DE102017115646A1

DE102017115646A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Energie über eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102017115646A1
Application number: DE102017115646.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kolb; Christian Axtmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Schaltungsanordnung für den Betrieb einer elektrischen Maschine mit mindestens 3 Phasen, welche umfasst Anschlüsse für eine Stromversorgung; einen DC-Steller, der eingangsseitig an einem Anschluss der Stromversorgung angeschlossen ist und ausgangsseitig einen ersten Kondensator eines zweigeteilten Zwischenkreises überbrückt; den zweigeteilten Zwischenkreis bestehend aus dem ersten und einem zweiten Kondensator, die in Serie derart miteinander verbunden sind, so dass zwischen den beiden Kondensatoren ein mittleres Potenzial ausgebildet ist, am anderen Ende des ersten Kondensators ein oberes Potenzial ausgebildet ist und am anderen Ende des zweiten Kondensators ein unteres Potenzial ausgebildet ist; den zweiten Anschluss für die Stromversorgung, der mit dem unteren Potenzial verbunden ist; für jede Phase der elektrischen Maschine eine erste Halbbrücke, deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem oberen und dem unteren Potenzial verbunden sind und eine zweite Halbbrücke, deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem unteren Potenzial und dem mittleren Potenzial verbunden sind, während die Mittelabgriffe der beiden Halbbrücken zum Anschließen der induktiven Last der jeweiligen Phase der elektrischen Maschine dienen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Energie über eine elektrische Maschine.
In der elektrischen Antriebstechnik werden Leistungselektroniken zur Antriebsregelung verwendet. Diese Leistungselektroniken arbeiten z. B. mit einem Zwischenkreis. Die Eingangsspannung der Spannungsquelle wird dabei passend für die elektrische Maschine in eine elektrische Wechselgröße umgeformt, damit ein Drehfeld entsteht. Diese Umrichtung geschieht durch häufiges Umschalten mittels Leistungsschaltern bzw. Leistungshalbleitern in einer Brückenschaltung. Durch das Umschalten kommutiert der Strom in seiner Richtung und es entsteht ein Wechselstrom bzw. Drehstrom passend für die Maschine.
Bei einem 3-Phasen-Motor und einer Vollbrückenschaltung existieren zwei sogenannte B6-Brücken, die normalerweise synchron geschaltet werden, um z. B. die Stromstärke und -richtung durch eine Spule einzustellen.
Die Leistungsschalter der Brückenschaltung können durch Halbleiterbauelemente wie MOSFETS oder IGBTs ausgeführt sein. Die Zeitpunkte der Ansteuerung der Schalter können z. B. durch die Programmierung eines Mikrocontrollers bestimmt werden.
Unabhängig vom Betrieb eines Elektromotors sind aus dem Stand der Technik Schaltungen bekannt, denen gemein ist, dass sie durch eine spezielle Ausführung eines einer Brückenschaltung vorgeschalteten DC-Stellers eine Verkleinerung der zugehörigen Drossel erzielen. Diese existieren in verschiedenen Ausführungsformen.
M. Gommeringer, F. Kammerer, J. Kolb, M. Braun, „Novel DC-AC Converter Topology for Multilevel Battery Energy Storage Systems", PCIM Europe 2013, Nürnberg, 14.-16. Mai 2013 lehrt eine Zelle bzw. Kaskadenschaltung mehrerer Zellen eines Multilevel-Stromrichters bzw. Mittelspannungsumrichters. Dabei wird eine einphasige Last oder ein Netz ausgangsseitig gespeist. Im Falle einer gewünschten höheren Spannung werden mehrere Multilevel-Stromrichter in Reihe geschaltet. Dies ist notwendig, da Bauteile begrenzte Sperrspannungen aufweisen. Dennoch kann durch Serienschaltung eine erhöhte Spannung bis zu mehreren 100 kV erzeugt werden. Dabei darf keine zentrale Batterie existieren, sondern die Stromversorgung muss zellenweise geschehen.
