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Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares, elektronisches System mit mehreren Modulen und einer Steuerungseinheit. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen modularen Mehrpunktstromrichter.
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Häufig werden elektronische Systeme modular ausgebaut. Der Grund hierfür kann in der Flexibilität, in der verarbeiteten Leistung, der eingesetzten Spannung etc. liegen.
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Ein konkretes Beispiel für modulare Systeme sind sogenannte modulare Mehrpunktstromrichter (Modular Multilevel Converter: M2C). Solche modulare Mehrpunktstromrichter können beispielsweise für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen (HGÜ) eingesetzt werden. Sie eignen sich aber ebenso für Mittelspannungsanwendungen.
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Der modulare Aufbau solcher Systeme bedingt, dass die einzelnen Module in geeigneter Weise angesteuert werden müssen. Dazu kann jedes Modul einzeln mit einem separaten Kabel angesprochen werden. Alternativ hierzu können die Module des Systems aber auch durch einen Kommunikationsbus vernetzt sein. Dieser Bus stellt dann die Schnittstelle zwischen einer zentralen Steuerungseinheit und den einzelnen Modulen dar. Dabei kann jedes Modul in Abhängigkeit von seiner Funktion beziehungsweise seines Aufbaus einen Aktor, eine Zelle oder dergleichen darstellen.
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Die Module und die zentrale Steuerungseinheit befinden sich in der Regel auf verschiedenen Potentialebenen. Dies ist insbesondere bei dem genannten modularen Mehrpunktstromrichter der Fall. Diese gewollten Potentialunterschiede erfordern eine galvanische Trennung zwischen Modul- und Steuerungseinheit-Potentialen. Die Trennung betrifft sowohl die Kommunikationsverbindungen als auch die Hilfsspannungsversorgung, die zur Versorgung der einzelnen Module mit Energie für den Betrieb notwendig ist. In Systemen höherer Leistung können diese Potentialunterschiede mehrere 1000 Volt betragen. Dies erfordert folglich auch eine Isolationsfestigkeit von mehreren kV.
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Bei herkömmlichen Systemen wird häufig zwischen Hilfsspannungsversorgung und Kommunikation unterschieden. Daher sind bei diesen Lösungen sowohl bei der Hilfsspannungsversorgung als auch bei der Kommunikation entsprechende Isolationen vorzusehen.
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Die Hilfsspannungsversorgung wird beispielsweise durch einen Weitbereichs-DC/DC-Wandler, welcher von dem modulseitigen DC-Zwischenkreis versorgt wird, realisiert. Dies hat einen erhöhten Hardwareaufwand sowie geringere Effizienz als Nachteile und ist in der Regel keine kostengünstige Lösung.
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Die Isolation des Kommunikationskanals wird beispielsweise mithilfe von Lichtwellenleitern realisiert. Dies erfordert eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen zentraler Steuerungseinheit und Modul und mündet daher in einem komplexen und teuren Gesamtsystem.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verteiltes, modulares, elektronisches System mit hoher Isolationsfestigkeit bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein verteiltes, modulares, elektronisches System mit
- – mehreren Modulen und
- – einer Steuerungseinheit,
sowie
- – einem Kommunikationsbus zur Kommunikation zwischen den Modulen und der Steuerungseinheit und zum Liefern einer Hilfsspannung von der Steuerungseinheit an die Module, wobei
- – jedes der Module einen jeweiligen Transformator aufweist, der an den Kommunikationsbus angeschlossen ist und der eine Energieübertragung und eine Datenübertragung mit galvanischer Trennung ermöglicht, und wobei
- – bei jedem der Transformatoren sämtliche elektromagnetischen Funktionselemente seiner Primärseite mindestens einen Zentimeter beabstandet sind von sämtlichen elektromagnetischen Funktionselementen seiner Sekundärseite.
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„Verteilt“ bedeutet hier, dass nicht nur die zentrale Steuerungseinheit „Intelligenz“ besitzt und Steuerungsfunktion übernimmt, sondern auch die einzelnen Module.
