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Die
Erfindung betrifft einen Dreiphasen-Wechselrichter mit Hochsetzsteller.
Er weist einen elektrischen Eingang für eine Eingangsgleichspannung
und einen elektrischen Ausgang für
eine dreiphasige Ausgangsspannung zum Anschließen eines Drehstromnetzes oder
einer Last auf. Weiterhin weist der Dreiphasen-Wechselrichter eine
eingangsseitige Hochsetzstellereinheit mit zumindest einer Ladespule,
einer Freilaufdiode, einem Ladekondensator sowie einem Stellerschaltelement
auf. Er weist zudem eine nachgeschaltete, in Drehstrombrückenschaltung
ausgeführte
Wechselrichtereinheit mit einem 3-Fach-Halbbrückenmodul aus drei parallelgeschalteten
Halbbrücken
mit jeweils zwei Brückenschaltelementen
sowie eine Steuereinheit zumindest zur getakteten Ansteuerung der
Schaltelemente auf.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine vorteilhafte Verwendung eines
als Baueinheit ausgeführten Halbbrückenmoduls
des Dreiphasen-Wechselrichters.
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Die
bekannten Dreiphasen-Wechselrichter weisen typischerweise eine eingangsseitige
Hochsetzstellereinheit zum spannungsmäßigen Hochsetzen der anliegendenen
Eingangsgleichspannung in eine geregelte Zwischenkreisspannung auf.
Letztere kann auch als Ausgangsgleichspannung der Hochsetzstellereinheit
betrachtet werden. Die Vorschaltung einer Hochsetzstellereinheit
ist vorteilhaft, wenn die Eingangsgleichspannung starken Schwankungen unterliegt,
wie z. B. beim Betrieb des Dreiphasen-Wechselrichters an einem Solarmodul,
an einem Solarfeld, an einer Brennstoffzelle oder an einem Generator
einer Windkraft- oder Biogasanlage. Alternativ oder zusätzlich kann
eine Vorschaltung erforderlich sein, wenn eine Hochsetzung der Eingangsspannung
erforderlich ist, um eine dreiphasige Ausgangsspannung mit vergleichsweise
hohen Spannungswerten zur Verfügung
zu stellen, wie z. B. zur Speisung von Elektromoto ren mit besonders
hoher Leistungsdichte wie z. B. bei Marineanwendungen.
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Die
Hochsetzstellereinheit weist üblicherweise
zumindest ein Stellerschaltelement und eine Freilaufdiode auf. Das
Schaltelement ist typischerweise eine elektronisches Schaltelement,
insbesondere ein MOSFET (für
Metal Oxide Semiconductor Field-Effect
Transistor) oder ein IGBT (für
Insulated-Gate Bipolar Transistor). Die Freilaufdiode ist typischerweise als
diskretes Bauteil ausgeführt.
Wesentliche Kenngrößen einer
solchen Freilaufdiode sind der maximale Strom sowie die maximale
Sperrspannung.
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Es
ist somit ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik
eine Aufgabe der Erfindung, einen kompakteren Dreiphasen-Wechselrichter
mit vorgeschaltetem Hochsetzsteller anzugeben.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, zwei Dreiphasen-Wechselrichter mit
vorgeschaltetem Hochsetzsteller anzugeben, welche eine höhere Verfügbarkeit
aufweisen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine besondere Verwendung
eines Halbbrückenmoduls
in einem Dreiphasen-Wechselrichter
anzugeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einem Dreiphasen-Wechselrichter mit
vorgeschalteter Hochsetzstellereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
des Dreiphasen-Wechselrichters sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
10 angegeben. Im Anspruch 11 ist eine vorteilhafte Verwendung eines Halbbrückenmoduls
in einem Dreiphasen-Wechselrichter genannt.
