国特許第１０２００４０３０９１２号明細書
【特許文献４】独国特許公開公報第１０２２０５０２０号明細書
【特許文献５】独国特許第１９６４２５２２号明細書
【特許文献６】独国特許第１９７３２２１８号明細書
【特許文献７】米国特許公開公報第２００７／００４７２７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術を踏まえて、本発明の技術的課題は、冒頭に記載した形式の装置および特に当該装置に適している直流変換機を、直流発電機の負の接続部のアースを比較的簡単な構成手段を用いるだけではなく交流交換器の回路の電圧負荷を大いに減少させながら可能にするように構成するということである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、上記課題は、請求項１、２および１１の特徴部の特徴によって解決される。
【００１４】
本発明によって、直流変換機を用いることによって直流発電機をアースした状態で運転することが可能になる。この直流変換機は、最も簡単な場合には、格納チョークコイル、２つのダイオード、および２つの回路だけを必要とする。わずかにコストが上がっただけにもかかわらず、これによって、回路のうちの１つの最大負荷が、交流発電機の出力電圧に相当する負荷よりも大きくならず、一方、他の回路の電圧負荷がコンデンサの電圧よりも大きくならないので、結果として直流発電機の出力電圧が冒頭に記載した形式の装置と比較して回路の負荷限界まで上昇することができる、という利点が得られる。
【００１５】
本発明のさらなる有利な特徴は、従属請求項から明らかになる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を添付の図面を参照しながら実施例に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】送電網に電気エネルギーを供給するためのアースされた直流発電機を有する装置の公知の構造を示す図である。
【図２】送電網に電気エネルギーを供給するためのアースされた直流発電機を有する本発明に係る装置を示す図である。
【図３】図２に係る装置の２つの回路を制御するための信号とそれによって生じた電流路を示す図である。
【図４】図２に係る装置であるが、変更された直流変換機を有する装置の図である。
【図５】図２に係る装置であるが、変更された直流変換機を有する装置の図である。
【図６】図１に係る装置であるが、変更された直流変換機を有する装置の図である。
【図７】本発明に係る装置を運転することができる図１に係るインバータの代替となる様々なインバータのうちの１つを示す図である。
【図８】本発明に係る装置を運転することができる図１に係るインバータの代替となる様々なインバータのうちの１つを示す図である。
【図９】本発明に係る装置を運転することができる図１に係るインバータの代替となる様々なインバータのうちの１つを示す図である。
【００１８】
図１によると、本発明の範疇とみなされる通常の装置は、直流発電機１、直流変換機２およびインバータ３を有している。直流発電機１は、たとえば、太陽電池設備または燃料電池設備から成り、自身の２つの出力部４（＋）および５（−）を並行に接続するコンデンサＣを有している（たとえば、特許文献７、図１０を参照）。
【００１９】
公知の装置のインバータ３は、出力部６および７を有している。これら出力部は、この場合、送電網８への電気エネルギーの単相供給のために用いられる。相Ｌは、出力部６に接続されており、ゼロ線または中性線Ｎは出力部７に接続されている。インバータ３は、さらに、３つの入力部Ｅ１、Ｅ２およびＥ３を有する。入力部Ｅ１およびＥ２の間には、直列に接続された２つのコンデンサＣ１およびＣ２が設けられており、これらコンデンサの接続点は入力部Ｅ３のところにある。コンデンサＣ１およびＣ２は、インバータ３の通常のバイポーラ電圧中間回路を構成する。図１によると、インバータ３は、半ブリッジインバータとして構成されており、それに加えて、回路Ｓ１およびＳ２が設けられている。これら回路の端子のうちの１つは、それぞれ入力部Ｅ１またはＥ２に接続されており、これら回路のもう一方の端子は共通の接続点９に接続され、そこから平滑リアクトルまたはラインリアクトルＬ１を経由して出力部６につながっている。２つの回路Ｓ１、Ｓ２には、さらに、それぞれ１つのダイオードＤ１、Ｄ２が並行に接続されている。ここで、ダイオードＤ１は、接続点９から入力部Ｅ１の方向へ、そして、ダイオードＤ２は、入力部Ｅ３から接続点９の方向へ通電されるとともに反対方向では電流が遮断され得るようになっている。最終的に、入力部Ｅ３は、出力部７に直接接続されるとともに、アースにも接しており、よってアース端子として構成され、直流発電機１の負の出力部５に接続されている。