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Das erfindungsgemäße modulare System besitzt also einen Kommunikationsbus, der nicht nur für die Kommunikation zwischen der Steuereinheit und den mehreren Modulen, sondern auch für die Hilfsspannungsversorgung der einzelnen Module zuständig ist. Er liefert dazu die von der Steuereinheit gelieferte Hilfsspannung an die Module ebenso wie die Daten, die für den Betrieb der Module notwendig sind. Jedes Modul ist mit mindestens einem Transformator ausgestattet, der für eine galvanische Trennung zwischen dem Kommunikationsbus und dem Modul sorgt. Dabei ist jeder Transformator so aufgebaut, dass er für eine galvanische Trennung mindestens im Mittelspannungsbereich ausgelegt ist. Dazu sind die elektromagnetisch wirksamen Komponenten der Primärseite des Transformators von sämtlichen elektromagnetisch wirksamen Komponenten der Sekundärseite des Transformators um mindestens 1 Zentimeter voneinander beabstandet. Über diese Isolationsstrecke läuft somit nicht nur die induktive Energieübertragung, sondern auch die induktive Datenübertragung beziehungsweise Kommunikation. Durch diese Mehrfachfunktionalität des Transformators kann ein vereinfachtes modulares elektronisches System bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist das System als modulare Mehrpunkstromrichter ausgebildet. Damit können beispielsweise die einzelnen Halbbrücken einschließlich der notwendigen Elektronik in den Modulen bei geeigneter Isolierung auf einfache Art und Weise angesteuert und mit Energie versorgt werden.
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Bei dieser Ausgestaltung als Mehrpunktstromrichter kann an die Sekundärseite jedes Transformators eine Steuerelektrode eines elektronischen Schaltelements angeschlossen sein. Falls das Modul eine Halbbrücke mit zwei Leistungshalbleitern aufweist, sollten im Modul entsprechend zwei separate Transformatoren eingesetzt werden. Der Anschluss der Sekundärseite des jeweiligen Transformators zu der jeweiligen Steuerelektrode kann über einen Treiber erfolgen, der eine geeignete Signalverarbeitung durchführt. Gegebenenfalls kann in einem Modul auch zusätzlich oder alternativ eine primärseitige Signalverarbeitung erfolgen.
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Optional kann auch ein Datenrückkanal von der Sekundärseite zur Primärseite und von dort über den Kommunikationsbus zur Steuerungseinheit vorgesehen sein. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn in dem jeweiligen Modul eine Temperatur gemessen und an die Steuerungseinheit ein entsprechender Temperaturwert übertragen werden soll. Auch können etwaige Spannungs- oder Stromwerte vom Modul zur Steuerungseinheit übertragen werden.
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In einer Ausgestaltung kann jedes der Module jeweils einen Treiber aufweisen, der den jeweiligen Transformator beinhaltet und der von der Hilfsspannung versorgt wird. Die Hilfsspannung kann also dazu verwendet werden, den Treiber zu versorgen, aber auch um andere aktive elektronische Komponenten des Moduls zu versorgen.
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Vorzugsweise ist an den jeweiligen Transformator primärseitig und sekundärseitig je ein Kondensator angeschlossen, und der Kondensator ist zumindest zeitweise bei entsprechender Resonanz angesteuert. Da die Primärseite von der Sekundärseite durch einen Spalt von mindestens 1 Zentimeter getrennt ist, treten entsprechende Streuinduktivitäten auf. Um die dadurch bedingten Verluste möglichst gering zu halten, bedient man sich einer Resonanzüberhöhung, die mithilfe der Kondensatoren, welche an den Transformator angeschlossen sind, realisiert werden kann. Vorzugsweise liegen die eine oder die mehreren für die Energieübertragung und/oder die Kommunikation verwendeten Frequenzen innerhalb der Halbwertsbreite der entsprechenden Resonanzkurve, die sich für den mit Kondensatoren geschalteten Transformator ergibt.
