AT523576A1 - Umrichteranordnung - Google Patents

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AT523576A1 ATA50173/2020A AT501732020A AT523576A1 AT 523576 A1 AT523576 A1 AT 523576A1 AT 501732020 A AT501732020 A AT 501732020A AT 523576 A1 AT523576 A1 AT 523576A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis, in eine N-phasige Wechselspannung, beispielsweise zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine, umfassend eine geschaltete Wechselrichtereinheit (1), die für jede der N Phasen eine Zahl M elektronisch steuerbarer Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) umfasst, wobei M größer eins ist, eine die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) ansteuernde Steuerungseinheit (3), die dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) phasenversetzt mit einer Schaltfrequenz fT zu aktivieren, wobei die Phasen zur Dämpfung von elektrischen Gleichtaktstörungen an jeweils eine Wicklung (5, 5‘, 5‘‘) einer Gleichtaktdrossel (10) mit einem gemeinsamen magnetischen Kern angeschlossen sind, und wobei die Ausgänge der Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘), welche dieselbe Phase versorgen, jeweils über Interleaving-Drosseln (4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) zusammengeschaltet sind, wobei am Ausgang der Interleaving-Drosseln (4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) unter Bildung einer ersten LC- Filterstufe (8) eine erste widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung (6) vorgesehen ist und am Ausgang der Gleichtakt-Drosseln (5, 5‘, 5‘‘) unter Bildung einer zweiten LC- Filterstufe (9) eine zweite widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung (7) vorgesehen ist.

Description

Umrichteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis, in eine N-phasige Wechselspannung oder
umgekehrt.
Umrichteranordnungen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Diese verwenden in der Regel geschaltete Wechselrichter mit Halbleiter-Brückenschaltungen, die durch ein Modulationsverfahren, beispielsweise eine Pulsweitenmodulation (PWM), eine Sinus-Wechselspannung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz (einige kHz bis über 20 kHz) nachbilden. Derartige Wechselrichter werden auch als Sinus-Wechselrichter bezeichnet. Die Halbleiterschalter schalten die Gleichspannung mit hoher Frequenz ein und aus; der Mittelwert der hochfrequenten, pulsweitenmodulierten Schaltfrequenz ist die Ausgangs-Wechselspannung. Die Ausgangs-Wechselspannung setzt sich somit aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammen und nähert so einen netzüblichen
sinusförmigen Spannungsverlauf an.
Derartige Umrichteranordnungen eigenen sich für vielfältige industrielle Anwendungen. Beispielsweise kann aus einem Gleichspannungsquelle, üblicherweise einer Batterie, ein Inselnetz mit mehrphasiger Wechselspannung zur Verfügung gestellt werden, etwa in Form einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV).
Auch industrielle Anwendungen sind denkbar, beispielsweise zum unabhängigen Betrieb einer Fertigungsstraße. Ferner finden derartige Umrichteranordnungen auch
Anwendung bei Prüfständen für elektrisch und/oder konventionell angetriebene Fahrzeuge.
In derartigen Prüfständen wird elektrische Leistung über einen GleichspannungsZwischenkreis zur Verfügung gestellt, und Maschinenumrichter wandeln die Gleichspannung in die für die jeweilige elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor, benötigte Wechselspannung um.
Insbesondere bei Prüfständen, aber auch bei anderen, insbesondere industriellen Anwendungen, sind diese Umrichteranordnungen meist auch für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt, das heißt sie ermöglichen sowohl einen elektrischen Leistungsfluss von der Gleichspannungsseite in die Wechselspannungsseite, als auch umgekehrt. Dies wird unter anderem durch die Verwendung bidirektionaler geschalteter Wechselrichter, sogenannter Active-Front-End-Umrichter, ermöglicht.
Aufgrund der bei Prüfständen hohen erforderlichen Leistung von meist über 100 kW und der hohen Gleichspannung von meist über 500 V sind die Umrichteranordnungen jedoch in der Regel zu groß, um sie beispielsweise direkt an einer anzutreibenden elektrischen Belastungsmaschine des Prüfstands (zB einem Dynamometer) anzuordnen. Folglich sind längere elektrische Zuleitungen erforderlich. Außerdem können durch die hochfrequenten Schaltvorgänge der Pulsweitenmodulation hochfrequente Störungen in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis des Prüfstands entstehen, und gegebenenfalls auch Rippelströme in einer Netzleitung oder einer angeschlossenen elektrischen Maschine.
