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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters mit Bereitstellung einer internen Spannungsversorgung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials zumindest einer Zwischenpotentialschiene eines DC-Zwischenkreises mit zwei Grundpotentialschienen für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters, bei dem eine interne Spannungsversorgung bereitgestellt wird.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur Symmetrierung einer DC-Zwischenkreisspannung für den Betrieb eines Umrichters bekannt, der als ein Zweipunkt-, Dreipunkt- oder Mehrpunktumrichter für die Versorgung eines Motors, eines Verbrauchers oder für einen Netzeinspeisebetrieb eingesetzt wird. In der Regel werden bei einem Zweipunktumrichter im DC-Zwischenkreis Elektrolytkondensatoren in Reihe geschaltet, da für eine üblicherweise hohe Zwischenkreisspannung von 500 V bis 900 V keine Elektrolytkondensatoren zur Glättung am Markt verfügbar sind. Bei einem Dreipunktumrichter ist es aus funktionalen Gründen grundsätzlich erforderlich, im Zwischenkreis Kondensatoren in Reihe zu schalten, die einen Mittelabgriff eines Zwischenpotentials als Neutralpunkt aufweisen. Da ein Leistungsteil des Dreipunktumrichters an einen Neutralpunkt der Kondensatoren angeschlossen ist, spielt eine an dem Neutralpunkt verfügbare halbe Zwischenkreisspannung für den Dreipunktumrichter eine wichtige Rolle. Dabei wird angestrebt, die Gleichspannungspotentiale der Zwischenkreisschienen symmetrisch zum Neutralpunktpotential zu wählen.
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Zum internen Betrieb des Umrichters ist die Bereitstellung einer Versorgungsspannung notwendig, die die Mikrokontroller- Regelungselektronik zur Erzeugung von Steuerspannungsimpulsen für die Halbleiter-Leistungsschalter in Betrieb hält. Bei luftgekühlten Umrichtern großer Leistung wird besonders für die Lüfter eine große Leistung benötigt. Zum Betrieb wird in der Regel ein Schaltnetzteil eingesetzt, das Energie aus dem DC-Zwischenkreis mit einem üblichen Spannungsniveau von 500 V bis 900 V abgreift, und in eine oder mehrere abgestufte DC-Kleinspannungen wandelt. Diese Kleinspannungen versorgen die interne Regelungselektronik mit einer Versorgungsspannung und können ein Lüftergebläse betreiben, das mit Spannungen bis zu 48 V DC betrieben wird, und benötigen in der Regel einen leistungsstarken separaten Trenntransformator, um eine galvanische Trennung zum Leistungsteil zu erreichen. Dabei hat der Trenntransformator genügend Leistung zum Betrieb einer Kühlungseinrichtung wie beispielsweise eines Lüfters oder einer Kompressorkühlung vorzuhalten. Derartige separate Netzteile erhöhen die Bauteilzahl, benötigten zusätzlichen Bauraum, erhöhen die Herstellkosten und erhöhen die Fehleranfälligkeit. Aufgrund der relativ hohen DC-Zwischenkreisspannung ist ein hoher schaltungstechnischer Aufwand zur Bereitstellung von DC-Betriebskleinspannungen notwendig.
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In der
EP 1 315 227 A1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Symmetrierung eines Dreipunktgleichspannungszwischenkreises gezeigt. Die Vorrichtung weist zwei Kondensatoren auf, wobei die beiden Kondensatoren in Serie geschaltet sind. Eine Stromrichterschaltung ist an einen Verbindungsanschluss angeschlossen, an dem eine Zwischenkreisspannung von 0 V vorgesehen ist. Einen Hinweis zur Bereitstellung einer DC-Betriebsspannung für die interne Spannungsversorgung ist nicht gegeben.
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Aus der
EP 0 534 242 B1 ist ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungsschwingungen eines Dreipunkt-Zwischenkreises eines Umrichters bekannt. Auf einer Einphasenseite sind ein erster und ein zweiter Dreipunkt-Vierquadranten-Steller vorgesehen, die jeweils eingangsseitig mit dem Dreipunkt-Zwischenkreis verbunden sind und die jeweils mittels zweier Grundfrequenztaktmuster eine einphasige Ausgangsspannung mit vorbestimmter Grundfrequenz erzeugen. Die Erzeugung einer internen Spannungsversorgung der Regelungselektronik ist in diesem Zusammenhang nicht diskutiert.
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Die
US 5,621,628 A offenbart eine Symmetrierschaltung, die als spannungsgeführte und / oder als parallel dazu geschaltete stromgeführte Symmetrierschaltung ausgebildet ist. Die beiden Regelmechanismen sind in einer Parallelschaltung kombinierbar. Die Symmetrierschaltung regelt nicht nur DC-Driften sondern auch Ripplespannungen an einem Zwischenkreismittelpunkt aus. Dazu werden viel Blindleistung und eine teure Leistungselektronik benötigt. Auch diese Schrift schweigt über eine effiziente Bereitstellung einer internen Spannungsversorgung.
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Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die Kondensatoren unterschiedliche Leckströme aufweisen. Somit kann eine gleichmäßige Spannungsaufteilung nicht sichergestellt werden. Um eine ungleichmäßige Spannungsaufteilung zu verringern, werden üblicherweise parallelgeschaltete Symmetrierwiderstände eingesetzt, wobei ein durch die Symmetrierwiderstände fließender Querstrom größer als eine zu erwartende Leckstromdifferenz sein sollte. Allerdings verursachen diese Querströme erhebliche Symmetrierverluste bei Umrichtern großer Leistung und führen zu unerwünscht hohen Innenraumtemperaturen. Da in der Dreipunktumrichter-Hardware grundsätzlich unerwünschte Unsymmetrien vorhanden sind, führt dies dazu, dass im Neutralpunkt ein parasitärer Gleichstrom fließt. Der Gleichstrom ist in der Regel so groß, dass eine passive Symmetrierung des Zwischenkreises mit den Symmetrierwiderständen nicht mehr möglich ist. Wird die Symmetrierung des Zwischenkreises bei den laufenden Umrichtern durch die Umrichter-Software gewährleistet, indem diese die Ansteuerung der Umrichter-Schalter zeitlich so verschiebt, dass durch eine geeignete asymmetrische Energieentnahme aus dem Zwischenkreis durch den Umrichter der Asymmetrie des Zwischenkreises entgegengewirkt wird, ergibt sich das Problem, dass eine Mindest-Wirkleistung aus dem Zwischenkreis zur Symmetrierung gezogen werden muss. Das heißt, dass die Symmetrierung in den Betriebszuständen schwierig durchzuführen ist, in denen zwischen dem angeschlossenen Umrichter und dem an diesen angeschlossenen Netz oder Motor oder Verbraucher nur Blindleistung fließt. Daneben ist notwendig, dass für eine erfolgreiche Symmetrierung Richtungen von Motorströmen bzw. Netzströmen bekannt sein müssen. Ein zur Strommessung eingesetzter Stromsensor weist in der Regel einen Offset in einem Messsignal auf. Dies kann bei kleinen Strömen dazu führen, dass im Fall einer Symmetrierung durch die Umrichter-Software Unsymmetrien des Zwischenkreises verstärkt werden und der Neutralpunkt wegdriftet. Aufgrund des für alle Phasen in der Regel unterschiedlichen Offsets des Stromsensors ist dieses Problem kaum lösbar.
