DE102021208278A1 - Stromrichterschaltung zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung - Google Patents

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Abstract

Stromrichterschaltung (10) zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung (uout), aufweisend: einen schaltbaren Eingangsstromrichter (30), einen schaltbaren Schwingkreisstromrichter (40), einen m-phasigen Transformator (50) und eine Gleichrichterbrücke (60); wobei der Eingangsstromrichter (30) konfiguriert ist mit einem n-phasigen Stromnetz (20) verbunden zu werden und bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0aus n Eingangsströmen (i1; i2; i3) einen pulsförmigen Ausgangsstrom (IDC) zu erzeugen; wobei der Schwingkreisstromrichter (40) m Phasen aufweist und konfiguriert ist, den pulsförmigen Ausgangsstrom (IDC) des Eingangsstromrichters (30) in jeder der m Phasen bei einer Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz f0/m in einen Schwingkreisstrom (ia; ib; ic) umzuwandeln; wobei die m Schwingkreisströme (ia; ib; ic) in den m Phasen jeweils im Phasenwinkel zueinander verschoben sind; wobei jede der m Phasen des Schwingkreisstromrichters (40) einen Schwingkreiskondensator (Cp) aufweist und mit einer Hauptinduktivität (Lh) der m-ten Phase des Transformators (50) jeweils einen Parallelschwingkreis bildet; wobei jeweils der Schwingkreiskondensator (Cp) der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters (40) konfiguriert ist, einen Magnetisierungsstrom für die m-te Phase des Transformators (50) bereitzustellen und der Transformator (50) konfiguriert ist m sekundärseitige Ausgangsspannungen (uab; ubc; uca) potentialgetrennt von der Primärseite des Transformators (50) zu erzeugen; wobei die m Phasen des Transformators (50) sekundärseitig mit der Gleichrichterbrücke (60) verbunden sind und die Gleichrichterbrücke (60) konfiguriert ist, die m sekundärseitige Ausgangsspannungen (uab; ubc; uca) des Transformators (50) gleichzurichten und an einem Ausgang die potentialgetrennte Gleichspannung (uout) zu erzeugen; und wobei n eine positive ganze Zahl ist und wobei m eine positive ganze Zahl größer gleich 2 ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stromrichterschaltung und ein Stromrichterschaltungssystem zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung und deren Verwendung, sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung durch eine Stromrichterschaltung.
  • Mobile elektrische Anwendungen, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, benötigen immer leistungsstärkere Traktionsbatterien und Akkumulatoren, um über längere Zeit ausreichend elektrische Energie geliefert zu bekommen. Für das Laden solcher leistungsstarken Traktionsbatterien mit Gleichstrom wird wegen hoher Schutzanforderungen an solche Ladestationen eine Potentialtrennung zwischen dem speisenden Wechselstromnetz und der an einer Traktionsbatterie anzulegenden Gleichspannung benötigt. Diese Potentialtrennung erfolgt im Stand der Technik entweder auf der Netzseite durch Transformatoren oder innerhalb eines Stromrichters durch den Einsatz eines hochfrequent getakteten Umrichters. Diese Umrichter in den Stromrichtern sind meist einphasig ausgeführt und werden aus einem vorgelagerten Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist. Für hohe Ladeleistungen über 100 kW sind Ladestationen mit netzseitigem Transformator oder einem Stromrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis und Umrichter sehr teuer. Ein wesentlicher Grund hierfür sind die Kosten der Wickelgüter und der Kondensatoren zur Energiezwischenspeicherung, welche für solche elektrischen Schaltungen der Ladestationen benötigt werden. Hierbei können geeignete Netztransformatoren nicht automatisiert hergestellt werden und zudem entstehen durch den hohen Materialaufwand für Eisenkerne und Wickelgüter hohe Herstellungskosten. Beim Einsatz von Umrichtern in diesem Leistungsbereich sind dabei die zu verwendenden Schaltfrequenzen vergleichsweise gering und zwingen deshalb zu einer manuellen und damit kostenintensiven Verdrahtung der Stromrichterschaltungen. Soll aber der Bereich Elektromobilität neben dem gewerblichen Umfeld auch eine breite Anwendung im privaten Einsatz finden, müssen leistungsfähige Schnellladeeinrichtungen deutlich günstiger werden.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichterschaltung und ein Verfahren zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung bereitzustellen, welche geringere Kosten bei den zu verwendeten Wickelgütern und Energiespeichern verursacht und eine weitgehend automatisierte Fertigung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Stromrichterschaltung zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung, aufweisend: einen schaltbaren Eingangsstromrichter, einen schaltbaren Schwingkreisstromrichter, einen m-phasigen Transformator und eine Gleichrichterbrücke; wobei der Eingangsstromrichter konfiguriert ist, mit einem n-phasigen Stromnetz verbunden zu werden und bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 aus n Eingangsströmen einen pulsförmigen Ausgangsstrom zu erzeugen; wobei der Schwingkreisstromrichter m Phasen aufweist und konfiguriert ist, den pulsförmigen Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters in jeder der m Phasen bei einer Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz f0/m in einen Schwingkreisstrom umzuwandeln; wobei die m Schwingkreisströme in den m Phasen jeweils im Phasenwinkel zueinander verschoben sind; wobei jede der m Phasen des Schwingkreisstromrichters einen Schwingkreiskondensator aufweist und mit einer Hauptinduktivität der m-ten Phase des Transformators jeweils einen Parallelschwingkreis bildet; wobei jeweils der Schwingkreiskondensator der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters konfiguriert ist, einen Magnetisierungsstrom für die m-te Phase des Transformators bereitzustellen und der Transformator konfiguriert ist m sekundärseitige Ausgangsspannungen potentialgetrennt von der Primärseite des Transformators zu erzeugen; wobei die m Phasen des Transformators sekundärseitig mit der Gleichrichterbrücke verbunden sind und die Gleichrichterbrücke konfiguriert ist, die m sekundärseitige Ausgangsspannungen des Transformators gleichzurichten und an einem Ausgang die potentialgetrennte Gleichspannung bereitzustellen; und wobei n eine positive ganze Zahl ist und wobei m eine positive ganze Zahl größer gleich 2 ist.
  • Dabei bietet die Stromrichterschaltung den Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Stromrichtern mit Gleichspannungs-Zwischenkreis und Umrichter höhere Schaltfrequenzen möglich sind. Damit einhergehend ist eine Reduktion der Baugröße der eingesetzten Wickelgüter bei Eingangsinduktivitäten und Transformatoren möglich. Auf den Einsatz von großen und damit teuren Kondensatoren wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren zur Energiezwischenspeicherung im Gleichspannungs-Zwischenkreis kann dabei ganz verzichtet werden. Die für die Stromrichterschaltung einsetzbaren kleineren Wickelgüter und Kondensatoren können zudem leichter in einem automatisierten Herstellungsprozess der Stromrichterschaltung integriert werden und verbilligen neben den geringeren Materialkosten auch den Herstellungsprozess.