Die Schaltungsanordnung ist für den Betrieb einer seriellen Multilevel-Topologie gedacht. Dazu muss ausgangsseitig eine Vollbrücke verwendet werden, die in diesem Fall asymmetrisch ausgeführt wird. Eine dreiphasige Last kann nur betrieben werden, wenn mehrere Module miteinander verschaltet werden und verschiedene Stromversorgungen aufweisen. In diesem Fall sollten alle verwendeten Spannungsquellen gleiche Charakteristik haben, also bspw. gleiche Batteriezellen. Ein Austausch von Energie zwischen den einzelnen Quellen ist dann nicht mehr ohne weiteres möglich. Ein Betrieb von Quellen mit unterschiedlichen Charakteristiken (Batterie, Brennstoffzelle, etc.) ist ebenfalls nicht ohne weiteres möglich.
Eine mit diesem Aufbau durchgeführte Schaltungsanalyse und das daraus hergeleitete Steuerverfahren zeigen, dass nicht beide Spannungen beider Kondensatoren des Zwischenkreises individuell geregelt werden können, sich aber jederzeit ein stabiler Arbeitspunkt einstellt.
J. Kolb, M. Gommeringer, Karlsruher Institut für Technologie, „Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Energie", DE 10 2014 005 124 A1 , 08.10.2015 lehrt einen Antriebsstromrichter. Der Schaltungsvorschlag basiert auf dem erstgenannten Stand der Technik und besitzt bereits Drehstrombrücken zum Betrieb von Drehstrommaschinen. Durch Replikation einer Baugruppe können mehrere Spannungsquellen verschiedener Charakteristik betrieben werden. Jedoch kann sie nur betriebspunktabhängig elektrische Energie zwischen verschiedenen Quellen austauschen, da zur Regelung aller Kondensatorspannungen eine Wirkleistungsabnahme von der Maschine benötigt wird.
M. Gommeringer, A. Schmitt, J. Kolb, Karlsruher Institut für Technologie, „Schaltungsanordnungen und Verfahren zum Abgreifen elektrischer Leistung von mehreren Modulsträngen", DE 10 2014 002 592 A1 , 27.08.2015, lehrt einen Solarwechselrichter. Die Schaltung dient dem Betrieb als MPP-Tracker für einen Solarwechselrichter und kann naturgemäß als reiner DC/DC-Wandler keine Drehstrommaschine betreiben und keine Leistung zwischen den Quellen (hier: Photovoltaik-Module) austauschen.
Nachteilig ist dabei, dass ein Betrieb einer elektrischen Maschine mit mehreren Phasen bei effizienter und flexibler Nutzung einer oder mehrerer Stromversorgungen nicht möglich ist. Der Stand der Technik ist nur einphasig aufgebaut und damit nicht geeignet.
Auch ist nur eine ausgangsseitige Einspeisung von Energie möglich, nicht aber eine Rückspeisung in die Quelle, wie mit einer elektrischen Maschine im Generatorbetrieb möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung und Verfahren bereitzustellen, mit dem eine elektrische Maschine mit mindestens 3 Phasen derart betrieben werden kann, dass nur eine Stromversorgung notwendig ist oder alternativ mehrere Spannungsquellen flexibel betrieben werden können, wobei optional Energie auch rückgespeist werden können soll. Gleichzeitig ist eine Reduktion des Bauteilaufwands für den DC-Steller zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung für den Betrieb einer elektrischen Maschine oder einer Transformatoranordnung mit mindestens 3 Phasen. Diese umfasst Anschlüsse für eine Stromversorgung. Weiterhin einen DC-Steller, der eingangsseitig an einem Anschluss der Stromversorgung angeschlossen ist und ausgangsseitig einen ersten Kondensator eines zweigeteilten Zwischenkreises überbrückt. Weiterhin den zweigeteilten Zwischenkreis bestehend aus dem ersten und einem zweiten Kondensator, die in Serie derart miteinander verbunden sind, so dass zwischen den beiden Kondensatoren ein mittleres Potenzial ausgebildet ist, am anderen Ende des ersten Kondensators ein oberes Potenzial ausgebildet ist und am anderen Ende des zweiten Kondensators ein unteres Potenzial ausgebildet ist. Weiterhin den zweiten Anschluss für die Stromversorgung, der mit dem unteren Potenzial verbunden ist. Weiterhin für jede Phase der elektrischen Maschine oder Transformatoranordnung eine erste Halbbrücke, deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem oberen und dem unteren Potenzial verbunden sind und eine zweite Halbbrücke, deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem unteren Potenzial und dem mittleren Potenzial verbunden sind. Die Mittelabgriffe der beiden Halbbrücken dienen zum Anschließen der induktiven Last der jeweiligen Phase der elektrischen Maschine oder Transformatoranordnung.