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Diese Probleme sind besonders bei den zur Versorgung eines Inselnetzes dienenden Dreipunktumrichtern beispielsweise in Blockheizkraftwerken für Einfamilienhäuser nachteilig. Hierbei kann ein vollständiger Leerlauf auftreten, wenn beispielsweise in der Nacht alle Verbraucher ausgeschaltet sind. Eine Einspeisung von Blindströmen in das Inselnetz ist unmöglich, da eine Spannung vom Dreipunktumrichter vorgegeben werden muss.
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Schließlich ist für die interne Spannungsversorgung ein zusätzliches, leistungsfähiges DC-Kleinspannungsnetzteil bereitzustellen, wobei dieses durch die hohe Wärmeentwicklung beeinträchtigt wird, und die Gesamtkosten erhöht. Dieses Netzteil setzt in der Regel die sehr hohe Zwischenkreisspannung auf eine DC-Betriebsspannung von beispielsweise 24 V herab, um die Regelungselektronik zum Betrieb der internen Leistungshalbleiter oder einen Lüfter zur Kühlung zu versorgen.
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Dabei ist insbesondere für die Lüfterversorgung von luftgekühlten Umrichtern mit hoher Nennleistung eine zuverlässige und leistungsfähige DC-Betriebsspannungsversorgung notwendig, denn die Lüfter können über 100W Leistungsaufnahme haben. Derartige Lüfter für hohe Leistung werden üblicherweise mit 24 V oder 48 V betrieben. Weitere DC-Spannungsniveaus können aus der DC-Grundspannung, beispielsweise durch DC-DC-Wandler abgeleitet werden, so kann z.B. die Betriebsspannung für die Steuerelektronik mittels eines Tiefsetzstellers abgeleitet werden.
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Ausgehend von dem obigen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Betriebsverfahren zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters vorzuschlagen, wodurch kostengünstig eine Versorgungsspannung der Steuerelektronik und der Kühleinrichtung bereitstellbar wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters mit Bereitstellung einer internen Spannungsversorgung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters, wobei zwischen zwei Grundpotentialschienen des DC-Zwischenkreises und zumindest einer Zwischenpotentialschiene eine Halbbrücke mit zumindest zwei elektronischen Schaltern eingeschaltet ist. Ein PWM-Schaltgenerator ist eingerichtet, die beide Schalter in einem veränderlichen Tastgrad derart zu schalten, dass ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential, der Zwischenpotentialschiene bezüglich der Potentiale der Grundpotentialschienen einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Halbbrücke über eine Glättungsdrossel mit der Zwischenpotentialschiene verbunden ist und die Glättungsdrossel die Primärwicklung eines Trenntransformators zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils ist.
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Der Trenntransformator weist mindestens eine Sekundärwicklung auf, wobei die Primärwicklung beispielsweise als Glättungsdrossel, d.h. Speicherdrossel mit Luftspalt mit zumindest einer aufgewickelten Hilfswicklung als Sekundärwicklung ausgeführt sein kann. Vorteilhaft kann die Hilfswicklung die eine oder mehrere, verschiedene hohe und potentialgetrennte AC-Versorgungsspannungen des Gleichspannungsnetzteils bereitstellen, wobei vorteilhaft mehrere, galvanisch getrennte Sekundärwicklungen für verschiedene AC-Spannungshöhen vorgesehen sein können. Hierdurch können mehrere potentialgetrennte AC-Ausgangsspannungen für verschiedene Anwendungen, z.B. Lüfterbetrieb, Elektronikspannungsversorgung etc. bereitgestellt werden.
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Mit anderen Worten wird eine Vorrichtung zur Symmetrierung eines DC-Zwischenpotentials vorgeschlagen. In der Vorrichtung ist eine aus zumindest zwei elektronischen Schaltern, bevorzugt MOSFET- oder IGBT-Leistungsschalter, bestehende Halbbrücke am DC-Zwischenkreis angeordnet, wobei MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter als elektronische Schalter eingesetzt werden können. Es können auch mehr als zwei elektronische Schalter, beispielsweise zweimal zwei Schalter in Parallelschaltung in der Halbbrücke eingesetzt werden. Die Halbbrücke ist über eine Glättungsdrossel mit einer Zwischenpotentialschiene an einem Neutralpunkt bzw. Zwischenkreismittelpunkt verbunden, wobei am Neutralpunkt das Potential Null ist, bzw. das arithmetische Mittel der Zwischenkreispotentialdifferenz ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen PWM (Pulsweitenmodulation)-Schaltgenerator. Dadurch, dass unterschiedliche pulsweitenmodulierte Signale vom PWM-Schaltgenerator erzeugt werden können, können die beiden Schalter in einem variablen Tastgrad geschaltet werden, so dass ein gewünschtes Zwischenpotential bzw. ein symmetrisches Zwischenpotential der Zwischenpotentialschiene eingestellt wird. Vorteilhafterweise sieht der PWM-Schaltgenerator eine Totzeit vor, die ggf. variabel einstellbar ist, und in der die Schalter geöffnet sind. Dies verhindert ein Kurzschluss und trägt zumindest einer unterschiedlichen Schaltzeit der Halbleiter-Leistungstransistoren Rechnung. Vorteilhaft kann die Glättungsdrossel als Drossel mit Luftspalt zur Energiespeicherung, die auch als Speicherdrossel bezeichnet wird, ausgeführt sein. In der Glättungsdrossel fließt ein Gleichstrom der mit einem schaltfrequenten Ripplestrom überlagert ist.
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Da über die Glättungsdrossel keine Gleichspannung abfallen kann, ergibt sich eine gleichmäßige Spannungsaufteilung über die in der Regel vorhandenen beiden Glättungskondensatoren, die die Zwischenpotentialschiene mit den Grundpotentialschienen verbindet. Bei einer Unsymmetrie fließt solange ein Gleichstrom über die Glättungsdrossel, bis die Symmetrie wiederhergestellt wird.
