DE102010052934A1

DE102010052934A1 - Neue Multilevelkonvertertopologie mit der Möglichkeit zur dynamischen Seriell- und Parallelschaltung von Einzelmodulen

Info

Publication number: DE102010052934A1
Application number: DE102010052934A
Authority: DE
Inventors: Dr. Weyh Thomas; Stefan M. Götz
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-05-31
Also published as: WO2012072197A3; WO2012072197A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein elektrisches Umrichtersystem für Stromversorgungen, bestehend aus mindestens zwei gleichartigen hintereinander geschalteten Einzelmodulen dadurch gekennzeichnet, dass jedes Einzelmodul mindestens vier interne Schaltelemente, mindestens ein Energiespeicherelement und mindestens vier Anschlüsse aufweist, wobei je zwei der Anschlüsse als ein erstes und ein zweites Klemmenpaar dienen; die internen Schaltelemente jedes Einzelmoduls so ausgeführt sind, dass sie wahlweise einen oder beide Anschlüsse jedes Klemmenpaars mit dem Energiespeicherelement verbinden können; die Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Einzelmodulen so erfolgt, dass jeweils die Anschlüsse des zweiten Klemmenpaars eines vorhergehenden Einzelmoduls mit den Anschlüssen des ersten Klemmenpaars des jeweils nachfolgenden Einzelmoduls verbunden sind und mindestens eine Klemme des ersten Klemmenpaares des ersten Einzelmoduls der Hintereinanderschaltung und mindestens eine Klemme des zweiten Klemmenpaares des letzten Einzelmoduls der Hintereinanderschaltung als Klemmen der Hintereinanderschaltung dienen; und wobei die Schaltelemente der jeweiligen Einzelmodule in der Hintereinanderschaltung der mindestens zwei Einzelmodule ihre jeweiligen Energiespeicherelemente so mit den Klemmen der Hintereinanderschaltung verbinden, dass wahlweise eine Reihen- oder Parallelschaltung der Energiespeicherelemente vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine spezielle Ausführungsform eines Direktumrichters und seiner einzelnen modularen Komponenten. Der Direktumrichter kann dabei ein- oder mehrphasig ausgeführt sein und eingangsseitig Gleich- oder Wechselstrom in einen Gleich- oder Wechselstrom beliebiger Phasenlage und Frequenz umwandeln. Derartige Umrichter haben sehr vielfältige Einsatzmöglichkeiten; sie können beispielsweise zur gesteuerten Stromversorgung elektrischer Maschinen, aber auch zur Anbindung von Gleichstromquellen (Batteriespeicher, Solaranlagen) an ein Wechselstromnetz verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein großer Teil des Energieverbrauchs und der Energieerzeugung geschieht über elektrische Energie. Die Umwandlung elektrischer Energie kann dabei in verschiedene Strom-Spannungskombinationen erfolgen; andererseits kann hinsichtlich des zeitlichen Verlaufes der elektrischen Energie eine Umwandlung von Gleich- zu Wechsel- oder Drehspannung (mit variabler oder fixer Frequenz) und umgekehrt erfolgen. Diese Umwandlung geschieht mittlerweile vorwiegend über leistungselektronische Anlagen, so genannte Umrichter.
Die fortwährende Entwicklung der vor etwa 30 Jahren eingeführten Halbleitertechnik in die Leistungselektronik ermöglicht und unterstützt die Realisierung solcher Umrichter für immer höhere Leistungs- und Spannungsbereiche. Heute werden z. B. im Mittelspannungsbereich zum Schalten von elektrischen Strömen und Spannungen überwiegend IGBTs und IGCTs verwendet. Durch die ständige Weiterentwicklung der Halbleiter und deren Fertigungsprozesse hat die Zuverlässigkeit und Leistungsdichte dieser Bauelemente signifikant zugenommen.
Der Entwicklungsfortschritt von Halbleitern begünstigt auch die Entwicklung neuartiger Umrichtertopologien. Neben den HGÜ-Anlagen (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) im Hochspannungsbereich, welche bisher mit Thyristorschaltungen realisiert werden, sind Mehrpunktumrichter mit wesentlich verbesserten Eigenschaften zur Energieübertragung, Spannungs- bzw. Frequenzwandlung und Blindleistungskompensation in den Mittelpunkt des Interesses gerückt.
Insbesondere in Anwendungsgebieten im Energieversorgungsbereich sind die Schaltspannungen für Umrichter erheblich höher als die Sperrspannungen verfügbarer Leistungshalbleiter. Daher werden in solchen Einsatzgebieten Schaltungstopologien eingesetzt, welche eine gleichmäßige Aufteilung der hohen Spannung auf mehrere Schaltglieder ermöglichen. Eine nahe liegende Methode ist die direkte Serienschaltung von Leistungshalbleitern in Umrichterzweigen. Daher wird oftmals jede Umrichterphase aus einer Serienschaltung von Halbleiterschaltern aufgebaut, wobei der Umrichter einen Zwischenkreisspeicher in Form eines Kondensators benötigt, welcher direkt mit der Hochspannung des Zwischenkreises verbunden ist.
Diese Form der Umrichter werden allerdings mit zunehmender Spannung immer aufwändiger, da eine gleichmäßige Spannungsaufteilung der in Serie geschalteten Halbleiter und entsprechende Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Überspannungen an den einzelnen Halbleitern erforderlich sind.
Im Fehlerfall können über den Kondensator des Zwischenkreises extrem hohe Entladeströme fließen, welche wiederum Zerstörungen infolge hoher mechanischer Kraftwirkungen und/oder Lichtbogenschäden verursachen können.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass variable Spannungen über diese Art von Stromrichtern nur über entsprechende Tastverhältnisse der PWM-Konvertierung erfolgen können, so dass sich bei großen Spannungsunterschieden ungünstige Tastverhältnisse ergeben.
Viele Nachteile konventioneller Umrichter können durch den modularen Multilevelkonverter gelöst werden, wie er in DE 102 17 889 von R. Marquardt genauer beschrieben ist. Dieses System ist in der Lage nahezu beliebige Spannungsverläufe von den Klemmenpaaren der einen Seite in ebenso beliebige Verläufe zwischen den Klemmenpaaren der anderen Seite umzusetzen, ohne dabei seinem Prinzip nach zwischen einem Ein- und einem Ausgang unterscheiden zu müssen. Beim modularen Multilevelkonverter nach R. Marquardt wird jede Phase des Umrichters aus einer Vielzahl von in Serie geschalteten identischen Einzelmodulen aufgebaut. 1 zeigt eine Serienschaltung dreier gleicher Module 101, 102, 103, die einen Brückenzweig 104 eines modularen Multilevelkonverters bilden. Jedes Einzelmodul fungiert als ein Zweipol und enthält ein Energiespeicherelement, sowie mehrere Schaltelemente, die für beide Spannungsrichtungen wahlweise Strom aufnehmen oder abgeben können und damit alle vier Quadranten des Strom-Spannungs-Graphen erreichen. 2 zeigt eine Ausführungsform eines einzelnen Zweipols eines modularen Multilevelkonverters. Parallel zu den Transistoren 201 bis 204 ist jeweils eine Diode 205 bis 208 geschaltet. Die Transistoren können die Ausgangsklemmen 210 und 211 mit dem Kondensator 209 elektrisch verbinden. Insbesondere können diese Einzelmodule über ihre Schalter in die folgenden vier Zustände geschaltet werden:

– Vorgabe einer positiven Klemmenspannung bei beliebiger Stromrichtung;
– Vorgabe einer negativen Spannung mit beliebiger Stromrichtung;
– Bypasszustand (d. h. keine Energieaufnahme oder -abgabe durch das Einzelmodul), freier Stromfluss in beliebiger Richtung;
– Erzwingen einer Energieaufnahme durch das Einzelmodul unter Aufzwingen des Spannungsniveaus.

Ein solches Einzelmodul ist somit – bei entsprechender Steuerung beispielsweise mit getaktetem Schalten der aktiven Elemente (ggf. in Analogie zur Pulsweitenmodulation) – bereits in der Lage seine Energieaufnahme und -abgabe beliebig zu steuern und einer Quelle eine virtuelle Last mit bestimmten Eigenschaften näherungsweise vorzutäuschen Diese Module können nun je nach Anwendungswunsch für n Quellen (beispielsweise zwei einlaufende Spannungssysteme) und m Ausgänge (beispielsweise ein Dreiphasenniederspannungssystem) für vollen Vierquadrantenbetrieb verschaltet werden.