Potenzial bedeutet vorliegend elektrisches Potenzial. Verbunden bezeichnet vorliegend elektrisch verbunden. Dabei kann eine direkte Verbindung vorliegen, d. h. eine bei welcher der Strompfad unbeeinflusst oder ununterbrochen ist. Dem Fachmann ist aber geläufig, dass Verbindungen mit auf die Verbindung einwirkenden Schaltungsbestandteilen, die das Grundprinzip dieser vorgestellten Schaltung nicht wesentlich beeinflussen davon auch umfasst sind.
Durch die Erfindung lässt sich vorteilhafterweise der Bauteilaufwand (d. h. Masse/Volumen, Kosten) z. B. für einen Antriebsstromrichter im Automobil senken, eine Drehstrommaschine ansteuern und Energie zwischen verschiedenen Stromversorgungen, insbesondere DC-Quellen austauschen.
Bezüglich der Ansteuerung der Leistungshalbleiter ergeben sich gegenüber manchem Stand der Technik Vorteile, da insgesamt weniger Transistoren mit entsprechenden Gatetreiberschaltungen versorgt werden müssen und der steuerungstechnische Aufwand (Modulation, Spannungserfassung) geringer wird.
Die Erfindung ist geeignet für Maschinen, deren Wicklungsanschlüsse alle nach außen geführt sind. Sie ist jedoch anwendbar auf synchron oder asynchron betriebene Maschinen.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst der DC-Steller eine Drossel, die einerseits mit dem einen Anschluss der Stromversorgung und andererseits mit dem Mittelabgriff einer Halbbrücke des DC-Stellers verbunden ist. Weiterhin umfasst ist die Halbbrücke des DC-Stellers, deren äußere Anschlüsse den ersten Kondensator überbrücken, d. h. mit dem oberen und mittleren Potenzial verbunden sind.
Der DC-Steller muss dabei mindestens so ausgelegt werden, dass die unterschiedlichen Spannungsvarianzen der Spannungsquelle, die z. B. abhängig vom Ladezustand oder der Ausgangskennlinie der Spannungsquelle ist, ohne Schaden im Rahmen der gewünschten elektrischen Eigenschaften verarbeitet werden können.
Brückenschaltungen werden normalerweise immer mit gleich hoher Spannung angeschlossen. Vorteilhafterweise muss das hier nicht so sein, da der DC-Steller eine flexible Regelung ermöglicht.
Vorteilhafterweise ermöglicht der eingangsseitige DC-Steller die Verkleinerung der zugehörigen Drossel und der Transistoren.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung weiterhin einen oder mehrere weitere DC-Steller, die parallel zum (ersten) DC-Steller angeschlossen sind.
Solche Anordnungen von Stellern, die parallel geschaltet sind, werden auch als mehrphasige Steller bezeichnet. Diese Stellerphasen haben jedoch nichts mit den Phasen der elektrischen Maschine zu tun.
Vorteilhafterweise lässt sich so der Bauaufwand für die Drosseln reduzieren. Man benötigt bei einem zweiphasigen Steller zwar zwei Drosseln, aufgrund physikalischer Zusammenhänge betragen Aufwendungen für eine einzelne Drossel jedoch nur ein Viertel. Aufgrund ihres Volumens und dem Material aus dem sie bestehen, ist die Kostenauswirkung hier höher, als bei dem Schaltelement (z. B. MOSFET) und der Diode.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Schaltungsanordnung weiterhin einen oder mehrere weitere DC-Steller, die eingangsseitig an einem weiteren Anschluss für eine weitere Stromversorgung angeschlossen sind und ausgangsseitig parallel zum DC-Steller angeschlossen sind.
Es kann gewünscht sein, das System mit mehreren Stromversorgungen (Spannungsquellen) zu versorgen. Z. B. existieren bei einem Brennstoffzellenfahrzeug zwei Spannungsquellen, die Brennstoffzelle und die Batterie. Bisher war es üblich für jede Spannungsquelle einen separaten DC/DC-Wandler zu verwenden, über den die Energie ins Bordnetz einspeist wird.