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Erfindungsgemäß weist
der Dreiphasen-Wechselrichter ein 4-Fach-Halbbrückenmodul aus vier parallelgeschalteten
Halbbrücken
mit jeweils zwei Brückenschaltelementen
anstelle des 3-Fach-Halbbrückenmoduls
mit drei parallelgeschalteten Halbbrü cken auf. Drei der Halbbrücken übernehmen
die Funktion der Wechselrichtereinheit. Die verbleibende Halbbrücke des
4-Fach-Halbbrückenmoduls übernimmt
die schaltungstechnische Funktion der Freilaufdiode und die des
Stellerschaltelementes der Hochsetzstellereinheit.
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Durch
die Integration des Leistungsteils der Hochsetzstellereinheit und
des Leistungsteils der Wechselrichtereinheit in ein gemeinsames 4-Fach-Halbbrückenmodul
ist ein vorteilhaft kompakterer Aufbau eines Dreiphasen-Wechselrichters möglich. Zugleich
reduziert sich die Anzahl der benötigten Bauelemente im Vergleich
zu einem Dreiphasen-Wechselrichter nach dem Stand der Technik.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform des
Dreiphasen-Wechselrichters weist dieser ein 5-Fach-Halbbrückenmodul
anstelle des 3-Fach-Halbbrückenmoduls
auf, wobei dann drei der Halbbrücken
wiederum die Funktion der Wechselrichtereinheit übernehmen und wobei die zwei
verbleibenden, parallelgeschalteten und separat ansteuerbaren Halbbrücken des
5-Fach-Halbbrückenmoduls
die schaltungstechnische Funktion der Freilaufdiode und die des
Stellerschaltelementes der Hochsetzstellereinheit übernehmen.
Dadurch kann die mittels der Hochsetzstellereinheit umsetzbare elektrische
Leistung vorteilhaft erhöht
werden.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge weist dieser Dreiphasen-Wechselrichter zwei Strommesseinheiten
zur Messung der zwei Ladespulenströme in den beiden verbleibenden
Halbbrücken auf.
Die beiden Strommesseinheiten sind mit der Steuereinheit verbunden.
Die vier Brückenschaltelemente
der zwei verbleibenden Halbbrücken
können dann über die
Steuereinheit derart angesteuert werden, dass sich zumindest in
etwa gleiche Ladespulenströme
bzw. Ladespulenstromwerte einstellen. Dadurch ist eine gleichmäßigere Belastung
der Hochsetzstellereinheit bei vorteilhaft höherem Wirkungsgrad möglich.
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Die
beiden verbleibenden Halbbrücken
können über die
Steuereinheit auch sperrend angesteuert werden, wenn z. B. ein erfasster
Ladespulenstrom signifikant von dem anderen parallelen Ladespulenstrom
abweicht. Eine signifikante Abweichung kann z. B. in einem Bereich
von 5% bis 20% von einem erwarteten Ladespulenstrom liegen. In einem
solchen Fehlerfall kann die nicht mehr ordnungsgemäße Halbbrücke abgeschaltet
werden. Je nach leistungstechnischer Auslegung des 5-Fach-Halbbrückenmoduls
ist dann eine unterbrechungsfreie elektrische Weiterversorgung der
angeschlossenen Last mit halber elektrischer Leistung oder weiter
mit voller elektrischer Leistung im Sinne einer Redundanz möglich. Im
letzteren Fall sind die beiden Halbbrücken der Hochsetzstellereinheit
hinsichtlich der dann vorliegenden deutlichen höheren Stromwerte entsprechend
auszulegen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
weist der Dreiphasen-Wechselrichter
ein 6-Fach-Halbbrückenmodul
aus sechs parallelgeschalteten Halbbrücken mit je zwei Brückenschaltelementen
anstelle des 3-Fach-Halbbrückenmoduls
auf. Drei der Halbbrücken übernehmen
wiederum die Funktion der Wechselrichtereinheit. Die drei verbleibenden,
parallelgeschalteten und separat ansteuerbaren Halbbrücken des
6-Fach-Halbbrückenmoduls übernehmen die
schaltungstechnische Funktion der Freilaufdiode und die des Stellerschaltelementes
der Hochsetzstellereinheit.