Eine Kombination zweier Serienschaltungen aus jeweils z Modulen wird dabei als Phasenmodul bezeichnet, wobei die beiden Serienschaltungen jeweils einen sogenannten Brückenzweig bilden. 3 zeigt ein Phasenmodul 303 bestehend aus zwei Brückenzweigen 301 und 302, wobei die Brückenzweige aus einzelnen Modulen aufgebaut sind. Die Anzahl z der Module in jedem Brückenzweig definiert Spannungs- und Oberwelleneigenschaften des Umrichters. Die Phasenmodule wiederum bilden die Grundbausteine eines ein oder mehrphasigen Stromrichters. So kann beispielsweise durch zwei zusammengeschaltete Phasenmodule 401 und 402 gemäß 4 ein System zur Umwandlung einer 1-phasigen Wechselspannung bzw. einer Gleichspannung in eine andere 1-phasigen Wechselspannung bzw. eine Gleichspannung verwendet werden. Der Aufbau eines solchen Systems ist dabei vollkommen symmetrisch bezüglich der Ein- bzw. Ausgänge und ermöglicht somit gegenüber jedem Anschlusspaar einen vollständigen Vierquadrantenbetrieb. Weiterhin kann sowohl eingangsseitig aus auch ausgangsseitig des Verhalten des Stromrichters bzgl. induktivem oder kapazitivem Verhalten individuell angepasst werden. Der Energiefluss ist somit auch in beide Richtungen möglich und kann dynamisch verändert werden.
Weiterhin kann beispielsweise durch drei zusammengeschaltete Phasenmodule 501, 502 und 503 gemäß 5 ein System zur Umwandlung einer 3-phasigen Wechselspannung in eine 1-phasige Wechselspannung bzw. eine Gleichspannung realisiert werden. Die zusammengefassten Anschlüsse der Phasenmodule können auch als sogenannte (Gleichspannungs-)Sammelschiene betrachtet werden, so dass durch Zusammenschalten von n + m Phasenmodulen eine Netzkupplung für die Kopplung eines n-phasiges Netzes mit einem m-phasigen Netz entsteht. In 6 ist beispielhaft die Zusammenschaltung von 5 Phasenmodulen 601 bis 605 dargestellt, um eine Kopplung eines 3-phasigen Drehstromnetzes mit einem zweiphasigen Netz zu realisieren.
Sind bestimmte Bereiche der Strom-Spannungs-Ebene ausreichend; d. h. ist kein vollständiger Vierquadrantenbetrieb erforderlich, kann die Verschaltung entsprechend vereinfacht werden.
Im Gegensatz zu einer einfachen PWM-Wandlung, die aus einer Quelle nur zwei Spannungsstufen (0 und die volle Eingangsspannung) schalten und entsprechend über Taktung und Glättung verarbeiten kann, ist das System des modularen Multilevelkonverters in der Lage je nach Anzahl z an Modulen, im äquivalenten Fall 2z + 1 verschiedene stabile Spannungszustände zu erzeugen. Durch entsprechende hochfrequente Taktung oder asynchrone Schaltung können daher auch sehr schnelle Spannungsverläufe äußerst exakt und mit sehr geringem Oberwellenanteil erzeugt werden. Jedoch ist auch eine reine Treppenapproximation möglich.
Ein weiterer Vorteil des modularen Multilevelkonverters besteht darin, dass sich die Energiespeicher des Umrichters verteilt in den einzelnen Modulen befinden und nicht mehr als ein einzelner großer Speicherkondensator aufgebaut werden muss. Damit können Stromrichter mit dieser Umrichtertopologie ohne einen einzelnen großen Gleichspannungszwischenkreis aufgebaut werden, über den im Fehlerfall extrem große Kurzschlussströme fließen können. Die Speicherkondensatoren der Einzelmodule ermöglichen in Verbindung mit entsprechenden Dioden über den Schaltern auch ein sehr wirkungsvolles Abdämpfen möglicher Spannungsspitzen, um beispielsweise die Halbleiter zu schützen. Damit ist eine Beschaltung der Ein- und Ausgänge mit weiteren Kondensatoren, deren Isolationsvermögen der gesamten Maximalspannung standhalten müsste, im Gegensatz zu anderen Umrichtertopologien nicht notwendig.
Weiterhin gestattet der Vierquadrantenbetrieb dieses Umrichtertyps auch Anwendungen wie die Kompensation von Blindleistung.
Der Aufbau des Umrichters aus einer Vielzahl identischer Einzelmodule gestattet zudem eine Redundanz, so dass bei Ausfall eines oder mehrerer dieser Zweipole die Funktionstüchtigkeit des Umrichters ohne zusätzliche Umschalteinrichtungen gewährleistet werden kann.
Gegenüber anderen Umrichtertopologien bietet der modulare Multilevelkonverter zudem den Vorteil, dass die Bauelemente der jeweiligen Module nicht auf die vollen Maximalspannungslevel des Ein- und Ausgangs ausgelegt werden müssen, sondern nur die Modulspannungen isolieren müssen. Für viele Anwendungsgebiete dieses Umrichtertyps hat dieser Aspekt eine wichtige wirtschaftliche Bedeutung bzw. erlaubt überhaupt erstmals den Einsatz von Halbleitern für solche Zwecke.
Vereinfacht beschrieben basiert das System auf dem steuerbaren Zuschalten von Modulen in Serie. Module, die für die Erzeugung eines bestimmten Spannungslevels nicht benötigt werden, werden in den Bypasszustand geschaltet, so dass der Energiespeicher seine aktuelle Ladung behält. Dies stellt jedoch ein großes ungenutztes Potential dar. Dieser Fall tritt beispielsweise auf, wenn vom Umrichter nur eine relativ geringe Spannung erzeugt werden soll und somit nur ein Teil der Module aktiv geschaltet wird.
Insbesondere bei Einsatzgebieten, bei denen über den Umrichter ein relativ großes Spannungsverhältnis zwischen Ein- und Ausgang erzeugt werden soll, oder zeitweise kleine Spannungen bei hohen Strömen aufgenommen oder abgegeben werden sollen, ergeben sich hierbei ungünstige Schaltzustände und relativ hohe Leistungsverluste in den entsprechenden Bauelementen.
Stattdessen muss das gesamte System einerseits auf die Maximalspannungen ausgelegt werden, die nur selten genutzt werden; andererseits muss das System gleichzeitig auf den maximalen Strom ausgelegt werden, obwohl Strom und Spannung nicht in allen Anwendungsfällen gleichzeitig ihre jeweiligen Maximalwerte annehmen. Auch die eingesetzten Energiespeicher müssen zwangsweise auf den maximalen Strombedarf ausgelegt werden und müssen daher ebenfalls überdimensioniert werden.
Auch bei medizintechnischen Anwendungen, bei denen man einen Umrichter als Quelle für eine Reizspule zur induktiven Nervenreizung verwendet, stellt die Reizspule eine stark induktive Last dar. Daher treten auch hier die höchsten Ströme bei sehr geringen Spannungen auf. Folglich werden auch bei diesen Anwendungen die Einzelmodule und deren Energiespeicher nicht günstig ausgenutzt.
Ein möglicher Weg, diese Nachteile auszugleichen und auch eine wahlweise Parallelschaltung einzelner Module zu gestatten bietet der Ansatz einer Matrixadressierung der Module, um auf diese Weise beliebig zwischen serieller und paralleler Verschaltung der Energiespeicher von einzelnen Modulen wechseln zu können. Diese maximale und äußerst erstrebenswerte Flexibilität erkauft man sich jedoch mit einer großen Menge an nötigen Halbleiterschaltern, die zudem zum größten Teil mit dem maximalen Gesamtspannungsniveau umgehen können müssen.
Dieser hohe Preis scheint jedoch außer für Forschungsanwendungen nicht sinnvoll.
ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und Umwandlung von elektrischem Strom in Form eines Umrichters bereitzustellen, welche die obigen Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst, durch eine Vorrichtung unter Verwendung einer Hintereinanderschaltung von neuartigen Einzelmodulen mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen, sowie ein Verfahren zur Steuerung einer Anzahl entsprechend verschalteter Einzelmodule mit den in Anspruch 14 genannten Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Stromrichter, der aus mehreren Einzelmodulen aufgebaut wird, zusätzlich so ausgeführt werden kann, dass die Energiespeicherelemente wahlweise parallel oder seriell geschaltet werden können. Die Einzelmodule müssen dabei so ausgelegt werden, dass über die internen Schaltelemente wahlweise ein paralleles oder serielles Schalten der Energiespeicherelemente erfolgen kann, so dass keine zusätzlichen externen Schalter wie bei der Matrixadressierung erforderlich sind. Gleichzeitig soll die Erfindung gewährleisten, dass die Spannungsbelastung der internen Schaltelemente nicht wesentlich über der Maximalspannung der Energiespeicherelemente liegt.
Damit kann ein Stromrichter aus einer Hintereinanderschaltung von Einzelmodulen mit einer ähnlichen Schaltungstopologie wie ein Multilevelkonverter aufgebaut werden. Allerdings können die Energiespeicherelemente dieses neuartigen Stromrichters wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Der grundlegende Vorteil einer solchen wahlweisen Verschaltung liegt darin, dass eine Parallelschaltung der Energiespeicherelemente der Einzelmodule den Gesamtinnenwiderstand des Stromrichters (oder eines Zweiges des Stromrichters) verringern, so dass der Stromrichter in diesem Schaltzustand ein Vielfaches mehr an Leistung bereitstellen kann als bisherige Stromrichter. Weiterhin können damit je nach Anwendungsfall auch die Energiespeicher in den Einzelmodulen verkleinert werden.
Weiterhin erlaubt eine Parallelschaltung den einfachen Ladungsausgleich zwischen den Energiespeicherelementen der Einzelmodule. Im Gegensatz dazu hängt bei bisherigen Systemen die Möglichkeit eines Ladungsausgleich von der Verschaltung der Module ab, ob diese ohne einen Strom durch das gesamte System oder auch eines der Anschlusspaare Energie transferieren können. In N. Flourentzou et al., 2009 wird das Fehlen einer solchen Option bisheriger Multilevelkonverter zum Voltage Balancing der Energiespeicher nach einer ungleichmäßigen Belastung als zentrales Problem einiger Multilevelansätze (insbesondere für Neutral-Point Clamped Converters, NPC) bezeichnet. Ein Lösen dieses Problems auch mit einer größeren Anzahl zusätzlicher Leistungshalbleiter wird dabei sogar propagiert.
Unter Verwendung entsprechender neuartiger Einzelmodule mit den entsprechenden Verbindungsanschlüssen untereinander kann ein erfindungsgemäßer Umrichter ähnlich aufgebaut werden, wie der beschriebene Multilevelkonverter. Dies bedeutet, dass mehrere gleichartige Einzelmodule beispielsweise zu einem Brückenzweig zusammengefügt werden können und zwei Brückenzweige wiederum ein Phasenmodul bilden können. Der wesentliche Unterschied der vorliegenden Erfindung zum bisherigen Multilevelkonverter besteht jedoch darin, dass die Einzelmodule des neuartigen Umrichters nicht mehr als einfache Zweipole direkt in Serie geschaltet werden, sondern die neuen Einzelmodule in einer Art Hintereinanderschaltung jeweils über mindestens zwei Anschlüsse mit dem jeweils nächsten Einzelmodul verbunden sind. Somit legt nicht die Hintereinanderschaltung der Einzelmodule, sondern nur der Schaltzustand der internen Schaltelemente fest, ob ein Energiespeicherelement eines Einzelmoduls jeweils in Serie oder parallel zum nachfolgenden Einzelmodul geschaltet werden soll. Damit kann ein Umrichter, der aus solchen Einzelmodulen aufgebaut ist, so gesteuert werden, dass zu bestimmten Zeitpunkten eine Serienschaltung von Energiespeichern vorliegt und zu bestimmten anderen Zeitpunkten eine Parallelschaltung. Entsprechend kann die von einer Hintereinanderschaltung von Einzelmodulen erzeugte Spannung auch gezielt verändert werden.
Damit erlaubt die vorliegende Erfindung den Aufbau besonderer Umrichterschaltungen, welche nahezu beliebige Zeitverläufe bzgl. Eingansspannung und -Strom- zu ebenso nahezu beliebigen Zeitverläufen bzgl. Ausgangsspannung und -Strom umsetzen können. Das Einsatzgebiet reicht dabei von Kleinspannungsanwendungen bis zur Höchstspannungsebene zur Energieübertragung mit bis zu einer Million Volt. Die hier beschriebene Erfindung erlaubt, je nach genauem Aufbau, den Betrieb in allen vier Quadranten des Strom-Spannungs-Graphen; d. h. die Konverterschaltungen können ein- und ausgangsseitig für beide Spannungsrichtungen wahlweise Strom aufnehmen oder abgeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die voranstehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, wobei:
1 einen Brückenzweig eines modularen Multilevelkonverters, bestehend aus drei gleichen Zweipolen beschreibt;
2 den möglichen Aufbau eines einzelnen Moduls eines modularen Multilevelkonverters zeigt;
3 ein Phasenmodul eines modularen Multilevelkonverters zeigt, welches aus zwei Brückenzweigen mit je drei gleichen Zweipolen aufgebaut ist;
4 ein System zur Umwandlung einer 1-phasigen Wechselspannung (bzw. einer Gleichspannung) in eine andere 1-phasigen Wechselspannung (bzw. Gleichspannung) zeigt, welches aus zwei zusammengeschalteten Phasenmodulen eines modularen Multilevelkonverters besteht;
5 ein System zur Umwandlung einer 3-phasigen Wechselspannung in eine 1-phasige Wechselspannung bzw. eine Gleichspannung zeigt, welches aus drei zusammengeschalteten Phasenmodulen eines modularen Multilevelkonverters besteht;
6 ein System zur Kopplung eines 3-phasigen Drehstromnetzes mit einem zweiphasigen Netz zeigt, welches aus drei und zwei zusammengeschalteten Phasenmodulen eines modularen Multilevelkonverters besteht;
7 eine Hintereinanderschaltung von drei erfindungsgemäßen Einzelmodulen zeigt, so dass beispielsweise ein Brückenzweig eines Stromrichters gebildet wird;
8 die Schaltzustände Parallelschaltung und Serienschaltung zweier hintereinandergeschalteter erfindungsgemäßer Einzelmodule zeigt;
9 vier verschiedene mögliche Ausführungsformen solcher erfindungsgemäßer Einzelmodule zeigt;
10 mögliche Schaltzustände für die Hintereinanderschaltung von Einzelmodulen gemäß 9c zeigt;
11 ein Phasenmodul bestehend aus zwei Brückenzweigen zeigt, wobei jeder Brückenzweig aus drei gleichen erfindungsgemäßen Einzelmodulen aufgebaut ist;
12 ein System zur Umwandlung einer 1-phasigen Wechselspannung (bzw. einer Gleichspannung) in eine andere 1-phasigen Wechselspannung (bzw. Gleichspannung) zeigt, welches aus zwei zusammengeschalteten Phasenmodulen gemäß 11 besteht;
13 ein System zur Umwandlung einer 3-phasigen Wechselspannung in eine 1-phasige Wechselspannung bzw. eine Gleichspannung zeigt, welches aus drei zusammengeschalteten Phasenmodulen gemäß 11 besteht;
14 ein System zur Kopplung eines 3-phasigen Drehstromnetzes mit einem zweiphasigen Netz zeigt, welches aus drei und zwei zusammengeschalteten Phasenmodulen gemäß 11 besteht;
15 eine Umsetzung der geforderten Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls gemäß 9a unter zusätzlicher Verwendung von Dioden zeigt;
16 eine praktische Realisierung eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls gemäß 9a mit Transistoren zeigt;
17 eine weitere praktische Realisierung eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls gemäß 9a mit Transistoren zeigt, wobei der zusätzliche Schalter in den Einzelmodulen an Stelle der Klemmen B1 und B2 die Klemmen A1 mit A2 verbinden kann;
18 die zentralen zusätzlichen Strompfade eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls gemäß 15 zeigt;
19 eine praktische Realisierung eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls gemäß 9b zeigt;
20 eine Zusammenschaltung benachbarter Einzelmodule gemäße 19 zeigt;
21 ein überbestücktes Einzelmodul gemäß 9b zeigt, das über mehr Schaltelemente verfügt, als für den einfachsten Betrieb nötig ist;
22 eine weitere mögliche Ausführungsform zeigt, die von dem Schaltbild gemäß 21 abgeleitet sind, aber weniger Schaltmöglichkeiten erlaubt;
23 eine weitere mögliche Ausführungsform zeigt, die von dem Schaltbild gemäß 21 abgeleitet sind, aber weniger Schaltmöglichkeiten erlaubt.