Diese Störungen führen zu einem Verstoß gegen Vorschriften betreffend EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) und können auch Rippelmomente in einer angetriebenen elektrischen Maschine bewirken,, was verhindert werden soll.
Zur Vermeidung dieser hochfrequenten Störungen sind EMV-Netzfilter bekannt. Diese
werden im Stand der Technik in den Phasen des Wechselspannungsnetzes angeordnet. Derartige Netzfilter sind jedoch aufgrund der verwendeten LC-
Komponenten verhältnismäßig groß und erschweren somit wiederum eine kompakte
Bauweise der Umrichteranordnung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, mindestens eines dieser Probleme zu lösen und eine kompakte Umrichteranordnung zur Verfügung zu stellen, die beispielsweise als lokaler Netzumrichter in einem Prüfstand für Fahrzeuge oder in anderen Anwendungen, beispielsweise einem lokalen Inselnetz oder einer USV, eingesetzt werden kann. Dabei soll die Erzeugung hochfrequenter Störungen vermieden oder auf ein Minimum
reduziert werden.
Diese und andere Aufgaben werden durch eine Umrichteranordnung nach Anspruch 1
gelöst.
Eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung ist zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine N-phasige Wechselspannung oder umgekehrt ausgeführt. Diese kann insbesondere aktiv geschaltete Gleich- oder Wechselrichter umfassen (sog. Active-Front-End-Umrichter), die zur Energierückspeisung, also zu einem bidirektionalen Betrieb, geeignet sind. Es ist zu beachten, dass die Flussrichtung der zwischen Gleich- und Wechselspannungsseite übertragenen elektrischen Leistung für die vorliegende Erfindung nicht von Relevanz ist.
Bei der Verwendung als Wechselrichter kann die Gleichspannung von einer Gleichspannungsquelle bereitgestellt werden, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis, und die Wechselspannung kann zur Versorgung einer N-phasigen elektrischen Maschine ausgeführt sein.
Es sind aber auch andere Anwendungsfälle geschalteter Umrichter erfindungsgemäß vorgesehen.
Erfindungsgemäß umfasst die Umrichteranordnung eine geschaltete Wechselrichtereinheit, die für zumindest eine, vorzugsweise aber jede der N Phasen eine Zahl M elektronisch steuerbarer Halbbrücken aufweist, wobei M größer eins ist. Es ist ferner eine die Halbbrücken ansteuernde Steuerungseinheit vorgesehen, die dazu
ausgeführt ist, die Halbbrücken phasen- bzw. zeitversetzt mit einer im Wesentlichen gleichen Schaltfrequenz fr zu aktivieren.
Dadurch ergibt sich eine Erhöhung der Schaltfrequenz des PWM-Verfahrens um den Faktor M und es kann eine glattere und störungsfreiere Nachbildung eines Sinussignals auch bei hohen Spannungen und hohen Frequenzen erreicht werden.
Die Phasen sind zur Dämpfung von elektrischen Gleichtaktstörungen an jeweils eine Wicklung einer Gleichtaktdrossel mit einem gemeinsamen magnetischen Kern angeschlossen. Um Störungen zu reduzieren, sind die Ausgänge der Halbbrücken, welche dieselbe Phase versorgen, jeweils über Interleaving-Drosseln zusammengeschaltet. Mit anderen Worten, jene M Halbbrücken, die zur Versorgung einer der N Phasen vorgesehen sind, sind über M Interleaving-Drosseln auf einem gemeinsamen Eisenkern zusammengeschaltet. Dies hat den Vorteil, dass ein glatter Übergang zwischen den geschalteten Halbbrücken möglich ist und Störungen reduziert werden. Bei den Interleaving-Drosseln handelt es sich vorzugsweise um stromkompensierte Drosseln, das heißt, die Wicklungen sind gegensinnig auf einem
gemeinsamen Kern angeordnet.
Die Steuerungseinheit kann dazu ausgeführt sein, die Halbbrücken einer Phase jeweils für eine identische Einschaltdauer T zu aktivieren und die einer Phase zugeordneten M Halbbrücken jeweils um eine Zeitverzögerung von T/M verzögert zu aktivieren. Beispielsweise werden beim M=2 die beiden einer Phase zugeordneten Halbbrücken in diesen Ausführungsbeispielen um T/2 verzögert aktiviert.