Vorteilhafterweise muss hier kein Zwischenschritt über das Bordnetz geschehen, da Stromversorgungen direkt an das System angeschlossen werden können. Dazu werden die DC-Steller so angesteuert, dass bestimmbar ist, aus welcher Quelle wie viel Leistung/Energie abgerufen wird. Dies ermöglicht zusätzlich ein komfortables Energiemanagement der Stromversorgungen.
Natürlich kann die vorher erläuterte rein parallele Anordnung mehrerer DC-Steller (mehrphasiger Steller) zusätzlich für jede der verschiedenen Stromversorgungen angeordnet werden.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung überbrückt der DC-Steller ausgangsseitig statt des ersten Kondensators den zweiten Kondensator. Weiterhin ist der zweite Anschluss für die Stromversorgung statt mit dem unteren mit dem oberen Potenzial verbunden. Weiterhin ist die zweite Halbbrücke einer jeden Phase statt mit dem unteren Potenzial mit dem oberen Potenzial verbunden.
In diesem geänderten Schaltungsaufbau findet der DC-Steller auf der sogenannten negativen Seite Platz. Grundsätzlich ist diese alternative Topologie der erstgenannten ebenbürtig, es gibt keinen funktionalen Unterschied und keinen Vor-/Nachteil. Während man bei der Variante der negativen Seite nun die Spannung am zweiten Kondensator möglichst gering halten möchte, ist dies bei der erstgenannten positiven Variante die Spannung am ersten Kondensator. Die zweite Halbbrücke sollte dabei immer den anderen Kondensator des Zwischenkreises überbrücken, wie der DC-Steller.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung überbrücken der eine oder mehrere weitere DC-Steller einen der beiden Kondensatoren des Zwischenkreises, die zweite Halbbrücke den anderen der beiden Kondensatoren des Zwischenkreises und die erste Halbbrücke die Serienschaltung beider Kondensatoren.
In einer besonderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist die elektrische Maschine mehr als 3 Phasen auf.
Vorteilhafterweise lässt sich die Erfindung auch auf elektrische Maschinen oder Transformatoranordnungen mit mehr als drei Phasen anwenden.
Weiterhin kann anstatt einer Maschine auch eine Transformatoranordnung angeschlossen werden.
Als Transformatoranordnung könnte sowohl ein dreiphasiger (oder ggf. mehrphasiger) Transformator mit 6 Anschlüssen auf der Primärseite (vergleichbar mit dem Anschluss einer dreiphasigen Maschine) als auch drei (oder mehr) einzelne einphasige Transformatoren angeschlossen werden.
Ein Anwendungsfall könnte dabei z. B. in der Energietechnik mit stationären Speichern liegen.
Die Übertragbarkeit der Erfindung von einer elektrischen Maschine auf einen Transformator würde sich auf eine Seite des Transformators (z. B. Primärseite) beziehen. Die Wicklungen des Transformators würden wie bei der Maschine, anstelle der Induktivitäten der Maschine, angeschlossen. Die andere Seite des Transformators könnte (mit entsprechender Stern- oder Dreieck-Verschaltung) z. B. an ein Drehstromnetz angeschlossen werden. Ein im Folgenden beschriebenes Nullsystem in den Phasenströmen eines Transformators sind auch denkbar und machbar.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei die Halbbrücken dahingehend gesteuert oder geregelt werden, dass ein Nullsystem des Stromes derart eingestellt wird, dass die Spannung am ersten Kondensator eingestellt werden kann. Vorteilhafterweise wird die Spannung am ersten Kondensator kleiner als die Spannung am zweiten Kondensator eingestellt.
Das Nullsystem (I_G ) ist die gewichtete Summe der Momentanwerte der Phasenströme (I_P ). Die Gewichtung beträgt bei drei Phasen typischerweise ein Drittel. Dieser Stromanteil wird so erzeugt, dass er zu jedem Zeitpunkt in jeder Phase der elektrischen Maschine gleich hoch ist. Dies ist im Grunde für jeden Gleich- und Wechselanteil sowie deren Überlagerung möglich.
Die elektrische Maschine kann über die Schaltelemente der Brücken auch so gesteuert oder geregelt werden, dass ein elektrisches Nullsystem vorliegt. Alternativ, wenn z. B. der gewünschte Betriebszustand der elektrischen Maschine dies nicht zulässt, ist es das Ziel, das Nullsystem auf null zu regeln.