【００２０】
直流変換機２は、直流発電機１の出力部４および５に接続される２つの入力部１０および１１を有する。入力部１０には、回路Ｓ４が接続されている。この回路は、接続点１４につながっている。この接続点１４には、連結されたチョークコイルとして構成されている格納チョークコイル１５の端子のうちの１つが接続されている。格納チョークコイル１５は、第１の巻線Ｗ１および第２の巻線Ｗ２を有する。これらは互いに磁気接続されており、さらに共通の芯１６に巻きつけられている。これらの巻線の一方の端部は、さらなる接続点１７を構成しながら巻線Ｗ１およびＷ２を互いに接続する。
【００２１】
アース端子として構成されている、インバータ３の入力部Ｅ３は、直流発電機１の負の出力部５に接続されている入力部１１とだけではなく、直流変換機２の２つの巻線Ｗ１、Ｗ２の接続点１７とに電気的に接続されている。さらに、巻線Ｗ２の他方の端子が、ダイオードＤ４を介して、入力部Ｅ１に接続され、入力部Ｅ２が、さらなるダイオードＤ５を介して回路Ｓ４と巻線Ｗ１との間の接続点１４に接続されている。これによって、全体として、３つの回路機構が成立する。第１の回路機構は、直流変換機３の入力部１０から始まって、回路Ｓ４と、回路Ｓ４に直列になっている巻線Ｗ１と、接続点１７から入力部１１に延びる配線とによって構成されている。第２の回路機構は、第１の巻線Ｗ１を有し、かつ、接続点１４から、全体として直列になっている第１の巻線Ｗ１と、アース端子Ｅ３と、巻線Ｗ１に対応して設けられているコンデンサＣ２とダイオードＤ５とを介して、接続点１４に戻るようになっている。第３の回路機構は、最終的に、第２の巻線Ｗ２を有し、かつ、接続点１４から、巻線Ｗ２とダイオードＤ４とを介して入力部Ｅ１へつながり、そこから、巻線Ｗ２に対応して設けられている２つのコンデンサのうちの１つＣ１を介して、アース端子Ｅ３へつながり、そこから、２つの巻線Ｗ１およびＷ２の間の接続点１７に戻るようになっている。
【００２２】
２つの巻線Ｗ１、Ｗ２は、巻線Ｗ２が巻線Ｗ１を充電している際に磁気接続によって第１の巻線Ｗ１から同様に充電されるように、共通の芯１６に巻きつけられている。この場合、２つの巻線Ｗ１、Ｗ２の巻き方向は、図２の点線で示された端子において同一の電圧極性が得られるように選択される。
【００２３】
回路Ｓ１、Ｓ２およびＳ４は、公知の方法で、半ブリッジ回路として構成されることが目的にかなっている。これら回路は、運転の際に、図示されていない制御ユニット（マイクロコントローラ、ＰＷＭ制御部等）によって、周期的にスイッチオン・オフすることができる。その際、切り替え周波数は、たとえば１６ｋＨｚ以上である。
【００２４】
上記の装置の機能方法は以下のとおりである。
【００２５】
直流発電機１の側において、回路Ｓ４が閉じられている状態で、連結されている格納チョークコイル１５が、第１の回路機構１０、Ｓ４、Ｗ１、１１によって充電される。回路Ｓ４が解放されている状態では、巻線Ｗ１が、第２の回路機構を介して、Ｃ２によって充電される（１４、Ｗ１、Ｅ１、Ｃ２、Ｄ５および１４の経路を介して）。一方、巻線Ｗ２が、第３の回路機構を介して、Ｃ１によって放電され得る（１７、Ｗ２、Ｄ４、Ｅ１、Ｃ１、Ｅ３および１７の経路を介して）。これらの機能のために、回路（Ｓ４）、連結されたチョークコイル（１５）および２つのダイオード（Ｄ４、Ｄ５）のみが必要となるので、結果として、コストは比較的少なくなり効率は高くなる。さらに、所望の場合には、直流発電機１の負の出力部５をアースするか、または地上に接続可能とする。これはちょうど、送電網８の中性線Ｎと同様である。したがって、電圧中間回路は、ここでは、３つの有効な出力部Ｅ１、Ｅ２およびＥ３を有している。電圧中間回路が別体の回路部分として製造および／または提供されている場合、これら出力部には、直流変換機２が、出力部１８、１９または入力部１１で接続されているかまたは接続可能である。
【００２６】
インバータ３の側では、回路Ｓ１、Ｓ２が、交互にスイッチオン・オフされる。これによって、たとえば、回路信号の正の半波の間（最初回路Ｓ１が閉じられ、回路Ｓ２が開放されている）、コンデンサＣ１のＥ３に対して正の側（Ｅ１）が、接続点９およびラインリアクトルＬ１を介して位相Ｌに印加される。その後、回路Ｓ１を開放すると、電流は再びラインリアクトルＬ１、コンデンサＣ２およびダイオードＤ２を通って流れることができる。これに対して、送電網８の負の半波の間（回路Ｓ１が開放され、最初回路Ｓ２が閉止されている）、コンデンサＣ２のＥ３に対して負の側（入力部Ｅ２）が、接続点９およびリアクトルＬ１を介して、位相Ｌに印加される。ここで、回路２を閉じた後では電流は再びダイオードＤ１およびコンデンサＣ１を介して流れることができる。２つのコンデンサＣ１およびＣ２は、これによって、交替で放電および再充電される。
