AT508993A1 - Ein- und mehrphasige umrichter mit der möglichkeit zur erhöhung der spannung - Google Patents

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Description

Ein- und mehrphasige Umrichter mit der Möglichkeit zur Erhöhung der Spannung
Die Erfindung betrifft Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) bidirektionalen Halbbrücken (HBi), mit jeweils einer positiven (HHi), mittleren (HMi) und einer negativen (HLi) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sli), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, oder bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) ersten aktiven Schaltern (Sli) mit jeweils antiparalleler erster Diode (Dli), n zweiten aktiven Schaltern (S2i) mit jeweils antiparalleler zweiter Diode (D2i), weiters bestehend aus n Spulen (Li) aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Wi) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes.
Umrichter dienen einerseits zur Verwandlung von Gleichspannungen in Wechselspannungen (einphasige Wechselrichter) oder in Mehrphasenspannungen (mehrphasige Wechselrichter), oder umgekehrt zur Umformung von einphasigen oder mehrphasigen Netzen in eine Gleichspannung (Gleichrichter). Im Folgenden sind die Schaltungen dreiphasig beschrieben und sind sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter geeignet. Als Lasten können synchron (Synchronmaschine, Schrittmotoren, geschaltete Reluktanzmaschinen) oder asynchron (Asynchronmaschine) funktionierende Maschinen, oder Netze verwendet werden. In zweiphasiger Anordnung kann damit ein einphasiges Netz erzeugt werden oder auch ein Vierquadrantenstellglied für einen DC Motor auf gebaut werden. Ebenso können die Schaltungen, wenn auf der Gleichspannungsseite z.B. ein Kondensator oder eine Gleichspannungsquelle geschaltet ist, als Blindleistungskompensator oder aktives Netzfilter verwendet werden.
Der klassische Umrichter besteht aus drei Halbbrücken, bestehend aus einer Serienschaltung von zwei aktiven Schaltern (in den Zeichnungen beispielhaft als MOSFETs gezeichnet, bei höheren Leistungen sind z.B. IGBTs, GTOs, IGCTs im Einsatz) mit jeweils einer antiparallelen Diode. Die Halbbrücken sind parallel geschaltet und mit der Gleichspannungsseite des Umrichters verbunden. Der Mittelpunkt jeder Halbbrücke bildet einen Anschluss der Wechselspannungsseite (Fig.l).
Bei den hier dargestellten Umrichtern werden teilweise ebenfalls Halbbrücken verwendet, doch werden diese anders zusammengeschaltet und zusätzlich kommen noch pro Halbbrücke ein Kondensator und eine Spule hinzu. In einer weiteren Schaltung wird das 1 P84/fh/20091027
Halbbrückenkonzept nicht verwendet, die aktiven Schalter und die ihnen antiparallel geschalteten Dioden sind als einzelne strombidirektionale Schalter in Verwendung. Durch die neuen Schaltungen entsteht eine größere Variationsbreite der Spannung an der Last.
Die Erfindung wird an Hand der Schaltbilder erläutert. Figur 1 eins stellt den klassischen Dreiphasenumrichter dar. Die Figuren Fig. 2 bis Fig. 4 stellen die neuen Umrichter, beispielhaft als dreiphasige Anordnungen und beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet dar, natürlich ist aber jeder aktive Schalter, je nach Anwendung möglich.
Die Aufgabe, einen Umformer für Gleichspannung in Wechselspannung oder mehrphasige Wechselspannung oder von Wechselspannung oder mehrphasiger Wechselspannung in Gleichspannung zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die n Spulen (Li) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder Spule (Li) an einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle mittleren (HMi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme (N) verbunden sind und jeweils an einer negativen (HLi) Klemme der Halbbrücken (HBi) jeweils eine Wechselspannungsklemme (Wi) geschaltet ist und zu jeder Halbbrücke (HBi) zwischen dem positiven Anschluss (HHi) und dem negativen Anschluss (HLi) ein Kondensator Ci geschaltet ist (Fig.2), oder dass die n Kondensatoren (Ci) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jedes Kondensators (Ci) an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und ebenso die n Spulen (Li) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und die zweiten Anschlüsse der Spulen an je einer mittleren Klemme (HMi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme (N) verbunden sind und jeweils zu einer positiven (HHi) Klemme der Halbbrücken (HBi) jeweils eine Wechselspannungsklemme (Wi) geschaltet ist (Fig.3), oder dass die n ersten aktiven Schalter (Sli) mit antiparalleler Diode (Dli) kathodenseitig miteinander und mit der positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und jeweils anodenseitig ein Kondensator (Ci), dessen zweiter Anschluss mit der Anode einer zweiten Diode (D2i) und einer Wechselspannungsklemme (Wi) verbunden ist und eine Spule (Li) geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit der zugehörigen Kathode der zweiten Diode (D2i) und der zweiten negativen Gleichspannungsklemme (N) geschaltet ist (Fig. 4). 2 P84/fh/20091027
Wenn die Schaltung durch Halbbrücken realisiert ist, ist es sinnvoll die Verschaltung der Halbbrücken durch Module zu bewerkstelligen. Weiters ist es sinnvoll zur Vermeidung von Überspannungen, verursacht durch parasitäre Induktivitäten zwischen der ersten positiven Klemme (P) und der zweiten negativen Klemme (N) ein oder mehrere Kondensatoren zu schalten und zwar möglichst nahe an die schaltenden Elemente.
Die Einbindung der Konverterschaltungen in das Gesamtsystem, Die Ansteuerung der aktiven Schalter und die entsprechenden Steueralgorithmen können entsprechend dem Stand der Technik realisiert werden 3 P84/fh/20091027