Erfindungsgemäß sind zur Ableitung hochfrequenter Störungen eine erste LC-Filterstufe und eine zweite LC-Filterstufe vorgesehen. Die erste LC-Filterstufe ist durch die Interleaving-Drosseln und eine widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung gebildet. Die zweite LC-Filterstufe ist durch die Gleichtaktdrossel und eine widerstandsgedämpfte
Kondensatorschaltung gebildet.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die erste LC-Filterstufe durch die Interleaving-Drosseln und eine erste widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung
gebildet ist, und die zweite LC-Filterstufe durch die Gleichtaktdrossel und eine separate zweite widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung gebildet ist. Dabei ist die erste Kondensatorschaltung am Ausgang der Interleaving-Drosseln, also zwischen den Interleaving-Drosseln und der Gleichtaktdrossel, angeordnet, und die zweite
Kondensatorschaltung am Ausgang der Gleichtaktdrossel.
Erfindungsgemäß kann aber auch vorgesehen sein, dass die erste LC-Filterstufe durch die Interleaving-Drosseln und eine kombinierte widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung gebildet ist, und die zweite LC-Filterstufe durch die Gleichtaktdrossel und diese kombinierte widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung gebildet ist. In diesem Fall ist nur eine widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung für beide LC-Filterstufen vorgesehen; die kombinierte Kondensatorschaltung ist in diesem Fall zwischen den Interleaving-Drosseln und der Gleichtaktdrossel angeordnet.
Durch die Bildung zweier LC-Filterstufen ist es nicht erforderlich, ein separates Netzfilter vorzusehen; die ohnehin erforderlichen Interleaving-Drosseln und Gleichtakt-Drosseln sind erfindungsgemäß derart dimensioniert, dass Sie Störungen ableiten, die aufgrund
des geschalteten Wechselrichters entstehen.
Erfindungsgemäß sind insbesondere die an sich nicht benötigten Induktivitäten in Longitudinalrichtung, also die Longitudinalreaktanz der Interleaving-Drosseln bzw. die Streureaktanz der Gleichtakt-Drosseln derart dimensioniert, dass sich die gewünschte Filterwirkung ergibt. Es kann dadurch ermöglicht werden, dass keine weiteren EMVFilter erforderlich sind, um EMV-Normen wie DIN EN 55011 und DIN EN 61000 einzuhalten. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste LC-Filterstufe und die zweite LC-Filterstufe derart dimensioniert sind, dass ein Gesamtoberschwingungsgehalt (Klirrfaktor) in jeder Phase von 3% nicht überschritten wird.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass sich die Grenzfrequenz der ersten LCFilterstufe von der Grenzfrequenz der zweiten LC-Filterstufe unterscheidet. Insbesondere kann die Grenzfrequenz der ersten LC-Filterstufe kleiner sein als die Grenzfrequenz der zweiten LC-Filterstufe. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Grenzfrequenz einer, vorzugsweise der ersten LC-Filterstufe im Bereich der M-
fachen Schaltfrequenz fr liegt, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,8 x M x fT bis 1,2 x M x fT. Dadurch sorgt diese Filterstufe zur effizienten Ableitung von Störungen, die mit der M-fachen Schaltfrequenz auftreten.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Grenzfrequenz einer, vorzugsweise der zweiten LC-Filterstufe im Bereich eines Vielfachen der M-fachen Schaltfrequenz fr liegt, etwa im Bereich von 1 x M x fr, vorzugsweise 4 x M x ft bis 10 x M x ft oder darüber. Dadurch sorgt diese Filterstufe zur effizienten Ableitung von Oberschwingungen der Schaltfrequenz.
Die Phasenzahl N kann insbesondere gleich drei sein. Es sind aber auch Ausführungen mit einer einzigen Phase, also N=1, erfindungsgemäß vorgesehen; in diesem Fall ist eine geschaltete Phase L und ein geschalteter Nullleiter vorgesehen. Die Zahl der Halbbrücken je Phase M kann gleich zwei, drei, vier oder auch höher sein.
Die für die Filterstufen verwendeten Kondensatorschaltungen können in Form einer Sternschaltung von zumindest N Kondensatoren zwischen den N Phasen gebildet sein. Das heißt, dass für jede der N Phasen ein Kondensator und ein parallelgeschalteter
Widerstand vorgesehen ist, die in Sternschaltung zueinander angeordnet sind.
