AT508942A4

AT508942A4 - Ein- und mehrphasige umrichter mit spartransformatoren und der möglichkeit zur erhöhung der spannung

Info

Publication number: AT508942A4
Application number: AT16912009A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2011-05-15
Also published as: AT508942B1

Description

Ein- und mehrphasige Umrichter mit Spartransformatoren und der Möglichkeit zur

Erhöhung der Spannung

Die Erfindung betrifft Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) ersten aktiven Schaltern (Sli), n zweiten aktiven Schaltern (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, oder Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) bidirektionalen Halbbrücken (HBi), mit jeweils einer positiven (HHi), mittleren (HMi) und einer negativen (HLi) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sli), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n je zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (Nli, N2i) aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Li) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes.

Umrichter dienen einerseits zur Verwandlung von Gleichspannungen in Wechselspannungen (einphasige Wechselrichter) oder in Mehrphasenspannungen (mehrphasige Wechselrichter), oder umgekehrt zur Umformung von einphasigen oder mehrphasigen Netzen in eine Gleichspannung (Gleichrichter). Im Folgenden sind die Schaltungen dreiphasig beschrieben und sind sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter geeignet. In zweiphasiger Anordnung kann damit ein einphasiges Netz erzeugt werden oder auch ein Vierquadrantenstellglied für einen DC Motor aufgebaut werden. Ebenso können die Schaltungen, wenn auf der Gleichspannungsseite z.B. ein Kondensator oder eine Gleichspannungsquelle geschaltet ist, als Blindleistungskompensator oder aktives Netzfilter verwendet werden.

Der klassische Umrichter besteht aus drei Halbbrücken, bestehend aus einer Serienschaltung von zwei aktiven Schaltern (in den Zeichnungen beispielhaft als MOSFETs gezeichnet, bei höheren Leistungen sind z.B. IGBTs, GTOs, IGCTs im Einsatz) mit jeweils einer antiparallelen Diode. Die Halbbrücken sind parallel geschaltet und mit der Gleichspannungsseite des Umrichters verbunden. Der Mittelpunkt jeder Halbbrücke bildet einen Anschluss der Wechselspannungsseite (Fig.l).

Bei den hier dargestellten Umrichtern werden teilweise ebenfalls Halbbrücken verwendet, doch werden diese anders zusammengeschaltet und zusätzlich kommen noch pro Halbbrücke bzw. je zwei aktiven Schaltern mit antiparalleler Diode ein Kondensator und zwei miteinander 1 P83/fh/20091027 gekoppelte in Serie geschaltete Wicklungen hinzu. Dadurch entsteht eine größere Variationsbreite der Spannung an der Last.

Die Erfindung wird an Hand der Schaltbilder erläutert. Figur 1 eins stellt den klassischen Dreiphasenumrichter dar. Die Figuren Fig. 2 bis Fig. 7 stellen die neuen Umrichter, beispielhaft als dreiphasige. Anordnungen und beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet dar.