【００２７】
対称に負荷を受けるとともにＷ１とＷ２が同じ巻き数を有していることによって、電圧が、Ｃ１およびＣ２において同じ大きさになる。運転中にたとえばＣ１がＣ２よりも送電網側のインバータ３によって強い負荷を受けると、自動的にＷ２からの放電電流はＷ１からの放電電流よりも大きくなる。これによって、回路機構が自動的に「対称化」することになり、これは、インバータ３を送電網側で運転するための基本条件である。
【００２８】
直流変換機２の上記の構成は、比較的大きな範囲を有する直流発電機１を出力電圧によって運転することができるという利点をもたらす。直流変換機２が欠けていると、不都合な状況下であっても直流発電機１が、常にコンデンサＣ１およびＣ２が送電網の振幅（通常は訳±３２５Ｖ）に相当するだけの高い電圧で充電されるように、高い出力電圧を入力部Ｅ１およびＥ２に送るようにしなければならなくなる。これに対して、増加する直流変換機２があると、直流発電機１の出力電圧がインバータ３（または送電網８）が最低限必要とするよりも小さいものである場合には、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧が、回路Ｓ４を運転するためのデューティーファクターの選択によって所望の高さまで調整されなければならない。
【００２９】
ここまで記載してきた装置は、さらに、とても柔軟に使用することができる。このことは、Ｃ１およびＣ２への電圧が選択されたＳ４のためのデューティーファクターに依存して、コンデンサＣの入力電圧よりも大きくなったり小さくなったりすることができるということから結果としてもたらされたものである。デューティーファクターが０．５よりも大きい場合には、直流変換機は電圧を増加させる。デューティーファクターが０．５よりも小さい場合は、直流変換機２は電圧を減少させる。０．５のデューティーファクターは、実質的に、直流発電機１の出力部に印加された電圧の直接供給となる。これによって、アースされた直流発電機１の場合、直流変換機２には１つの回路のみによって、大きな運転電圧領域が得られるようになる。インバータ回路Ｓ１およびＳ２の最大電圧負荷は、約２・ＵＣ１である。ここで、ＵＣ１は、コンデンサＣ１の最大電圧である。最も簡単な場合には、これらの回路のうちの１つのみが、半分の送電網周期ごとに高周波に切り替えられることができる。一方、他方の回路は、スイッチオフされたままである。さらに、インバータ側では、連続する電流が送電網８に流れることができる。
【００３０】
すでに上述したように、上記の装置の欠点は、回路Ｓ４が開放された状態でＵＳ４＝ＵＣ＋ＵＣ２の電圧の負荷を受けるということであり、その際、ＵＣおよびＵＣ２は、コンデンサＣおよびＣ２の電圧である。この欠点は、本発明によると回避される。
【００３１】
図２は、本発明に係る装置の第１の実施例を示す。ここで、所望の作用は、図１に係る連結されたチョークコイル１５および２つの回路Ｓ５、Ｓ６および３つのダイオードＤ６、Ｄ７、Ｄ８によって達成される。すなわち、この場合も回路のコストは低い。第１の回路Ｓ５は、入力部１０と接続点２２との間に設けられている。この接続点において、格納チョークコイル１５が巻線Ｗ１の端子のうちの１つと接続されている。巻線Ｗ１の他方の端子は、第２の接続点２３を介して、および、第２の回路Ｓ５によって、アース端子として構成されている、インバータ３の入力部Ｅ３に接続されている。この端子Ｅ３は、直流変換機２の入力部１１への接続のために、または、直流発電機１の負の出力部５への接続のために機能する。これによって、１０からＳ５、２２、Ｗ１、２３、Ｓ６、１１を介して１０に戻る電流経路は、第１の回路機構を形成する。
【００３２】
図２によるとアース端子Ｅ３から延長された第１のダイオードＤ６が接続点２２、巻線Ｗ１、接続点２３、第２のダイオードＤ７および、ここでは巻線Ｗ１に対応して設けられているコンデンサＣ１を経由して、アース端子Ｅ３に戻るようになっている。これによって、第２の回路機構が形成される。この回路機構では、ダイオードＤ６、Ｄ７は、方向Ｅ１にのみ導電するようになっている。そして、第２の巻線Ｗ２を備える第３の回路機構が存在する。この回路機構は、アース端子Ｅ３から、ここでは巻線Ｗ２に対応して設けられているコンデンサＣ２、第３のダイオードＤ８および第２の巻線Ｗ２を経由して、アース端子Ｅ３に戻るようになっている。