Die erste Kondensatorschaltung kann eine Kapazität von etwa 30 uF je Phase aufweisen. Die zweite Kondensatorschaltung kann eine Kapazität von etwa 11 uF je
Phase aufweisen. Diese Werte sind jedoch abhängig vom gewünschten Einsatzgebiet.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinheit dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken jeweils mit einer Schaltfrequenz fr von zumindest etwa 24 kHz bis etwa 33kHz anzusteuern. Effektiv ergibt dies aufgrund der phasenversetzten Ansteuerung der Halbbrücken somit eine Taktfrequenz auf jeder Phase von M x fr, bei einem beispielhaften Wert von M = 2 somit etwa 48 kHz bis etwa 66 kHz.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Gleichspannung etwa 850 V beträgt
und die Wechselrichtereinheit dazu ausgeführt ist, eine 3-phasige Netzspannung mit einer Amplitude von 400 V und einem Phasenstrom von 630 A bei einer Frequenz von
50 Hz, oder mit einer Amplitude von 480 V und einem Phasenstrom von 525 A bei einer
Frequenz von 60 Hz zu erzeugen.
Die Wicklungen der Gleichtaktdrosseln können jeweils etwa 4 Windungen aufweisen. Das Verhältnis der Induktivität (Longitudinalinduktivität) der Gleichtaktdrosseln zu ihrer Streuinduktivität kann bei etwa 200 oder darüber liegen.
Die Wicklungen der Gleichtaktdrosseln können bei einer Frequenz von etwa 48 kHz jeweils eine Induktivität von etwa 1,8 mH und eine Streuinduktivität von etwa 3,5 uH
aufweisen. Es sind jedoch auch andere Werte erfindungsgemäß vorgesehen.
Die Interleaving-Drosseln können als stromkompensierte Drosseln ausgeführt sein, das
heißt, ihre Wicklungen verlaufen gegensinnig auf einem gemeinsamen Kern.
Die Interleaving-Drosseln können insbesondere derart ausgeführt sein, dass sie keine bifilare Wicklung aufweisen, sodass Longitudinal- und Transversal-Reaktanz getrennt voneinander einstellbar ist. Das Verhältnis der Longitudinalinduktivität zur Transversalinduktivität der Interleaving-Drosseln kann in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 10000 liegen. Die Interleaving-Drosseln können insbesondere eine Longitudinalinduktivität von etwa 7,5 uH und eine Transversalinduktivität von etwa 1,94
mH aufweisen.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf einen aktiven Netzumrichter, umfassend eine erfindungsgemäße Umrichteranordnung mit einer AC-Seite (Netz-Seite) und einer DCSeite (Gleichspannungsseite). Der Netzumrichter kann insbesondere bidirektional
ausgebildet sein, also Leistungsfluss in beide Richtungen erlauben.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine industrielle Anwendung, beispielsweise einen Prüfstand, ein Inselnetz oder eine Fertigungsstraße, mit einem derartigen aktiven Netzumrichter, der insbesondere für einen bidirektionalen Betrieb zur Bereitstellung und Entgegennahme elektrischer Leistung ausgelegt ist.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Die Erfindung wird nun an Hand nicht-ausschließlicher Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
Fig. 1a — 1c zeigen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Umrichteranordnungen.
Fig. 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung Vae aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, einer Brennstoffzelle oder einem Gleichspannungszwischenkreis, in eine 3-phasige Wechselspannung (N = 3) mit den Phasen L1, L2, L3 zum Anschluss an ein Wechselspannungsnetz.
Zu diesem Zweck ist eine geschaltete Wechselrichtereinheit 1 vorgesehen. Diese umfasst einen aktiven Brücken-Wechselrichter mit sechs Halbbrücken 2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘, wobei jeweils eine Phase L1, L2, L3 über zwei Halbbrücken (M = 2) versorgt wird. Die Halbbrücken umfassen jeweils zwei elektronisch schaltbare Halbleiterschalter, die mit einer elektronischen Steuereinheit 3 verbunden sind. Die Halbleiterschalter sind in diesem Ausführungsbeispiel als SiC-Schalter ausgeführt und weisen eine hohe Spannungsfestigkeit auf. Die Steuereinheit 3 schaltet die Halbleiterschalter in einem Pulsweitenmodulations-Verfahren mit einer Frequenz von etwa 33 kHz, um für jede der Phasen eine möglichst ideale Sinusform bilden zu können. Ferner ist die Steuereinheit 3 dazu ausgeführt, jene Halbbrückenpaare, die dieselbe Phase versorgen, derart phasenversetzt zu aktivieren, dass sich der Strom dieser Phase auf die beiden
Halbbrücken im Wesentlichen gleich aufteilt.
