DE202009004186U1 - Spannungswandler - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Spannungswandlung (1), mit einem Eingang (9) zum Einspeisen der zu wandelnden Gleichspannung, mindestens zwei Invertern (3, 5) und mindestens zwei separaten Ausgängen an denen jeweils eine Wechselspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, das mindestens zwei Inverter (3, 5) derart verschaltet sind, daß sich die mindestens zwei Inverter (3, 5) einen gemeinsamen Gleichspannungskondensator (2) teilen, wobei der Eingang (9) über den Gleichspannungskondensator (2) mit den mindestens zwei Invertern (3, 5) mittelbar/unmittelbar verschaltet ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungswandlung, mit einem Eingang zum Einspeisen der zu wandelnden Gleichspannung, mindestens zwei Invertern und mindestens zwei separaten Ausgängen an denen jeweils eine Wechselspannung anliegt.
- Ein solcher Spannungswandler besteht aus einem Gerät, das eine elektrische Spannung in eine andere übersetzt. Je nach Spannung und Aufgabe ist ein komplett unterschiedlicher Aufbau des Spannungswandlers vorausgesetzt. Dabei wird die Definition bzw. der Aufbau eines solchen Spannungswandlers in Abhängigkeit der am Spannungswandler anzuliegenden Art von Eingangs- bzw. Ausgangsspannung aufgestellt.
- Einer bestimmten Kategorie von Spannungswandlern gehören die Wechselrichter an. Ein Wechselrichter, im allgemeinen oftmals als Inverter bezeichnet, ist ein elektrisches Gerät, das eine am Eingang angelegte Gleichspannung in eine Wechselspannung bzw. einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umrichtet. Dabei kann die umgerichtete Wechselspannung an den Ausgängen des Gerätes abgegriffen werden. Wechselrichter können je nach Schaltung sowohl für die Erzeugung von einphasigem Wechselstrom als auch für die Erzeugung von dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) ausgelegt sein. Das Anwendungsgebiet der Wechselrichter bzw. Inverter wird im allgemeinen als Leistungselektronik bezeichnet, welche die Umformung elektrischer Energie mit elektronischen Bauelementen zur Aufgabe hat. Dabei ermöglicht die Leistungselektronik vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform, die Höhe von Spannung und Strom sowie der Frequenz. Speziell in der Antriebstechnik findet die Leistungselektronik überall dort Anwendung, wo Steuerungsmöglichkeiten gesucht werden, um Betriebspunkte von elektrischen Maschinen flexibel einstellen zu können.
- Durch das steigende Bedürfnis nach immer kleineren, platzsparenden elektronischen Leistungsmodulen, um kleinere Schaltungen zu verwirklichen, wird ein wachsender Integrationsgrad einzelner Bauteile der Leistungselektronik erforderlich. Insbesondere bei Invertern ist die Nachfrage nach einer möglichst hohen Leistungsdichte der Schaltung vorhanden, was durch eine platzsparende bzw. eine hohe Integrationsdichte der Module erreicht wird.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, dem Fachmann eine Vorrichtung zur Spannungswandlung an die Hand zu geben, die in ihren leistungselektronischen Eigenschaften Verbesserungen mit sich bringt, sowie einen hohen Integrationsgrad der Schaltung aufweist.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Es wird also eine Vorrichtung zur Spannungswandlung vorgeschlagen, mit einem Eingang zum Einspeisen der zu wandelnden Gleichspannung, mindestens zwei Invertern und mindestens zwei separaten Ausgängen, an denen jeweils eine Wechselspannung anliegt, wobei die mindestens zwei Inverter derart verschaltet sind, daß sich die mindestens zwei Inverter einen gemeinsamen Gleichspannungskondensator teilen, wobei der Eingang über den Gleichspannungskondensator mit den mindestens zwei Invertern mittelbar/unmittelbar verschaltet ist. Durch eine derartige Vorrichtung kann eine anliegende Gleichspannung, das heißt eine vorhandene Gleichstromquelle wie beispielsweise Akkumulatoren oder Supcercapskondensatoren, in mindestens zwei voneinander unabhängige Wechselspannungen umgerichtet werden. Nach dem Stand der Technik haben bekannte Inverter regelmäßig an ihrem Eingang einen Gleichspannungskondensator geschaltet, der zur Glättung der angelegten Gleichspannung dient. Dabei werden die Gleichspannungskondensatoren oftmals so groß dimensioniert, daß die Spannungsschwankungen soweit wie möglich ausgleichbar sind. Erfindungsgemäß teilen sich die mindestens zwei Inverter einen gemeinsamen Gleichspannungskondensator zur Glättung der am Kondensator anliegenden Gleichspannung. Dabei ist der Eingang der Vorrichtung zur Spannungswandlung mit dem gemeinsamen Gleichspannungskondensator verschaltet und die mindestens zwei Inverter werden durch die geglättete Gleichspannung aus dem Gleichspannungskondensator gespeist. Insgesamt bildet die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungswandlung eine hoch integrierte und platzsparende Lösung der Leistungselektronik an, die dadurch eine hohe Leistungsdichte ermöglicht.