【００３３】
回路Ｓ５およびＳ６の始動制御および格納チョークコイル１５の巻線Ｗ１、Ｗ２内の電流プロファイルのための信号が、図３で例示的に示されている。この図から分かるのは、２つの回路Ｓ５、Ｓ６は、常に同時にスイッチオン・オフされるということである。したがって、その他の点では図１の装置同じように構成されている図２に係る装置の機能方法は、実質的に以下のようになっている。
【００３４】
回路Ｓ５およびＳ６を同時にスイッチオンすると、上記の第１の回路機構が閉止される。それによって、格納チョークコイル１５が上記の通りに充電される。これに対して、回路Ｓ５およびＳ６が開放された状態では、一方では、巻線Ｗ１がＤ６、Ｗ１、Ｄ７およびＣ１を介して放電され、また、巻線Ｗ２がＣ２およびＤ８を介して放電される。これによって、図１と同様に、コンデンサＣ１、Ｃ２のうちの１つが、対応して設けられている巻線Ｗ１、Ｗ２のうちのいずれかによって充電される。
【００３５】
図２に係る装置によって、上記のすべての利点が、対応の方法によって、図１の装置同様に達成される。しかしながら、図１の装置とは異なりかつ図２の装置の利点として、開放された状態の回路Ｓ５の最大電圧負荷がコンデンサＣの圧力ＵＣによって、または、直流発電機１の出力電圧が付与され、一方、回路Ｓ６の最大負荷がＣ１の最大電圧によって達成されるということが挙げられる。
【００３６】
その他の点においては、図２に係る装置は、図１に係る装置と同様に順庵である。その理由は、Ｃ１およびＣ２の電圧が、直流発電機１の出力電圧よりも大きくも小さくもなり得るので、大きな運転電圧範囲が達成できるからである。
【００３７】
図４は、図２に対して、巻線Ｗ１が２つの巻線部分Ｗ１１およびＷ１２（＝巻き数）に分割されているという点で変更されている実施例を示す。この場合、この機構は、巻線Ｗ１の中央端子または巻線タップ２１が第１の回路Ｓ５への接続点２２に存在しており、また、このタップ２１によって固定されている巻線Ｗ１の部分Ｗ１１が第１の回路機構に存在しており、この回路機構は、格納チョークコイル２０の充電のために用いられる。これに対して、第２の回路機構は、ダイオードＤ６およびＤ７の間に存在する第１の巻線Ｗ１全体または部分Ｗ１１＋Ｗ１２を有している。これによって、本発明によると、本発明による機構のさらなる最適電位が、入力電圧とよび出力電圧の関係、回路Ｓ５およびダイオードＤ６、Ｄ７、Ｄ８の関係に関して、理解できるものになる。大きな変圧比の場合、Ｓ５およびＳ６のデューティーファクターのほかにも、Ｗ１２対（Ｗ１２＋Ｗ１１）の比率に関して、構成要素の効率的な電流および電圧負荷に影響を与えるという可能性がある。タップ２１の位置は、基本的には任意で選択することができる。タップ２１の特別な利点は、開放された状態の回路Ｓ５の最大の電圧負荷が、電圧ＵＳ５＝ＵＣ−[Ｗ１２／（Ｗ１２＋Ｗ１１）]・ＵＣ１によってのみ与えられ、回路Ｓ６では再びＵＳ６＝ＵＣ１となる、ということである。
【００３８】
代替的に、図５に係るタップ２１は、第２の回路Ｓ６への接続点２４に存在し得る。一方、部分Ｗ１１およびＷ１２から成る格納チョークコイル１５の部分は、図２に示すように接続点２２および２３の間に存在する。これによって、タップ２１によって固定されている巻線Ｗ１の部分Ｗ１２のみが、第１の回路機構内に存在し、充電サイクル中に使用される。これに対して、巻線Ｗ１全体または部分Ｗ１１＋Ｗ１２は、第２の回路機構内に存在し、放電サイクル中に機能する。回路Ｓ５の最大負荷は、この場合、ＵＳ５＝ＵＣであり、これに対して、回路Ｓ６の最大負荷はＵＳ６＝ＵＣ１−[Ｗ１１／（Ｗ１２＋Ｗ１１）]・ＵＣ１である。
【００３９】
図６は、格納チョークコイル２５の第１の巻線Ｗ１の分解によって回路Ｓ４のみを有する図１に係る装置を使用する場合であっても電圧負荷の減少が可能になっている実施例を示す。この目的のために、連結された格納チョークコイル２５の第１の巻線Ｗ１は、巻線タップ２６によって２つの部分Ｗ１１およびＷ１２（＝巻き数）に分割される。図１とは異なり、さらに、タップ２６が、回路Ｓ４によって接続点１４に接続されている。これに対して、Ｗ１の通常の入力端子は、図１と同じように、ダイオードＤ５の出力部に接続されている。これによって、タップ２と出力端子との間に存在する第１の巻線Ｗ１の部分Ｗ１１のみが、上述した回路機構（１０、Ｓ４、１４、Ｗ１１、１１）内に存在する。一方、図１と同様に、巻線Ｗ１全体または部分Ｗ１１＋Ｗ１２は、Ｃ２およびＤ５を有する第２の回路機構に存在する。これによって、本発明によると、回路Ｓ４の最大の負荷を、値ＵＳ４＝［Ｗ１１／（Ｗ１１＋Ｗ１２）］ＵＣ２＋ＵＣに減少することができる。タップ２６の位置は、図４および図５のように、基本的には任意で選択することができる。