Die Aufgabe, einen Umformer für Gleichspannung in Wechselspannung oder mehrphasige Wechselspannung oder von Wechselspannung oder mehrphasiger Wechselspannung in Gleichspannung zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die n ersten aktiven Schalter (Sli) und die zugehörigen n ersten antiparallelen Dioden (Dli) kathodenseitig mit der positiven Klemme (P) der Gleichspannungsseite verbunden sind und jeder anodenseitige Anschluss mit der ersten Wicklung (Nli) einer der n gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen geschaltet ist und alle n zweiten Anschlüsse der zweiten Teilwicklung (N2i) gemeinsam an die negative Klemme (N) der Gleichspannungsseite geschaltet sind, parallel zu jeder zweiten Teilwicklung (N2i) liegt die Serienschaltung einer Kapazität (Ci) und eines zweiten elektronischen Schalters (S2i) mit parallel liegender antiparalleler zweiter Diode (D2i), wobei die Anoden mit der negativen Klemme (N) der Gleichspannungsseite verbunden sind und die Kathoden an jeweils eine wechselstromseitige Klemme (Li) geschaltet sind (Fig. 2), oder dass die n ersten aktiven Schalter (Sli) und die zugehörigen n ersten antiparallelen Dioden (Dli) kathodenseitig mit der positiven Klemme (P) der Gleichspannungsseite verbunden sind und jeder anodenseitige Anschluss mit der ersten Wicklung (Nli) und der zweiten Wicklung (N2i) einer der n gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen geschaltet ist und alle n zweiten Anschlüsse der zweiten Teilwicklung (N2i) gemeinsam an die negative Klemme (N) der Gleichspannungsseite geschaltet sind, an jedem zweiten Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2i) die Serienschaltung einer Kapazität (Ci) und eines zweiten elektronischen Schalters (S2i) mit parallel liegender antiparalleler zweiter Diode (D2i) ist, wobei die Anoden mit der negativen Klemme (N) der Gleichspannungsseite verbunden sind und die Kathoden an jeweils eine wechselstromseitige Klemme (Li) geschaltet sind (Fig. 3), oder dass die n ersten Wicklungen der gekoppelten Spulen (Nli) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder ersten Wicklung (Nli) an einen der n Kondensatoren (Ci) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss jeweils mit einer wechselseitigen Klemme (Li) verbunden ist und an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle mittleren (HMi) Klemmen der n Halbbrücken (HBi) mit dem entsprechenden zweiten Anschluss der zweiten Wicklung (N2i) verbunden 2 P83/fh/20091027 sind und alle negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme (N) verbunden sind (Fig. 4), oder dass die Zusammenschaltungen der n in Serie geschalteten gekoppelten Spulen (Nli, N2i) miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder ersten Wicklung (Nli) an einen der n Kondensatoren (Ci) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss jeweils mit einer wechselseitigen Klemme (Li) verbunden ist und an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle mittleren (HMi) Klemmen der n Halbbrücken (HBi) jeweils mit dem zugehörigen zweiten Anschluss der zweiten Wicklung (N2i) verbunden sind und alle negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme (N) verbunden sind (Fig.5), oder dass die n ersten Wicklungen der gekoppelten Spulen (Nli) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder ersten Wicklung (Nli) an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist, alle mittleren (HMi) Klemmen der n Halbbrücken (HBi) mit dem negativen Anschluss der Gleichspannungsseite (N) verbunden sind und die negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) mit dem entsprechenden zweiten Anschluss eines Kondensators (Ci), dessen erster Anschluss mit dem zweiten Anschluss der zweiten Wicklung der zwei gekoppelten Spulen verbunden ist und an jeweils einer wechselseitigen Klemme (Li) geschaltet sind (Fig. 6), oder dass die n ersten Wicklungen der gekoppelten Spulen (Nli) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder ersten Wicklung (Nli) an einen der n Kondensatoren (Ci) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss jeweils mit einer wechselseitigen Klemme (Li) verbunden ist, jeder zweite Anschluss der zweiten Wicklung (N2i) an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle mittleren (HMi) Klemmen der n Halbbrücken (HBi) sind mit dem negativen Anschluss der Gleichspannungsseite (N) verbunden und die negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) mit dem entsprechenden zweiten Anschluss eines Kondensators (Ci) verbunden sind (Fig. 7). Wenn die Schaltung durch Halbbrücken realisiert ist, ist es sinnvoll die Verschaltung der Halbbrücken durch Module zu bewerkstelligen. Weiters ist es sinnvoll zur Vermeidung von Überspannungen, verursacht durch parasitäre Induktivitäten zwischen der ersten positiven Klemme (P) und der zweiten negativen Klemme (N) ein oder mehrere Kondensatoren zu schalten und zwar möglichst nahe an die schaltenden Elemente. 3 P83/fh/20091027