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Speziell kann jedes der Module für die Datenübertragung auf der Basis von Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying; FSK) ausgebildet sein. Dabei sollten die verwendeten Frequenzen im Resonanzbereich und vorzugsweise innerhalb der Halbwertsbreite der Resonanzkurve liegen.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Datenübertragung digital und die Verteilung zwischen den logischen Zuständen „0“ und „1“ ist gleichmäßig. Dies hat den Vorteil, dass die beteiligten elektronischen Bauelemente sich unabhängig von dem Wert der Daten wieder ausreichend entladen können, sodass nicht die Gefahr einer Sättigung besteht. Damit garantiert die gleichmäßige Verteilung der logischen Zustände auch im Mittel eine gleichmäßige Energieübertragung. Eine gleichmäßige Verteilung der logischen Zustände ist beispielsweise durch den Manchester-Code gewährleistet.
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In Bezug auf die Isolationsfestigkeit kann das modulare System unterschiedlich ausgelegt werden. So kann der Abstand zwischen sämtlichen primärseitigen elektromagnetischen Funktionselementen einerseits und sämtlichen sekundärseitigen elektromagnetischen Funktionselementen andererseits mindestens 4 und insbesondere mindestens 10 Zentimeter betragen. Auch wenn die elektromagnetischen Funktionselemente und insbesondere die primärseitigen und sekundärseitigen Spulen an entsprechend isolierten Trägern gehalten werden, kommen sich die elektromagnetischen Funktionselemente beider Seiten, insbesondere was die Kriech- oder Überschlagstrecken betrifft, nicht näher als 4 Zentimeter beziehungsweise 10 Zentimeter. Der Abstand von mindestens 4 Zentimetern reicht für Mittelspannungsanlagen. Bei Hochspannungsanlagen sollte der Abstand zwischen den primärseitigen und sekundärseitigen Funktionselementen des jeweiligen Transformators mindestens 10 Zentimeter betragen.
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Entsprechend ist es von besonderem Vorteil, wenn das System für eine elektrische Spannung von mindestens 10 kV ausgelegt ist. Damit kann das modulare elektronische System mindestens für Mittelspannungsbetrieb genutzt werden. Bei entsprechender Auslegung für höhere Spannungen sind auch Einsätze bei Hochspannungsbetrieb möglich. Beispielsweise können so auch modulare Mehrpunktstromrichter für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung eingesetzt werden, bei denen Spannungen von 1 Million Volt und mehr auftreten.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 die Architektur eines verteilten, modularen, elektronischen Systems anhand eines modularen Mehrpunktstromrichters;
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2 einen prinzipiellen Schaltplan eines Moduls des Systems;
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3 einen Ersatzschaltplan des Transformators eines Moduls; und
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4 eine Ausgangsleistungskennlinie des Transformators von 3.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Kombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisierbar sind.
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Ein verteiltes, modulares, elektronisches System weist eine Vielzahl von Modulen und mindestens eine Steuereinheit auf. Die Module sind über einen oder mehrere Kommunikationsbusse mit einer zentralen Steuereinheit verbunden. Derartige verteilte Systeme können im Anlagenbau zahlreiche Anwendungen finden. Dabei kann jedes Modul einen Aktor (z.B. einen Leistungsschalter) aufweisen, der eine elektrische Funktionalität besitzt.
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In dem Beispiel von 1 ist ein modulares System dargestellt, welches als modularer Mehrpunktstromrichter realisiert ist. Ein solcher Stromrichter dient beispielsweise zum Gleichrichten eines Drehstroms in einem Gleichstrom, wie es beispielsweise für HGÜ-Übertragungen notwendig ist. Der dargestellte Stromrichter kann aber auch am anderen Ende der HGÜ-Leitung zum Wandeln von Gleichstrom in Drehstrom eingesetzt werden. Das Systemkonzept der modularen Mehrpunktstromrichter ist aber auch für Umrichter verwendbar.