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Der
besondere Vorteil bei dieser alternativen Ausführungsform liegt in der nochmals
gesteigerten umsetzbaren elektrischen Leistung mittels der Hochsetzstellereinheit.
Dadurch kann der Leistungsdurchsatz der Hochsetzstellereinheit vorteilhaft
an den Leistungsdurchsatz der Wechselrichtereinheit angepasst werden.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge weist der zuletzt beschriebene Dreiphasen-Wechselrichter
drei Strommesseinheiten zur Messung der drei Ladespulenströme in den
drei verbleibenden Halbbrücken
auf. Die drei Strommesseinheiten sind mit der Steuereinheit verbunden.
Die sechs Brückenschaltelemente
der drei verbleibenden Halbbrücken können dann über die
Steuereinheit derart angesteuert werden, dass sich wiederum zumindest
in etwa gleiche Ladespulenströme
einstellen. Dadurch ist eine noch gleichmäßigere Belastung der Hochsetzstellereinheit
bei vorteilhaft höherem
Wirkungsgrad möglich.
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Die
drei verbleibenden Halbbrücken
können über die
Steuereinheit auch sperrend angesteuert werden, wenn z. B. ein erfasster
Ladespulenstrom signifikant von den beiden anderen parallelen Ladespulenströmen abweicht.
Eine signifikante Abweichung kann z. B. in einem Bereich von 5%
bis 20% vom Strommittelwert der beiden anderen Ladespulenströme liegen.
In einem solchen Fehlerfall kann dann die nicht mehr ordnungsgemäße Halbbrücke abgeschaltet
werden. Je nach leistungstechnischer Auslegung des 6-Fach-Halbbrückenmoduls
ist auch eine unterbrechungsfreie elektrische Weiterversorgung der
angeschlossenen Last mit zwei Dritteln der ursprünglichen elektrischen Leistung
möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die drei verbleibenden Halbbrücken für das 1,5-fache
des umzusetzenden Nennstroms ausgelegt sind. In diesem Fall ist
nach Ausfall einer Halbbrücke
eine weitere Vollversorgung der elektrischen Last bzw. eine weitere
volle Einspeisung in das angeschlossene Netz im Sinne einer Redundanz
möglich.
Ein derartiger erfindungsgemäßer Dreiphasen-Wechselrichter weist
somit eine sehr hohe Verfügbarkeit
auf.
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Nach
einer Ausführungsform
entspricht der Aufbau des 4-, 5- oder
6-Fach-Halbbrückenmoduls, abgesehen
von der Anzahl der Halbbrücken,
in schaltungstechnischer und technologischer Hinsicht im Wesentlichen
dem modularen Aufbau des 3-Fach-Halbbrückenmoduls.
Ein derartiges Modul ist somit auf einfache Weise aus einem dreiphasigen „Standard”-Wechselrichtermodul
ableitbar. Insbesondere ist das 4-, 5- oder 6-Fach-Halbbrückenmodul
ein als Baueinheit integriertes Leistungsmodul. Die Wechselrichtereinheit
ist vorzugsweise ein Pulswech selrichter mit Schalttransistoren wie
MOSFET oder IGBTs. Derartige Bauelemente sind in hoher Stückzahl und
in großer
Typenvielfalt erhältlich.