  • Die Stromrichterschaltung benötigt hierbei keinen Gleichspannungs-Zwischenkreis, sondern weist von der Eingangsseite in Richtung zum Ausgang betrachtet, einen Eingangsstromrichter, einen m-phasigen Schwingkreisstromrichter, einen m-phasigen Transformator und eine Gleichrichterbrücke auf und die Stromrichterschaltung ist eingangsseitig an ein n-phasiges Stromnetz und ausgangsseitig an einen aufzuladenden Akkumulator anschließbar und/oder verbindbar.
  • Dabei sind der Eingangsstromrichter und der m-phasige Schwingkreisstromrichter jeweils schaltbar konfiguriert. Das heißt der Eingangsstromrichter und der m-phasige Schwingkreisstromrichter weisen jeweils mindestens eine Schaltreinrichtung auf, welche ein Eingangssignal in einem eingeschalteten Zustand für einen Einschaltzeitraum TEin an ihrem Ausgang bereitstellen und welche das Eingangssignal in einem ausgeschalteten Zustand für einen Zeitraum TAus an ihrem Ausgang nicht verfügbar machen. Durch ein periodisches, hartes Ein- und Ausschalten der mindestens einen Schalteinrichtung mit einer vorgegebenen Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 kann somit aus einem kontinuierlichen Eingangssignal ein Ausgangssignal mit pulsförmigem Verlauf erzeugt werden. Ein hartes Schalten bedeutet hierbei ein sehr schnelles Schalten der Schalteinrichtung, um ein Ausgangssignal mit sehr steilem Flankenverlauf während des Schaltvorgangs zu erhalten.
  • Mit einem m-phasigen Transformator ist im Weiteren stets eine Transformator-Konfiguration beschrieben, bei der eine Primärseite des Transformators m Phasen mit je einer Primärwicklung und eine Sekundärseite des Transformators m Phasen mit je einer Sekundärwicklung aufweist. Dabei ist die Primärwicklung der m-ten Phase der Primärseite stets mit der Sekundärwicklung der m-ten Phase der Sekundärseite magnetisch gekoppelt. In anderen Worten weist der Transformator m Primärwicklungen und m Sekundärwicklungen auf. Der m-phasige Transformator kann hierbei vorzugsweise einen gemeinsamen Kern für alle m Phasen aufweisen, um effektiver genutzt zu werden und der Kern kann vorzugsweise aus Ferrit oder amorphen Metallen bestehen. Der m-phasige Transformator kann aber auch durch das Zusammenschalten von m Einphasentransformatoren konfiguriert sein. Der Transformatorkern kann auch aus einem beliebigen weichmagnetischen Werkstoff gefertigt sein. Die Primärseite ist dabei von der Sekundärseite des m-phasigen Transformators potentialgetrennt. Der Einsatz des m-phasigen Transformators in der Stromrichterschaltung bewirkt somit eine Potentialtrennung zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Stromrichterschaltung.
  • Das Stromnetz, an welches die Stromrichterschaltung anschließbar ist und/oder mit dem die Stromrichterschaltung verbindbar ist, kann ein 1-phasiges Stromnetz oder ein mehrphasiges Stromnetz mit beliebiger Anzahl n an Phasen sein. Hierbei kann die Stromrichterschaltung eingangsseitig vorzugsweise an ein n-phasiges Wechselstromnetz angeschlossen werden, wobei die n Netzströme vorzugsweise sinusförmig sind. Eine andere Wechselstromform wie beispielsweise eine Dreiecksform, ist ebenso möglich. Die Stromrichterschaltung kann aber auch an ein n-phasiges Gleichstromnetz und/oder an n Batterien anschließbar sein.
  • Die Stromrichterschaltung für ein mehrphasiges Wechselstromnetz ist vorzugsweise mit einem symmetrischen Wechselstromnetz verbindbar, da der Eingangsstromrichter dann ebenfalls symmetrisch aufgebaut werden kann und das Schaltungsdesign vereinfacht wird. Der Eingangsstromrichter kann n Eingangsphasen aufweisen, wobei jede Eingangsphase eine eigene Anschlussklemme aufweisen kann. Insbesondere kann die Anzahl der Eingangsphasen des Eingangsstromrichters und die Anzahl der Phasen des Wechselstromnetzes identisch sein. Die Anzahl n der Eingangsphasen des Eingangsstromrichters kann aber auch größer oder kleiner als die Anzahl der Phasen des Stromnetzes sein, wobei dann bei einer kleineren Anzahl an Eingangsphasen nicht alle Phasen des Stromnetzes anschließbar sind oder bei einer größeren Anzahl an Eingangsphasen nicht alle Eingangsphasen mit einer Phase des Stromnetzes anschließbar sind. In einer solchen Konfiguration werden dann nur die tatsächlich angeschlossenen Phasen des Eingangsstromrichters weiterverarbeitet. Die Flexibilität im Design der Stromrichterschaltung ermöglicht deren Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, die nicht auf einen bestimmten Typ von Stromnetzen beschränkt sind. Beim Anschluss der Stromrichterschaltung an das Stromnetz ist zu beachten, dass zwischen jeder Phase des Stromnetzes und jedem Eingang, d.h. an jeder Eingangsphase des Eingangsstromrichters eine Eingangsinduktivität (zwischen-) geschaltet sein kann oder ist. Die Größe der Eingangsinduktivitäten richtet sich dabei nach einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 der in dem Eingangsstromrichter genutzten Schalteinrichtungen. Hierbei können die Eingangsstromrichter-Schaltfrequenzen für einen Eingangsstromrichter ohne anschließenden Gleichspannungs-Zwischenkreis höher konfiguriert sein als für einen Eingangsstromrichter mit anschließenden Gleichspannungs-Zwischenkreis, da ein Laden und Entladen einer großen Kapazität im Gleichspannungs-Zwischenkreis entfallen kann. Somit können für Eingangsstromrichter ohne anschließenden Gleichspannungs-Zwischenkreis auch kleinere und kostengünstigere Eingangsinduktivitäten gewählt werden.
  • Im Betrieb schaltet der Eingangsstromrichter seine Schalteinrichtungen hart bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 und erzeugt pro Eingangsphase n jeweils einen Eingangsstrom, wobei die Eingangsströme am Ausgang des Eingangsstromrichters zu einem pulsförmigen Ausgangsstrom zusammengeführt und/oder addiert werden. Beim Anschluss an ein n-phasiges Wechselstromnetz mit n sinus-förmigen Netzströmen werden entsprechend pro Eingangsphase jeweils ein sinus-förmiger Eingangsstrom erzeugt. Der pulsförmige Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters wird dabei nicht wie bei den gängigen Stromrichtern in einen Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist, sondern wird durch den m-phasigen Schwingkreisstromrichter in seinen m Phasen in m Schwingkreisströme umgewandelt. Dabei sind die Phasenwinkel der m Schwingkreisströme in den m Phasen des Schwingkreisstromrichters zueinander verschoben. Hierzu werden alle Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters mit einer Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz f0/m geschalten, wobei alle Schalteinrichtungen einer m-ten Phase zum selben Zeitpunkt geschalten werden. Die Schaltzeitpunkte der m Phasen unterscheiden sich aber und sind um einen Phasenwinkel verschoben. Dabei ist die Anzahl der Phasen m des Schwingkreisstromrichters mindestens zwei und vorzugsweise eine ungerade Anzahl an Phasen.