【００４０】
インバータ３の機能法は、上述したすべての場合において基本的に同一である。
【００４１】
ここまでの記載は、もっぱら半ブリッジインバータとして構成されているインバータ３に関連するものであったが、バイポーラ電圧中間回路を有する他のインバータも本発明に係る直流変換機２に接続することができる、ということは当業者には明らかである。このことが、図５ないし図７に概略的に示されている。図５は、３点切り替えの半ブリッジインバータを示している。図６は、中央点を有する３点切り替え（それぞれ単相構成）のさらなるインバータを示している。図７は、送電網８への３相供給のためのインバータを示している。上記の記載に従うと、これら３つすべてのインバータは、バイポーラ電圧中間回路、入力部Ｅ１ないしＥ３および出力部６、７を有している。この種のインバータ事態は公知であるので、ここでは更なる説明は不要である。
【００４２】
巻線Ｗ１およびＷ２の磁気接続は、好適には、これらの巻線が需要に応じて上下または左右に共通の芯上二巻きつけられることによって達成される。これら巻線は、好適には、同じ巻き数を有しており、図２および図４に係る概略化された構成では、反対の巻き方向で芯１６上に巻きつけられ、それによって充電・放電プロセスの際に正しい電流方向を得ることが目的にかなっている。
【００４３】
本発明は、様々なやり方で変更することができる上記の実施例に限定されない。このことは、たとえ、図面でインバータ３と直流変換機２とが完成された構造ユニットとして製造および販売されているように示されているとしても、インバータ３および直流変換機２が互いに別体の部材として製造および販売することができる限り当てはまる。したがって、本発明は、直流変換機２とインバータ３の組み合わせだけではなく、直流変換機２のみにも関する。さらに、上記の記載では本発明の理解に必要な部材の実を説明し、特に、必要であるがそれ自体は公知の制御機器、メッセージ処理プログラム制御等も追加で存在する場合があるということは明らかである。さらに、さまざまな特徴は、記載および図示された組み合わせ以外の組み合わせでも使用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを送電網（８）に供給するための装置であって、直流発電機（１）への接続のために設計された直流変換機（２）と、この直流変換機に接続されている、送電網（８）への接続のために設計されたインバータ（３）であって、直流発電機（１）の負の出力部（５）に接続されているアース端子（Ｅ３）において互いに接続されている直列に並んでいる２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を有する電圧中間回路を備える、インバータと、を備え、
直流変換機（２）は少なくとも２つのダイオードと、回路と、第１の巻線（Ｗ１）および第２の巻線（Ｗ２）を有する格納チョークコイルと、を備え、
これら２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）は、互いに磁気的に接続されるとともにそれぞれ１つの接続端子に電気的に接続され、それにより、第１の切り替え状態において第１の巻線（Ｗ１）が直流発電機（１）によって充電されるとともに第２の巻線（Ｗ２）が磁気接続によって第１の巻線（Ｗ１）を介して充電され、また、第２の切り替え状態において両方の巻線（Ｗ１、Ｗ２）がそれぞれ対応して設けられている２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）および対応して設けられているダイオードを介して放電される、装置において、
第１の巻線（Ｗ１）の第１の端子は、第１の接続点（２２）において第１の回路（Ｓ５）に、そして、第１の巻線（Ｗ１）の第２の端子は、第２の接続点（２３）において第２の回路（Ｓ６）に接続されており、それにより、第１の巻線（Ｗ１）が２つの回路（Ｓ５、Ｓ６）とともに、直流発電機（１）に対応して設けられている出力部（４、５）に接続されている第１の回路機構を形成するとともに、第２の回路機構に存在し、この第２の回路機構は、アース端子（Ｅ３）から第１のダイオード（Ｄ６）、第１の接続点（２２）、第１の巻線（Ｗ１）、第２の接続点（２３）、第２のダイオード（Ｄ７）およびそれに対応して設けられているコンデンサ（Ｃ１）を経由して再びアース端子（Ｅ３）につながり、また、第２の巻線（Ｗ２）は、第３の回路機構内に存在し、この第３の回路機構はアース端子（Ｅ３）からそれに対応して設けられているコンデンサ（Ｃ２）、第３のダイオード（Ｄ８）および第２の巻線（Ｗ２）を経由して再びアース端子（Ｅ３）につながるようになっていることを特徴とする、装置。
