AT508993B1 - Ein- und mehrphasige umrichter mit der möglichkeit zur erhöhung der spannung - Google Patents

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Abstract

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). Durch die Verwendung zusätzlicher Speicher (Kondensatoren, Spulen) ist für den Projektierenden eine flexiblere Anpassung der Quelle an die Last mit weiteren Freiheitsgraden möglich. Die Realisierung erfolgt dabei z.B. so, dass n Kondensatoren einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jedes Kondensators an je einen positiven Anschluss einer Halbbrücke geschaltet ist und ebenso die n Spulen einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme verbunden sind und die zweiten Anschlüsse der Spulen an je einer mittleren Klemme einer Halbbrücke geschaltet sind und alle negativen Klemmen der Halbbrücken miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme verbunden sind und jeweils zu einer positiven Klemme der Halbbrücken jeweils eine Wechselspannungsklemme geschaltet ist.

Description

österreichisches Patentamt AT508 993B1 2012-05-15
Beschreibung
EIN- UND MEHRPHASIGE UMRICHTER MIT DER MÖGLICHKEIT ZUR ERHÖHUNG DER SPANNUNG
[0001] 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 (S1i), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (S1i, S2i) eine antiparallele Diode (D1i, D2i) geschaltet ist, oder bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) ersten aktiven Schaltern (S1i) mit jeweils antiparalleler erster Diode (D1i), 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 (U1) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Wi) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes.
[0002] 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 aufgebaut 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.
[0003] Neben dem im Weiteren behandelten Stand der Technik sind hier einige Hinweise auf die umgebende Patentliteratur.
[0004] DE 4018165 C1 (LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH) zeigt eine Beschaltungsanordnung für Hochleistungs Insulated Gate Transistoren. Bei einem mehrphasigen Umrichter ist bei jeder Halbbrücke ein Überspannungsbegrenzungsnetzwerk, bestehend aus einer Diode und einem Kondensator parallel zur Halbbrücke und einem Entladewiderstand vom Verbindungspunkt des Kondensators mit der Kathode der Diode zum Zwischenkreis des Umrichters, angeordnet. Da im Kurzschlussfall die Spannung bedingt durch den hohen Abschaltstrom deutlich höher ansteigt, ist ein zusätzlicher Kreis angeordnet, der im Falle einer Stromüberschreitung durch einen Thyristor zugeschaltet wird.
[0005] US 2008/0211547 A1 (MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA) figuriert als Wechselrichter, ist aber in den Zeichnungen immer nur als Einquadrantensteller dargestellt, da keine Diode parallel zum Highside IGBT geschaltet ist. Dies ist bei der gezeichneten induktiven Last auch gar nicht nötig, da die Stromrichtung nicht umgedreht werden kann. Meines Erachtens ist der Lowside IGBT unnötig und führt letzlich nur zu einer zusätzlichen Fehlerquelle, da er einen höheren Spannungsabfall zwischen Drain und Source aufweist als die parallel liegende Diode wird er auch gar nicht leitend. Er dient damit nur zum Start der Ladungspumpe für die Versorgung des Highside Treibers. Für diesen Zweck würde aber ein kleiner Hilfstransistor, ausgeführt in Bipolar- oder Unipolartechnik, genügen.
[0006] US 2009/0027933 (KAJOUKE et al.) behandelt eine Kombination eines Hochsetzstellers mit einer dreiphasigen IGBT Brücke zur Ansteuerung von Wechselstrommaschinen, wobei die Diode des Hochsetzstellers mit einem IGBT überbrückt ist. Wenn die Eingangsspannungsquelle in der Lage ist Energie aufzunehmen, kann so die Bremsenergie in die Quelle rückgespeist werden.
[0007] Der klassische Umrichter besteht aus drei Halbbrücken, bestehend aus einer Serien- 1 15 österreichisches Patentamt AT508 993B1 2012-05-15
Schaltung 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.1).
[0008] 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 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.
[0009] Die Erfindung wird an Hand der Schaltbilder erläutert. Figur 1 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.
[0010] 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 sind 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 (S1i) mit antiparalleler Diode (D1i) 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).
[0011] 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.
[0012] Die Einbindung der Konverterschaltungen in das Gesamtsystem, die Ansteuerung der aktiven Schalter und die entsprechenden Steueralgorithmen können entsprechend dem Stand der Technik realisiert werden. 2/5

Claims (5)

  1. österreichisches Patentamt AT508 993B1 2012-05-15 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 (S1 i), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (S1i, S2i) eine antiparallele Diode (D1i, 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 (U1) 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 (S1 i), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (S1i, S2i) eine antiparallele Diode (D1i, 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 (U1) 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 positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und die zweiten Anschlüsse der Spulen an je einer mittleren Klemme (HMi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet sind 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 (S1i) mit jeweils antiparalleler erster Diode (D1i), 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 (U1) 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 (S1i) mit antiparalleler Diode (D1i) 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). 3/5 österreichisches Patentamt AT508 993B1 2012-05-15
  4. 4. Umrichter gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der ersten aktiven Schalter (S1 i), der zweiten aktiven Schalter (S2i) und den jeweils parallel geschalteten antiparallelen Dioden (D1i, 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. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5
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