  • In dem Schwingkreisstromrichter ist pro Phase ein Schwingkreis aus jeweils einem Schwingkreiskondensator und einer Hauptinduktivität des Transformators konfiguriert, wobei die Hauptinduktivität zumindest ein Teil einer primärseitigen Wicklung in einer Phase des m-phasigen Transformators ist. Dabei werden die parallelen Schwingkreise vorzugsweise bei einer Resonanzfrequenz oder nahe der Resonanzfrequenz betrieben. Die Schwingkreiskondensatoren als auch die Hauptinduktivitäten können zudem je nach Anforderungen an die Stromrichterschaltung unterschiedlich zueinander konfiguriert sein. Generell können Schwingkreiskondensatoren primärseitig und auch sekundärseitig konfiguriert werden. Dabei können die Schwingkreiskondensatoren zentral an der Primärseite oder verteilt auf der Primärseite und der Sekundärseite verteilt sein. Die Gesamtkapazität der Schwingkreise ergibt sich dabei aus der Gesamtheit der Schwingkreiskondensatoren. Für die Übertragung von der Primärseite des Transformators auf seine Sekundärseite wird pro Phase ein Magnetisierungsstrom von dem jeweiligen Schwingkreiskondensator in die primärseitig übertragende Wicklung geliefert. Die auf die Sekundärseite des Transformators potentialgetrennt übertragenen Ausgangsspannungen des m-phasigen Transformators werden dann durch die Gleichrichterbrücke gleichgerichtet und zu einer gemeinsamen potentialgetrennten Gleichspannung zusammengeführt. An diese Gleichspannung ist dann ein zu ladender Akkumulator anschließbar und/oder verbindbar, um aufgeladen zu werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung ist die Stromrichterschaltung mit einem 3-phasigen Wechselstromnetz verbindbar und/oder weisen der Schwingkreisstromrichter und der Transformator drei Phasen auf. Optional sind die Hauptinduktivitäten des Transformators sternförmig oder in einer Dreiecks-Anordnung konfiguriert.
  • Hierbei kann das 3-phasige Wechselstromnetz, an welches die Stromrichterschaltung anschließbar ist, vorzugsweise ein symmetrisches Drehstromnetz mit einer Netzfrequenz von 50Hz oder 60Hz sein, welches sowohl im gewerblichen als auch im privaten Umfeld nahezu flächendeckend verfügbar ist. Dabei unterscheiden sich die Phasenwinkel der drei alternierenden Spannungen und Ströme des Drehstromnetzes jeweils um 120°. Eine Konfiguration des Schwingkreisstromrichters und des Transformators mit drei Phasen vereinfacht zudem das Schaltungsdesign der Stromrichterschaltung. Hierbei können die primärseitigen Wicklungen der 3-phasige Transformator in einer Dreiecks- oder Delta Anordnung, in einer Sternanordnung oder in einer Zickzack-Anordnung konfiguriert sein. Zudem können die sekundärseitigen Wicklungen des 3-phasigen Transformators in einer Dreiecks- oder Delta Anordnung oder in einer Sternanordnung konfiguriert sein. Vorzugsweise sind sowohl die primärseitigen als auch die sekundärseitigen Wicklungen des 3-phasige Transformators gleich konfiguriert und beide Seiten des Transformators weisen die Dreiecks- oder Delta Anordnung auf oder beide Seiten des Transformators weisen die Sternanordnung auf. Gemischte Anordnungen auf der Primärseite und der Sekundärseite des 3-phasigen Transformators sind aber auch möglich. Hierbei können die Hauptinduktivitäten der drei Phasen jeweils die gesamte Wicklung oder nur einen Teil davon ausmachen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung weist die Stromrichterschaltung zwischen dem Eingangsstromrichter und den m Phasen des Schwingkreisstromrichters jeweils eine Schutzdiode auf und/oder ist der pulsförmige Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters konfiguriert, eine Stromstärke von 0 A aufzuweisen, wenn die m Phasen des Schwingkreisstromrichters jeweils geschaltet werden. Für Konfigurationen, bei der beim Schalten der m Phasen des Schwingkreisstromrichters die Stromstärke von 0A abweichen kann, ist zum Schutz der Stromrichterschaltung vorzugsweise eine Konfiguration mit Schutzdioden zu verwenden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung sind die m Hauptinduktivitäten des m phasigen Transformators jeweils über einen Luftspalt einstellbar. Auf diese Weise lassen sich die sekundärseitigen Ausgangsspannungen des m-phasigen Transformators und die potentialgetrennte Gleichspannung am Ausgang der Stromrichterschaltung einfach steuern.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung ist die Gleichrichterbrücke als Mittelpunkt-Schaltung oder als B6-Gleichrichterbrücke konfiguriert. Hierbei kann am Ausgang der Gleichrichterbrücke die Welligkeit der Gleichspannung noch durch einen Glättungskondensator verringert werden. Bei einer Konfiguration der Stromrichterschaltung als Mittelpunkt-Schaltung ergibt sich im Betrieb nur eine Diode im Strompfad, wodurch die Verluste an den Dioden verringert werden können. Daher wird die Mittelpunktschaltung für kleinere Ausgangsspannungen, wie beispielsweise 48V, bevorzugt. Die Dioden die Mittelpunkt-Schaltung weisen gegenüber den Dioden der B6-Gleichrichterbrücke eine doppelte Sperrspannung auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung weist der Eingangsstromrichter eine Regelungsschaltung auf und die Regelungsschaltung ist konfiguriert, Pulsmuster zum Schalten des Eingangsstromrichters zu erzeugen, wobei die Pulsmuster den Eingangsstromrichter derart regeln, dass die Blindleistung des Eingangsstromrichters minimiert wird. Durch den Einsatz einer blindleistungsoptimierten Regelungsschaltung kann somit auch der Wirkungsgrad der Stromrichterschaltung erhöht werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung kann die Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 der Stromrichterschaltung zur Optimierung von Überspannungen und Wirkungsgrad oder zum Ausgleich von Parameterabweichungen vor oder während des Betriebes angepasst werden. Hierbei kann die Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 vorzugsweise über die Regelungsschaltung angepasst werden.
  • Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Stromrichterschaltungssystem zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung, aufweisend: eine Mehrzahl j von Stromrichterschaltungen wie zuvor beschrieben, wobei die Mehrzahl j von Stromrichterschaltungen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei j eine positive ganze Zahl größer 1 ist.