【請求項２】
電気エネルギーを送電網（８）に供給するための装置であって、直流発電機（１）への接続のために設計された直流変換機（２）と、この直流変換機に接続されている、送電網（８）への接続のために設計されたインバータ（３）であって、直流発電機（１）の負の出力部（５）に接続されているアース端子（Ｅ３）において互いに接続されている直列に並んでいる２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を有する電圧中間回路を備える、インバータと、を備え、
直流変換機（２）は少なくとも２つのダイオードと、回路（Ｓ４）と、第１の巻線（Ｗ１）および第２の巻線（Ｗ２）を有する格納チョークコイルと、を備え、
これら２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）は、互いに磁気的に接続されるとともにそれぞれ１つの接続端子に電気的に接続され、それにより、第１の切り替え状態において第１の巻線（Ｗ１）が直流発電機（１）によって充電されるとともに第２の巻線（Ｗ２）が磁気接続によって第１の巻線（Ｗ１）を介して充電され、また、第２の切り替え状態において両方の巻線（Ｗ１、Ｗ２）がそれぞれ対応して設けられている２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）および対応して設けられているダイオード（Ｄ４、Ｄ５）を介して放電される、装置において、
巻線うちの１つ（Ｗ１）が分割されるとともに回路（Ｓ４）に接続されている巻線タップ（２６）を有しており、それにより、タップ（２６）によって固定されている第１の巻線（Ｗ１）の第１の部分（Ｗ１１）が第１の回路機構に存在し、一方、第２の回路機構には第１の巻線（Ｗ１）の第２の部分（Ｗ１１＋Ｗ１２）が設けられていることを特徴とする、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、
巻線のうちの１つ（Ｗ１）が分割されるとともに接続点（２１、２３）のうちのひとつに接続されている巻線タップ（２２）を有しており、それにより、前記タップ（２２）によって固定されている第１の巻線（Ｗ１）の第１の部分（Ｗ１１）が第１の回路機構に存在し、一方、第２の回路機構には第１の巻線（Ｗ１）の第２の部分（Ｗ１１＋Ｗ１２）が設けられていることを特徴とする、装置。
【請求項４】
請求項１から３に記載の装置において、
２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）が共通の芯（１６）上に巻きつけられていることを特徴とする、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、
巻線（Ｗ１、Ｗ２）は、反対方向に芯（１６）の上に巻きつけられていることを特徴とする、装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置において、
２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）が同じ巻き数を有することを特徴とする、装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置において、
インバータ（３）が、半ブリッジを有するインバータとして構成されていることを特徴とする、装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置において、
インバータ（３）が、３点切り替えの半ブリッジを有するインバータとして構成されている（図７）ことを特徴とする、装置。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置において、
インバータ（３）が、中央に３点切り替えの半ブリッジを有するインバータとして構成されている（図８）ことを特徴とする、装置。
【請求項１０】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置において、
インバータ（３）が、送電網（８）への電気エネルギーの単相または三相供給のために構成されている（図２ないし８または図９）ことを特徴とする、装置。
【請求項１１】
電気エネルギーを送電網（８）に供給するための、また、直流発電機（１）とバイポーラ電圧中間回路（Ｃ１、Ｃ２）を備えるインバータ（３）との間に配置されるための装置用の直流変換機であって、