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Die
Wechselrichtereinheit kann über
die Steuereinheit auch derart angesteuert werden, dass die dreiphasige
Ausgangsspannung eine feste Frequenz aufweist, wie z. B. 50 Hz,
60 Hz oder 400 Hz. Die Wechselrichtereinheit kann auch derart angesteuert
werden, dass die Frequenz der dreiphasigen Ausgangspannung frequenzvariabel
ist. Dadurch kann z. B. ein dreiphasiger Elektromotor im Sinne eines
Frequenzumrichters elektrisch versorgt werden.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
werden die die Funktion der Freilaufdiode und die des Stellerschaltelementes
der Hochsetzstellereinheit übernehmenden
Brückenschaltelemente
der verbleibenden Halbbrücken
zumindest in einem Gegentaktbetrieb sperrend angesteuert. Mit anderen
Worten werden die Brückenschaltelemente,
entsprechend der übernommenen
Funktion der Freilaufdioden, dann sperrend angesteuert, wenn sich
ein Stromfluss entgegen der Durchlassrichtung der entsprechenden Freilaufdiode
einstellen würde.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge weist der Dreiphasen-Wechselrichter
zumindest eine Spannungsmesseinheit zur Erfassung der Eingangsgleichspannung,
einer Zwischenkreisspannung und/oder zumindest einer der dreiphasigen
Ausgangsspannung und zumindest eine Strommesseinheit zur Erfassung
eines Eingangsgleichstroms, eines Ladespulenstroms und/oder zumindest
eines ausgangsseitigen Phasenstroms auf. Die Spannungsmesseinheiten
und/oder die Strommesseinheit können
beispielsweise in der Steuereinheit integriert sein. Bei höheren zu
erfassenden Stromwerten können
auch Stromwandler zur Stromerfassung verwendet werden. Ein jeweiliges
Stromwandlersignal kann dann durch die Steuereinheit erfasst und
ausgewertet werden. Die erfassten Messwerte können unter anderem zur Spannungs- und/oder Stromregelung des
Dreiphasen-Wechselrichters sowie zum Erkennen eines Fehlerfalls
herangezogen werden.
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Ein
als Baueinheit ausgeführtes
4-, 5- oder 6-Fach-Halbbrückenmodul
aus vier, fünf
bzw. sechs parallelgeschalteten, im Wesentlichen identisch ausgeführten Halbbrücken ist
vorteilhaft zum gleichzeitigen Ausführen der Funktion einer Hochsetzstellereinheit
und der Funktion einer dreiphasigen Wechselrichtereinheit in einem
Dreiphasen-Wechselrichter verwendbar.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden
im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 ein
Prinzipschaltbild eines Dreiphasen-Wechselrichters nach dem Stand
der Technik,
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2 ein
Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters
mit einem 4-Fach-Halbbrückenmodul,
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3 ein
Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters
mit einem 5-Fach-Halbbrückenmodul,
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4 ein
Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters
mit einem 6-Fach-Halbbrückenmodul
und
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5 einen
prinzipiellen Aufbau eines Halbbrückenmoduls am Beispiel eines
4-Fach-Halbbrückenmoduls.
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1 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines Dreiphasen-Wechselrichters 1 nach
dem Stand der Technik. Der bekannte Dreiphasen-Wechselrichter 1 weist eine
im linken Teil der 1 gezeigte Hochsetzstellereinheit 2 und
eine dieser nachgeschaltete Wechselrichtereinheit 3 auf.
Die Hochsetzstellereinheit 2 ist eingangsseitig an einen
elektrischen Eingang 11 bzw. Anschluss 11 geschaltet,
an welchem eine Eingangsgleichspannung uE anliegt. Letztere stammt von
einer mit dem Bezugszeichen 10 stammenden Spannungsquelle,
wie z. B. von einer Brennstoffzelle. Die Eingangsgleichspannung
uE kann in einem Spannungsbereich von einigen Volt bis mehreren Hundert
Volt, wie z. B. 200 V, liegen. Mit dem Bezugszeichen iE ist ein
in die Hochsetzstellereinheit 2 hineinfließender Eingangsgleichstrom
bezeichnet. Die Hochsetzstellereinheit 2 weist eine Ladespule 21, eine
Freilaufdiode 22, einen Ladekondensator 23 sowie
ein getaktet ansteuerbares Stellerschaltelement 24 auf.
Die Verschaltung der gezeigten Komponenten ist dabei grundsätzlich bekannt.