- Vorteilhafterweise umfassen die mindestens zwei Inverter Halbleiter-Module zur Umrichtung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, welche nach dem Stand der Technik dem Fachmann bekannt sind. Die Halbleiter-Module stellen dabei einen IC (Integrated Circuit) dar, der die Schaltstruktur eines wunschgemäßen Inverters beinhaltet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Art des ICs, d. h. die Schaltstruktur frei wählbar ist.
- Um der bei der Umrichtung der Gleichspannung in eine Wechselspannung entstehenden Hitzeentwicklung entgegenzuwirken, ist es denkbar, daß die mindestens zwei Inverter auf einer Kühlplatte angeordnet sind. Dadurch ist eine stetige Kühlung der einzelnen Inverter möglich, wodurch eine vorzeitige Zerstörung der Bauteile durch besagte Hitzeentwicklung vorgebeugt wird. Die Kühlplatte arbeitet dabei nach dem Prinzip einer Passivkühlung, wobei andere Vorgehensweisen zur Kühlung ebenfalls möglich sind.
- Eine Vorteilhafte Anordnung der mindestens zwei Inverter auf der Kühlplatte ergibt sich dadurch, daß die mindestens zwei Inverter auf gegenüberliegenden Oberflächen der Kühlplatte angeordnet sind, wodurch eine platzsparende und besonders kompakte Bauweise erreicht wird. Ebenfalls lassen sich durch diese spezielle Bauweise ungewollt auftretende Effekte von parasitären Induktivitäten weitestgehend verhindern bzw. minimieren. Solche parasitären Induktivitäten, die meist im Zusammenspiel mit parasitären Kapazitäten auftreten, führen zu hohen Spannungsspitzen an den Ausgängen der Inverter, woraus Probleme an oder gar Schädigungen der angeschlossenen elektrischen Verbraucher entstehen können.
- Besonders vorteilhaft ist, wenn sich die Kühlplatte und die daran angeordneten Inverter auf einer vertikalen Ebene orientiert. Durch die vertikale Anordnung der Inverter und der Kühlplatte verbessert sich die Wasserbeständigkeit einer solchen Vorrichtung, da das Wasser auf seinen natürlichen Bahnen nach unten hin entlang der vertikal ausgerichteten Kühlplatte und Inverter abfließen bzw. abtropfen kann.
- In einer Ausführungsvariante ist es vorgesehen, daß der gemeinsame Gleichspannungskondensator mit der Kühlplatte derart angeordnet ist, daß sich ein rechter Winkel ergibt. Dabei kann die genannte Kühlplatte mittig auf oder unterhalb des gemeinsamen Gleichspannungskondensators in einem rechten Winkel zum Gleichspannungskondensator angeordnet sein.
- Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung ist dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Gleichspannungskondensator auf einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist. In einer möglichen Variante ist dabei die Kühlplatte unterhalb des Gleichspannungskondensators mittig in einem rechten Winkel angeordnet, wodurch der Gleichspannungskondensator als eine Art Dach zum Schutz der Inverter und der Kühlplatte fungiert.
- Um eine problemlose Versorgung der Inverter mit der Gleichspannung aus dem Gleichspannungskondensator zu gewährleisten, ist es von Vorteil, daß der gemeinsame Gleichspannungskondensator über Stromschienen mit den mindestens zwei Invertern elektrisch verbunden ist. Die Stromschienen bieten dabei eine unbewegliche, feste elektrische Leitung vom Gleichspannungskondensator zu den mindestens zwei Invertern.
- Nach einer erfindungsgemäßen Realisierungsvariante der Vorrichtung zur Spannungswandlung ist durch die Wandlung mindestens eine einphasige Wechselspannung an mindestens einem Ausgang der Vorrichtung erzeugbar. Die Spannungshöhe, die Frequenz der Wechselspannung und weitere Parameter sind von der Art der gewählten Inverter und deren Bauteildimensionierung abhängig. Es besteht die Möglichkeit, daß an allen Ausgängen der Vorrichtung durch die Verwendung von baugleichen Invertern dieselbe Wechselspannung anliegt, sowie durch die Verwendung unterschiedlicher Invertertypen verschiedene einphasige Wechselspannungen an den Ausgängen bereitzustellen. Die Ausgänge bestehen dabei aus mindestens einem Pol, der die gewünschte Phase der Wechselspannung führt und optional aus einem zweiten Pol, der entweder ein vordefiniertes Spannungspotential zur Verfügung stellt oder beispielsweise das Erdpotential darstellt.