Vorteilhafterweise kann der Strom durch die Phasen (I_P ) so eingestellt werden, dass mittels des Nullsystems des Stromes (I_G ) die Betriebseigenschaften des DC-Stellers verbessert werden. Der Strom des Nullsystems erzeugt dabei jedoch ohmsche Verluste (die man bisher eher versucht hat zu vermeiden), aber kein Drehfeld. Der Strom wird dabei nicht zwangsläufig auf null versucht zu regeln, sondern der Strom des Nullsystems ist magnetisch nicht wirksam.
Der erste Kondensator erfährt nur die Wirkung aus dem Stromanteil des Nullsystems, der eine zusätzliche Spannungsänderung bewirkt. Dadurch ist Energie am ersten Kondensator entnehmbar oder einspeisbar, je nach Phasenlage oder Betriebsmodus der elektrischen Maschine, d. h. abhängig davon, ob Motor- oder Generatorbetrieb. Eine Rückspeisung von Energie ist so möglich, z. B. beim Bremsvorgang.
Alternativ oder zusätzlich ist aufgrund des geringeren Spannungsabfalls am ersten Kondensator eine kleinere Dimensionierung des Stellers möglich.
Alternativ oder zusätzlich ist Energie zwischen den Zwischenkreisen austauschbar.
Mit anderen Worten, das Nullsystem des Stromes in der Maschine kann für Steuerungszwecke der Schaltung genutzt werden.
Die Spannungen der Kondensatoren können so individuell eingestellt bzw. geregelt werden. Vorteilhafterweise kann damit ein ungewolltes Ansteigen der Spannungen der Kondensatoren in manchen Betriebsbereichen nicht mehr passieren, da die Spannungen auf konstantem Niveau gehalten werden können. Konkret bleibt dabei die mittlere Spannung konstant.
Weiterhin kann der Energiefluss zwischen verschiedenen DC-Quellen und der Drehstrom- oder Mehrphasenmaschine eingestellt werden. Weiterhin wird auch der bereits erwähnte Vorteil der Reduktion des Bauteilaufwandes (Masse/Volumen, Kosten) ermöglicht.
In einer besonderen Ausführungsform wird im Unterschied zu dem beschriebenen Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei einer ebenfalls beschriebenen Anordnung auf der negativen Seite die Halbbrücken dahingehend gesteuert oder geregelt werden, dass ein Nullsystem des Stromes derart eingestellt wird, dass die Spannung am zweiten Kondensator eingestellt werden kann. Dabei wird vorteilhafterweise die Spannung am zweiten Kondensator kleiner als die Spannung am ersten Kondensator eingestellt.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Schaltungsanordnung mit mehreren DC-Stellern, wird der DC-Steller und der eine oder die mehreren weiteren DC-Steller phasenverschoben betrieben. Idealerweise beträgt die Verschiebung zwischen zwei benachbarten Phasen 360° dividiert durch die Anzahl der DC-Steller.
Die Schaltelemente der DC-Steller können z. B. mittels einer Mikrocontrolleransteuerung individuell geschaltet bzw. angesteuert werden und daher auch in einem beliebigen gewünschten Phasenversatz.
Bei insgesamt zwei DC-Stellern würden sich bei einer 180° Phasenverschiebung die Ströme durch die beiden DC-Steller aufsummieren. Die einzelnen Rippelströme löschen sich teilweise aus, im idealen Fall vollständig. In der Praxis wird eine deutliche Reduktion des resultierenden Stromrippels ermöglicht. Die optimale Phasenverschiebung bei mehreren DC-Stellern errechnet sich durch die Formel: 360° / Anzahl der DC-Steller.
Vorteilhafterweise können die beteiligten Bauelemente durch diese Ansteuerung mit geringeren Bauteilwerten dimensioniert werden, da die Strombelastung geringer ist. Weiterhin lassen sich durch das zugehörige Steuerverfahren alle Freiheitsgrade der Schaltung (Zwischenkreisspannungen, Maschinen- und Drosselströme) regeln.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
2 eine Schaltungsanordnung mit mehrphasigem DC-Steller,
3 eine Schaltungsanordnung mit mehreren Stromversorgungen,
4a eine Schaltungsanordnung mit dem DC-Steller auf der negativen Seite,
4b zusätzlich mit mehrphasigem DC-Steller,
4c zusätzlich mit mehreren Stromversorgungen.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Schaltkreis dargestellt, der zusätzlich eine Stromversorgung, die die Spannung U_q bereitstellt und eine elektrische Maschine mit 3 Phasen zeigt.