当該直流変換機は請求項１ないし６の少なくとも１つに従って構成されていることを特徴とする、直流変換機。
【請求項１２】
請求項１１に記載の直流変換機において、
当該直流変換機は、インバータ（３）とともに１つの構造ユニットにまとめられていることを特徴とする、直流変換機。
【請求項１】
電気エネルギーを送電網（８）に供給するための装置であって、直流発電機（１）への接続のために設計された直流変換機（２）と、この直流変換機に接続されている、送電網（８）への接続のために設計されたインバータ（３）であって、直流発電機（１）の負の出力部（５）に接続されているアース端子（Ｅ３）において互いに接続されている直列に並んでいる２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を有する電圧中間回路を備える、インバータと、を備え、
直流変換機（２）は少なくとも２つのダイオードと、回路と、第１の巻線（Ｗ１）および第２の巻線（Ｗ２）を有する格納チョークコイルと、を備え、
これら２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）は、互いに磁気的に接続されるとともにそれぞれ１つの接続端子に電気的に接続され、それにより、第１の切り替え状態において第１の巻線（Ｗ１）が直流発電機（１）によって充電されるとともに第２の巻線（Ｗ２）が磁気接続によって第１の巻線（Ｗ１）を介して充電され、また、第２の切り替え状態において両方の巻線（Ｗ１、Ｗ２）がそれぞれ対応して設けられている２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）および対応して設けられているダイオードを介して放電される、装置において、
第１の巻線（Ｗ１）の第１の端子は、第１の接続点（２２）において第１の回路（Ｓ５）に、そして、第１の巻線（Ｗ１）の第２の端子は、第２の接続点（２３）において第２の回路（Ｓ６）に接続されており、それにより、第１の巻線（Ｗ１）が２つの回路（Ｓ５、Ｓ６）とともに、直流発電機（１）に対応して設けられている出力部（４、５）に接続されている第１の回路機構を形成するとともに、第２の回路機構に存在し、この第２の回路機構は、アース端子（Ｅ３）から第１のダイオード（Ｄ６）、第１の接続点（２２）、第１の巻線（Ｗ１）、第２の接続点（２３）、第２のダイオード（Ｄ７）およびそれに対応して設けられているコンデンサ（Ｃ１）を経由して再びアース端子（Ｅ３）につながり、また、第２の巻線（Ｗ２）は、第３の回路機構内に存在し、この第３の回路機構はアース端子（Ｅ３）からそれに対応して設けられているコンデンサ（Ｃ２）、第３のダイオード（Ｄ８）および第２の巻線（Ｗ２）を経由して再びアース端子（Ｅ３）につながるようになっていることを特徴とする、装置。
【請求項２】
電気エネルギーを送電網（８）に供給するための装置であって、直流発電機（１）への接続のために設計された直流変換機（２）と、この直流変換機に接続されている、送電網（８）への接続のために設計されたインバータ（３）であって、直流発電機（１）の負の出力部（５）に接続されているアース端子（Ｅ３）において互いに接続されている直列に並んでいる２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）を有する電圧中間回路を備える、インバータと、を備え、
直流変換機（２）は少なくとも２つのダイオードと、回路（Ｓ４）と、第１の巻線（Ｗ１）および第２の巻線（Ｗ２）を有する格納チョークコイルと、を備え、
これら２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）は、互いに磁気的に接続されるとともにそれぞれ１つの接続端子に電気的に接続され、それにより、第１の切り替え状態において第１の巻線（Ｗ１）が直流発電機（１）によって充電されるとともに第２の巻線（Ｗ２）が磁気接続によって第１の巻線（Ｗ１）を介して充電され、また、第２の切り替え状態において両方の巻線（Ｗ１、Ｗ２）がそれぞれ対応して設けられている２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）および対応して設けられているダイオード（Ｄ４、Ｄ５）を介して放電される、装置において、
巻線うちの１つ（Ｗ１）が分割されるとともに回路（Ｓ４）に接続されている巻線タップ（２６）を有しており、それにより、タップ（２６）によって固定されている第１の巻線（Ｗ１）の第１の部分（Ｗ１１）が第１の回路機構に存在し、一方、第２の回路機構には第１の巻線（Ｗ１）の第２の部分（Ｗ１１＋Ｗ１２）が設けられていることを特徴とする、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、