In den Zeichnungen sollen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, Bauteile und Anordnungen bezeichnen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Stromrichter, der aus einer Hintereinanderschaltung von mehreren gleichartigen Einzelmodulen aufgebaut werden soll, so ausgezuführen ist, dass die Energiespeicherelemente dieser Einzelmodule wahlweise parallel oder seriell geschaltet werden können. Dabei kann die Verschaltung der Einzelmodule fest vorgegeben werden, so dass nur über die die internen Schaltelemente wahlweise gesteuert werden kann, ob die Energiespeicherelemente der Einzelmodule paralleles oder in Serie zu schalten sind. Gleichzeitig soll die Topologie der internen Schaltelemente gewährleisten, dass die Spannungsbelastung dieser Schaltelemente nicht wesentlich über der Maximalspannung der Energiespeicherelemente liegt.
7 zeigt dabei ein Beispiel einer möglichen externen Verschaltung von drei Einzelmodulen 701, 702 und 703 gemäß der Erfindung zu einer Hintereinanderschaltung, so dass beispielsweise ein Brückenzweig eines Stromrichters gebildet wird. Ein Einzelmodul ist dabei jeweils über mindestens zwei Anschlüsse mit dem nachfolgenden Anschluss verbunden, so dass die Energiespeicherelemente eines Einzelmoduls entweder parallel oder in Serie zum Energiespeicherelement des nachfolgenden Einzelmoduls geschaltet werden kann.
8 zeigt die hierzu geforderten Schaltzustände zweier hintereinandergeschalteter Einzelmodule 801 und 802: Parallelschaltung der beiden Energiespeicherelemente 803, 804 und Serienschaltung der Energiespeicherelemente 803, 804 in zwei möglichen Polaritäten. Diese Verschaltungen sind natürlich auch für eine Parallel- oder Serienschaltung von mehr als zwei Modulen möglich. Zusätzlich sollten die Einzelmodule so ausgeführt sein, dass sie vergleichbare Schaltzustände zu den Zweipolen des beschriebenen Multilevelkonverters erzeugen können. Dies bedeutet insbesondere, dass einzelne Module so geschaltet werden können, dass sie einen Stromfluss von einem vorhergehenden Einzelmodul (oder einem äußeren Anschluss eines Brückenzweigs) zu einem nachfolgenden Einzelmodul (oder einem anderen äußeren Anschluss eines Brückenzweigs) ermöglichen, ohne das eigene Energiespeicherelement in den Vorgang mit einzubinden.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Einzelmodule so ausgeführt sind, dass die Anschlüsse des jeweils letzten Klemmenpaars eines äußeren Einzelmoduls einer Hintereinanderschaltung fest miteinander verbunden werden können. Dies ist beispielsweise in 7 für das erste und das letzte der drei Einzelmodule dargestellt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass eine Hintereinanderschaltung von mindestens zwei der neuartigen Einzelmodule ähnlich wie bei der Reihenschaltung von Zweipolen des beschriebenen Multilevelkonverters einen Brückenzwei mit zwei äußeren Anschlüssen bildet.
Da die Verbindung jeweils zweier solcher Einzelmodule gezielt über die entsprechenden Schaltelemente gesteuert werden kann, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelmodule so zu steuern, dass innerhalb einer solchen Hintereinanderschaltung mindestens eine Serienschaltung von Energiespeicherelementen und eine Parallelschaltung von Energiespeicherelementen gleichzeitig vorliegt.
Das Umschalten der Energiespeicherelemente von Einzelmodulen zu einer Parallelschaltung kann zweckmäßigerweise dann besonders einfach vorgenommen werden, wenn die Spannungen der betreffenden Energiespeicherelemente ähnlich sind. Andererseits kann über die Ansteuerung der entsprechenden Einzelmodule des Stromrichters auch erreicht werden, dass im Verhältnis zur Gesamtzahl der Schaltzyklen nur verhältnismäßig selten auf eine entsprechende Parallelschaltung umgeschaltet wird. Beispielsweise könnte ein mit 100 kHz getakteter Umrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung von 50 Hz nur alle 10 oder 20 ms entsprechende Module in den Parallelbetrieb schalten, während für die Schaltzyklen der 100 kHz Taktung alle 10 Mikrosekunden geschaltet werden muss.
Alternativ kann eine Parallelschaltung der Energiespeicherelemente bei unterschiedlichen Spannungen aber auch so vorgenommen werden, dass vor dem Parallelschalten zunächst ein Ladungs- und Spannungsausgleich vorgenommen wird. Hierzu ist es zweckmäßig, noch zusätzliche Ausgleichsglieder jeweils zwischen zwei Einzelmodule zu schalten, die eine Zwischenspeicherung eines Teils der Energie der Energiespeicherelemente erlauben. Insbesondere können solche Ausgleichsglieder Induktivitäten enthalten.
Um Einzelmodule gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten, muß bei jedem Einzelmodul auf beiden Anschlussseiten ein getrennter Zugang zu den beiden Anschlüssen des Energiespeicherelementes im Inneren geschaffen werden. Dies kann so geschehen, dass mehrere Module hintereinander mit je zwei Anschlüssen verbunden werden können und so die Energiespeicherelemente der Module wahlweise seriell oder parallel betrieben werden können. Damit kann ein modifizierter Multilevelkonverter aufgebaut werden, bei dem die ursprünglichen Zweipole durch erfindungsgemäße Einzelmodule mit mindestens vier Anschlüssen ersetzt werden. Diese Anschlüsse bilden beispielsweise ein erstes und ein zweites Klemmenpaar.
Ein solches Einzelmodul mit genau vier Anschlüssen kann auch als ein sogenanntes Zweitor betrachtet werden. Ein Zweitor ist dabei definiert als ein vierpoliges Modul mit zwei Klemmenpaaren A1, A2 bzw. B1, B2, welche jeweils ein sogenanntes Tor bilden und wobei der Strom durch jeweils ein Klemmenpaar gegengleich ist. Insbesondere ist das dabei entstehende Zweitor aktiv und nichtlinear.
Durch das oben beschriebene Aufbrechen des ursprünglich zweipoligen Moduls wird der erste Anschluss zum Klemmenpaar A1, A2 und der zweite Anschluss zum Klemmenpaar B1, B2.
Jedes Modul enthält damit mehrere Schaltelemente, über welche der interne Energiespeicher mit den Anschlüssen A1, A2, B1 und B2 verbunden werden kann. Insbesondere sollen die Schalter folgende voneinander unabhängige Schaltzustände erzeugen können:

– Verbinden oder Nicht-Verbinden der Klemme A1 mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers
– Verbinden oder Nicht-Verbinden der Klemme A2 mit dem zweiten Anschluss des Energiespeichers
– Verbinden oder Nicht-Verbinden der Klemme B1 mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers
– Verbinden oder Nicht-Verbinden der Klemme B2 mit dem zweiten Anschluss des Energiespeichers

Die 9a, 9b, 9c und 9d zeigen vier verschiedene mögliche Ausführungsformen solcher Einzelmodule, die ein Zweitor bilden. Mehrere gleichartige Einzelmodule werden hintereinander geschaltet (in 9 sind beispielhaft jeweils zwei Module hintereinandergeschaltet). Dabei hat die Verschaltung so zu erfolgen, dass die Klemmen hintereinandergeschalteter Zweitore in folgender Weise miteinander verbunden werden müssen:
Verbindung der Klemme B1 des ersten Moduls mit der Klemme A1 des nachfolgenden Moduls und Verbindung der Klemme B2 des ersten Moduls mit der Klemme A2 des nachfolgenden Moduls für die drei Ausführungsformen gemäß 9a, 9b und 9c.