Claims (5)

  1. ·· ·*·· Patentansprüche 1. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) bidirektionalen Halbbrücken (HBi), mit jeweils einer positiven (HHi), mittleren (HMi) und einer negativen (HLi) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sli), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n Spulen (Li) aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Wi) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die n Spulen (Li) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder Spule (Li) an einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle mittleren (HMi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme (N) verbunden sind und jeweils an einer negativen (HLi) Klemme der Halbbrücken (HBi) jeweils eine Wechselspannungsklemme (Wi) geschaltet ist und zu jeder Halbbrücke (HBi) zwischen dem positiven Anschluss (HHi) und dem negativen Anschluss (HLi) ein Kondensator Ci geschaltet ist (Fig.2).
  2. 2. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) bidirektionalen Halbbrücken (HBi), mit jeweils einer positiven (HHi), mittleren (HMi) und einer negativen (HLi) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sli), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n Spulen (Li), aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Wi) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die n Kondensatoren (Ci) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jedes Kondensators (Ci) an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und ebenso die n Spulen (Li) einseitig miteinander und mit der ersten 4 P84/fh/20091027 positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und die zweiten Anschlüsse der Spulen an je einer mittleren Klemme (HMi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme (N) verbunden sind und jeweils zu einer positiven (HHi) Klemme der Halbbrücken (HBi) jeweils eine Wechselspannungsklemme (Wi) geschaltet ist (Fig.3).
  3. 3. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) ersten aktiven Schaltern (Sli) mit jeweils antiparalleler erster Diode (Dli), n zweiten aktiven Schaltern (S2i) mit jeweils antiparalleler zweiter Diode (D2i), weiters bestehend aus n Spulen (Li), aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Wi) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die n ersten aktiven Schalter (Sli) mit antiparalleler Diode (Dli) kathodenseitig miteinander und mit der positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und jeweils anodenseitig ein Kondensator (Ci), dessen zweiter Anschluss mit der Anode einer zweiten Diode (D2i) und einer Wechselspannungsklemme (Wi) verbunden ist und eine Spule (Li) geschaltet ist, deren zweiter Anschluss mit der zugehörigen Kathode der zweiten Diode (D2i) und der zweiten negativen Gleichspannungsklemme (N) geschaltet ist (Fig. 4).
  4. 4. Umrichter gemäß Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der ersten aktiven Schalter (Sli), der zweiten aktiven Schalter (S2i) und den jeweils parallel geschalteten antiparallelen Dioden (Dli, D2i) mit Hilfe eines Halbbrückenmoduls erzielt wird.
  5. 5. Umrichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten positiven Klemme (P) und der zweiten negativen Klemme (N) ein oder mehrere Kondensatoren geschaltet sind. 5 P84/fh/20091027
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