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Der in 1 wiedergegebene Mehrpunktstromrichter besitzt eine Vielzahl an Modulen, die strangweise miteinander verknüpft sind. In einem ersten Strang befinden sich die Module M11 bis M18, in einem zweiten Strang die Module M21 bis M28 und in einem dritten Strang die Module M31 bis M38. Alle Module besitzen in der Regel gleichen Aufbau. Jeweils vier der Module in einem Strang sind bezogen auf ihren Leistungspfad in Serie geschaltet.
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Zwei Gleichspannungsquellen S1 und S2 sind im vorliegenden Beispiel in Serie geschaltet, und durch diese Serienschaltung wird eine Plusschiene „+“ und eine Minusschiene „–“ symmetrisch mit Gleichspannung gespeist.
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Die drei Modulserienschaltungen M11 bis M14, M21 bis M24 und M31 bis M34 sind einerseits an die Plusschiene angeschlossen und andererseits mit einer jeweiligen Hilfseinheit AUX1, AUX2 und AUX3 verbunden. Symmetrisch dazu sind die Modulserienschaltungen M15 bis M18, M25 bis M28 und M35 bis M38 einerseits mit der Minusschiene verbunden und andererseits mit den Hilfseinheiten AUX1, AUX2 und AUX3. Konkret führen also die Leistungspfade der Module M14 und M15 in die Hilfseinheit AUX1, die Leistungspfade der Module M24 und M25 in die Hilfseinheit AUX2 und die Leistungspfade der Module M34 und M35 in die Hilfseinheit AUX3. Jede der Hilfseinheiten AUX1, AUX2 und AUX3 vereint die jeweiligen Leistungspfade und produziert eine Phase eines Drehstromsystems. Damit wäre ein Wechselrichter realisiert.
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Alternativ kann der Stromrichter, wie oben erwähnt, auch dazu ausgebildet sein, dass er in umgekehrter Richtung einen dreiphasigen Strom in einen Gleichstrom wandelt. In diesem Fall kann er als Gleichrichter genutzt werden.
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Die Steuerung des Stromrichters erfolgt mit einer Steuereinheit MC. Diese Steuereinheit MC steuert hier nicht nur sämtliche Module, sondern auch die Hilfseinheiten AUX1, AUX2 und AUX3. Mit einem ersten Bus B1 werden die Module M11 bis M18, mit einem zweiten Bus B2 die Module M21 bis M28, mit einem dritten Bus B3 die Module M31 bis M38 und mit einem vierten Bus B4 die Hilfseinheiten AUX1 bis AUX3 gesteuert. Jeder dieser Busse B1 bis B4 verfügt nicht nur über mindestens eine Datenleitung, sondern auch über mindestens eine Hilfsspannungsleitung. Über die jeweilige Datenleitung werden gegebenenfalls bidirektional Daten transportiert. Ebenfalls werden die einzelnen Module von der Steuereinheit MC mit Steuerdaten versorgt. Gegebenenfalls werden Zustandsdaten wie etwa Spannungen, Temperaturwerte und dergleichen, zurück an die Steuereinheit MC geliefert.
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Über die Hilfsspannungsleitungen der Busse B1 bis B4 werden sowohl die Module als auch die Hilfseinheiten von der Steuereinheit MC mit einer Hilfsspannung versorgt, die die jeweiligen aktiven Bauelemente für den Betrieb brauchen. Die Steuereinheit MC besitzt gegebenenfalls noch einen Eingang E für externe Befehle.
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Der Stromrichter von 1 ist rein exemplarisch. Der prinzipielle Aufbau könnte auch für einen einphasigen Stromrichter oder einen anderen mehrphasigen Stromrichter genutzt werden. Auch muss an den Zwischenkreis nicht eine symmetrische Spannung vorliegen, sodass jeder Strang nicht symmetrisch zweigeteilt sein muss wie in dem Beispiel von 1. In diesem Fall können dann auch gegebenenfalls die Hilfseinheiten AUX1 bis AUX3 entfallen. Auch die Anzahl der Module pro Strang kann variieren.