  • Auf der Eingangsseite können die einzelnen Stromrichterschaltungen parallelgeschaltet werden. In einer netzseitig einphasigen Einspeisung können die Stromrichterschaltungen auch in einer Reihenschaltung zur Verringerung der Spannungsbeanspruchung der Halbleiter und/oder Reduktion der Verzerrungen angeordnet werden. Auf der Sekundärseite der Stromrichterschaltungen besteht immer die Möglichkeit der Parallelschaltung, einer Reihenschaltung oder eine Kombination beider Varianten, um die Verzerrungen des Ausgangsstrom zu minimieren. Bei einer Parallelschaltung der Stromrichterschaltungen erfolgt keine Leistungsübertragung über die Schwingkreiskondensatoren und die Leistungsübertragung erfolgt ebenfalls parallel, wobei die einzelnen Stromrichterschaltungen eine geringere Leistung als ohne die Parallelschaltung übertragen brauchen. Deshalb können wiederum die Bauteile der einzelnen Stromrichterschaltungen kleiner dimensioniert werden. Dadurch wird wiederum eine automatisierte Herstellung des gesamten Stromrichterschaltungssystems erleichtert.
  • Bei einer seriellen Schaltung einer Mehrzahl von Stromrichterschaltungen ist die Leistungsübertragung über jede der Stromrichterschaltungen viel höher als bei einer Parallelschaltung der Stromrichterschaltungen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Stromrichterschaltungssystems sind die Mehrzahl j von Stromrichterschaltungen derart konfiguriert, dass die Pulsmuster der Eingangsstromrichter der parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen bei gleicher Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 jeweils bezüglich ihrer Periodendauer T0 um einen Phasenwinkel 2π/j zueinander verschoben sind. Dabei ist eine Verschiebung des Phasenwinkels nicht auf 2π/j beschränkt, sondern kann auch einen anderen Phasenwinkel aufweisen, der vorzugsweise das Übersetzungsverhältnis an den Transformatoren verbessert und/oder optimiert. Mit dieser Konfiguration wird die Welligkeit des Eingangsstroms und des Ausgangsstroms des Stromrichterschaltungssystems reduziert. Die zulässige Welligkeit oder auch der Strom-Rippel des Ausgangsstroms ist hierbei genormt. Dabei kann durch eine genügend hohe Anzahl an parallel angeordneten, phasenverschobenen Stromrichterschaltungen die Welligkeit unterhalb des genormten Wertes gehalten werden. Durch eine genügend hohe Anzahl an parallel angeordneten, phasenverschobenen Stromrichterschaltungen können auch die Eingangsinduktivitäten weiter verkleinert und die Herstellung des Stromrichterschaltungssystems wiederum leichter automatisiert werden. Eine derartige Parallelschaltung ist dabei nur durch die Potentialtrennung in der Ausgangsstufe möglich.
  • Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Verwendung einer Stromrichterschaltung oder eines Stromrichterschaltungssystems wie zuvor beschrieben zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung.
  • Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung durch eine Stromrichterschaltung, wobei die Stromrichterschaltung einen m-phasigen Schwingkreisstromrichter mit einem Schwingkreiskondensator pro Phase und einen m-phasigen Transformator aufweist, wobei der Schwingkreiskondensator der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters mit einer Hauptinduktivität der m-ten Phase des Transformators jeweils einem Parallelschwingkreis bildet, und wobei das Verfahren aufweist: Empfangen von n Eingangsströmen; Erzeugen eines pulsförmigen Stroms bei einer Schaltfrequenz f0 aus den n Eingangsströmen; Umwandeln des pulsförmigen Stroms in m Schwingkreisströme bei jeweils einer Schaltfrequenz f0/m, wobei die Schwingkreisströme in ihrem Phasenwinkel zueinander verschoben sind; Bereitstellen jeweils eines Magnetisierungsstroms für die m-te Phase des Transformators durch den Schwingkreiskondensator der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters; Erzeugen von m sekundärseitigen Ausgangsspannungen, welche potentialgetrennt zur Primärseite des Transformators sind; Gleichrichten der m sekundärseitigen Ausgangsspannungen des Transformators und Erzeugen der potentialgetrennte Gleichspannung; und wobei n eine positive ganze Zahl ist und wobei m eine positive ganze Zahl größer gleich 2 ist.
  • Für die oben genannten Aspekte und insbesondere für diesbezüglich bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen Aspekte.
  • Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden.
    • 3 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen, einem Ausgangsstrom sowie einer Ausgangsspannung in einem Eingangsstromrichter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Ausgangsstroms in einem Eingangsstromrichter sowie von Schwingkreisströmen in einem Schwingkreisstromrichter gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus den 1 und 2.
    • 5 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Schwingkreisstroms und dazugehörige Spannungen eines Schwingkreisstromrichters gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus 1,
    • 6 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Schwingkreisstroms und dazugehörige Spannungen eines Schwingkreisstromrichters gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden aus 2.
    • 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden und einer alternativen primärseitiger Transformatorschaltung.
    • 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden und einer alternativen Transformatorschaltung in Dreiecks-Anordnung.
    • 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden und einer alternativen Gleichrichterbrückenschaltung.
    • 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden und einer alternativen Gleichrichterbrücke mit Mittelpunktschaltung.
    • 11 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen Transformator- und Gleichrichterbrückenschaltung.
    • 12 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelungsschaltung eines Eingangsstromrichters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 13 zeigt einen Zeitverlauf der Eingangsspannungen und der Eingangsströme, sowie der aufgenommenen Wirk- und Blindleistung bei einem Sollwertsprung des Netzstromes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 14 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichterschaltungssystems mit einer Mehrzahl von parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 15 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen in einem Stromrichterschaltungssystem mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 16 zeigt einen Zeitverlauf von Ausgangsströmen in einem Stromrichterschaltungssystem mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Figuren
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromrichterschaltung weist hierbei, von der Eingangsseite in Richtung zum Ausgang betrachtet, einen Eingangsstromrichter 30, einen Schwingkreisstromrichter 40, einen Transformator 50 und eine Gleichrichterbrücke 60 auf. Die Stromrichterschaltung 10 ist eingangsseitig an ein Wechselstromnetz 20 und ausgangsseitig an einen aufzuladenden Akkumulator 70 anschließbar und/oder damit verbindbar. Hierbei ist anzumerken, dass der Transformator 50 in den 1, 2, 7 bis 10 und 14 jeweils idealisiert dargestellt wird, das heißt ohne Spulenwiderstände, Hysterese-Verluste im Kern und Streuinduktivitäten.