Claims

Patentansprüche 1. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) ersten aktiven Schaltern (Sli), n zweiten aktiven Schaltern (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n je zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (Nli, N2i) aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Li) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die n ersten aktiven Schalter (Sli) und die zugehörigen n ersten antiparallelen Dioden (Dli) kathodenseitig mit der positiven Klemme (P) der Gleichspannungsseite verbunden sind und jeder anodenseitige Anschluss mit der ersten Wicklung (Nli) einer der n gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen geschaltet ist und alle n zweiten Anschlüsse der zweiten Teilwicklung (N2i) gemeinsam an die negative Klemme (N) der Gleichspannungsseite geschaltet sind, parallel zu jeder zweiten Teilwicklung (N2i) liegt die Serienschaltung einer Kapazität (Ci) und eines zweiten elektronischen Schalters (S2i) mit parallel liegender antiparalleler zweiter Diode (D2i), wobei die Anoden mit der negativen Klemme (N) der Gleichspannungsseite verbunden sind und die Kathoden an jeweils eine wechselstromseitige Klemme (Li) geschaltet sind (Fig. 2).
2. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) ersten aktiven Schaltern (Sli), n zweiten aktiven Schaltern (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n je zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (Nli, N2i) aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Li) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die n ersten aktiven Schalter (Sli) und die zugehörigen n ersten antiparallelen Dioden (Dli) kathodenseitig mit der positiven Klemme (P) der Gleichspannungsseite verbunden sind und jeder anodenseitige Anschluss mit der ersten Wicklung (Nli) und der zweiten Wicklung (N2i) einer der n gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen geschaltet ist und alle n zweiten Anschlüsse der 4 P83/fh/20091027 zweiten Teilwicklung (N2i) gemeinsam an die negative Klemme (N) der Gleichspannungsseite geschaltet sind, an jedem zweiten Anschluss der zweiten Teilwicklung (N2i) die Serienschaltung einer Kapazität (Ci) und eines zweiten elektronischen Schalters (S2i) mit parallel liegender antiparalleler zweiter Diode (D2i) ist, wobei die Anoden mit der negativen Klemme (N) der Gleichspannungsseite verbunden sind und die Kathoden an jeweils eine wechselstromseitige Klemme (Li) geschaltet sind (Fig. 3).
3. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) bidirektionalen Halbbrücken (HBi), mit jeweils einer positiven (HHi), mittleren (HMi) und einer negativen (HLi) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sli), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n je zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (Nli, N2i), aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Li) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die n ersten Wicklungen der gekoppelten Spulen (Nli) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder ersten Wicklung (Nli) an einen der n Kondensatoren (Ci) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss jeweils mit einer wechselseitigen Klemme (Li) verbunden ist und an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle mittleren (HMi) Klemmen der n Halbbrücken (HBi) mit dem entsprechenden zweiten Anschluss der zweiten Wicklung (N2i) verbunden sind und alle negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme (N) verbunden sind (Fig. 4).
4. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) bidirektionalen Halbbrücken (HBi), mit jeweils einer positiven (HHi), mittleren (HMi) und einer negativen (HLi) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sli), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n je zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (Nli, N2i), aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten 5 P83/fh/20091027 negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Li) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenschaltungen der n in Serie geschalteten gekoppelten Spulen (Nli, N2i) miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder ersten Wicklung (Nli) an einen der n Kondensatoren (Ci) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss jeweils mit einer wechselseitigen Klemme (Li) verbunden ist und an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle mittleren (HMi) Klemmen der n Halbbrücken (HBi) jeweils mit dem zugehörigen zweiten Anschluss der zweiten Wicklung (N2i) verbunden sind und alle negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) miteinander und mit der zweiten negativen Eingangsklemme (N) verbunden sind (Fig.5).
5. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) bidirektionalen Halbbrücken (HBi), mit jeweils einer positiven (HHi), mittleren (HMi) und einer negativen (HLi) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sli), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n je zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (Nli, N2i), aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Li) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die n ersten Wicklungen der gekoppelten Spulen (Nli) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder ersten Wicklung (Nli) an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist, alle mittleren (HMi) Klemmen der n Halbbrücken (HBi) mit dem negativen Anschluss der Gleichspannungsseite (N) verbunden sind und die negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) mit dem entsprechenden zweiten Anschluss eines Kondensators (Ci), dessen erster Anschluss mit dem zweiten Anschluss der zweiten Wicklung der zwei gekoppelten Spulen verbunden ist und an jeweils einer wechselseitigen Klemme (Li) geschaltet sind (Fig. 6). 6 P83/fh/20091027
6. Umrichter, bestehend aus n (n ist größer oder gleich zwei) bidirektionalen Halbbrücken (HBi), mit jeweils einer positiven (HHi), mittleren (HMi) und einer negativen (HLi) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sli), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sli, S2i) eine antiparallele Diode (Dli, D2i) geschaltet ist, weiters bestehend aus n je zwei miteinander gekoppelten in Serie geschalteten Wicklungen (Nli, N2i), aus n Kondensatoren (Ci), einer ersten positiven (P) und einer zweiten negativen (N) Gleichspannungsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ul) oder einem Verbraucher und n Wechselspannungsklemmen (Li) zum Anschluss der Last oder zur Anschaltung eines ein- oder mehrphasigen Netzes dadurch gekennzeichnet, dass die n ersten Wicklungen der gekoppelten Spulen (Nli) einseitig miteinander und mit der ersten positiven Eingangsklemme (P) verbunden sind und der jeweils andere Anschluss jeder ersten Wicklung (Nli) an einen der n Kondensatoren (Ci) geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss jeweils mit einer wechselseitigen Klemme (Li) verbunden ist, jeder zweite Anschluss der zweiten Wicklung (N2i) an je einen positiven Anschluss (HHi) einer Halbbrücke (HBi) geschaltet ist und alle mittleren (HMi) Klemmen der n Halbbrücken (HBi) sind mit dem negativen Anschluss der Gleichspannungsseite (N) verbunden und die negativen (HLi) Klemmen der Halbbrücken (HBi) mit dem entsprechenden zweiten Anschluss eines Kondensators (Ci) verbunden sind (Fig. 7).
7. Umrichter gemäß Anspruch 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der ersten aktiven Schalter (Sli), der zweiten aktiven Schalter (S2i) und der jeweils parallel geschalteten antiparallelen Dioden (Dli, D2i) mit Hilfe eines Halbbrückenmoduls erzielt wird.
8. Umrichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten positiven Klemme (P) und der zweiten negativen Klemme (N) ein oder mehrere Kondensatoren geschaltet sind. 7 P83/fh/20091027