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Erfindungsgemäß ist die Glättungsdrossel als Primärwicklung eines Trenntransformators ausgebildet, der zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils vorgesehen ist, um insbesondere eine interne Spannungsversorgung des Drei- oder Mehrpunktumrichters bereitzustellen, und um insbesondere einen Lüfter oder eine Klimatisierungseinrichtung zur Kühlung bzw. Klimatisierung zu betreiben. Hierzu kann der Sekundärwicklung des Trenntransformators eine Gleichrichtereinheit und ggf. Stützkondensatoren nachgeschaltet werden, um eine fixe oder variable DC-Versorgungsspannung, insbesondere eine mehrstufige DC-Versorgungsspannung zur Versorgung der Regelungselektronik des Umrichters bereitzustellen. Somit kommen der Glättungsdrossel zwei Aufgaben zu, einerseits eine induktive Ankopplung des Zwischenkreises an die aktiv betriebene Halbbrücke zur Einstellung des Zwischenpotentials, andererseits die Bildung eines Trenntransformators zur Auskopplung einer Spannungsversorgung der internen Elektronik und des Lüfters. Über die eine oder die mehreren Hilfswicklungen als Sekundärseite des Trenntransformators kann aus der Glättungsdrossel als Primärseite Energie für die Elektronik-Spannungsversorgung und für einen Lüfterbetrieb bzw. für eine Klimatisierung ausgekoppelt werden. Hierdurch kann auf den Einsatz eines zusätzlichen Transformators verzichtet werden. Durch eine verhältnismäßig kostengünstige Gleichrichterstufe mit Stützkapazitäten lässt sich mit geringem Bauteilaufwand eine stabile und robuste Betriebsspannung erzeugen.
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Es ist vorteilhaft, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine aktive Zwischenkreissymmetrierung und Betriebsspannungsbereitstellung ermöglicht wird. Damit können die Probleme bei der Symmetrierung durch Umrichter-SoftwareMaßnahmen vollständig vermieden werden. Daneben ist zur Speisung von Inselnetzen der Betrieb der Drei- oder Mehrpunktumrichter auf ein lastfreies Netz ohne Einschränkungen kostengünstig möglich. Symmetrierverluste bei großen Leistungen können weitgehend vermieden werden. Vorteilhafterweise kann eine hochohmige passive Symmetrierung bei Bedarf zusätzlich vorgesehen sein, um die Zeit bis zum Aufstarten der aktiven Symmetrierung zu überbrücken.
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Somit ist erfindungsgemäß die Glättungsdrossel als eine Primärwicklung eines Trenntransformators ausgebildet, so dass eine variable Spannung auf einer, oder mehreren Sekundärwicklungen des Trenntransformators induziert wird. Die Sekundärspannung bzw. eine Mehrzahl von Sekundärspannungen sind zur AC-Versorgung eines Gleichspannungsnetzteils vorgesehen. Das Gleichspannungsnetzteil kann beispielsweise als Gleichrichter mit Ladekondensator, Vollbrückengleichrichter oder Spannungsverdoppler nach Greinacher ausgeführt sein, und kann bevorzugt mehrere DC-Spannungspotentiale zur Versorgung z.B. eines Lüfters mit 48V sowie der Elektronik mit 5 V oder 3,3 V zur Verfügung stellen. Über die Glättungsdrossel bzw. den Trenntransformator kann keine wesentliche Gleichspannung abfallen. Bei einer Zwischenkreis-Unsymmetrie fließt somit ein Gleichstrom durch die Drossel bzw. den Trenntransformator zum Ausgleich der Unsymmetrie. Die Symmetrierleistung wird von der Halbbrücke in den Zwischenkreis zurückgespeist, somit tritt nahezu keine Verlustleistung auf. Ein zusätzliches Netzteil kann somit eingespart werden.
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Somit ist der Neutralpunkt bzw. der Zwischenkreismittelpunkt des Zwischenpotentials über die Glättungsdrossel als Primärseite eines Trenntransformators mit einem Ausgang der Halbbrücke verbunden. Über die Primärseite des Trenntransformators kann keine wesentliche Gleichspannung abfallen. Mittels des Trenntransformators wird eine potentialfreie und galvanisch getrennte Versorgungsspannung an zumindest einer Sekundärwicklung zur Verfügung gestellt. Weiterhin wird ermöglicht, die aktive Symmetrierung des Zwischenkreises kostengünstig und nahezu verlustfrei bereitzustellen.
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In der Regel umfasst das Gleichspannungsnetzteil zumindest einen Brückengleichrichter und zur Spannungsstabilisierung dienliche Kondensatoren. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Gleichspannungsnetzteil einen Gleichspannungswandler zur geregelten Bereitstellung einer oder mehrerer DC-Spannungsniveaus umfassen, mit welchem eine niedrige oder hohe Gleichspannung an einer Ausgangsseite des Gleichspannungsnetzteils bereitzustellen ist. Nach Bedarf kann das Gleichspannungsnetzteil entweder als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet sein, wobei der Einsatz von Tiefsetzstellern bevorzugt wird. Der nachgeschaltete Tiefsetzsteller stabilisiert die potentialgetrennte DC-Versorgungsspannung des Umrichters, insbesondere eines Lüfters zur Kühlung oder einer Klimatisierungseinrichtung. Mit dem Gleichspannungsnetzteil wird vorteilhaft erreicht, dass die auf der Sekundärseite des Trenntransformators mittels einer oder mehreren potentialgetrennten Sekundärwicklungen generierten Versorgungsspannungen stabilisiert und einem geforderten DC-Spannungspotential oder mehreren geforderten DC-Spannungspotentiale angepasst werden können. Das bzw. die DC- Spannungspotentiale sind allerdings abhängig von der Höhe der Zwischenkreisspannung, die in gewissen Grenzen schwanken kann. Zum Ausgleich schwankender Zwischenkreisspannung können DC-DC-Wandler, insbesondere Tiefsetzsteller vorteilhaft eingesetzt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Gleichspannungsnetzteil eine Spannung im Bereich 3,3 V bis 48 V DC bereitstellen, in der Regel 24 V oder 48 V, wobei geringere Spannungsniveaus aus einer höheren DC-Spannung abgeleitet werden können. Insbesondere können mehrere Spannungsniveaus, z.B. 3,3 V, 5 V, 15V und 24 V sowie 48 V, auch gegenpolige Spannungsniveaus, z.B. +/- 15V für den Betrieb eines Mikrokontrollers als Steuerspannung sowie eines Lüftergebläses bereitgestellt werden.