Für die Ausführungsform gemäß 9d gilt dagegen:
Verbindung der Klemme B1 des ersten Moduls mit der Klemme A2 des nachfolgenden Moduls und Verbindung der Klemme B2 des ersten Moduls mit der Klemme A1 des nachfolgenden Moduls.
Zwei oder mehrere hintereinandergeschalteten Zweitore können dabei bzgl. ihrer jeweiligen Energiespeicher allein über entsprechende Ansteuerung ihrer Schalter entweder parallel oder in Reihe geschaltet werden. Dies kann durch folgende prinzipielle Schaltzustände erreicht werden:
Der erste Anschluss des Energiespeichers des ersten Zweitors wird mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers des nachfolgenden Zweitors verbunden und der zweite Anschluss des Energiespeichers des ersten Zweitors wird mit dem zweiten Anschluss des Energiespeichers des nachfolgenden Zweitors verbunden (z. B. Schließen der Schalter 905, 909, 908 und 910 in 9b). Wenn nun gleichzeitig die Klemme A1 des ersten Zweitors ebenfalls mit dem ersten Anschluss des zugehörigen Energiespeichers verbunden wird (z. B. Schließen des Schalters 903 in 9b) und die Klemme B2 des letzten so verschalteten Zweitors ebenfalls mit dem zweiten Anschluss des zugehörigen Energiespeichers verbunden wird (z. B. Schließen des Schalters 914 in 9b), liegt sozusagen eine Parallelschaltung von zwei oder mehreren Zweitoren vor. Dabei ist es zweckmäßig, die Klemmen A1 und A2 des ersten Zweitors miteinander zu verbinden und auch die Klemmen B1 und B2 des letzten so verschalteten Zweitores miteinander zu verbinden.
Oder die hintereinandergeschalteten Zweitore werden so geschaltet, dass:
Der erste Anschluss des Energiespeichers des ersten Zweitors mit dem zweiten Anschluss des Energiespeichers des nachfolgenden Zweitors verbunden wird (z. B. Schließen der Schalter 907 und 910 in 9b). Wenn nun gleichzeitig die Klemme A2 des ersten Zweitors mit dem zweiten Anschluss des zugehörigen Energiespeichers verbunden wird (z. B. Schließen des Schalters 904 in 9b) und die Klemme B1 des letzten so verschalteten Zweitors ebenfalls mit dem ersten Anschluss des zugehörigen Energiespeichers verbunden wird (z. B. Schließen des Schalters 911 in 9b), liegt sozusagen eine Reihenschaltung Energiespeicherelemente der Zweitore vor, wobei auf diese Weise beliebig viele Zweitore verschaltet werden können. Dabei dürfen alternativ auch die Klemme A1 und A2 des ersten Zweitors miteinander verbunden werden und es dürfen auch die Klemmen B1 und B2 des letzten so verschalteten Zweitores miteinander verbunden werden. Die Polarität der Reihenschaltung kann auch umgekehrt werden, wenn sinngemäß jeweils der „erste Anschluss” und der „zweite Anschluss”, sowie „A1” und „A2”, und „B1” und „B2” vertauscht werden.
Weiterhin können bei Verwendung von mindestens drei Zweitoren innerhalb eines Brückenzweiges auch Parallelschaltungen und Reihenschaltungen von Energiespeicherelementen der Einzelmodule gleichzeitig vorgenommen werden.
Die äquivalenten Schaltzustände der Energiespeicherelemente gemäß der Schaltungen aus 9a, 9c und 9d können durch entsprechendes Öffnen und Schließen ihrer Schalter ebenfalls erreicht werden.
Die Ausführungsform gemäß 9c benötigt nur vier Schalter pro Einzelmodul, gestattet aber in der Serienschaltung von Energiespeicherelementen nicht mehr eine freie Wahl der Spannungsrichtung. Damit wird bei dieser Ausführungsform der Einsatz von polarisierten Energiespeicherelementen, wie z. B. Akkumulatoren oder Elektrolytkondensatoren erschwert. Bei den anderen gezeigten Ausführungsformen kann dagegen die Polarität der Energiespeicherelemente unabhängig von der externen Modulspannung gewählt werden. Weiterhin ist es bei der Ausführungsform gemäß 9c sinnvoll für jeden Brückenzweig eine ungerade Anzahl von Einzelmodulen einzusetzen, um jeweils die beiden Klemmen der randständigen Einzelmodule wieder miteinander verbinden zu können.
10 zeigt mögliche Schaltzustände für die Hintereinanderschaltung von drei Einzelmodulen 1001, 1002 und 1003 gemäß 9c.
Insbesondere bei den Einzelmodulen gemäß 9d können die Einzelmodule als eine Kombination von vierquadranten-geschalteten Zweipolen mit einem Energiespeicherelement und einem zusätzlichen Schaltelement an einer Eingangs- oder Ausgangsklemme betrachtet werden. Damit bildet auch ein solches Einzelmodul wiederum ein Zweitor, wobei eine Eingangsklemme mit einer Ausgangsklemme dauerhaft verbunden ist (z. B. in 9d die Klemmen A2 und B2 jedes Einzelmoduls). Bezüglich ihrer äußeren Verschaltung unterscheiden sich diese Einzelmodule von den in den 9a, 9b und 9c gezeigten Alternativen lediglich darin, dass die Klemmen hintereinandergeschalteter Zweitore jeweils mit vertauschten Anschlüssen miteinander verbunden werden müssen:
Verbindung der Klemme B1 des ersten Moduls mit der Klemme A2 des nachfolgenden Moduls und Verbindung der Klemme B2 des ersten Moduls mit der Klemme A1 des nachfolgenden Moduls.
Die dargestellten Ausführungsformen stellen Beispiele möglicher Verschaltungen der Energiespeicherelemente und der zugehörigen Schalter dar, erheben aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Insbesondere können die Einzelmodule noch mit weiteren Schaltern ausgestattet werden um die gleichen beschriebenen Schaltzustände zu erreichen. Weiterhin können für die Realisierung der vorliegenden Erfindung auch Einzelmodule verwendet werden, die mehr als zwei elektrische Verbindungen zwischen den Einzelmodulen aufweisen.
Verschaltung mehrerer Module zu einem Umrichter:
Ein ein- oder mehrphasiger Umrichter kann erfindungsgemäß aufgebaut werden, indem jeder Brückenzweig, wie er beispielhaft mit 3 Einzelmodulen in 7 dargestellt ist, aus mehreren hintereinandergeschalteten dieser Zweitore zusammengesetzt wird. Dabei werden jeweils die Ausgangs-Klemmen B1 und B2 eines Zweitors mit den Eingangsklemmen A1 und A2 (oder vertauscht A2 und A1) verbunden. Die jeweiligen Anschlussklemmen eines Brückenzweiges werden entweder durch eine eingangsseitige Klemme A1 oder A2 (wobei beide Klemmen A1 und A2 alternativ auch verbunden sein können) des ersten Moduls im Brückenzweig bzw. durch eine ausgangsseitige Klemme B1 oder B2 (wobei beide Klemmen B1 und B2 alternativ auch verbunden sein können) des letzten Moduls im Brückenzweig gebildet.
Entsprechend kann gemäß 11 ein Phasenmodul 1103 aus zwei Brückenzweigen 1101 und 1102 aufgebaut werden, wobei die Brückenzweige aus Einzelmodulen 701, 702 und 703 aufgebaut sind. Ähnlich wie beim beschriebenen Multilevelkonverter, bilden diese Phasenmodule, deren obere und untere Anschlüsse mit einer gemeinsamen Sammelschiene verbunden sind, die Grundbausteine eines ein- oder mehrphasigen Umrichters.
Durch zwei zusammengeschaltete Phasenmodule 1201, 1202 gemäß 12 entsteht wieder ein System zur Umwandlung einer einphasigen Wechselspannung bzw. Gleichspannung in eine andere einphasige Wechselspannung bzw. Gleichspannung. Der Aufbau eines solchen Systems ist dabei wieder vollkommen symmetrisch bezüglich der Ein- bzw. Ausgänge und ermöglicht somit gegenüber jedem Anschlusspaar einen vollständigen Vierquadrantenbetrieb. Weiterhin kann sowohl eingangsseitig aus auch ausgangsseitig des Verhalten des Stromrichters bzgl. induktivem oder kapazitivem Verhalten individuell angepasst werden. Der Energiefluss ist somit auch in beide Richtungen möglich und kann dynamisch verändert werden.