- Vorteilhafterweise ist durch die Wandlung der Vorrichtung zur Spannungswandlung mindestens eine dreiphasige Wechselspannung an mindestens einem Ausgang der Vorrichtung erzeugbar. Hierbei gilt ebenfalls, daß an mindestens einem, mehreren oder allen Ausgängen der Vorrichtung dreiphasige Wechselspannungen bereitstellbar sind. Dabei besteht mindestens ein Ausgang der Vorrichtung zur Spannungswandlung aus mindestens drei Polen, die jeweils eine Phase der dreiphasigen Wechselspannung zur Verfügung stellen. Optional kann noch ein weiterer Pol vorhanden sein, um das Erdpotential oder ein vordefiniertes Referenzpotential zur Verfügung zu stellen.
- Durch die Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung an den Ausgängen der Vorrichtung ist ein Wechselstrom bzw. Drehstrommotor betreibbar. Dabei ist es möglich, daß an den wenigstens zwei Ausgängen der Vorrichtung ein Wechselstrom bzw. Drehstrommotor angeschaltet ist, wobei der Motor mehrere Windungen aufweist, die mit jeweils einem Ausgang eines Inverters der Vorrichtung verschaltet sind und dadurch jeweils mit einer 3-phasigen Wechselspannung speisbar sind.
- Die an den Ausgängen anliegenden Wechselspannungen können dabei identische oder verschiedene Wechselspannungs-Parameter aufweisen. Die jeweiligen Wechselspannungsparameter hängen dabei von der entsprechenden Bauteildimensionierung der verwendeten Inverter ab. Dabei bleibt zu erwähnen, daß die Möglichkeit geboten ist, entweder gleichartige oder verschiedene Inverter zur Realisierung der Vorrichtung zur Spannungswandlung zu verwenden. Dadurch sind an den Ausgängen der Vorrichtung zur Spannungswandlung verschiedene, voneinander unabhängige Wechselspannungen an den jeweiligen Ausgängen der Vorrichtung erzeugbar.
- Die vorliegende Erfindung soll nun anhand von Ausgestaltungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
-
1 : den mechanischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung in einer dreidimensionalen Darstellung, -
2 : den mechanischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung in einer Draufsicht und -
3 : ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung für ein mögliches Anwendungsgebiet. - In
1 ist der mechanische Aufbau einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung1 dargestellt. Die Vorrichtung zur Spannungswandlung1 weist dabei einen Gleichspannungskondensator2 in Form eines Quaders auf, wobei die Flächen mit größtem Flächenanteil2a ,2b des Gleichspannungskondensators2 auf einer horizontalen Ebene im Raum liegen. - Des weiteren ist eine ebenfalls quaderförmige Kühlplatte
4 an der Unterseite des Gleichspannungskondensators2 in einem rechten Winkel angeordnet. Die Kühlplatte4 erstreckt sich dabei mit ihren zwei größten Seitenflächen4a ,4b entlang einer vertikalen Ebene senkrechte zur horizontalen Ebene des Gleichspannungskondensators2 . Vereinfacht bilden der Gleichspannungskondensator2 und die Kühlgatte4 ein dreidimensionales T-förmiges Gebilde. Auf den beiden größten, entlang der vertikalen Ebene liegenden Seitenflächen4a ,4b der Kühlplatte4 werden die beiden Inverter3 und5 angeordnet. Dabei sind die beiden Inverter3 und5 als Halbleiterbausteine ausgebildet, die ebenfalls mit einer quaderförmigen Ausformung beschrieben werden können. Die beiden Inverter3 ,5 werden auf den gegenüberliegenden Flächen4a ,4b der Kühlplatte4 befestigt und sind dadurch zusätzlich durch den Gleichspannungskondensator2 , der als eine Art Dach für die beiden Inverter3 ,5 dient, vor äußeren, von oben kommenden Einflüssen geschützt. Durch den derartigen Aufbau der Vorrichtung zur Spannungswandlung können ebenfalls Effekte wie parasitäre Induktivitäten, die ungewollte Spannungsspitzen in der ausgehenden Spannung hervorrufen, weitestgehend minimiert werden. - In
2 ist zur weiteren Erläuterung der Vorrichtung zur Spannungswandlung1 eine Draufsicht auf diese abgebildet. Dabei ist deutlich zu erkennen, daß die beiden Inverter3 und5 auf den gegenüberliegenden Flächen der Kühlplatte4 angeordnet werden. Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Gleichspannungskondensator2 und Inverter3 ,5 dienen sogenannte Stromschienen6 , welche als elektrische, unbewegliche Leiter zwischen Gleichspannungskondensator2 und Inverter3 und5 vorgesehen sind. - Durch die vertikale Anordnung der beiden Inverter