Wie bereits erläutert, sind die Spannungsquelle, der DC-Steller S, der eine Drossel L umfasst, die Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2, die Halbbrücken B1 und B2 und die elektrische Maschine M miteinander elektrisch verbunden, wie dargestellt.
Der DC-Steller S ist hierbei als Aufwärtswandler dargestellt. Grundsätzlich sind auch andere Typen möglich, bei denen ebenso die genannten Vorteile erzielt werden können.
DC-Steller S und Brücken B1 und B2 weisen üblicherweise Dioden auf, wie dargestellt, deren Wirkung und Einsatzzweck an dieser Stelle dem Fachmann bekannt ist und daher nicht näher erläutert werden.
Die Anschlüsse für die Stromversorgung befinden sich angrenzend an die Stromversorgung Q. Diese sind nicht dargestellt, da sie elektrisch wie ein Kurzschluss wirken. Mechanisch können sie z. B. als Steckverbinder ausgeführt sein.
Den Zwischenkreis ZK bilden hier nur die beiden Kondensatoren C1 und C2 aus. Üblicherweise ist ein Zwischenkreis der Bereich bzw. die Stelle, an dem mehrere leistungselektronische Systeme gekoppelt sind. Eine Spannungszwischenkreisglättung kann dabei durch Kondensatoren stattfinden. Zweigeteilt wird er genannt, weil zwei Kondensatoren verwendet werden.
Die beiden Halbbrücken B1 und B2 bilden zusammen eine Vollbrücke, über die jede Phase der elektrischen Maschine M in bekannter Weise angesteuert wird. Die Brücke ist hierbei asymmetrisch betrieben.
Kern der Schaltungsanordnung ist ein zweigeteilter Zwischenkreis ZK mit zwei in Serie geschalteten Kondensatoren C1 und C2. Ein unterer Potentialpunkt U_U (ggf. analog dazu auch ein oberer U_O , siehe 4) wird als gemeinsamer Bezugspunkt für DC/DC-Wandler (DC-Steller) S und die beiden Drehstrombrücken B1 und B2 bzw. mehrphasigen Brücken definiert. Der DC/DC-Wandler S wird durch eine (oder mehrere, siehe 2 und 3) Halbbrücke(n) mit Drossel(n) L gebildet, wobei die Halbbrücke nur an einem der beiden Kondensatoren (hier am ersten Kondensator C1) und somit nur an einer Teilspannung U_C1 des Zwischenkreises ZK angeschlossen ist. Brücke B1, eine der beiden Drehstrombrückenschaltungen bzw. mehrphasigen (Halb)Brücken B1 und B2, ist an die äußeren Potentialpunkte, d. h. das obere und untere Potenzial, mit der Summenspannung U_C1+U_C2 des Zwischenkreises ZK, angeschlossen. Die zweite Brücke B2 ist an die im Vergleich zum DC/DC-Wandler S anderen Kondensator (hier C2) mit den Potentialpunkten innen und unten bzw. analog oben, d. h. dem mittleren U_M und unteren Potenzial U_U , angeschlossen.
Die Brücken B1, B2 werden so angesteuert, dass sich unter anderem ein gewünschter Betriebszustand der Maschine M einstellt. Dabei fließt durch die einzelnen Phasen P1, P2, P3 der Strom I_P , der in Summe zu einem Nullsystem des Stromes I_G resultiert. Erfindungsgemäß kann die Schaltung diesen als Nullsystem zur Spannungsregelung des Zwischenkreises ZK heranziehen.
Einen quasistationären, symmetrischen Betrieb vorausgesetzt, nimmt eine Brücke B1, B2, von den Anschlüssen der Stromversorgung nur einen Gleichstrom auf (gemittelt über eine Taktperiode). Die Stromversorgung Q kann im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine M auch als Stromsenke, z. B. zum Laden der Batterie, betrieben werden. Sie kann bzgl. dieser Klemmen also als Gleichstromsenke angesehen werden.
Durch das zugehörige Steuerverfahren können von den Drehstrombrücken B1, B2 Ströme I_P , I_G derart eingeprägt werden, dass in Zusammenspiel mit der Regelung des primärseitigen DC-Stellers S die Spannungen U_C1 , U_C2 aller Kondensatoren C1, C2 eingestellt werden können, auch wenn keine Wirkleistung von der Maschine M abgenommen wird.