Im Beispiel der 1 kommt ein IGBT als Stellerschaltelement 24 zum
Einsatz. Es kann alternativ ein MOSFET oder ein anderer Schalttransistor
sein. Die getaktete Ansteuerung dieses Schaltelementes 24 erfolgt über ein Ansteuersignal
S einer Steuereinheit 4. Am Ausgang der Hochsetzstellereinheit 2 liegt
eine Zwischenkreisspannung uZ an, welche der nachgeschalteten Wechselrichtereinheit 3 als
Eingangsgleichspannung zur Verfügung
steht.
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Im
unteren Teil der 1 ist die Steuereinheit 4 zu
sehen. Diese kann z. B. ein Mikrocontroller sein. Sie weist zur
Steuerung und Regelung des Dreiphasen-Wechselrichters 1 unter
anderem Spannungsmesseingänge
UE, M, UZ zur Erfassung der zugehörigen Eingangsgleichspannung
uE und der zugehörigen
Zwischenkreisspannung uZ auf. Mit M ist ein Bezugspotential, typischerweise
die Masse, bezeichnet.
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Die
im rechten Teil der 1 gezeigte, in Drehstrombrückenschaltung
ausgeführte
Wechselrichtereinheit 3 weist drei parallelgeschaltete
Halbbrücken 31–33 auf.
Jede Halbbrücke 31–33 weist eine
Reihenschaltung aus zwei Brückenschaltelementen 34,
wie z. B. IGBTs, auf. Die jeweiligen oberen Anschlüsse der
Schaltelemente 34 sind gemeinsam verbunden und mit dem
positiven Potential des Lade- oder auch Zwischenkreiskondensators 23 verbunden.
Die jeweiligen unteren Anschlüsse
der Schaltelemente 34 sind gemeinsam mit Masse M verbunden.
Weiterhin sind die jeweiligen Mittelabgriffe nach außen zu jeweils
einer Filterdrossel 5 geführt. Letztere sind mit einem
elektrischen Ausgang 12 verbunden, an welcher eine dreiphasige
Ausgangsspannung uR, uS, uT anliegt. An dem elektrischen Ausgang 12 kann
dann ein Drehstromnetz N oder eine Last, wie z. B. ein Elektromotor,
angeschlossen werden. Die dreiphasige Ausgangswechselspannung uR,
uS, uT ist typischerweise um ein Vielfa ches höher als die Eingangsgleichspannung
uE. Sie kann z. B. 800 V betragen, wenn die Eingangsgleichspannung
uE z. B. 200 V beträgt.
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Mit
T1–T6
sind die von der Steuereinheit 4 stammenden Ansteuersignale
bezeichnet. Zur Regelung und Steuerung sind drei modulinterne, ungefilterte
Phasenspannungen der Wechselrichtereinheit 3 entsprechenden
Spannungsmesseingängen
UR, US, UT der Steuereinheit 4 zugeführt. Mit uR, uS, uT sind die
dreiphasigen Ausgangswechselspannungen und mit iR, IS und iT die
ausgangsseitigen Phasenströme
bezeichnet. Letztere werden mittels jeweils einer Strommesseinheit 6 erfasst
und entsprechenden Strommesseingängen
IR, IS, IT der Steuereinheit 4 zugeführt.
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Schließlich ist
mit 41 ein optionaler Busanschluss der Steuereinheit 4 bezeichnet. Über diesen können Sollwerte
für die
Steuereinheit 4 eingelesen sowie Strom- und Spannungsmesswerte
und Fehlermeldungen an einen nicht weiter gezeigten angeschlossenen
Bus ausgegeben werden.
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2 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters 1 mit einem
4-Fach-Halbbrückenmodul 7.
Letzteres ist gemäß der Erfindung
dazu vorgesehen, sowohl die Funktion der Wechselrichtereinheit 31'–33' als auch die
schaltungstechnische Funktion der Freilaufdiode 22', 70 und
die des Stellerschaltelementes 24', 70 der Hochsetzstellereinheit 2 zu übernehmen.