Weiterhin kann beispielsweise durch drei zusammengeschaltete Phasenmodule 1301, 1302, 1303 gemäß 13 ein System zur Umwandlung einer 3-phasigen Wechselspannung in eine 1-phasige Wechselspannung bzw. eine Gleichspannung realisiert werden. Die zusammengefassten Anschlüsse der Phasenmodule können auch als sogenannte (Gleichspannungs-)Sammelschiene betrachtet werden, so dass durch Zusammenschalten von n + m Phasenmodulen eine Netzkupplung für die Kopplung eines n-phasiges Netzes mit einem m-phasigen Netz entsteht. In 14 ist beispielhaft die Zusammenschaltung von 5 Phasenmodulen 1401 bis 1405 dargestellt, um eine Kopplung eines 3-phasigen Drehstromnetzes mit einem zweiphasigen Netz zu realisieren.
Das vorgeschlagene Design zur Kombination mehrerer Module muss zudem nicht auf identischen Modulen basieren. Sofern die Steuerung dies berücksichtigt, können auch Module dieser Topologie mit den Vorschlägen aus den ursprünglichen Anmeldungen ( DE 10217889 ) kombiniert werden (also entsprechende 2-Pole), um nur einem bestimmten Teil von Modulen die Parallelschaltung zu ermöglichen. Weiterhin können, je nach Anforderung an den Umrichter, die Kapazitäten der Energiespeicherelemente und die Stromtragfähigkeiten der Schalter der Einzelmodule den Gegebenheiten individuell angepasst werden.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn innerhalb eines Phasenmoduls jeweils einer der beiden Brückenzweige durch einen einfachen (vorzugsweise elektronischen) Schalter ersetzt wird.
Für den weiteren Weg existieren mehrere Alternativen zur genauen Ausführung und Anwendungsweise der neuen Module.
Aufbau von Einzelmodulen mit elektronischen Schaltern
Eine einfache Umsetzung der geforderten Eigenschaften eines Einzelmoduls gemäß 9a kann zweckmäßigerweise durch die zusätzliche Verwendung von Dioden 1501 bis 1505 gemäß 15 als eine mögliche Ausführungsform realisiert werden. Über die jeweiligen Dioden wird die Spannung an den Klemmenpaaren auf die Kondensatorspannung Uc auch bei offenen Schaltern begrenzt. Das weitere Schaltelement, welches die Anschlüsse B1 mit B2 verbinden kann, zwingt im Falle eines Halbleiterschalters mit Freilaufdiode zudem inhärent die nötige Potentialbedingung für diesen Betriebsfall auf. Somit wird über die Schaltelemente der jeweiligen Verbindung sowohl die bekannte serielle als auch eine Parallelschaltung benachbarter Einzelmodule möglich, um beispielsweise die Strombelastbarkeit zu steigern. Eine praktische Realisierung zweier solcher Einzelmodule mit je 5 Transistoren 1601 bis 1605 ist in 16 dargestellt. Alternativ kann der zusätzliche Schalter in den Einzelmodulen an Stelle der Klemmen B1 und B2 auch die Klemmen A1 mit A2 verbinden. 17 stellt ein solches Einzelmodul mit den 5 Transistoren 1701 bis 1705 dar, wobei der Transistor 1702 die beiden Klemmen A1 und A2 verbinden kann.
Die zentralen zusätzlichen Strompfade sind in 18 dargestellt. Im Vergleich zum beschriebenen Konzept des modularen Multilevelkonverters ist also ein weiteres Schaltelement pro Einzelmodul notwendig, das lediglich auf die Spannungslevel der Einzelmodule abgestimmt sein muss.
Alle Schaltelemente können beispielsweise als Transistoren (beispielsweise MOSFET oder auch IGBT) oder andere Halbleiterschalter ausgeführt und durch Parallelisierung in der Stromtragfähigkeit verbessert werden. Für den zusätzlichen Leistungsschalter, der die beiden Anschlussleitungen zum benachbarten Modul verbindet, muss ausdrücklich kein Element verwendet werden, das auch aktiv Ströme unterbrechen kann. Da die Unterbrechung durch eines der anderen Elemente erfolgen kann, sind daher hier auch einfache selbstlöschende Leistungshalbleiter (wie z. B. Thyristoren und Triacs) einsetzbar, die insbesondere für das Einsatzgebiet bei hohen Strömen und Spannungen preislich deutlich günstiger im Vergleich zu beispielsweise IGBT ausfallen. Insbesondere muss dieses zusätzliche Schaltelement nicht notwendigerweise im schnellen PWM-Betrieb arbeiten, da es nur für die Parallel- oder Serienschaltung einzelner Module eingesetzt werden kann.
Die beiden Anschlusspaare der randständigen Einzelmodule lassen sich, sofern die Ein- und Ausgangssysteme keine Vorteile aus der Trennung der beiden Leitungen ziehen können, einfach zusammenschließen. Gegebenenfalls können Quellen und Verbraucher jedoch durch eine innovative Dioden- oder Transistorbeschaltung diese zusätzliche Einrichtung positiv einsetzen.
Weiterhin können die randständigen Einzelmodule sich auch von den übrigen Einzelmodulen dadurch unterscheiden, dass sie auf einer Seite nur einen Anschluss aufweisen. Somit können die eingangs-randständigen Einzelmodule bereits die beiden Eingänge A1 und A2 verbinden. Die ausgangs-randständigen Einzelmodule können ausgangseitig ebenfalls nur einen Anschluss aufweisen und benötigen (gegenüber den Ausführungsformen von 16 ausgangsseitig nur 2 Schaltelemente (Verbinden der beiden Ausgänge B1 und B2).
Zwar erfordert dieses vorgeschlagene Schaltungsdesign zur Realisierung der Einzelmodule gemäß 9a nur einen minimalen Mehraufwand an Material, um die dargestellten Vorteile zu erreichen, jedoch lassen zwei Eigenschaften – die Nachteile zu nennen ungerecht erschiene – über weitere Wege zu diesem Ziel nachdenken.
Im Falle der Serienschaltung benachbarter Module fließt der gesamte Strom durch den die beiden Anschlussleitungen verbindenden Schalter, die übrigen Halbleiter sind stets, in allen Zuständen (abgesehen von den leicht entlastenden Dioden) vom vollen Strom durchflossen. Eine getrennte Dimensionierung der Schalter für den Parallel- und den Seriellfall ist gemäß der Schaltung in 9a nicht möglich (je nach Auslastung wird allerdings der Querverbindungsschalter thermisch schwächer belastet).
Der Schalter aus der Schaltung gemäß 9a tritt in der Serielschaltung ausnahmslos mit einem anderen Transistor in Aktion, um die beiden Verbindungsschienen zusammenzuschließen. Werden jedoch die beiden Wege auf die Verbindungsschienen zum Energiespeicherelement direkt als Halbleiterschalter ausgeführt, bleibt die Funktion und die äußere Verbindungsstruktur vorhanden, jedoch bekommen die Transistoren nun eine dedizierte Funktion. Damit ergibt sich eine Struktur der Einzelmodule gemäß 9b. 19 zeigt einen solchen Aufbau unter Verwendung von 6 Transistoren 1901 bis 1906 und zusätzlichen Dioden 1907 bis 1911, 20 zeigt die Zusammenschaltung zweier benachbarter Einzelmodule 2001, 2002.
Auf der freihängenden Seite kann dieser Entwurf ebenso wie die Alternative mit einer Diode im Modul selbst abgeschlossen werden, um die (skleronome) Potentialzwangsbedingung der Verbindungsschienen auch im Fehlerfall sicherzustellen.
21 stellt ein überbestücktes Einzelmodul mit 8 Transistoren 2101 bis 2108 und 4 Dioden 2109 bis 2112 dar, das über mehr Schaltelemente verfügt, als für den einfachsten Betrieb nötig ist. Alle weiteren abgebildeten Aufbauten lassen sich durch Entfernen einzelner Schalter aus diesem Aufbau ableiten.
Die hier genannten Alternativen lassen sich auch zusammen einsetzen, da sie in Ihrem Verhalten je nach Ausführung von außen sogar gleich auftreten.