  • Das Wechselstromnetz 20 in 1 ist als ein 3-phasiges, symmetrisches Drehstromnetz dargestellt, kann aber auch ein 1-phasiges Wechselstromnetz oder ein mehrphasiges Wechselstromnetz mit beliebiger Anzahl an Phasen sein. Um das Wechselstromnetz 20 eingangsseitig an den Eingangsstromrichter 30 anschließen zu können, ist vorzugsweise zwischen jeder Phase des Wechselstromnetzes 20 und jedem Eingang des Eingangsstromrichters 30 eine Eingangsinduktivität LE zwischengeschaltet. In anderen Worten kann an jedem Eingang, d.h. an jeder Eingangsphase des Eingangsstromrichters 30 eine Eingangsinduktivität LE angeschlossen sein, über die der Eingangsstromrichter mit dem Wechselstromnetz verbunden werden kann. Die Größe der Eingangsinduktivitäten LE richtet sich dabei nach einer Schaltfrequenz f0 der in dem Eingangsstromrichter 30 genutzten Schalteinrichtungen aus und kann bei einer höherer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 entsprechend kleiner ausgelegt werden. Der Eingangsstromrichter 30 selbst weist im Anschluss an seine Eingänge pro Phase jeweils zwei symmetrisch angeordnete Schalteinrichtungen auf, deren Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 jeweils über einen Steuereingang durch eine Regelungsschaltung 80 (in 1 nicht gezeigt) geregelt werden kann. Die Schalteinrichtungen sind hier als MOSFETs dargestellt, können aber auch durch andere übliche Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren ersetzt werden. Dabei bilden die symmetrisch angeordneten Schalteinrichtungen pro Phase jeweils einen positiven und einen negativen Ast und die Ausgänge des positiven Astes aller Phasen werden in einem gemeinsamen positiven Ausgang zusammengeführt und/oder addiert. Die Ausgänge des negativen Astes aller Phasen werden ebenfalls in einem gemeinsamen negativen Ausgang zusammengeführt und/oder addiert. Im Betrieb schaltet der Eingangsstromrichter 30 die Schalteinrichtungen hart, beziehungsweise mit sehr steiler Flanke, bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 und erzeugt pro Phase jeweils einen sinusförmigen Eingangsstrom i1, i2 und i3 bei einer Eingangsspannung u1, u2 und u3. Zwischen den gemeinsamen positiven und negativen Ausgängen des Eingangsstromrichters 30 liegt in Betrieb eine pulsförmige Ausgangsspannung UDC an, die annähernd eine Gleichspannung darstellt. Der zusammengeführte und/oder addierte Ausgangsstrom IDC weist ebenfalls einen pulsförmigen Verlauf auf.
  • Der pulsförmige Ausgangsstrom IDC wird dabei nicht wie bei den gängigen Stromrichtern in einen Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist, sondern dient als Eingangsstrom für den Schwingkreisstromrichter 40. Der Schwingkreisstromrichter 40 in 1 weist hierbei drei Phasen auf, kann aber auch in zwei oder mehr Phasen aufgeteilt werden. Pro Phase weist der Schwingkreisstromrichter 40 jeweils zwei symmetrisch angeordnete Schalteinrichtungen mit jeweils einer vorgeschalteten Schutzdiode 42 auf, bei denen eine Schalteinrichtung mit dem positiven Ast des Ausgangs des Eingangsstromrichters 30 verbunden ist und die andere Schalteinrichtung mit dem negativen Ast des Ausgangs des Eingangsstromrichters 30. Die Schalteinrichtungen werden dabei mit einer Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz f0/3 geschalten und erzeugen dabei pro Phase einen Schwingkreisstrom ia, ib und ic bei jeweils einer Spannung von ua, ub und uc zwischen den drei Phasen und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters 30. Hierbei treten beim Schalten der Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters 40 keine Schaltverluste auf, da die Schalteinrichtungen jeweils in einem stromlosen Zustand des pulsförmigen Ausgangsstroms IDC des Eingangsstromrichters 30 geschalten werden. Deshalb sind bei einer stabilen Regelung des pulsförmigen Ausgangsstroms IDC die Schutzdioden 42 nicht zwingend nötig. In dem Schwingkreisstromrichter 40 ist pro Phase ein Schwingkreis aus jeweils einem Schwingkreiskondensator CP und einer Hauptinduktivität LH konfiguriert, wobei die Hauptinduktivität LH ein Teil einer primärseitigen Wicklung in einer Phase eines 3-phasigen Transformators ist. Hierbei ist in 1 die Hauptinduktivität LH pro Phase jeweils parallel zu einer zweiten primärseitigen Induktivität angeordnet und der 3-phasige Transformator ist primär- und sekundärseitig sternförmig aufgebaut. Mit der Spannung u0- wird die Spannung zwischen dem Sternpunkt des Transformators und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters 30 bezeichnet. In 1 überträgt nur die zweite primärseitige Induktivität auf die Sekundärseite des Transformators 50. Für die Übertragung von der Primärseite des Transformators 50 auf seine Sekundärseite wird hierbei pro Phase ein Magnetisierungsstrom von dem jeweiligen Schwingkreiskondensator CP geliefert. Dieser ergibt sich pro Phase jeweils aus der Differenz zwischen den Schwingkreisströmen ia, ib und ic und Strömen iha, ihb und ihc durch die Hauptinduktivitäten LH. Dabei können zum Festlegen der Schwingkreise in den jeweiligen Phasen die Hauptinduktivitäten LH über einen Luftspalt einstellbar konfiguriert sein.
  • Die auf die Sekundärseite des Transformators potentialgetrennt übertragenen Ausgangsspannungen uab, ubc und uca des 3-phasigen Transformators werden durch die Gleichrichterbrücke 60 gleichgerichtet und ein Ausgangsstrom iout bei einer Ausgangspannung uout am Ausgang der Stromrichterschaltung 10 bereitgestellt. Hierbei ist in 1 die Gleichrichterbrücke 60 in einer B6-Konfiguration konfiguriert und die Ausgangsspannung wird am Ausgang noch durch einen Glättungskondensator CG geglättet.
  • Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42.Dabei ist die Konfiguration der Stromrichterschaltung 10 bis auf das Weglassen der optionalen Schutzdioden 42 identisch zur Konfiguration in 1.
  • Die 3 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen i1, i2 und i3, einem Ausgangsstrom IDC sowie einer Ausgangsspannung UDC in einem Eingangsstromrichter 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird das Verhalten der Stromrichterschaltungen 10 aus den 1 und 2 in der weiteren Beschreibung der Figuren stets mit einer Netzfrequenz von 500Hz, mit einer Eingangsinduktivität LE von 200µH, mit einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 des Eingangsstromrichters 30 von 83kHz, mit einer Kapazität des Schwingkreiskondensators CP von 188nF, jeweils einer Hauptinduktivität LH von 169µH und einer Spannung am Akkumulator 70 von 800V simuliert. Hierbei weisen für die 1 und 2 die phasenversetzten, sinus-förmigen Eingangsströmen i1, i2 und i3, durch das harte Schalten der Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters 30 einen gezackten Verlauf mit der Schaltfrequenz von 83kHz des Eingangsstromrichters 30 auf. Die pulsförmige Ausgangsspannung UDC weist einen annähernd gleichspannungsförmigen Verlauf auf und der pulsförmige Ausgangsstrom IDC setzt sich aus der Zusammenführung und/oder Addition der Eingangsströmen i1, i2 und i3 zusammen. Die Erfindung ist nicht auf die obigen Frequenzen, Spannung und Stromstärken begrenzt. Vielmehr dienen diese Beispiele lediglich der Veranschaulichung des erfinderischen Prinzips.
  • Die 4 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Ausgangsstroms IDC in einem Eingangsstromrichter 30 sowie von Schwingkreisströmen ia, ib und ic in einem Schwingkreisstromrichter 40 gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus den 1 und 2. Hierbei wird der Ausgangsstrom IDC des Eingangsstromrichters 30 im Vergleich zu 3 zeitlich mit einer höheren Auflösung dargestellt, um den pulsförmigen Verlauf zu verdeutlichen. Die Schwingkreisströme ia, ib und ic des Schwingkreisstromrichters 40 ergeben sind dabei aus dem Ausgangsstrom IDC des Eingangsstromrichters 30 durch phasenversetztes Schalten der Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters 40 bei einer Schaltfrequenz von f0/3. Die Schwingkreisströme ia, ib und ic weisen dabei einen symmetrischen, pulsförmigen Verlauf mit negativen und positiven Amplitudenwerten auf.