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Weiterhin vorteilhaft kann die Sekundärseite des Trenntransformators mehrere Sekundärwicklungen umfassen, die gleiche oder unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zur Primärwicklung zur Bereitstellung gleich oder verschieden hoher und galvanisch getrennter AC-Ausgangsspannungen bereitgestellt sind. Somit können sekundärseitig verschiedene DC-Spannungen zur Verfügung gestellt werden, wobei aus sekundärseitigen unterschiedlichen AC-Spannungen jeweils eine zugehörige DC-Spannung abgeleitet werden kann und in einem weiteren optionalen Schritt aus einer oder mehrerer dieser DC-Spannungen jeweils eine oder mehrere zusätzliche DC-Spannungen durch DC-DC-Wandler erzeugt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Gleichspannungsnetzteil eine Greinacher-Spannungsverdopplungsschaltung umfassen. Ein Greinacher-Spannungsverdoppler umfasst angeschlossen an den Trenntransformator zwei Kondensatoren und zwei Dioden und ermöglicht mit rein passiven Bauteilen eine Verdopplung der Höhe der am Ausgang anstehenden DC-Spannung gegenüber der am Eingang anstehenden Amplitude der AC-Spannung, die sekundärseitig vom Trenntransformator abgegeben wird. Dadurch kann die Ausgangsgleichspannung unabhängig vom Tastgrad der Halbbrücke bereitgestellt werden. Eine Greinacher-Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung kann der mit dem Übersetzungsverhältnis des Trenntransformators herabgesetzten Zwischenkreisspannung nachgeschaltet sein, und ermöglicht eine Verdopplung einer gleichgerichteten DC-Ausgangsspannung des Trenntransformators. Eine weitere Spannungsstabilisierung ist durch einen kostengünstigen nachgeschalteten Tiefsetzsteller vorteilhaft möglich, und kann insbesondere in den Anwendungsfällen sinnvoll sein, in denen eine Variabilität der Zwischenkreisspannung vorliegt, so dass aus der Abhängigkeit der DC-Ausgangsspannung von der Zwischenkreisspannung in diesen Fällen eine Variabilität der DC-Ausgangsspannung folgt. Somit ermöglicht ein Greinacher-Spannungsverdoppler eine kostengünstige und robuste Bereitstellung einer Versorgungsspannung im Vergleich mit einem direkt am Zwischenkreis betriebenen potentialgetrennten Hochvoltnetzteil.
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Vorteilhaft kann die Zwischenpotentialschiene mit den beiden Grundpotentialschienen über Glättungskondensatoren verbunden sein. Die Glättungskondensatoren können die Welligkeit reduzieren und deren Schwankungen auf ein Niveau reduzieren, so dass die Gleichspannung mit möglichst wenig Restwelligkeit genutzt kann. Dabei kann sich ein Glättungskondensator möglichst nah an einer Gleichrichterschaltung und ein andere möglichst nah am Umrichter befinden. Da über die Glättungsdrossel keine Gleichspannung abfallen kann, ergibt sich automatisch eine gleichmäßige Spannungsaufteilung über die Glättungskondensatoren. Eine Bezugsmasse der Regelungselektronik kann vorteilhaft am Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Glättungskondensatoren definiert sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der PWM-Schaltgenerator eingerichtet sein, einen vordefinierbaren Tastgrad, insbesondere einen 50%-Tastgrad der beiden Schalter einzustellen. Mit anderen Worten kann die Halbbrücke mit einem fixen Tastgrad von beispielsweise 50% betrieben werden. Bei einem 50%-Tastgrad kann über den ersten und zweiten Schalter im Mittel jeweils die halbe Zwischenkreisspannung abfallen. Allerdings kann es in der Praxis durchaus üblich vorkommen und notwendig sein, dass beide Schalter kurzzeitig ausgeschaltet sind, und somit eine Totzeit im Schaltverhalten vorgesehen ist. Der Erzeugung des PWM-Signals ist die Einfügung der Totzeit nachgeschaltet, genauer gesagt eine Einschaltverzögerung für die Schalter. Diese ist für beide Schalter gleich und führt im Resultat zu einem Steuersignal für die Schalter, dessen Tastgrad geringfügig von 50 % abweicht. Die Folgen dieser geringfügigen Abweichung sind in der praktischen Anwendung jedoch vernachlässigbar und werden daher im Weiteren außer Acht gelassen. Im Folgenden wird daher zur Vereinfachung weiterhin von einem Tastgrad von 50 % ausgegangen. Bei Dreipunktumrichtern wird betriebsmäßig ein sinusförmiger Wechselstrom in den Neutralpunkt NP eingespeist. Dieser hat die dreifache Drehfrequenz des Motors bzw. die dreifache Frequenz des gespeisten Versorgungsnetzes. Dieser Strom lädt die Zwischenkreiskondensatoren geringfügig um, so dass sich am Neutralpunkt eine sinusförmige Wechselspannung einstellt, deren Amplitude klein gegenüber der Zwischenkreisspannung ist. Diese Wechselspannung würde bei mit 50-% Tastgrad betriebener Halbbrücke zu einem unnötig hohen Symmetrierstrom durch die Drossel führen und die Bauteile unnötig belasten. Daher ist ein fester Tastgrad, insbesondere ein 50-% Tastgrad nur bei kleinen Umrichterleistungen unter 10 kW sinnvoll. Daneben kann dieser Symmetrierstrom bei Dreipunktumrichtern kleiner Leistung vorteilhaft durch einen nachfolgend beschriebenen Dämpfungswiderstand auf tolerierbare Werte verkleinert werden, ohne die Symmetrierwirkung zu beeinträchtigen. Somit kann eine unnötig hohe Strombelastung der Halbbrücke und der Glättungsdrossel vermieden werden. Ein derartiges „weiches Symmetrierverhalten“ kann bei einem festen Tastgrad, z.B. einem 50%-Tastgrad durch eine entsprechend groß ausgelegte Impedanz der Serienschaltung der Glättungsdrossel und des Dämpfungswiderstands erreicht werden. Liegt auf dem Neutralpunkt eine Wechselspannung an, so wird der resultierende parasitäre Wechselstrom durch die Glättungsdrossel so klein, dass eine Überdimensionierung der Bauteile unnötig wird, insbesondere wenn der RMS-Wert des Wechselstroms kleiner als 10% des DC-Stroms bleibt.
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Da für den Umrichter in der Regel eine aus der Zwischenkreisspannung abgeleitete potentialgetrennte Versorgungsspannung benötigt wird, beispielsweise für eine Lüfter-Stromversorgung, kann durch eine Hilfswicklung auf der Glättungsdrossel sehr einfach eine potentialgetrennte Spannung auf Basis der aktiven Zwischenpotentialsymmetrierung bereitgestellt werden, was zu signifikanter Hardwareersparnis führt. Wird ein zumindest annähernd 50%-Tastgrad eingestellt, ist die Spannung an der Hilfswicklung eine Rechteckspannung, wobei der Tastgrad bei dem belasteten Umrichter aufgrund der Wechselstromeinspeisung in den Neutralpunkt lediglich geringfügig schwankt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Glättungsdrossel mit einem Dämpfungswiderstand in Reihe geschaltet sein. Bei einer Unsymmetrie kann ein Ausgleichsstrom über die Glättungsdrossel fließen und zwar so lang, bis die Symmetrie wiederhergestellt werden kann. Ist der Ausgleichsstrom nicht zu groß, kann ein ohmscher Wicklungswiderstand der Glättungsdrossel durch einen zusätzlichen Serienwiderstand vergrößert werden. Dieser Serienwiderstand kann als Dämpfungswiderstand zur Schwingungsdämpfung vorteilhaft dienen, wobei Verluste in dem Dämpfungswiderstand sehr gering sind. Durch Verbindung des Dämpfungswiderstands mit einer ausreichend großen Induktivität kann ein „weiches“ Symmetrierverhalten erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können in der Halbbrücke zwei Dämpfungswiderstände in Reihe eingeschaltet sein, wobei ihr Verbindungspunkt, d.h. der Mittelabgriff der Reihenschaltung der Dämpfungswiderstände, durch die Glättungsdrossel mit der Zwischenpotentialschiene verbunden sein kann.