Die 22 und 23 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen, die von dem Schaltbild gemäß 21 abgeleitet sind, aber weniger Schalter (2201 bis 2206 bzw. 2301 bis 2306) und entsprechend weniger Schaltmöglichkeiten erlauben.
Ansteuerung der Einzelmodule
Jedes Einzelmodul sollte von einer eigenen Steuereinheit angesteuert werden, die über einen potentialfreien bidirektionalen Datenkanal mit einer gemeinsamen Kontrolleinheit verbunden ist, um einerseits die Schaltelemente zu steuern und andererseits die Spannungswerte des Energiespeicherelementes an die Kontrolleinheit weiterzuleiten. Alternativ können auch weitere Daten, wie Ströme oder Temperaturen der Bauelemente zur Kontrolleinheit übertragen werden. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Steuereinheiten in den Einzelmodulen direkt über die Spannung an den Klemmen der Einzelmodule elektrisch versorgt werden. Die Datenübertragung zur gemeinsamen Kontrolleinheit kann z. B. optisch erfolgen, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten. Wird auf die Modularität vollständig verzichtet, ergibt sich die Möglichkeit, Ansteuerungssysteme zusammenzufassen, was ein Potential für Vereinfachung des Aufbaus und für Kosteneinsparungen beinhaltet. Beispielsweise lassen sich im Falle von transistorartigen Schaltern alle Schaltelemente mit gleichem Source-Kontakt in der potentialgetrennten Ansteuerung zusammenfassen.
Externe Verschaltung der Module
Die maximale Flexibilität und damit für den bisher bekannten modularen Multilevel-Ansatz die übliche Wahl war eine volle Brücke für den Vierquadrantenbetrieb. Dieser erlaubte insbesondere, alle Module stets von jeder der beiden Eingangsseiten mit Energie zu versorgen. Die neue Entwicklung könnte jedoch auch andere Strukturen attraktiv werden lassen. Eine Reduzierung der vier Arme auf einen einfacheren Aufbau, sofern nicht alle vier Quadranten der Strom-Spannungs-Ebene benötigt werden, könnte in vielen Fällen Kostenvorteile bringen. Durch die Option der parallelen Verschaltung wäre stets ein Ladungstransport über die Module hinweg möglich.
Um das Parallelschalten der Energiespeicherelemente auch bei unterschiedlichen Spannungen der einzelnen Energiespeicherelementen verlustarm zu ermöglichen, sollte vor dem Parallelschalten zunächst ein Ladungs- und Spannungsausgleich vorgenommen werden. Hierzu ist es zweckmäßig, noch zusätzliche Ausgleichsglieder jeweils zwischen zwei Einzelmodule zu schalten, die eine Zwischenspeicherung eines Teils der Energie der Energiespeicherelemente erlaubten. Insbesondere können solche Ausgleichsglieder Induktivitäten enthalten.
Vorteile der Erfindung:

– Der Schalter (z. B. Transistor) jedes Einzelmoduls gemäß 9a, der die beiden Anschlüsse B1 und B2 verbindet (bzw. alternativ die beiden Anschlüsse A1 und A2) ist ebenso wie alle übrigen Schaltelemente nach dem Redundanzprinzip des Modulaufbaus gestaltet. Ist die Steuerung entsprechend ausgebildet, kann sie bei einem Defekt (in der Regel führt dies bei Halbleiterschaltern zu einem Durchlegieren und somit zu einem niederohmigen dauergeschlossenen Zustand) ohne größere Einschränkungen weiterarbeiten. Die einzige Schaltoption, die somit wegfällt, ist die Parallelverschaltung der beiden benachbart liegenden Einzelmodule. Ein Ausfall zieht somit keinerlei Standzeiten nach sich. Die Steuerung kann zur Entlastung des defekten Schalters zusätzlich die beiden Stromschienen über ein (langsames) Relais schließen und einen Wartungsauftrag für den mittelfristigen Austausch des Einzelmoduls/Transistors ausgeben.
– Die Auslegung der Bauelemente eines Moduls muss lediglich auf die Modulspannung festgelegt werden, so dass über eine Vielzahl von Einzelmodulen Umrichter mit sehr großen Spannungsfestigkeiten aufgebaut werden können. Zusätzliche Symmetrierungen sind hier nicht erforderlich.
– Die Schaltungstopologie der Einzelmodule gewährt durch die Energiespeicherelemente einen Überspannungsschutz gegenüber den Ein-/Ausgängen (Tiefpasswirkung).
– Ausfallsicherheit durch Ausnutzung der Redundanzen in der Steuerung.
– Die Option mit dem erfindungsgemäßen Aufbau die Energiespeicherelemente wahlweise in Serie oder parallel zu schalten erlaubt den Bau von Umrichtern mit großem Spannungsverhältnis (und entsprechendem Stromverhältnis) zwischen Ein- und Ausgangsklemmen. Ein solches System hat deutlich geringere Verluste als bisherige Umrichter, da jeweils bei der kleineren Spannung ein Anzahl von Modulen parallel geschaltet wird. Insbesondere werden die Ohmschen Verluste der Energiespeicher, aber auch der Schaltelemente reduziert.
– Umrichter mit stark induktiven oder stark kapazitiven Lasten können ebenso mit reduzierten Stromwärmeverlusten gegenüber herkömmlichen Systemen betrieben werden, da bei diesen Lasten hohe Ströme (die zu Stromwärmeverlusten führen) bei niedrigen Spannungen auftreten, so dass in diesen Zeitabschnitten ein Parallelschalten der Einzelmodule möglich ist.
– Es können bereits einzelne Brückenzweige (also die Serienschaltung mehrerer Module) für eine effektive Blindleistungskompensation eingesetzt werden.
– Die wahlweise Parallel- und Serienschaltung erlaubt einen (getakteten) Ladungsausgleich zwischen den Energiespeichern unterschiedlicher Module ohne einen Strom über den gesamten Umrichter oder gar über die Ein-/Ausgänge hinweg vorzunehmen. Diese Anwendung ist sowohl bei Einsatz von Kondensatoren oder auch bei Akkumulatoren als Energiespeicher sehr sinnvoll.
– Es können einfache robuste selbstlöschende Schaltelemente für die Querverbindung in den Einzelmodulen eingesetzt werden.
– Option anderer Modulverschaltungen durch Ausnutzen der Parallelverschaltung als «Eimerkette».

Einsatzgebiete der Erfindung
Wegen Eigenschaften wie der einfachen Skalierbarkeit bietet sich für dieses System ein äußerst breites Anwendungsgebiet, das von Kleinspannungswandlung, Fahrzeuganwendungen bis zur Hoch- und Höchstspannungsebene reicht (Bahnverkehr, HVDC/HGÜ-Anlagen, Netzkopplungen, Leistungskompensation, Netzkopplung unterschiedlicher Spannungen und Frequenzen etc.).
Beispielsweise werden seit einigen Jahren vermehrt Systeme im Höchstspannungsbereich für HVDC-/HGÜ-Systeme zur verlustärmeren Energieübertragung über sehr weite Strecken entwickelt und gebaut. Derartige Systeme gelten insbesondere als großer Hoffnungsträger für die zukünftige Energieversorgung der Erde, sollte die «Energiegewinnung» beispielsweise aus Solarenergie nicht mehr in der Nähe der Verbraucher stattfinden können (siehe Projekte wie European Super Grid oder DESERTEC), sind jedoch durch ihre enorme Leistungsfähigkeit und zentrale Stellung – bei immerhin unbegrenztem Nutzerkreis – ein sehr teures, aber auch wertvolles Betriebsmittel. Gleichzeitig erfordern diese neuen regenerativen Energiequellen jedoch zusätzlich große Energiespeicher, da die Energie im erforderlichen Maß nicht mehr zur gleichen Zeit erzeugt werden kann, wie sie vom Verbraucher angefordert wird. Speichersysteme lassen sich nach derzeitigem Kenntnisstand am besten über den Einsatz von Wasserkraft realisieren (Pumpspeicherwerke), die sich eher in den kühleren Regionen Europas günstig realisieren lassen. Auch hier wären also weite Strecken für die entsprechende Energieanbindung zu überbrücken, was ebenfalls die HVDC-/HGÜ-Systeme interessant macht.