  • Die 5 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Schwingkreisstroms ia, und dazugehörige Spannungen eines Schwingkreisstromrichters 40 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus 1 mit Schutzdioden 42. Dabei wird der Schwingkreisstrom ia im Vergleich zu 4 nochmals zeitlich höher aufgelöst. Zudem sind die sich daraus ergebenden negativen Spannungen ua-, ub- und uc- des Schwingkreisstromrichters 40, die sekundärseitigen Ausgangsspannungen uab, ubc und uca am Transformator 50 sowie die Spannung u0-zwischen dem Sternpunkt des Transformators 50 und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters 30 aufgezeigt.
  • Die 6 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Schwingkreisstroms ia, und dazugehörige Spannungen eines Schwingkreisstromrichters 40 gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden aus 2. Hierbei bewirkt das Weglassen der Schutzdioden 42 in 2 eine Glättung der Spannungen, wie im Vergleich zu 5 sichtbar ist.
  • Die 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42 und einer alternativen primärseitiger Transformatorschaltung 50. Hierbei basiert die Ausführungsform in 7 auf der Ausführungsform aus 2. Im Gegensatz zum Primärseite des Transformators 50 in 2 wird hier pro Phase keine zweite primärseitige Induktivität parallel zur Hauptinduktivität LH konfiguriert, sondern die Hauptinduktivität LH dient auch zur Übertragung im Transformator 50 auf die Sekundärseite.
  • Die 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42 und einer alternativen Transformatorschaltung 50 in Dreiecks-Anordnung. Hierbei basiert die Ausführungsform in 8 auf der Ausführungsform aus 7. Im Gegensatz zum Transformator 50 in 7 mit einer sternförmigen Konfiguration der Hauptinduktivitäten LH werden in 8 die Hauptinduktivitäten LH in einer Dreiecks-Anordnung konfiguriert. Hierbei ist in der Dreieck-Anordnung die dem Eingangsstromrichter 30 zugewandte resultierende Kapazität der Schwingkreiskondensatoren CP größer als in der Sternschaltung. Dies führt unter anderem zu geringeren Überspannungen in der Stromrichterschaltung 10.
  • Die 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42 und einer alternativen Gleichrichterbrückenschaltung 60. Hierbei basiert die Ausführungsform in 9 auf der Ausführungsform aus 7. Im Gegensatz zur Gleichrichterbrücke 60 in 7 mit einer B6-Konfiguration wird in 9 eine Gleichrichterbrücke mit zusätzlichen sekundärseitigen Schwingkreiskondensatoren CP gezeigt. Diese Schwingkreiskondensatoren CP bilden mit der Hauptinduktivität des Transformators 50 einen sekundärseitigen Schwingkreis. Die Aufteilung der Schwingkreiskondensatoren CP dient dabei dem Schutz einzelner Bauteile in der Stromrichterschaltung 10. Die Gesamtkapazität der Schwingkreise in der Stromrichterschaltung 10 ergibt sich dabei aus der Gesamtheit der Schwingkreiskondensatoren CP.
  • Die 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42 und einer alternativen Gleichrichterbrücke 60 mit Mittelpunktschaltung. Hierbei basiert die Ausführungsform in 10 auf der Ausführungsform aus 7. Im Gegensatz zur Gleichrichterbrücke 60 in 7 mit einer B6-Konfiguration wird in 10 eine Gleichrichterbrücke mit einer Mittelpunktschaltung gezeigt. Dabei wird die Ausgangsspannung uout von Mittelpunkten der sekundären Hauptinduktivitäten zu einer Seite der Hauptinduktivitäten abgegriffen und weist somit die Hälfte der Ausgangsspannung uout bei einer B6-Konfiguration der Gleichrichterbrücke 60 auf.
  • Die 11 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen Transformatorschaltung 50 und Gleichrichterbrückenschaltung 60. Hierbei basiert die Ausführungsform in 11 auf der Ausführungsform aus 1, stellt aber die Transformatorschaltung 50 als Ersatzschaltbild eines realen Transformators 50 mit Streuinduktivitäten dar. Eine verteilte Anordnung der Schwingkreiskondensatoren CP kann dabei parasitäre Kapazitäten und/oder Induktivitäten je nach Konfiguration besser in das Schaltungskonzept mit einbinden. Hierbei hängt die konkrete Konfiguration von dem Aufbau der Gesamtanordnung ab.
  • Die 12 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelungsschaltung 80 eines Eingangsstromrichters 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei soll mit der Regelungsschaltung 80 die aufgenommene Blindleistung des Eingangsstromrichters 30 zu Null geregelt werden.
  • Hierzu werden die Eingangsspannungen u1, u2 und u3 sowie die Eingangsströme i1, i2 und i3 in einem Raumzeiger-Wandler 82 in Netzspannungs- und Stromraumzeiger umgewandelt. Aus den αβ-Komponenten uNα und uNβ des Netzspannungsraumzeigers wird der reziproke Betrag von ûN in einem Reziprog-Wandler 84 berechnet. Dieser reziproke Betragswert wird anschließend mit den ab-Komponenten der Netzspannung in zwei ersten Multiplikatoren 86 multipliziert, wodurch αβ-Komponenten mit der Amplitude 1 eins entstehen. Diese αβ-Komponenten der Spannung werden dann mit einem Stromsollwert îNsoll der überlagerten Regelung in zwei zweiten Multiplikatoren 88 multipliziert und dadurch die Sollwerte iNαsoll und iNβsoll der αβ-Netzströme gebildet. Diese Stromsollwerte iNαsoll und iNβsoll werden anschließend in einer Stromsollwert-Phasenverschiebeeinheit 90 in der Phase verschoben, worauf im Weiteren nochmals eingegangen wird. Diese phasenverschobenen Stromsollwerte werden mit den Stromistwerten iNα und iNβ in einem Vergleichsglied 92 verglichen und αβ -Stromreglern 94 zugeführt. Zur Verbesserung der Dynamik wird am Ausgang der αβ-Stromregler 94 eine Störgrößenaufschaltung 96 mit den αβ-Komponenten der Netzspannung vorgenommen. Als Ausgangsignal werden Sollregelspannungen uSRαsoll und uSRβsoll erzeugt und zur Pulsmustererzeugung dem Eingangsstromrichter 30 bereitgestellt. Im Kernelement der Regelungsschaltung 80 erfolgt eine Blindleistungsregelung. Hierzu wird aus den αβ-Komponenten der Netzgrößen die aufgenommene Blindleistung in einer Blindleistungsberechnungseinheit 98 berechnet und mit dem Blindleistungswert Null verglichen. Hierbei entsteht eine Blindleistung dann, wenn eine Phasenverschiebung zwischen den Eingangsspannungen u1, u2 und u3 sowie den Eingangsströmen i1, i2 und i3 existiert. Durch die Regelung auf Wechselgrößen besteht zwischen Stromistwert und Stromsollwert grundsätzlich eine Phasenverschiebung. Ein Blindleistungsregler 100 erzeugt einen Phasenwinkel φ welcher den Sollwert der Netzströme so in der Phase verschiebt, dass keine Blindleistung aufgenommen wird. Dabei weist die Regelungsschaltung 80 durch die Möglichkeit der Verwendung von sehr hohen Schaltfrequenzen eine hohe Regelungsdynamik bei einem gleichzeitig sehr stabilen Regelungsverhalten auf. In den hier gezeigten Simulationsdaten wird beispielsweise eine Schaltfrequenz f0 des Eingangsstromrichters 30 von 83kHz verwendet, was eine Nutzung von SIC-Bauelementen bei einem vereinfachten Aufbau der Stromrichterschaltung 10 erlaubt.