Zur Realisierung der Funktion der Freilaufdiode 22', 70 und die
des Stellerschaltelementes 24', 70 werden die beiden
Brückenschaltelemente 70 der
linken Halbbrücke 71 zumindest
in einem Gegentaktbetrieb mittels der Steuereinheit 4 sperrend
angesteuert. Das 4-Fach-Halbbrückenmodul 7 weist
nun vier parallelgeschaltete Halbbrücken 71-74 mit jeweils
zwei Brückenschaltelementen 70 anstelle
des 3-Fach-Halbbrückenmoduls 3' auf. Die Brückenschaltelemente 70 sind
beispielhaft IGBTs. Die im 4-Fach-Halbbrückenmodul 7 realisierte
dreiphasige Wechselrichtereinheit 3 ist typischerweise
ein Pulswechselrichter. Mit dem Bezugszeichen 8 sind elektrische
Modulanschlüsse
oder Leistungsanschlüsse
des 4-Fach-Halbbrückenmoduls 7 bezeichnet.
Die zur Ansteuerung der acht IGBTs 70 mit Ansteuersignalen S1–S8 benötigten Ansteuerleitungen
sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Typischerweise weist ein solches Modul 7 einen
entsprechenden Steuerstecker auf. Der gesamte Aufbau des 4-Fach-Halbbrückenmoduls 7 entspricht
in schaltungstechnischer Hinsicht, abgesehen von der Anzahl der
der Halbbrücken 71–74,
dem modularen Aufbau des 3-Fach-Halbbrückenmoduls 3' aus 1.
Das gezeigte Modul 7 ist vorzugsweise ein als Baueinheit
integriertes Leistungsmodul.
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3 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters 1 mit einem
5-Fach-Halbbrückenmodul 7.
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Die
drei rechten, parallelgeschalteten Halbbrücken 73–75 übernehmen
wiederum die Funktion der Wechselrichtereinheit 31'–33' gemäß 1.
Die beiden linken, parallelgeschalteten Halbbrücken 71, 72 übernehmen
die schaltungstechnische Funktion der Freilaufdiode 22', 70 und
die des Stellerschaltelementes 24', 70 der Hochsetzstellereinheit 2,
wobei die beiden oberen IGBTs 70 gemeinsam die Funktion der
Freilaufdiode 22' und
die beiden unteren IGBTs 70 gemeinsam die Funktion des
Stellerschaltelementes 24' übernehmen.
Die Mittelabgriffe der beiden linken Halbbrücken 71, 72 sind über jeweils
eine Ladespule 21 gemeinsam auf das positive Potential
am elektrischen Eingang 11 geschaltet. Mit dem Bezugszeichen
iE1, iE2 sind die beiden Ladespulenströme bezeichnet, deren Summe
betragsmäßig dem
gesamten Eingangsgleichstrom iE entspricht. Die beiden Ladespulenströme iE1,
iE1 werden zur Erfassung entsprechenden Strommesseingängen IE1,
IE2 zugeführt.
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Mit
dem Bezugszeichen 25 ist ein optionaler, eingangsseitiger
Pufferkondensator bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich kann
parallel zum Pufferkondensator ein weiterer Energiespeicher geschaltet sein,
wie z. B. ein Akkumulator. Dadurch ist vorteilhaft ein Weiterbetrieb
des erfindungsgemäßen Dreiphasen- Wechselrichters bei
Wegfall der eingangsseitigen Einspeisung für eine bestimmte Zeit im Sinne
einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) möglich.
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Die
vier Brückenschaltelemente 70 der
beiden linken Halbbrücken 71–72 werden
im Normalbetrieb nun derart über
die Steuereinheit 4 angesteuert, dass sich zumindest in
etwa gleiche Ladespulenströme
iE1, iE2 einstellen. Die thermische Belastung der beiden Halbbrücken 71, 72 ist
dann in etwa gleich groß.