3 und5 kann die Wasserbeständigkeit der Vorrichtung zur Spannungswandlung1 weiter verbessert werden, da eintropfendes oder einfließendes Kondenswasser in die Vorrichtung1 auf natürlichem Weg entlang der Inverter3 und5 nach unten ablaufen bzw. abtropfen kann. Ebenfalls wird die T-förmige Struktur der Vorrichtung zur Spannungswandlung1 nochmals in2 verdeutlicht und der positive Nebeneffekt der horizontalen Anordnung des Gleichspannungskondensators2 als eine Art Dach zum Schutz der Kühlplatte4 und der beiden Inverter3 ,5 vor äußeren Einflüssen zur wirken, klar ersichtlich. -
3 zeigt ein schematisches Schaltbild der Ausgestaltung der Vorrichtung zur Spannungswandlung1 aus den1 und2 . Dabei besteht die Vorrichtung1 aus einem zweipoligen Eingang9 an dem die zu wandelnde Gleichspannung eingespeist wird. Die beiden Eingänge9 sind dabei mit den beiden Kontakten des Gleichspannungskondensators2 verschaltet. Die beiden Inverter3 und5 werden ebenfalls mit den beiden Kontakten des Gleichspannungskondensators2 verbunden. Die Anordnung der beiden Inverter3 und5 kann deshalb durch zwei jeweilige Parallelschaltungen der einzelnen Inverter zum Gleichspannungskondensator2 beschrieben werden. Die an den beiden Invertern3 und5 anliegende Gleichspannung wird von den beiden Halbleiterbausteinen jeweils in eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet. Aus diesem Grund sind an den beiden Invertern3 und5 jeweils drei Pole3a ,3b ,3c und5a ,5b ,5c als Ausgänge ausgebildet, die jeweils eine Phase der dreiphasigen Wechselspannung führen. - Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung
1 aus3 dient zum Betrieb eines Drehstrommotors7 , dessen zwei Windungen8 mit Energie zum Betrieb versorgt werden müssen. Dabei ist jeweils eine Windung8 mit den jeweils drei Polen3a ,3b ,3c oder5a ,5b ,5c einer der beiden Inverter3 oder5 verschaltet und mit Drehstrom versorgt.
Claims (13)
- Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ), mit einem Eingang (9 ) zum Einspeisen der zu wandelnden Gleichspannung, mindestens zwei Invertern (3 ,5 ) und mindestens zwei separaten Ausgängen an denen jeweils eine Wechselspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, das mindestens zwei Inverter (3 ,5 ) derart verschaltet sind, daß sich die mindestens zwei Inverter (3 ,5 ) einen gemeinsamen Gleichspannungskondensator (2 ) teilen, wobei der Eingang (9 ) über den Gleichspannungskondensator (2 ) mit den mindestens zwei Invertern (3 ,5 ) mittelbar/unmittelbar verschaltet ist. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der mindestens zwei Inverter mittel bar/unmittelbar mit jeweils einem Ausgang der mindestens zwei Ausgänge der Vorrichtung (1 ) verbunden sind. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverter (3 ,5 ) Halbleiter-Module umfassen. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Inverter (3 ,5 ) auf einer Kühlplatte (4 ) angeordnet sind. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Inverter (3 ,5 ) auf jeweils einer Seite der Kühlplatte (3 ,5 ) angeordnet sind. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kühlplatte (4 ) auf einer vertikalen Ebene erstreckt. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (4 ) in einem rechten Winkel senkrecht zum gemeinsamen Gleichspannungskondensator (2 ) angeordnet ist. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Gleichspannungskondensator (2 ) auf einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Gleichspannungskondensator (2 ) über Stromschienen (6 ) mit den mindestens zwei Invertern (3 ,5 ) verschaltet ist. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wandlung mindestens eine 1-phasige Wechselspannungen an mindestens einem Ausgang der Vorrichtung (1 ) erzeugbar ist. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wandlung mindestens eine 3-phasige Wechselspannungen an mindestens einem Ausgang der Vorrichtung (1 ) erzeugbar sind. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den wenigstens zwei Ausgängen der Vorrichtung ein Wechselstrom/Drehstrommotor (7 ) angeschaltet ist, wobei der Motor mehrere Windungen (8 ) aufweist, die mit jeweils einem Ausgang (3a ,3b ,3c ,5a ,5b ,5c ) eines Inverters der Vorrichtung verschaltet sind. - Vorrichtung zur Spannungswandlung (
1 ) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ausgängen anliegenden Wechselspannungen identische oder verschiedene Wechselspannungs-Parameter aufweisen.
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