Die wahlweise Parallel- und Serienschaltung von Einzelmodulen ist weiterhin besonders günstig bei Umrichtern, die zumindest an einem Klemmenpaar eine stark variable Spannung bei gleichbleibend hohen Leistungen liefern (bzw. aufnehmen) soll. Dies ist beispielsweise bei Elektrofahrzeugen der Fall, bei denen einerseits für das Anfahren hohe Drehmomente (und damit hohe Ströme) bei vergleichsweise geringen Betriebsspannungen und andererseits für den normalen Fahrbetrieb eher geringe Drehmomente (und damit geringe Ströme) bei entsprechend höheren Betriebsspannungen erforderlich sind.
Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet stellt die Nervenreizung mit Magnetfeldern nach dem Induktionsprinzip dar. Eine auf das zu reizende Gewebe aufgelegte Spule erzeugt über einen Strompuls mit geeigneter Verlaufsform einen magnetischen Feldpuls, so dass induktiv im Gewebe ein Stromfluss induziert wird. Der Spulenstrom und das induzierte Spulenfeld sind so bemessen, dass der induzierte Strompuls ausreicht, um die Nerven zu depolarisieren und damit ein Aktionspotential auszulösen. Dieses Verfahren ist nahezu völlig schmerzfrei und gestattet daher viele Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin. Allerdings werden bei bisherigen induktiven Reizverfahren nur sehr einfache resonante Schwingkreis-Schaltungen zur Pulserzeugung verwendet, deren sinusförmige Pulse energetisch nicht optimal sind. Der Einsatz eines Umrichters dagegen gestattet die Erzeugung entsprechend geformter zeitlich optimierter Strompulse, so dass sich der Energieaufwand zur Nervenreizung beträchtlich reduzieren ließe. Da auch bei dieser Anwendung eine induktive Last, nämlich die Reizspule, zu speisen ist, eignen sich Umrichter nach dem beschriebenen Konzept gemäß der vorliegenden Erfindung in besonderem Maße.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10217889 [0009, 0083]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

N. Flourentzou et al., 2009 [0030]

Claims

Elektrisches Umrichtersystem für Stromversorgungen, bestehend aus mindestens zwei gleichartigen hintereinander geschalteten Einzelmodulen (901, 910, 920, 930) dadurch gekennzeichnet, dass jedes Einzelmodul mindestens vier interne Schaltelemente (903–914), mindestens ein Energiespeicherelement (923) und mindestens vier Anschlüsse aufweist, wobei je zwei der Anschlüsse als ein erstes (921) und ein zweites Klemmenpaar (922) dienen; die internen Schaltelemente jedes Einzelmoduls so ausgeführt sind, dass sie wahlweise einen oder beide Anschlüsse jedes Klemmenpaars mit dem Energiespeicherelement verbinden können; die Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Einzelmodulen so erfolgt, dass jeweils die Anschlüsse des zweiten Klemmenpaars eines vorhergehenden Einzelmoduls mit den Anschlüssen des ersten Klemmenpaars des jeweils nachfolgenden Einzelmoduls verbunden sind und mindestens eine Klemme des ersten Klemmenpaares des ersten Einzelmoduls der Hintereinanderschaltung und mindestens eine Klemme des zweiten Klemmenpaares des letzten Einzelmoduls der Hintereinanderschaltung als Klemmen der Hintereinanderschaltung dienen; und wobei die Schaltelemente der jeweiligen Einzelmodule in der Hintereinanderschaltung der mindestens zwei Einzelmodule ihre jeweiligen Energiespeicherelemente so mit den Klemmen der Hintereinanderschaltung verbinden, dass wahlweise eine Reihen- oder Parallelschaltung der Energiespeicherelemente vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einzelmodule (940) jeweils so ausgeführt sind, dass ein Anschluss des ersten Klemmenpaars intern mit einem Anschluss des zweiten Klemmenpaars verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltelemente (903–914) als bipolare Transistoren, als IGBTs, als MOSFETs, als Thyristoren oder als GTOs ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zusätzlich parallel zu jedem Schaltelement (903–914) eine Diode liegt und die Dioden so geschaltet sind, dass sie die Schaltelemente vor Verpolung und Überspannung schützen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Umrichtersystem nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation arbeitet und die Stromstärke über das Tastverhältnis der Pulsweitemodulation verändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Energiespecherelement (923) als Kondensator, als Akkumulator oder als Solarzelle ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltelemente (903–914) eines Einzelmoduls (901, 910, 920, 930) einer Hintereinanderschaltung auch so gesteuert werden können, dass kein Strom durch das Energiespeicherelement (923) fließen kann oder dass keine elektrische Verbindung zu einem nachfolgenden Einzelmodul besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hintereinanderschaltung von Einzelmodulen (901, 910, 920, 930) zusätzlich noch weitere Module mit anderen Eigenschaften enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hintereinanderschaltung von Einzelmodulen (901, 910, 920, 930) zusätzlich zwischen den Einzelmodulen noch Ausgleichsglieder zur Zwischenpufferung von Energie der Energiespeicherelemente (923) enthält, wobei diese Ausgleichsglieder eine Induktivität enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hintereinanderschaltung der Einzelmodule (901, 910, 920, 930) einen Brückenzweig eines Umrichters bildet, in dem die Klemmen des ersten Klemmenpaars des ersten Einzelmoduls der Hintereinanderschaltung miteinander verbunden sind und eine erste Klemme des Brückenzweigs bilden und die Klemmen des zweiten Klemmenpaars des letzten Einzelmoduls der Hintereinanderschaltung miteinander verbunden sind und eine zweite Klemme des Brückenzweigs bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einzelmodule (901, 910, 920, 930) eines Brückenzweiges, die in der Mitte liegen auf eine geringere Stromtragfähigkeit ausgelegt werden, als die Einzelmodule, die näher an den Enden des Brückenzweiges liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der gebildete Brückenzweig durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Einzelmodule (901, 910, 920, 930) die Phase des Stromes einer Wechselspannungsquelle gegenüber ihrer Spannung so verschiebt, dass der Brückenzweig zur Blindleistungskompensation verwendet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei jeweils zwei Brückenzweige zu einem Phasenmodul zusammengeschaltet sind und mehrere solcher Phasenmodule mit eine gemeinsamen Sammelschiene verbunden sind, um den Umrichter ein- oder/und ausgangsseitig mit einem mehrphasigen System zu verbinden.
Verfahren zur Ansteuerung eines Umrichters zur Steuerung von Strömen und Spannungen, wobei der Umrichter aus hintereinander geschalteten Einzelmodulen (901, 910, 920, 930) besteht und wobei jedes Einzelmodul mindestens vier interne Schaltelemente (903–914), mindestens ein Energiespeicherelement (923) und mindestens vier Anschlüsse aufweist, wobei je zwei der Anschlüsse als ein erstes (921) und als ein zweites Klemmenpaar (922) dient, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Verbinden über die internen Schaltelemente von wahlweise einem oder beiden Anschlüssen jedes Klemmenpaars mit dem Energiespeicherelement; und Verbinden der Energiespeicherelemente hintereinanderliegender Einzelmodule über die internen Schaltelemente so, dass wahlweise eine Reihen- oder Parallelschaltung dieser Energiespeicherelemente vorliegt, wobei die Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Einzelmodulen so ausgeführt ist, dass jeweils die Anschlüsse des zweiten Klemmenpaars eines vorhergehenden Einzelmoduls mit den Anschlüssen des ersten Klemmenpaars des jeweils nachfolgenden Einzelmoduls verbunden sind und mindestens eine Klemme des ersten Klemmenpaares des ersten Einzelmoduls der Hintereinanderschaltung und mindestens eine Klemme des zweiten Klemmenpaares des letzten Einzelmoduls der Hintereinanderschaltung als Klemmen der Hintereinanderschaltung dienen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Einzelmodule (901, 910, 920, 930) nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation angesteuert werden, so dass der Umrichter die Stromstärke über das Tastverhältnis der Pulsweitemodulation verändern kann.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Einzelmodule (901, 910, 920, 930) des Umrichters so angesteuert werden, dass zwischen Strom und Spannung einer erzeugten Wechselspannung eine Phasenverschiebung entsteht, so dass der Umrichter ein- und/oder ausgangsseitig zur Blindleistungskompensation verwendet werden kann.