Die Erfindung betrifft zusätzlich zu 1 noch weitere abhängige Ausführungsvarianten, die in den folgenden Figuren dargestellt werden.
In 2 ist eine Schaltungsanordnung mit mehrphasigem DC-Steller gezeigt, die im Unterschied zur Schaltung von 1 mehrere parallel angeordnete DC-Steller S und S2 zeigt. Die Anschlusspunkte sind dabei die gleichen. Die gesamte durchgeleitete Energie kann dabei auf beide Steller verteilt werden. Dies geschieht über entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente der Halbbrücke jedes DC-Stellers S.
Diese Schaltungsanordnung kann zusätzlich mit einem besonderen Verfahren betrieben werden. Dabei können mehrere oder alle der parallelen DC-Steller S, S2 phasenversetzt eine einzelne Stromversorgung Q betreiben, wie bereits beschrieben.
In 3 ist eine Schaltungsanordnung mit mehreren Stromversorgungen Q, Q2 gezeigt, die wie in der Schaltung von 2 mehrere DC-Steller aufweisen, im Unterschied dazu sind hier eingangsseitig unterschiedliche Stromversorgungen Q, Q2 angeschlossen. Jede Stromversorgung ist an einen eigenen DC-Steller S, S2 angeschlossen, die ausgangsseitig am gleichen Potenzial angeschlossen sind, wie dargestellt dem oberen Potenzial U_O und dem mittleren Potenzial U_M .
Durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente der DC-Steller S, S2 können nun mehrere Quellen betrieben werden, wobei dadurch beeinflusst werden kann, aus welcher Quelle wie viel Energie abgerufen oder rückgespeist wird.
In 4a ist eine Schaltungsanordnung mit dem DC-Steller auf der sogenannten negativen Seite der Schaltung dargestellt, im Unterschied dazu wird die Position des DC-Stellers S des Schaltkreises aus 1 als positive Seite bezeichnet.
Dabei ist dann auch die Position, bzw. Anschluss der zweiten Halbbrücke B2 an einer anderen Position anzuschließen, nämlich so, dass derjenige Kondensator des Zwischenkreises ZK überbrückt wird, der nicht vom DC-Steller S überbrückt wird. Zusätzlich kann der DC-Steller auch auf die negativen Anschlüsse der Drehstrombrücken wirken, sodass die positiven Anschlüsse zusammengefasst werden
In 4b ist das Konzept aus 2 in das von 4a integriert. Der DC-Steller S ist auf der negativen Seite angeschlossen, zusätzlich ist der DC-Steller aber ein mehrphasiger DC-Steller bestehend aus mehreren einzelnen DC-Stellern S, S2.
In 4c ist das Konzept aus 3 in das von 4a integriert. Mehrere Stromversorgungen Q, Q2 sind an je einen DC-Steller S, S2 angeschlossen, die DC-Steller sind dabei auf der negativen Seite angeschlossen.