Ist eine Stromregelung jedoch nicht vorhanden, so können bereits
geringfügige
Abweichungen in den elektrischen Parametern der Brückenschaltelemente bzw.
IGBTs 70 zu großen
Unsymmetrien bei den beiden Ladespulenströmen iE1, iE2 führen.
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Fällt nun
eine der beiden Halbbrücken 71–72 aus
oder weicht einer der beiden Ladespulenströme iE1, iE2 signifikant von
dem anderen Ladespulenstrom iE1, iE2 ab, so kann die Steuereinheit 4 die
zu der defekt erkannten Halbbrücke 71, 72 gehörenden Brückenschaltelemente 70 sperrend
ansteuern. Die fehlerhafte Halbbrücke 71, 72 geht
dann in eine sogenannte „Taktsperre”.
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4 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters 1 mit einem
6-Fach-Halbbrückenmodul 7.
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Im
Beispiel der 4 übernehmen nun die drei rechten
Halbbrücken 74–76 die
Funktion der Wechselrichtereinheit 31'–33' gemäß 1 und die drei
linken Halbbrücken 71–73 gemeinsam
die schaltungstechnische Funktion der Freilaufdiode 22', 70 und
die des Stellerschaltelementes 24', 70 der Hochsetzstellereinheit 2.
Im Vergleich zum Beispiel gemäß 3 sind
die Mittelabgriffe der drei linken Halbbrücken 71–73 über insgesamt
drei Ladespulen 21 auf den positiven Anschluss am elektrischen
Eingang 11 geführt.
Die drei Teilströme
bzw. Ladespulenströme
iE1–iE3
entsprechen in Summe betragsmäßig dem
Eingangsgleichstrom iE. Weiterhin werden zur Spannungs- und/oder Stromregelung
des erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters 1 die Eingangsgleichspannung
uE, die Zwischenkreisspannung uZ und die im 6-Fach-Halbbrückenmodul 7 anliegenden
drei Phasenspannungen über
nicht weiter bezeichnete Spannungsmesseinheiten an entsprechenden
Spannungsmesseingängen
UE, UZ, UR, US, UT der Steuereinheit 4 erfasst. Es werden weiterhin
die drei Ladespulenströme
iE1–iE3
sowie die ausgangsseitigen Phasenströme iR, iS, iT über jeweils
eine Strommesseinheit 6 in Form eines Stromwandlers an
entsprechenden Strommesseingängen
IE1–IE3,
IR, IS, IT an der Steuereinheit 4 erfasst.
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Auf
Basis der erfassten Ladespulenströme iE1–iE3 kann die Steuereinheit 4 die
sechs IGBTs 70 der drei linken Halbbrücken 71–73 derart
getaktet ansteuern, dass sich in etwa gleiche Stromwerte für die Ladespulenströme iE1–iE3 einstellen.
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Im
Fehlerfall, das heißt
bei einer signifikanten Abweichung einer der Ladespulenströme iE1–iE3 von
einem anderen Ladespulenstrom iE1–iE3, kann die fehlerhafte
Halbbrücke 71–73 abgeschaltet
werden. Die Umschaltung der gesamten in den linken drei Halbbrücken 71–73 umgesetzten
elektrischen Leistung kann dann bei entsprechend ausgelegter Stromtragefähigkeit
der IGBTs 70 quasi ohne Zeitverzögerung, d. h. unterbrechungsfrei,
auf die beiden noch intakten Halbbrücken 71–73 umverteilt
werden. Dadurch ist vorteilhaft ein redundanter Betrieb der Hochsetzstellereinheit 2 des
erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters 1 möglich.
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5 zeigt
einen prinzipiellen Aufbau eines Halbbrückenmoduls 7 am Beispiel
eines 4-Fach-Halbbrückenmoduls 7.
Das Beispiel zeigt nochmals den im Wesentlichen gleichen Aufbau
des als Baueinheit ausgeführten
4-Fach-Halbbrückenmoduls 7.