Beispielsweise aktiviert die Steuereinheit 3 zunächst die erste Halbbrücke 2 für eine bestimmte Zeitdauer ton und danach die Halbbrücke 2‘ für eine identische Zeitdauer ton. Dadurch wird die je Halbbrücke übertragene Leistung halbiert und die Frequenz des PWM-Verfahrens pro Phase verdoppelt. Folglich sinkt der Rippel im Ausgangsstrom und auch störende Rückwirkungen in den Gleichspannungs-Zwischenkreis werden
reduziert.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ausgänge von je zwei Halbbrücken, welche dieselbe Phase versorgen, über Interleaving-Drosseln 4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘ zusammengeschaltet. Die Interleaving-Drosseln sind stromkompensiert und für jede Phase auf einem gemeinsamen Eisenkern gewickelt. Dies ermöglicht einen besonders rippelfreien Betrieb der Umrichteranordnung.
Die Phasen L1, L2, L3 sind zur Dämpfung von elektrischen Gleichtaktstörungen an jeweils eine Wicklung 5, 5‘, 5“ einer Gleichtaktdrossel 10 mit einem gemeinsamen magnetischen Kern angeschlossen. Dadurch werden Gleichtaktstörungen in den Phasen kompensiert. Am Ausgang der Interleaving-Drosseln 4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘ ist eine erste widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung 6 vorgesehen, welches in Zusammenwirkung mit der Streureaktanz (Transversalreaktanz) der Interleaving-
Drosseln eine erste LC-Filterstufe 8 bildet.
Am Ausgang der Gleichtakt-Drosseln 5, 5‘, 5“ ist eine zweite widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung 7 vorgesehen, welche in Zusammenwirkung mit der Streureaktanz (Transversalreaktanz) der Wicklungen 5, 5‘, 5“ der Gleichtakt-Drossel 10 eine zweite LC-Filterstufe 9 bildet.
Die erste und die zweite Kondensatorschaltung umfassen jeweils in Sternschaltung angeordnete und mit Parallelwiderständen versehene Kondensatoren; der Sternpunkt der zweiten Kondensatorschaltung 7 kann über einen PEN- oder PE-Anschluss geerdet
sein.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Mittelpunkt des Gleichspannungs-Zwischenkreises und dem Sternpunkt der zweiten Kondensatorschaltung 7 ein Dämpfungswiderstand angeordnet. Der Zwischenkreis wird damit in Bezug auf Gleichtaktstörungen stabilisiert (kapazitiv an PEN gebunden), und die Gleichtaktstörungen bilden sich dann nur mehr in Form eines Wechselsignals am Sternpunkt der ersten Kondensatorschaltung aus
Die Umrichteranordnung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel für eine Gleichspannung von etwa 850 V ausgelegt, und die Wechselrichtereinheit 1 ist dazu ausgeführt, eine 3-phasige Netzspannung mit einer Amplitude von 400 V und einem Phasenstrom von 630 A bei einer Frequenz von 50 Hz zu erzeugen. Die Gleichspannung Vae im Gleichspannungszwischenkreis wird in Bezug auf das Groundpotential symmetrisch stabilisiert (nicht dargestellt), beispielsweise +420 V / 420 V. Damit reduzieren sich Erdströme sowie Isolationsbeanspruchungen in nachgeschalteten Einheiten.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Interleaving-Drosseln 4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘ mit nicht-bifilaren Hochkant-Wicklungen mit etwa neun Wicklungen je Schenkel auf einem nanokristallinem Schnittbandkern mit hoher relativer magnetischer Permeabilität (Wr von etwa 40 000), einem Kernquerschnitt von etwa 17 cm? und einem sehr geringen
Luftspalt von etwa 150 um ausgeführt.
Die Induktivität jeder Einzelwicklung beträgt etwa 500 uH, der Koppelfaktor 0,97, die Longitudinalinduktivität etwa 7,5 uH und die Transversalinduktivität etwa 1,94 mH. Die zugeordnete erste Kondensatorschaltung 6 weist eine Kapazität von etwa 30 uF je Phase auf, sodass die Grenzfrequenz des durch die erste Filteranordnung 8 gebildeten Tiefpasses einen Wert von etwa 67 kHz annimmt:
1 1 f= = = 66,67kHz
VLC ‚7,5uH - 30uF
Dies entspricht etwa dem 2-fachen der Schaltfrequenz von 33 kHz, sodass die Störungen durch die Schaltvorgänge effektiv gefiltert werden können.