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In 2 ist ein beispielhafter Schaltplan eines der oben genannten Module skizzenhaft dargestellt. Stellvertretend wird das Modul in 2 mit M11 bezeichnet. Funktionaler Kern des Moduls M11 ist eine Halbbrücke mit IGBTs 1 und 2 (oder anderen Leistungsschaltern bzw. elektronischen Schaltelementen). Die Collector-Emitter-Strecken beider IGBTs 1 und 2 sind in Serie geschaltet. Der Verbindungsknoten 3 stellt das Ausgangspotential für den Wechselstrom dar. Das Bezugspotential bildet der Low-Side-IGBT 2 mit seinem Emitter am Knoten 4. Dieser Knoten 4 bildet zusammen mit dem Knoten 5 am Collector des High-Side-IGBT 1 den Gleichstromzwischenkreis, der typischerweise mit einem Kondensator bestückt ist (in 2 nicht eingezeichnet).
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Die Gates beider IGBTs 1 und 2 werden durch separate Treiber mit galvanischer Trennung angesteuert. Der Treiber für das Gate des High-Side-IGBT 1 ist hier exemplarisch mit zwei Treiberstufen 6 und 7 und dazwischen geschaltetem Transformator 8 realisiert. Die eingangsseitige Treiberstufe 6 erhält ihre Signale von der Steuereinheit MC (vergleiche 1). Das Ausgangssignal der Treiberstufe 6 wird über den Transformator 8 zur zweiten Treiberstufe 7 übertragen. Der Ausgang der zweiten Treiberstufe 7 ist direkt mit dem Gate des IGBT 1, der stellvertretend für einen Leistungshalbleiterschalter steht, verbunden. In gleicher Weise liefert die Steuereinheit MC für den Low-Side-IGBT 2 ein Steuersignal an eine erste Treiberstufe 9. Das Ausgangssignal der ersten Treiberstufe 9 wird an einen Transformator 11 übertragen und dessen Ausgangssignal über eine zweite Treiberstufe 10 direkt an das Gate des IGBT 2. Die Spannungsversorgung der ersten Treiberstufen 6 und 9 erfolgt direkt von der Steuereinheit MC. Die Hilfsspannung für die zweiten Treiberstufen 7 und 10 hingegen stammt von den Sekundärseiten der Transformatoren 8 und 11. Dies bedeutet, dass die Transformatoren 8 und 11 nicht nur den Kommunikationspfad, sondern auch den Pfad für die Versorgung der sekundärseitigen Elektronik galvanisch trennen. Dabei stehen die primärseitigen Treiber 6 und 9 und die sekundärseitigen Treiber 7 und 10 stellvertretend auch für andere eventuell vorgesehene Signalverarbeitungskomponenten, die gegebenenfalls ebenfalls mit Energie zu versorgen sind.
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Je nach Position des Moduls innerhalb des Stromrichters (vergleiche 1) und je nach Schaltzustand der einzelnen Halbbrückenschalter befinden sich die Bauelementen der Module auf entsprechend hohen Potentialebenen im Vergleich zu der Steuereinheit MC. Daher ist eine ausreichende Isolation zwischen Primärseite und Sekundärseite für die Transformatoren 8 und 9 notwendig, über die nicht nur die Datenkommunikation, sondern auch die Hilfsspannungsversorgung läuft. Um eine ausreichende Isolation zu gewährleisten, sind die elektromagnetisch wirksamen Funktionselemente der Primärseite von sämtlichen elektromagnetisch wirksamen Funktionselementen der Sekundärseite um eine Mindestdistanz d voneinander getrennt. Diese Mindestdistanz d, die für beide Transformatoren 8 und 11 gilt, beträgt mindestens 1 Zentimeter. Für Mittelspannungsanwendungen sollten es mindestens 4 Zentimeter sein und für Hochspannungsanwendungen mindestens 10 Zentimeter. Eine derart weite Kriech- beziehungsweise Luftstrecke zwischen den elektromagnetisch wirksamen Funktionselementen schafft eine ausreichende Isolation zwischen Primärseite und Sekundärseite in den genannten Spannungsbereichen.