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Bei Umrichtern großer Leistung kann die Halbbrücke nicht mit konstant 50% Tastgrad betrieben werden, da die Verluste im Dämpfungswiderstand aufgrund der hier deutlich größeren Symmetrierströme zu groß werden könnten. Hier sollte auf einen Dämpfungswiderstand verzichtet werden, und adaptiv der Tastgrad der Halbbrücke der Wechselspannung am Neutralpunkt so nachgeführt, bzw. nachgeregelt werden, dass kein Symmetrierstrom mit dreifacher Drehfrequenz bzw. dreifacher Netzfrequenz fließen kann. Dabei können die Tastgrade von T1 und T2 unterschiedlich werden. Insbesondere können sie so eingestellt werden, dass ihre Summe unter Vernachlässigung der oben beschriebenen Totzeit eins beträgt. Vorzugsweise ist ein Shuntwiderstand zur Strommessung vorgesehen. Eine unnötig hohe Strombelastung der Halbbrücke und der Drossel kann so vermieden werden. In der Drossel fließt lediglich ein Gleichstrom, überlagert mit einem schaltfrequenten Ripplestrom. Insofern ist eine adaptive Regelung des Tastgrades vorteilhaft
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann ein Stromregler umfasst sein, der auf Basis einer Stromgröße durch die Glättungsdrossel, die beispielsweise durch Spannungsmessung am Dämpfungswiderstand oder an einem Shuntwiderstand abgegriffen werden kann, den Tastgrad einstellt. Beispielsweise kann in der Zwischenpotentialschiene eine Stromdifferenz eines Stroms zwischen der Schalter-Halbbrücke und der Brücke der Glättungskondensatoren durch die Glättungsdrossel bestimmt werden. Daneben kann ein Neutralpunkt-Eingangsstrom des Drei- oder Mehrpunktumrichters gemessen werden. Eine Stromdifferenz von Drosselstrom und Neutralpunkt-Eingangsstrom kann mittels des Tastgrades ausgeregelt, insbesondere zu Null geregelt werden, so dass ein parasitärer Ausgleichsstrom zwischen Schalter-Halbbrücke und Kondensator-Halbbrücke minimierbar ist, und der Drosselstrom dem Neutralpunkt-Eingangsstrom angleichbar wird. Der Stromregler kann so ausgebildet sein, dass er besonders schnell arbeitet. Der Sollwert des Stromreglers sollte vorteilhaft durch einen Grenzwert begrenzt sein, um eine Überlastung der Bauteile zu verhindern. Diese Ausführungsform kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann ein Spannungsregler umfasst sein, der auf Basis einer Spannungsdifferenz zwischen den Grundpotentialschienen und der Zwischenpotentialschiene den Tastgrad mindestens eines PWM-Signals des PWM-Schaltgenerators hinsichtlich eines gewünschten Zwischenpotentials regeln kann, wobei bevorzugt ein symmetrisches Zwischenpotential der Zwischenpotentialschiene regelbar ist. Der Spannungsregler kann derart ausgebildet sein, dass er besonders träge arbeitet. Der Spannungsregler kann so träge ausgebildet sein, dass eine sich betriebsmäßig am Neutralpunkt einstellende Wechselspannung weitgehend ignorieren wird. Bei einer Unsymmetrie fordert der Spannungsregler durch Regeln des Tastgrads mindestens eines PWM-Signals, insbesondere beider PWM-Signale des PWM-Schaltgenerators einen gemittelten Gleichstrom zwischen Halbbrücke und Zwischenkreis an, welcher nach einiger Zeit die Unsymmetrie vollständig beseitigen kann. Es ist vorteilhaft, wenn der Spannungsregler entsprechend der Spannungsdifferenz zwischen den Grundpotentialschienen und der Zwischenpotentialschiene den Tastgrad des PWM-Schaltergenerators beeinflussen kann, um das Zwischenpotential am Neutralpunkt nach Wunsch zu regeln und insbesondere eine Spannungsdifferenz der Potentialdifferenzen +ZK zu NP und NP zu -ZK zu Null zu bringen. Diese Ausführungsform kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können der Spannungsregler und der Stromregler als Kaskadenregler hintereinandergeschaltet sein, wobei insbesondere der Stromregler ein schnelleres Regelverhalten als der Spannungsregler aufweist. Bevorzugt betrachtet der Stromregler in diesem Fall als Eingangsgröße hierzu einen Stromfluß durch die Glättungsdrossel zwischen der Schalter-Halbbrücke und einer Glättungskondensator-Halbbrücke. Bei der Kaskadenreglung handelt es sich um eine Kaskadierung mehrerer Regler, wobei die zugehörigen Regelkreise ineinander geschachtelt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kaskadenregler in Form des Spannungsreglers mit dem unterlagerten Stromregler bereitgestellt, wobei die Stellgröße des Spannungsreglers die Eingangsgröße des Stromreglers bereitstellt. Es ist vorteilhaft, dass eine Bezugsmasse eines steuernden Mikrokontrollers am Neutralpunkt angeordnet ist. Hierzu kann ein Strom-Istwert kostengünstig mit einer Shunt-Strommessung an der „Elektronikmasse“ erfolgen. Weiterhin kann eine Spannungsmessung kostengünstig mittels eines Spannungsteilers erfolgen. Der Spannungsteiler kann aus zumindest zwei passiven elektrischen Widerständen bestehen, an denen jeweils die Potentialdifferenzen zwischen +ZK (positives Zwischenkreispotential) und NP (Zwischenpotential) sowie zwischen NP (Zwischenpotential) und -ZK (negatives Zwischenkreispotential) abfällt. Bei einer Unsymmetrie fordert der überlagerte Spannungsregler vom Stromregler einen Gleichstrom an, der wiederum den Tastgrad der Halbbrücken-Leistungsschalter derart beeinflusst, so dass nach einiger Zeit die Unsymmetrie vollständig beseitigt werden kann. Ein Stromsollwert für den Stromregler kann begrenzt werden, um eine Überlastung der Bauteile zu verhindern. Des Weiteren kann eine Überstromabschaltung für den Fehlerfall vorgesehen sein. Da sowohl die Regelstrecke des Stromreglers als auch die Regelstrecke des Spannungsreglers vorteilhafter Weise integrales Verhalten aufweisen, können die beiden Regler beispielsweise als PT1-Regler ausgebildet sein. Die beiden kaskadierten Regler und der PWM-Schaltergenerator können mittels Softwaremaßnahmen ausgebildet sein. Diese Ausführungsform kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
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So können bei größeren Umrichtern mit z.B. 100 kW oder höherer Leistung vorteilhaft ein variabler Tastgrad, insbesondere geregelt mittels der zuvor erwähnten Kaskadenregelung eingesetzt werden. Dabei kann der Tastgrad der Halbbrücke der Wechselspannung am Neutralpunkt so nachgeführt bzw. definiert werden, dass kein Symmetrierstrom mit dreifacher Drehfrequenz bzw. dreifacher Netzfrequenz fließen kann. So kann bei hoher Umrichterleistung ein weiches Symmetrierverhalten beispielsweise durch einen schnellen Stromregler und einen langsamen Spannungsregler in einer Reglerkaskade erreicht werden.