巻線のうちの１つ（Ｗ１）が分割されるとともに接続点（２１、２３）のうちのひとつに接続されている巻線タップ（２２）を有しており、それにより、前記タップ（２２）によって固定されている第１の巻線（Ｗ１）の第１の部分（Ｗ１１）が第１の回路機構に存在し、一方、第２の回路機構には第１の巻線（Ｗ１）の第２の部分（Ｗ１１＋Ｗ１２）が設けられていることを特徴とする、装置。
【請求項４】
請求項１から３に記載の装置において、
２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）が共通の芯（１６）上に巻きつけられていることを特徴とする、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、
巻線（Ｗ１、Ｗ２）は、反対方向に芯（１６）の上に巻きつけられていることを特徴とする、装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置において、
２つの巻線（Ｗ１、Ｗ２）が同じ巻き数を有することを特徴とする、装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置において、
インバータ（３）が、半ブリッジを有するインバータとして構成されていることを特徴とする、装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置において、
インバータ（３）が、３点切り替えの半ブリッジを有するインバータとして構成されている（図７）ことを特徴とする、装置。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置において、
インバータ（３）が、中央に３点切り替えの半ブリッジを有するインバータとして構成されている（図８）ことを特徴とする、装置。
【請求項１０】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置において、
インバータ（３）が、送電網（８）への電気エネルギーの単相または三相供給のために構成されている（図２ないし８または図９）ことを特徴とする、装置。
【請求項１１】
電気エネルギーを送電網（８）に供給するための、また、直流発電機（１）とバイポーラ電圧中間回路（Ｃ１、Ｃ２）を備えるインバータ（３）との間に配置されるための装置用の直流変換機であって、
当該直流変換機は請求項１ないし６の少なくとも１つに従って構成されていることを特徴とする、直流変換機。
【請求項１２】
請求項１１に記載の直流変換機において、
当該直流変換機は、インバータ（３）とともに１つの構造ユニットにまとめられていることを特徴とする、直流変換機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１０−５３０２０５（Ｐ２０１０−５３０２０５Ａ）
【公表日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１１４８２（Ｐ２０１０−５１１４８２）
【出願日】平成２０年４月１２日（２００８．４．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＥ２００８／０００６１９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１５１５８７
【国際公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（５０９３２２２２５）エスエムエー ソーラー テクノロジー エージー (3)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１２日（２００８．４．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＥ２００８／０００６１９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１５１５８７
【国際公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（５０９３２２２２５）エスエムエー ソーラー テクノロジー エージー (3)
【Ｆターム（参考）】
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