  • Die 13 zeigt einen Zeitverlauf der Eingangsspannungen u1, u2 und u3 und der Eingangsströme i1, i2 und i3, sowie der aufgenommenen Wirkleistung p(t) und Blindleistung q(t) bei einem Sollwertsprung des Netzstromes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird deutlich, dass die Regelungsschaltung 80 den Eingangsstromrichter 30 der Stromrichterschaltung derart regelt, dass schon kurz nach dem Sollwertsprung die aufgenommene Blindleistung q(t) wieder bei null ist. Zur besseren Darstellbarkeit wurde für die Simulation in 13 eine Netzfrequenz des einspeisenden Netzes von 500Hz gewählt.
  • Die 14 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichterschaltungssystems 1 mit einer Mehrzahl j von parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei werden die oben beschriebenen Ausführungsformen der Stromrichterschaltung 10 parallel zwischen dem Wechselstromnetz 20 und dem Akkumulator 70 konfiguriert. Diese Parallelschaltung ist durch die Potentialtrennung in der Ausgangsstufe der einzelnen Stromrichterschaltungen 10 möglich. Dabei werden die Pulsmuster der Eingangsstromrichter 30 der parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen 10 bei gleicher Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 jeweils bezüglich ihrer Periodendauer T0 um einen Phasenwinkel 2π/j zueinander verschoben. Bei der phasenverschobenen Schaltabfolge der parallelen Stromrichterschaltungen 10 kann zudem, bei gleicher Baugröße der Eingangsinduktivitäten LE, die Welligkeit der Eingangsströme i1, i2 und i3 reduziert werden. Bei einer Optimierung der Welligkeit ist es dabei möglich, die Baugröße der Eingangsinduktivitäten LE weiter zu verkleinern.
  • Die 15 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen i1 in einem Stromrichterschaltungssystem 1 mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen 10 mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei zeigt die 15a den parallelen zeitlichen Verlauf von drei einzelnen Eingangsströmen i1 von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 in einem Diagramm, wobei die Eingangsströme i1 der parallelen Stromrichterschaltungen 10 durch phasenverschobene Schaltung der Eingangsstromrichter 30 erzeugt werden. Die 15b zeigt nun den kombinierten Eingangsstrom i1 des Stromschaltungssystems 1 bestehend aus den drei addierten Eingangsströmen i1 der parallelen, phasenversetzt geschalteten Eingangsstromrichter 30, deren Amplitude noch durch die Anzahl drei der parallelen Stromrichterschaltungen 10 geteilt wurde. Der zeitliche Versatz der Phasen ergibt sich dabei zu T0/3. 15c zeigt den kombinierten Eingangsstrom i1 eines Stromschaltungssystems 1 bestehend aus sechs parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10. Der zeitliche Versatz der Phasen ergibt sich dabei zu T0/6. Hierbei wird im Vergleich zu 15b deutlich, dass durch eine höhere Anzahl parallel geschalteter Stromrichterschaltungen 10 die Welligkeit des kombinierten Eingangsstrom i1 reduziert werden kann.
  • Die 16 zeigt einen Zeitverlauf von Ausgangsströmen iout in einem Stromrichterschaltungssystem 1 mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen 10 mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei zeigt die 16a, vergleichbar zur 15a, den parallelen zeitlichen Verlauf von drei einzelnen Ausgangsströmen iout von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 in einem Diagramm. 16b zeigt dann die Addition der drei einzelnen Ausgangsströme iout aus 16a. In 16c ist wiederum, vergleichbar zu 15c, die Addition von sechs einzelnen Ausgangsströmen iout eines Stromschaltungssystems 1 bestehend aus sechs parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 zu sehen. Auch hier wird durch eine höhere Anzahl parallel geschalteter Stromrichterschaltungen 10 die Welligkeit des kombinierten Ausgangsstroms iout reduziert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stromrichterschaltungssystem
    10
    Stromrichterschaltung
    20
    Wechselstromnetz
    30
    Eingangsstromrichter
    40
    Schwingkreisstromrichter
    42
    Schutzdioden
    50
    Transformator
    60
    Gleichrichterbrücke
    70
    Akkumulator
    80
    Regelungsschaltung
    82
    Raumzeiger-Wandler
    84
    Reziprog-Wandler
    86
    erste Multiplikatoren
    88
    zweite Multiplikatoren
    90
    Stromsollwert-Phasenverschiebeeinheit
    92
    Vergleichsglied
    94
    αβ-Stromregler
    96
    Störgrößenaufschaltung
    98
    Blindleistungsberechnungseinheit
    100
    Blindleistungsregler
    LE
    Eingangsinduktivität des Eingangsstromrichters
    Cp
    Schwingkreiskondensator
    CG
    Glättungskondensator
    Lh
    Hauptinduktivität des Transformators
    i1..n
    Eingangsstrom der n-ten Phase eines Wechselstromnetzes
    u1..n
    Eingangsspannung der n-ten Phase eines Wechselstromnetzes
    IDC
    pulsförmiger Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters
    UDC
    pulsförmige Ausgangsspannung des Eingangsstromrichters
    ia,b,c
    Schwingkreisströme in den m-Phasen des Schwingkreisstromrichters
    iha,hb,hc
    Ströme durch die Hauptinduktivitäten in den m-Phasen
    ua,b,c
    Spannungen zwischen der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters
    uab,bc,ca
    Sekundärseitige Ausgangsspannungen am Transformator
    u0-
    Spannung zwischen Sternpunkt des Transformators und negativen Ast des Eingangsstromrichters
    iout
    Ausgangsstrom der Stromrichterschaltung
    uout
    Ausgangsspannung der Stromrichterschaltung
    uNα,β
    αβ-Komponenten der Eingangsspannungsraumzeiger
    uNα,βsoll
    Sollwerte der αβ-Komponenten der Eingangsspannungsraumzeiger
    iNα,β
    αβ-Komponenten der Eingangsstromraumzeiger
    iNα,βsoll
    Sollwerte der αβ-Komponenten der Eingangsstromraumzeiger
    ûN
    reziproker Betrag der αβ-Komponenten des Eingangsspannungsraumzeigers
    îNsoll
    Stromsollwert
    uSRα,βsoll
    Sollregelspannung zur Pulsmustererzeugung im Eingangsstromrichter
    φ
    Phasenwinkel
    Q
    Blindleistung
    p(t)
    aufgenommene Wirkleistung
    q(t)
    aufgenommene Blindleistung
    n
    Anzahl der Eingangsphasen des Eingangsstromrichters
    m
    Anzahl der Phasen des Schwingkreisstromrichters und des Transformators
    j
    Anzahl der parallel geschalteten Stromrichterschaltungen
    f0
    Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz
    T0