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Daneben wird in einem nebengeordneten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer vorab dargestellten Vorrichtung zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials zumindest einer Zwischenpotentialschiene eines DC-Zwischenkreises in Bezug auf zwei Grundpotentialschienen für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters vorgeschlagen. Hierzu ist eine Halbbrücke mit zumindest zwei elektrischen Schaltern vorgesehen, deren Mittelabgriff über eine Glättungsdrossel und die Schalter die Zwischenpotentialschiene mit den beiden Grundpotentialschienen verbindet. Durch Einstellung eines veränderlichen Tastgrads der elektrischen Schalter wird ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential eingestellt. Über die als Primärwicklung eines Trenntransformators ausgebildete Glättungsdrossel wird eine Ausgangsspannung zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils, insbesondere für einen Lüfter- bzw. für einen Klimatisierungsbetrieb zur Kühlung bereitgestellt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Tastgrade symmetrisch eingestellt werden, insbesondere ein 50%-Tastgrad eingestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Einstellung mindestens eines Tastgrads mittels einer Spannungsreglung eines Spannungsreglers auf Basis einer Spannungsdifferenz zwischen dem Zwischenpotential und den beiden Grundpotentialen eingestellt werden. Diese Ausführungsform kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn in der vorab dargestellten Vorrichtung kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Einstellung mindestens eines Tastgrads mittels einer Differenzstromreglung eines Stromreglers auf Basis einer Stromdifferenz zwischen dem Strom durch die Glättungsdrossel, die die Halbbrücke mit einer Glättungskondensator-Halbbrücke der Zwischenpotentialschiene verbindet, und dem Neutralpunkt-Eingangsstrom des Drei- oder Mehrpunktumrichters, eingestellt werden. Diese kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn in der vorab dargestellten Vorrichtung kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
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Ein Dreipunktwechselrichter prägt im Betrieb in den Zwischenkreismittelpunkt (Neutralpunkt NP) einen Wechselstrom mit dreifacher Netzfrequenz - bei Motoren mit dreifacher Drehfeldfrequenz - ein. Dieser Wechselstrom kann eine sinusförmige dynamische Spannungsunsymmetrie (Spannungsripple) am Neutralpunkt verursachen, weil die Zwischenkreiskondensatoren mit diesem Strom umgeladen werden.
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Bei Umrichtern kleiner Leistung kann die Halbbrücke mit einem festen Tastgrad von 50% betrieben werden. Ein hier nicht zu vermeidender sinusförmiges Ausgleichsstrom in der Glättungsdrossel mit dreifacher Netzfrequenz - bei Motoren mit dreifacher Drehfeldfrequenz - wird in der Regel durch einen Dämpfungswiderstand auf eine akzeptable Amplitude begrenzt. Eine Kaskadenregelung ist nicht erforderlich.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Einstellung mindestens eines Tastgrads, durch eine Kaskadenreglung der Spannungsreglung und Stromreglung erfolgen, wobei die Stromregelung auf Basis des Drosselstroms als Eingangsgröße ein schnelleres Regelverhalten als die Spannungsregelung aufweist, und bevorzugt die Spannungsregelung und die Stromregelung ein PT1-Regelverhalten aufweisen. Diese Ausführungsform kann auch kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn in der vorab dargestellten Vorrichtung kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
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Um die vorgenannte dynamische Spannungsunsymmetrie zu beseitigen, wäre eine sehr teure Leistungselektronik erforderlich, die einen gegenphasigen Strom gleicher Amplitude wie der vom Wechselrichter eingeprägte Strom liefern sollte. Eine dynamische Spannungsunsymmetrie von wenigen Volt ist jedoch unproblematisch, es ist nicht erforderlich sie zu beseitigen. Um sie zuzulassen kann der Tastgrad der Halbbrücke adaptiv so nachgeführt werden, dass kein sinusförmiger Ausgleichsstrom gleicher Frequenz durch die Glättungsdrossel fließen kann. Zu diesem Zweck kann der Tastgrad vorteilhaft variabel ausgeführt werden und geringfügig von 50 % abweichen. Ein adaptives Nachführen des Tastgrades kann vom Stromregler ausgeführt werden. Der Stromregler bekommt hierzu vom überlagerten langsamen Spannungsregler einen Stromsollwert der keinen Wechselanteil enthält. Der Stromregler ist so schnell im Regelverhalten, dass er den Tastgrad schnell genug nachführen kann, um den unerwünschten Wechselanteil durch die Glättungsdrossel zu unterdrücken. Somit kann in der Glättungsdrossel kein Wechselanteil mit dreifacher Netzfrequenz - bei Motoren mit dreifacher Drehfeldfrequenz - fließen. Der Spannungsregler kann die dynamische Unsymmetrie ignorieren, da er so langsam ist, dass er die dynamische Unsymmetrie nicht ausregeln kann. Dahingegen kann der Spannungsregler die statische Unsymmetrie ausregeln. Somit kann eine kostengünstige Leistungselektronik erreicht werden, die lediglich auf den gegenüber dem Wechselstrom-Anteil sehr kleinen DC-Anteil im NP-Strom auszulegen ist.
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Ein vorteilhafter Anwendungsfall der Erfindung ist ein Laden und/oder Entladen einer Fahrzeugtraktionsbatterie: Dabei wird ein Fahrzeug über ein mindestens zweiadriges Kabel mit einer Ladestation verbunden, die über mindestens einen Zwischenkreis mit erfindungsgemäßer Symmetrierung und mindestens einem zwischen dem Zwischenkreis und dem mindestens zweiadrigen Kabel angeordneten DC-DC-Wandler verfügt. Das Fahrzeug enthält mindestens eine Traktionsbatterie, der es Energie für seine Fortbewegung entnehmen kann. Die Ladestation kann dem Fahrzeug über das mindestens zweiadrige Kabel eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom zur Verfügung stellen zum Zweck der elektrischen Energiespeicherung in der Fahrzeugtraktionsbatterie. In einer verbesserten Ausführungsform kann die Ladestation über das mindestens zweiadrige elektrische Kabel der Traktionsbatterie elektrische Energie entnehmen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die von der Ladestation aus der Traktionsbatterie entnommene Energie zumindest teilweise in ein an die Ladestation angeschlossenes elektrisches Energieversorgungsnetz eingespeist werden, somit kann die Ladestation bidirektional zum Laden- und Entladen, zur Pufferung von vorzugsweise regenerativer Energie für eine Netzunterstützung genutzt werden.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 ein Umrichter des Stands der Technik;
- 2 ein weiterer Umrichter des Stands der Technik;
- 3 eine Vorrichtung zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Dreipunkumrichters;
- 4 eine weitere Vorrichtung zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei-punkumrichters;
- 5 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 6 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 7 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 8 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 9 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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In 1 und 2 sind Umrichterschaltungen 100.1, 100.2 dargestellt, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Umrichterschaltungen 100.1, 100.2 können für die Versorgung eines Drehstrom-Verbrauchers L 38 in 1 und in 2 bereitgestellt sein. Zwischen zwei Grundpotentialschienen ZK+, ZK- eines DC-Zwischenkreises 12 sind ein Glättungskondensator C_ZK+ und ein Glättungskondensator C_ZK- in Reihe geschaltet, wobei an deren Mittelabgriff ein Zwischenpotentialschiene 14 zur Bereitstellung eines Neutralpunktes NP angeschlossen ist. Da die Glättungskondensatoren C_ZK+, C_ZK- unterschiedliche Leckströme aufweisen können, kann eine gleichmäßige Spannungsaufteilung nicht sichergestellt werden. Um dieses Problem zu beheben, sind Spannungsteiler-Widerstände R_ZK+, R_ZK- parallelgeschaltet, deren Größen auch nicht exakt identisch ausfallen können. Ein Dreipunkt-Umrichter 34 ist mit den Glättungskondensatoren C-ZK+, C-ZK- über die Zwischenpotentialschiene angeschlossen. Zwischen dem Dreipunkt-Umrichter 34 und dem Drehstrom-Verbraucher L oder Drehstromnetz G oder Drehstrommotor M 38 ist ein Filter 104 zum Dämpfen von unerwünschten Oberschwingungen eingerichtet.