Eine Erweiterung eines solchen Moduls 7 auf ein 5-Fach-
oder 6-Fach-Halbbrückenmodul 7 ist
in schaltungstechnischer und technologischer Hinsicht auf einfache
Weise möglich,
indem noch ein Mittelabriff sowie zwei Ansteuerleitungen für jede hinzukommende
Halbbrücke
aus dem Modul 7 herausgeführt wer den. Die im rechten
Teil der 5 herausgeführten Leistungsanschlüsse 8 sind
optional und dienen einer verbesserten Anschlussmöglichkeit.
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Die
vorherigen Figuren 2 bis 5 zeigen
die mögliche
erfindungsgemäße Verwendung
eines als Baueinheit ausgeführten
4-, 5- oder 6-Fach-Halbbrückenmoduls 7 aus
vier, fünf
bzw. sechs parallelgeschalteten, im Wesentlichen identisch ausgeführten Halbbrücken 71–76.
Ein solches Modul 7 kann bei geeigneter Ansteuerung durch
eine Steuereinheit 4 vorteilhaft die Funktion einer Hochsetzstellereinheit 2 und
die Funktion einer dreiphasigen Wechselrichtereinheit 3 in
einem Dreiphasen-Wechselrichter 1 gleichzeitig ausführen.
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Der
erfindungsgemäße Dreiphasen-Wechselrichter
kann darüber
hinaus auch ein Mehrfach-Halbbrückenmodul
mit mehr als sechs Halbbrücken
aufweisen, wie z. B. 7, 8, 10 oder 12. So lässt sich durch eine Parallelisierung
die Verfügbarkeit
des erfindungsgemäßen Dreiphasen-Wechselrichters noch
weiter steigern. Es ist auch möglich,
einen oder mehrere (zusätzliche)
Halbbrücken
für einen
Bremschopper zu verwenden. In einem solchen Fall ist dann der jeweilige
Mittelabgriff über
einen Bremswiderstand an das Massepotential M geschaltet. Das dazu
parallelgeschaltete Brückenschaltelement bleibt
fortlaufend gesperrt, während
das andere, obere Brückschaltelement
taktend, vorzugsweise mit einem veränderlichen Tastverhältnis, über die
Steuereinheit angesteuert werden kann.
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Obwohl
die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert
und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten
Beispiele eingeschränkt
und andere Variationen können
vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der
Erfindung zu verlassen.
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Zusammenfassend
wird ein Dreiphasen-Wechselrichter 1 mit einem elektrischen
Eingang 11 für
eine Eingangsgleichspannung uE und mit einem elektrischen Ausgang 12 für eine dreiphasige Ausgangsspannung
uR, uS, uT zum Anschließen
eines Drehstrom netzes N oder einer Last vorgeschlagen. Er weist
eine eingangsseitige Hochsetzstellereinheit 2 mit zumindest
einer Ladespule 21, einer Freilaufdiode 22', einem Ladekondensator 23 sowie einem
Stellerschaltelement 24' auf.
Er weist zudem eine nachgeschaltete, in Drehstrombrückenschaltung
ausgeführte
Wechselrichtereinheit 3 mit einem 4-, 5- oder 6-Fach-Halbbrückenmodul 7 aus
vier, fünf oder
sechs parallelgeschalteten Halbbrücken 71–76 mit
jeweils zwei Brückenschaltelementen 70 auf.
Der Dreiphasen-Wechselrichter 1 weist eine Steuereinheit 4 zumindest
zur getakteten Ansteuerung der Schaltelemente 24', 34 auf.
Erfindungsgemäß übernehmen
drei der Halbbrücken 71–76 die
Funktion der Wechselrichtereinheit 31'–33'. Die verbleibenden Halbbrücken 71–76 des
4-, 5- oder 6-Fach-Halbbrückenmoduls 7 übernehmen
die schaltungstechnischen Funktion der Freilaufdiode 22', 70 und
die des Stellerschaltelementes 24', 70 der Hochsetzstellereinheit 2.