Bezugszeichenliste

Q: Stromversorgung
Q2: weitere Stromversorgung
U_q: Spannung der Spannungsquelle/Stromversorgung
S: DC-Steller
S2: weitere DC-Steller
L: Drossel
ZK: Zwischenkreis
C1: erster Kondensator
C2: zweiter Kondensator
U_C1: Spannung am ersten Kondensator
U_C2: Spannung am zweiten Kondensator
B1: erste Halbbrücke
B2: zweite Halbbrücke
M: elektrische Maschine
P1, P2, P3: drei Phasen
I_P: Strom durch die Phasen
I_G: Nullsystem des Stromes
U_U: unteres Potenzial
U_M: mittleres Potenzial
U_O: oberes Potenzial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014005124 A1 [0009]
DE 102014002592 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Gommeringer, F. Kammerer, J. Kolb, M. Braun, „Novel DC-AC Converter Topology for Multilevel Battery Energy Storage Systems“, PCIM Europe 2013, Nürnberg, 14.-16. Mai 2013 [0006]
J. Kolb, M. Gommeringer, Karlsruher Institut für Technologie, „Schaltungsanordnung und Verfahren zum Austausch elektrischer Energie“ [0009]
M. Gommeringer, A. Schmitt, J. Kolb, Karlsruher Institut für Technologie, „Schaltungsanordnungen und Verfahren zum Abgreifen elektrischer Leistung von mehreren Modulsträngen“ [0010]

Claims

Schaltungsanordnung für den Betrieb einer elektrischen Maschine (M) oder einer Transformatoranordnung mit mindestens 3 Phasen (P1, P2 P3), umfassend: - Anschlüsse für eine Stromversorgung (Q); - einen DC-Steller (S), der eingangsseitig an einem Anschluss der Stromversorgung (Q) angeschlossen ist und ausgangsseitig einen ersten Kondensator (C1) eines zweigeteilten Zwischenkreises (ZK) überbrückt; - den zweigeteilten Zwischenkreis (ZK) bestehend aus dem ersten (C1) und einem zweiten Kondensator (C2), die in Serie derart miteinander verbunden sind, so dass - zwischen den beiden Kondensatoren (C1, C2) ein mittleres Potenzial (U_M) ausgebildet ist, - am anderen Ende des ersten Kondensators (C1) ein oberes Potenzial (U_O) ausgebildet ist und - am anderen Ende des zweiten Kondensators (C2) ein unteres Potenzial (U_U) ausgebildet ist; den zweiten Anschluss für die Stromversorgung (Q), der mit dem unteren Potenzial (U_U) verbunden ist; - für jede Phase (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (M) oder der Transformatoranordnung: - eine erste Halbbrücke (B1), deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem oberen (U_O) und dem unteren Potenzial (U_U) verbunden sind, - eine zweite Halbbrücke (B2), deren äußere Anschlüsse jeweils mit dem unteren Potenzial (U_U) und dem mittleren Potenzial (U_M) verbunden sind, wobei die Mittelabgriffe der beiden Halbbrücken (B1, B2) zum Anschließen der induktiven Last der jeweiligen Phase (P1, P2, P3) der elektrischen Maschine (M) oder Transformatoranordnung dienen.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Steller (S) umfasst: - eine Drossel (L), die einerseits mit dem einem Anschluss der Stromversorgung (Q) und andererseits mit dem Mittelabgriff einer Halbbrücke des DC-Stellers verbunden ist, - die Halbbrücke des DC-Stellers (S), deren äußere Anschlüsse den ersten Kondensator überbrücken, d. h. mit dem oberen (U_O) und mittleren Potenzial (U_M) verbunden sind.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen oder mehrere weitere DC-Steller (S2) umfasst, die parallel zum DC-Steller (S) angeschlossen sind.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen oder mehrere weitere DC-Steller (S2) umfasst, die eingangsseitig an einem weiteren Anschluss für eine weitere Stromversorgung (Q2) angeschlossen sind und ausgangsseitig parallel zum DC-Steller (S) angeschlossen sind.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Steller (S) ausgangsseitig statt den ersten Kondensator (C1) den zweiten Kondensator (C2) überbrückt, der zweite Anschluss für die Stromversorgung (Q) statt mit dem unteren (U_U) mit dem oberen Potenzial (U_O) verbunden ist und die zweite Halbbrücke (B2) einer jeden Phase (P1, P2, P3) statt mit dem unteren Potenzial (U_U) mit dem oberen Potenzial (U_O) verbunden ist.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine (S) oder mehrere weitere DC-Steller (S2) einen der beiden Kondensatoren des Zwischenkreises überbrücken und die zweite Halbbrücke (B2) den anderen der beiden Kondensatoren des Zwischenkreises.
Schaltungsanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine oder Transformatoranordnung mehr als 3 Phasen umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken (B1, B2) dahingehend gesteuert oder geregelt werden, dass ein Nullsystem des Stromes (I_G) derart eingestellt wird, dass die Spannung am ersten Kondensator (U_C1) niedriger ausfällt, als die Spannung am zweiten Kondensator (U_C2).
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken (B1, B2) dahingehend gesteuert oder geregelt werden, dass ein Nullsystem des Stromes (I_G) derart eingestellt wird, dass die Spannung am zweiten Kondensator (U_C2) niedriger ausfällt, als die Spannung am ersten Kondensator (U_C1).
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Steller (S) und der eine oder die mehreren weiteren DC-Stellern (S2) phasenverschoben betrieben wird, idealerweise mit der Verschiebung 360° dividiert durch die Anzahl der DC-Steller.