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In 2 ist weiterhin in dem Umrichter 100.2 ein Gleichrichter 36 zwischen einem Drehstromnetz G 106 und dem Zwischenkreis 12 angeordnet.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Umrichterkonfigurationen benötigen eine separate, leistungsfähige DC-Spannungsversorgung zum Betrieb der nicht dargestellten Steuerelektronik, die Schaltimpulse zum Betrieb der Leistungshalbleiterschalter des Drei- oder Mehrpunktumrichters 34 bereitstellt und zur Versorgung einer energieintensiven Kühlung mit einem Lüfter oder einer Kühleinrichtung. Die Kühlung weist regelmäßig hohe Leistungsaufnahmen von 100 W und mehr auf und benötigt eine leistungsfähige und zuverlässige Spannungsversorgung.
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In 3 und 4 sind zunächst Vorrichtungen zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.1, 10.2 für den Betrieb eines Drei-Punkumrichters 34 gezeigt. Der Drei-Punktumrichter 34 ist zur Bestromung eines Drehstrommotor M 38 eingerichtet. Zwischen zwei Grundpotentialschienen ZK+, ZK- des DC-Zwischenkreises 12 und der Zwischenpotentialschiene 14 ist eine Halbbrücke 16 geschaltet, wobei die Halbbrücke 16 mit zwei elektronischen Schaltern T1, T2 vorgesehen ist. Die beiden elektronischen Schalter T1, T2 können als Leistungstransistoren ausgebildet sein. In den Vorrichtungen 10.1, 10.2 ist jeweils ein PWM-Schaltgenerator 18 vorgesehen, der die beiden Schalter T1, T2 in einem veränderlichen Tastgrad derart schaltet, dass ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential, der Zwischenpotentialschiene 14 eingestellt ist. Mit dem PWM-Schaltgenerator 18 kann ein vordefinierbarer Tastgrad, bevorzugt ein 50%-Tastgrad der beiden Schalter T1, T2 eingestellt werden. Auch kann eine anwendungsspezifische Asymmetrie durch eine Modifikation des Tastgrads statisch kompensiert werden. Zwischen dem PWM-Schaltgenerator 18 und dem elektronischen Schalter T2 ist ein Inverter Inv eingeschaltet. In der Praxis wird zumeist eine Totzeit vorgesehen, während der beide Schalter ausgeschaltet sind, um einen Kurzschluss der Brücke aufgrund einer Ausschaltverzögerung der Halbleiter zu vermeiden. Insoweit weist der Inverter zumindest eine Totzeit-Umschaltverzögerung auf.
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Weiterhin ist in 3 und 4 die Zwischenpotentialschiene 14 jeweils mit den beiden Grundpotentialschienen ZK+, ZK- über Glättungskondensatoren C_ZK+, C_ZK- verbunden.
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In der 3 ist die Halbbrücke 16 über eine Glättungsdrossel Lt und einen Dämpfungswiderstand Rd mit der Zwischenpotentialschiene 14 verbunden, wobei die Glättungsdrossel Lt und der Dämpfungswiderstand Rd in Reihe geschaltet sind.
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In 4 sind in der Halbbrücke 16 zwei Dämpfungswiderstände Rd1, Rd2 eingeschaltet. An einen gemeinsamen Verbindungspunkt der Dämpfungswiderstände Rd1, Rd2 ist die Zwischenpotentialschiene 14 über die Glättungsdrossel Lt angeschlossen. In der Regel sind die beiden Dämpfungswiderstände Rd1, Rd2 gleich groß.
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In 5 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.3 für den Betrieb eines Drei-Punkumrichters 34 gezeigt. Diese entspricht im Wesentlichen der in 3 dargestellten Vorrichtung, wobei der Drei-Punktumrichter 34 einen Drehstrommotor M 38 versorgt. Die Glättungsdrossel Lt ist als eine Primärwicklung eines Trenntransformators 20 zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils 22 eingesetzt. In dem Gleichspannungsnetzteil 22 sind Netzteildioden D11, D12 und Netzteildioden D21, D22 polrichtig zwischen dem Pufferkondensators C_DC und der Sekundärseite des Trenntransformators 20 verbunden, die eine Brückengleichspannungswandlung vornehmen.. Somit kann eine stabilisierte DC Kleinspannung für den Betrieb der Steuerelektronik des Umrichters 34 bereitgestellt werden, wobei auf ein separates Hochvolt-Netzteil verzichtet werden kann.
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6 stellt perspektivisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.4 für den Betrieb eines Drei-Punkumrichters 34 für die Bestromung eines Motors M 38 dar. Im Wesentlichen ist diese mit dem Aufbau des Ausführungsbeispiels nach 5 identisch. Allerdings unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel zum in den 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Gleichspannungsnetzteil 22 einen Gleichspannungswandler 40 umfasst. Der Gleichspannungswandler 40 kann als Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller ausgebildet sein, so dass erreicht werden kann, dass eine auf der Sekundärseite des Trenntransformators 20 generierte Versorgungsspannung stabilisiert werden kann. Somit kann die Versorgungsspannung individual an ein Spannungsniveau des Gleichspannungsnetzteils 22 angepasst werden. Insbesondere können ein oder mehrere stabilisierte Spannungsniveaus, z.B. 3,3 V, 5 V und 24 V oder 48 V zur Verfügung gestellt werden, die auch bei schwankender Eingangsspannung, und unabhängig vom Tastgrad der Schalter T1, T2 bereitgestellt werden können.