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Der große Abstand zwischen den Funktionselementen der Primärseite und der Sekundärseite, der den erhöhten Isolationsanforderungen geschuldet ist, und der im Bereich von 1 bis mehreren Zentimetern liegt, bringt allerdings deutlich erhöhte Streuinduktivitäten und geringere Kopplungsgrade mit sich. Um dem wieder entgegenzuwirken, können optional einer oder mehrere Resonanzkondensatoren am jeweiligen Transformator verbaut werden. 3 zeigt hierzu ein Ersatzschaltbild des Transformators 8 beziehungsweise 11. Das Ersatzschaltbild stellt einen Vierpol dar, zwischen dessen Eingangspole (primärseitig) eine Reihenschaltung einer Streuinduktivität Ls1 und einer Hauptinduktivität M geschaltet ist. Zwischen die Ausgangspole ist eine Reihenschaltung einer zweiten Streuinduktivität Ls2 und der Hauptinduktivität M geschaltet. An die Eingangspole ist im vorliegenden Beispiel eine Reihenschaltung einer Spannungsquelle U1, die die Steuereinheit MC symbolisiert und die Schaltinformationen sowie die Hilfsspannung zur Verfügung stellt, und einer Kapazität C1 angeschlossen. An die sekundärseitigen Ausgangsklemmen des Transformators 8 beziehungsweise 11 ist eine Reihenschaltung einer zweiten Kapazität C2 mit einem Lastwiderstand RL angeschlossen. Der Lastwiderstand RL symbolisiert beispielsweise den sekundärseitigen Treiber 7 beziehungsweise 10. Gegebenenfalls ist auch nur einer der beiden Kondensatoren C1 und C2 vorgesehen.
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Die Kondensatoren C1 und C2 bilden zusammen mit den Induktivitäten Ls1, Ls2 und M Resonanzkreise. Eine entsprechende charakteristische Resonanzkurve ist in 4 dargestellt. Das Maximum der Resonanzkurve liegt hier beispielhaft bei etwa 290 kHz. In einem Band von etwa 260 bis 320 kHz wird die meiste Leistung übertragen. Wird also eine entsprechende Frequenz gewählt, kann auf kostengünstige und effiziente Weise ein hochisolierter DC/DC-Wandler für Hilfsspannungen realisiert werden, der auch für die Datenkommunikation geeignet ist.
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Wie die Leistungskennlinie von 4 zeigt, ist es möglich, bei verschiedenen Frequenzen Energie zu übertragen. Diese Eigenschaft wird beispielsweise für eine Übertragung mittels Frequenzumtastung (FSK) verwendet. Eine zu übertragende logische „1“ wird beispielsweise der Frequenz 310 kHz und eine logische „0“ der Frequenz 300 kHz zugeordnet. In dem Beispiel von 4 können dann bei der logischen „0“ eine Leistung von 8 W und bei der logischen „1“ eine Leistung von 4 W übertragen werden. Dabei wird die verwendete Frequenz auf der Sekundärseite ausgewertet und interpretiert. Die Decodierung erfolgt beispielsweise mithilfe eines Zählers.
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Da bei diesem Verfahren die übertragene Leistung stark vom übertragenen Datenstrom dominiert werden würde, sollten die Daten zuvor codiert werden. Dazu wird beispielsweise ein Algorithmus, welcher eine gleichmäßige Verteilung der logischen Zustände „0“ und „1“ garantiert, wie zum Beispiel der Manchester-Code, verwendet. Dies stellt einen immer gleichen Mittelwert an Leistung über eine definierte Zeitperiode sicher (hier 6 W).
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In vorteilhafter Weise ist es durch die vorliegende Erfindung somit möglich, sowohl eine wirkungsvolle Energieübertragung als auch eine wirkungsvolle Datenübertragung bei hoher elektrischer Isolation kostengünstig zu erreichen. Eine derart effiziente Lösung für Isolationsprobleme ist insbesondere für Hochvoltsysteme relevant.