    Periodendauer bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0
    f0/m
    Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz

Claims (10)

  1. Stromrichterschaltung (10) zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung (uout), aufweisend: einen schaltbaren Eingangsstromrichter (30); einen schaltbaren Schwingkreisstromrichter (40); einen m-phasigen Transformator (50); und eine Gleichrichterbrücke (60); wobei der Eingangsstromrichter (30) konfiguriert ist mit einem n-phasigen Stromnetz (20) verbunden zu werden und bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 aus n Eingangsströmen (i1; i2; i3) einen pulsförmigen Ausgangsstrom (IDC) zu erzeugen; wobei der Schwingkreisstromrichter (40) m Phasen aufweist und konfiguriert ist, den pulsförmigen Ausgangsstrom (IDC) des Eingangsstromrichters (30) in jeder der m Phasen bei einer Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz f0/m in einen Schwingkreisstrom (ia; ib; ic) umzuwandeln; wobei die m Schwingkreisströme (ia; ib; ic) in den m Phasen jeweils im Phasenwinkel zueinander verschoben sind; wobei jede der m Phasen des Schwingkreisstromrichters (40) einen Schwingkreiskondensator (Cp) aufweist und mit einer Hauptinduktivität (Lh) der m-ten Phase des Transformators (50) jeweils einen Parallelschwingkreis bildet; wobei jeweils der Schwingkreiskondensator (Cp) der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters (40) konfiguriert ist, einen Magnetisierungsstrom für die m-te Phase des Transformators (50) bereitzustellen und der Transformator (50) konfiguriert ist m sekundärseitige Ausgangsspannungen (uab; ubc; uca) potentialgetrennt von der Primärseite des Transformators (50) zu erzeugen; wobei die m Phasen des Transformators (50) sekundärseitig mit der Gleichrichterbrücke (60) verbunden sind und die Gleichrichterbrücke (60) konfiguriert ist, die m sekundärseitige Ausgangsspannungen (uab; ubc; uca)des Transformators (50) gleichzurichten und an einem Ausgang die potentialgetrennte Gleichspannung (uout) zu erzeugen; und wobei n eine positive ganze Zahl ist und wobei m eine positive ganze Zahl größer gleich 2 ist.
  2. Stromrichterschaltung (10) nach Anspruch 1, wobei die Stromrichterschaltung (10) mit einem 3-phasigen Wechselstromnetz (20) verbindbar ist; und/oder wobei der Schwingkreisstromrichter (40) und der Transformator (50) drei Phasen aufweisen und optional die Hauptinduktivitäten (Lh) des Transformators (50) sternförmig oder in einer Dreiecks-Anordnung konfiguriert sind.
  3. Stromrichterschaltung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromrichterschaltung (10) zwischen dem Eingangsstromrichter (30) und den m Phasen des Schwingkreisstromrichters (40) jeweils eine Schutzdiode (42) aufweist; und/oder wobei der pulsförmige Ausgangsstrom (IDC) des Eingangsstromrichters (30) konfiguriert ist eine Stromstärke von 0 A aufzuweisen, wenn die m Phasen des Schwingkreisstromrichters (40) jeweils geschaltet werden.
  4. Stromrichterschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die m Hauptinduktivitäten (Lh) des m phasigen Transformators (50) jeweils über einen Luftspalt einstellbar sind; und/oder wobei die Gleichrichterbrücke (60) als Mittelpunkt-Schaltung oder als B6-Gleichrichterbrücke konfiguriert ist.
  5. Stromrichterschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Eingangsstromrichter (30) eine Regelungsschaltung (80) aufweist, und die Regelungsschaltung (80) konfiguriert ist Pulsmuster zum Schalten des Eingangsstromrichters (30) zu erzeugen; und wobei die Pulsmuster den Eingangsstromrichter (30) derart regeln, dass die Blindleistung (Q) des Eingangsstromrichters (30) minimiert wird.
  6. Stromrichterschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 der Stromrichterschaltung (10) zur Optimierung von Überspannungen und Wirkungsgrad oder zum Ausgleich von Parameterabweichungen vor oder während des Betriebes angepasst werden kann.
  7. Stromrichterschaltungssystem (1) zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung (uout), aufweisend: eine Mehrzahl j von Stromrichterschaltungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; wobei die Mehrzahl j von Stromrichterschaltungen (10) parallel zueinander angeordnet sind, und wobei j eine positive ganze Zahl größer 1 ist.
  8. Stromrichterschaltungssystem (1) nach Anspruch 7, wobei die Mehrzahl j von Stromrichterschaltungen (10) derart konfiguriert sind, dass die Pulsmuster der Eingangsstromrichter (30) der parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen (10) bei gleicher Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz f0 jeweils bezüglich ihrer Periodendauer T0 um einen Phasenwinkel 2π/j zueinander verschoben sind.
  9. Verwendung einer Stromrichterschaltung (10) oder eines Stromrichterschaltungssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung (uout).
  10. Verfahren zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung (uout) durch eine Stromrichterschaltung (10), wobei die Stromrichterschaltung (10) einen m-phasigen Schwingkreisstromrichter (40) mit einem Schwingkreiskondensator (Cp) pro Phase und einen m-phasigen Transformator (50) aufweist, wobei der Schwingkreiskondensator (Cp) der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters (40) mit einer Hauptinduktivität (Lh) der m-ten Phase des Transformators (50) jeweils einem Parallelschwingkreis bildet, und wobei das Verfahren aufweist: Empfangen von n Eingangsströmen (i1; i2; i3); Erzeugen eines pulsförmigen Stroms (IDC) bei einer Schaltfrequenz f0 aus den n Eingangsströmen (i1; i2; i3); Umwandeln des pulsförmigen Stroms (IDC) in m Schwingkreisströme (ia; ib; ic) bei jeweils einer Schaltfrequenz f0/m, wobei die Schwingkreisströme (ia; ib; ic) in ihrem Phasenwinkel zueinander verschoben sind; Bereitstellen jeweils eines Magnetisierungsstroms für die m-te Phase des Transformators (50) durch den Schwingkreiskondensator (Cp) der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters (40); Erzeugen von m sekundärseitigen Ausgangsspannungen (uab; ubc; uca), welche potentialgetrennt zur Primärseite des Transformators (50) sind; Gleichrichten der m sekundärseitigen Ausgangsspannungen (uab; ubc; uca) des Transformators (50); und Erzeugen der potentialgetrennte Gleichspannung (uout); und wobei n eine positive ganze Zahl ist und wobei m eine positive ganze Zahl größer gleich 2 ist.
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