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In 7 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.5 für den Betrieb eines Drei-Punktumrichters 34 dargestellt, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 5 oder 6 gleicht. In dieser Ausführungsform wird eine adaptive, spannungsgeführte Regelung des Tastgrads der Halbbrücke dargestellt. Hierzu sind hinter den Glättungskondensatoren C_ZK+, C_ZK- Spannungsteiler-Widerstände R_ZK+, R_ZK- parallelgeschaltet, um eine gleichmäßige Spannungsaufteilung sicherzustellen, wenn der Umrichter und die Symmetrierung ausgeschaltet sind. Zur Messung der Spannungen der Spannungsteiler-Widerstände R_ZK+, R_ZK- sind zwei Spannungsmesser U_ZK+, U_ZK- vorgesehen, die die Spannungen zwischen den Potentialdifferenzen +ZK und NP bzw. NP und -ZK bestimmen. Die beiden Spannungsmesser U_ZK+, U_ZKsind mit einer Differenzverstärker 30 verbunden, um eine Potentialdifferenz zwischen dem Zwischenpotential und den Grundpotentialen ΔU zu vergrößern und für einen Spannungsregler 28 als Differenzspannungs-Istwert bereitzustellen.
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Der Spannungsregler 28 kann auf Basis der Potentialdifferenz zwischen den Grundpotentialschienen ZK+, ZK- und der Zwischenpotentialschiene 14 den Tastgrad des PWM-Schaltgenerators 18 hinsichtlich eines gewünschten Zwischenpotentials regeln, so dass die Potentialdifferenz minimiert, bzw. zu Null geregelt wird. Das Gleichspannungsnetzteil 22 ist in Art eines Greinacher-Spannungsverdopplers mit zwei Dioden D1, D2 und zwei Kondensatoren C_DC1 und C_DC2 verschaltet. Die DC-Ausgangsspannung ist aufgrund der Greinacher-Schaltungstopologie, die auch als Delon-Schaltung bezeichnet wird, gegenüber der AC-Amplitude der Sekundärseite des Trenntransformators verdoppelt, und kann somit unabhängig vom Tastgrad der Schalter eingestellt werden.
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8 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.6 für den Betrieb eines Drei-Punkumrichters 34. Im Wesentlichen ist diese mit dem Aufbau des Ausführungsbeispiels nach 7 mit einem Greinacher-Spannungsverdoppler im Gleichspannungsnetzteil 22 vergleichbar. Allerdings unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel zum in den 7 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des Spannungsreglers 28 und der Spannungsmesser U_ZK+, U_ZK- ein Stromregler 26 mit einer Eingangsgröße als Differenz einer Shuntwiderstand-Spannungsmessung U_rd am Shuntwiderstand R_s1, d.h. des Drosselstroms I_s, und einer weiteren Shuntwiderstand-Spannungsmessung U_np am Shuntwiderstand R_s2, d.h. des Neutralpunkt-Eingangsstroms I_np des Umrichters 34vorgesehen ist. Der Stromregler 26 regelt den Tastgrad auf Basis der Differenz des Ausgleichsstrom I_s zwischen Halbbrücke 16 und Brücke der Glättungskondensatoren C_zk+-C_zk- und des Neutralpunkt-Eingangsstroms I_np des Dreipunkt-Umrichters 34 in der Zwischenpotentialschiene 14. Der Shuntwiderstand Rs1 dient als Strommess-Shunt des Ausgleichsstroms I_s zur Messung von U_rd, der Shuntwiderstand Rs2 als Strommess-Shunt R_s2 des Neutralpunkt-Eingangsstroms I_np zur Messung von U_np. Der Stromregler 26 kann auf Basis des Differenzstroms ΔI=I_np-I_s den Tastgrad des PWM-Schaltgenerators 18 derart regeln, so dass der Drosselstrom I_s im Wesentlichen dem Neutralpunkt-Eingangsstrom I_np des Umrichters 34 am Anschlusspunkt Np entspricht.
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In 9 ist eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.7 für den Betrieb eines Dreipunktumrichters 34 dargestellt. Im Wesentlichen ist diese eine Kombination des Aufbaus des Ausführungsbeispiels nach 7 und des Aufbaus des Ausführungsbeispiels nach 8 mit Greinacher-Spannungsverdoppler. In 9 sind der Spannungsregler 28 und der Stromregler 26 als Kaskadenregler hintereinandergeschaltet, wobei der Stromregler 26, der als erste Eingangsgröße den Strom durch die Glättungsdrossel Lt hat, vorteilhafterweise ein schnelleres Regelverhalten als der Spannungsregler 28 aufweisen kann. Die zweite Eingangsgröße des Stromreglers 26 ist mit dem Sollwert-Ausgang des Spannungsreglers 28 über einen Strombegrenzer 32 verbunden, der sicherstellen kann, dass der für die Bauteile zulässige Strom nicht überschritten wird. Mit Hilfe dieses Kaskadenreglerprinzips lässt sich für weite Anwendungsfelder einen zuverlässiger Neutralpunkt kostengünstig bereitstellen, so dass eine hohe Qualität der Ausgangsspannung des Umrichters 34 erreicht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung
- 12
- DC-Zwischenkreis
- 14
- Zwischenpotentialschiene
- 16
- Halbbrücke
- 18
- PWM-Schaltgenerator mit Totzeiterzeugung
- 20
- Trenntransformator
- 22
- Gleichspannungsnetzteil
- 26
- Stromregler
- 28
- Spannungsregler
- 30
- Differenzverstärker
- 32
- Strombegrenzer
- 34
- Dreipunkt-Umrichter
- 36
- Gleichrichter
- 38
- Drehstrom-Verbraucher / Drehstromnetz / Drehstrommotor
- 40
- Gleichspannungswandler
- 100
- Umrichter des Stands der Technik
- 104
- Filter
- 106
- Drehstrom-Erzeuger / Drehstromnetz /Drehstromgenerator
- ZK+
- Positives Zwischenkreispotential
- ZK-
- Negatives Zwischenkreispotential
- Lt
- Glättungsdrossel
- Rd, Rd1, Rd2
- Dämpfungswiderstand
- Rs, Rs1, Rs2
- Shuntwiderstand
- T1
- Elektronischer Schalter, Leistungstransistor
- T2
- Elektronischer Schalter, Leistungstransistor
- R_ZK+
- Spannungsteiler-Widerstand +
- R_ZK-
- Spannungsteiler-Widerstand -
- C_ZK+
- Glättungskondensator +
- C_ZK-
- Glättungskondensator -
- Inv
- Inverter
- D1-D22
- Netzteildioden
- C_DC
- Netzteilkondensator
- I_s
- Strom durch Glättungsdrossel
- I_np
- Neutralpunkt-Eingangsstrom in Dreipunkt-Umrichter
- ΔU
- Potentialdifferenz zwischen Zwischenpotential und Grund- potentialen
- NP
- Neutralpunkt
- U_ZK+
- Spannungsmesser +
- U_ZK-
- Spannungsmesser -
- U_rd
- Dämpfungswiderstand-Spannungsmesser