Die Gleichtakt-Drosseln 5, 5‘, 5“ umfassen im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils etwa 4 Windungen auf einem nanokristallinem Schnittbandkern mit hoher relativer magnetischer Permeabilität (ur von etwa 40 000) und einem Kernquerschnitt von etwa 14 cm®?. Die Induktivität jeder Einzelwicklung beträgt etwa 1,8 mH; die Streureaktanz etwa 3,5 uH bei einer Frequenz von etwa 48 kHz. Die zugeordnete zweite Kondensatorschaltung 7 weist eine Kapazität von etwa 11 uF je Phase auf, sodass die
Grenzfrequenz des durch die zweite Filteranordnung 9 gebildeten Tiefpasses einen Wert von etwa 161 kHz annimmt:
1
1 VLC ‚3,5uH - 11uF
f= = 161,16kHz
Diese gestaffelte Anordnung zweier Tiefpass-Filter ermöglicht die effiziente Filterung hochfrequenter Störungen, ohne dass zusätzliche EMV-Filterkomponenten benötigt
werden.
Fig. 1b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung Vac aus einer Gleichspannungsquelle in eine 3-phasige Wechselspannung (N = 3) mit den Phasen L1, L2, L3 zum Anschluss an ein Wechselspannungsnetz.
In diesem Ausführungsbeispiel sind nicht zwei separate Kondensatorschaltungen vorgesehen, sondern eine kombinierte Kondensatorschaltung 11. Diese wirkt sowohl mit den Interleaving-Drosseln 4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘, als auch mit den Wicklungen 5, 5’, 5“ der Gleichtaktdrossel 10 zur Bildung zweier, schematisch angedeuteter Filterstufen
8, 9 zusammen.
Bei der Dimensionierung der beiden Filterstufen muss darauf geachtet werden, dass die Kondensatorschaltung 11 sowohl für die Grenzfrequenz der ersten LC-Filterstufe 8, als auch für die Grenzfrequenz der zweiten LC-Filterstufe 9 wirksam wird; folglich können die Elemente nicht wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a unabhängig voneinander dimensioniert werden. Im Übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a.
Fig. 1c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung Vac aus einer Gleichspannungsquelle in eine 1-phasige Wechselspannung (N = 1) mit einer Phase L und einem geschalteten Nullleiter N. Sowohl die Phase L, als auch der Nullleiter N wird über eine geschaltete Wechselrichtereinheit 1 mit jeweils zwei Halbbrücken (M=2) zur
Verfügung gestellt. Wiederum sind nicht zwei separate Kondensatorschaltungen vorgesehen, sondern eine kombinierte Kondensatorschaltung 11. Im Übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1b.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel, sondern
umfasst sämtliche Umrichteranordnungen im Rahmen der nachfolgenden
Patentansprüche sowie insbesondere deren Verwendung in Prüfständen für Fahrzeuge.
Bezugszeichenliste
1 Wechselrichtereinheit
2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘ Halbbrücke
3 Steuerungseinheit
4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 45° Interleaving-Drossel
5, 5‘, 5“ Wicklung
6 Erste Kondensatorschaltung 7 Zweite Kondensatorschaltung 8 Erste Filterstufe
9 Zweite Filterstufe
10 Gleichtaktdrossel
11 Kombinierte Kondensatorschaltung

Claims (20)

Patentansprüche
1... Umrichteranordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine N-phasige
Wechselspannung oder umgekehrt, umfassend
- eine geschaltete Wechselrichtereinheit (1), die für zumindest eine, vorzugsweise jede der N Phasen eine Zahl M elektronisch steuerbarer Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) umfasst, wobei M größer eins ist,
- eine die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) ansteuernde Steuerungseinheit (3), die dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) zeitversetzt mit einer im Wesentlichen gleichen Schaltfrequenz fr zu aktivieren, wobei
- die Phasen zur Dämpfung von elektrischen Gleichtaktstörungen an jeweils eine Wicklung (5, 5‘, 5“) einer Gleichtaktdrossel (10) mit einem gemeinsamen magnetischen Kern angeschlossen sind, und wobei
- die Ausgänge der Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘), welche dieselbe Phase versorgen, jeweils über Interleaving-Drosseln (4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) zusammengeschaltet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass eine erste LC-Filterstufe (8) und eine zweite LC-
Filterstufe (9) vorgesehen sind, wobei die erste LC-Filterstufe (8) durch die
Interleaving-Drosseln (4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) und eine widerstandsgedämpfte
Kondensatorschaltung gebildet ist, und die zweite LC-Filterstufe (9) durch die
Gleichtaktdrossel (10) und eine widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung
gebildet ist.
2. Umrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste LG-Filterstufe (8) durch die Interleaving-Drosseln (4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) und eine erste widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung (6) gebildet ist, und die zweite LG-Filterstufe (9) durch die Gleichtaktdrossel (10) und eine zweite widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung (7) gebildet ist.
3. Umrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste LG-Filterstufe (8) durch die Interleaving-Drosseln (4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) und eine kombinierte widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung (11) gebildet ist, und die zweite LC-Filterstufe (9) durch die Gleichtaktdrossel (10) und die kombinierte widerstandsgedämpfte Kondensatorschaltung (11) gebildet ist.
4. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz einer, vorzugsweise der ersten LC-Filterstufe (8) im Bereich der M-fachen Schaltfrequenz fr liegt, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,8 xM x fr bis 1,2 x M x fr.
5. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz einer, vorzugsweise der zweiten LC-Filterstufe (9) im Bereich eines Vielfachen der M-fachen Schaltfrequenz fr liegt, vorzugsweise im Bereich von 1 x M x fr, vorzugsweise 4 x M x ft bis 10 x M x fr.
6. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass N gleich eins oder drei ist.
7. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass M gleich zwei, drei, vier oder höher ist.
8. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorschaltungen (6, 7, 11) durch Sternschaltung von zumindest N Kondensatoren mit jeweils parallelgeschalteten Widerständen gebildet sind.
9. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste LC-Filterstufe (8) und die zweite LC-Filterstufe (9) derart dimensioniert sind, dass ein Gesamtoberschwingungsgehalt (Klirrfaktor) in jeder Phase von 3% nicht überschritten wird.
10. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (3) dazu ausgeführt ist, die Halbbrücken (2, 2‘, 2a, 2a‘, 2b, 2b‘) mit einer Schaltfrequenz fr von zumindest etwa 24 kHz bis zumindest etwa 33kHz anzusteuern.
11. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung etwa 850 V beträgt und die Wechselrichtereinheit (1) dazu ausgeführt ist, eine 3-phasige Netzspannung - mit einer Amplitude von 400 V und einem Phasenstrom von 630 A bei einer
Frequenz von 50 Hz, oder - mit einer Amplitude von 480 V und einem Phasenstrom von 525 A bei einer Frequenz von 60 Hz zu erzeugen.
12. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (5, 5‘, 5“) der Gleichtaktdrossel (10) jeweils etwa 4 Windungen aufweisen.
13. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Induktivität der Wicklungen (5, 5‘, 5“) der Gleichtaktdrossel (10) zu ihrer Streuinduktivität bei über 200 liegt.
14. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (5, 5‘, 5“) der Gleichtaktdrossel (10) jeweils eine Induktivität von etwa 1,8 mH und eine Streuinduktivität von etwa 3,5 uH aufweisen.
15. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Interleaving-Drosseln (4, 4°, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) als stromkompensierte Drosseln ausgeführt sind.
16. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Longitudinalinduktivität zur Transversalinduktivität der Interleaving-Drosseln (4, 4‘, 4a, 4a‘, 4b, 45°) in einem Bereich von etwa 100 bis etwa 10000 liegt.
17. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Interleaving-Drosseln (4, 4°, 4a, 4a‘, 4b, 4b‘) eine Longitudinalinduktivität von etwa 7,5 uH und eine Transversalinduktivität von etwa 1,94mH aufweisen.
18. Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kondensatorschaltung (6) eine Kapazität von etwa 30 UF je Phase und/oder die zweite Kondensatorschaltung (7) eine Kapazität von etwa 11 uF je Phase aufweist.
19. Netzumrichter, umfassend eine Umrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei insbesondere der Netzumrichter für einen bidirektionalen Betrieb ausgebildet ist.
20. Industrielle Anwendung, beispielsweise Fertigungsstraße, Inselnetz oder Prüfstand, umfassend einen Netzumrichter nach Anspruch 19.
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