DE102013009381A1 - Schaltungsanordnung zur transformatorlosen Kopplung von ac-Netzen mit einem dc-Netz - Google Patents

Schaltungsanordnung zur transformatorlosen Kopplung von ac-Netzen mit einem dc-Netz Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur transformatorlosen Kopplung von mehreren ac-Netzen mit einem dc-Netz unter Verwendung von Stromrichtereinheiten (SRE), die aus jeweils eine Phase (P) bildenden 2z in Reihe geschalteten Schalterzellen (SZ) bestehen, deren 1 bis m Phasen (P) jeweils an den Anschlusspunkten (dcp) und (dcn) parallel geschaltet und mit einem dc-Netz verbunden sind. Dabei sind 2z Schalterzellen (SZ) in Gruppen (G) oder Makrogruppen (MG) zusammengefasst, wobei die Anzahl der Gruppen (G) bzw. Makrogruppen (MG) die Anzahl der anzuschließenden ac-Netze bestimmt. Die Anzahl der anzuschließenden ac-Netze ist variabel, indem Gruppen (G) und Makrogruppen (MG) variabel zusammengefasst und gemeinsam angesteuert werden und die Anschlusspunkte (a1) bis (am) mit den ac-Netzen alternierend verbunden oder aufgetrennt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur transformatorlosen Kopplung von ac-Netzen mit einem dc-Netz unter Verwendung von Stromrichtereinheiten (SRE), die aus jeweils eine Phase (P) bildenden 2z in Reihe geschalteten Schalterzellen (SZ) bestehen, deren 1 bis m Phasen (P) jeweils an den Anschlusspunkten (dcp) und (dcn) parallel geschaltet und mit einem dc-Netz verbunden sind und deren Anschlusspunkte (a1) bis (am) die Verbindung mit einem ac-Netz realisieren, wobei die Schalterzellen (SZ) mindestens zwei alternierend schaltende Schalter (S1) und (S2) an einer eingeprägten Gleichspannung aufweisen (1a, b).
  • In bisherigen Schalternetzwerken werden 2z Schalterzellen (SZ) in Reihe geschaltet und bilden eine Phase (P) einer Stromrichtereinheit (SRE). Enthalten die Schalterzellen (SZ) zwei alternierend schaltende Schalter (Mittelpunktschaltung) kann an den Anschlusspunkten (dcn) und (dcp) ein dc-Netz angeschlossen werden (Marquardt, Rainer „Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern”, DE 10103031A1 , Januar 24, 2001). Bestehen die Schalterzellen aus vier jeweils alternierend schaltenden Schaltern (Brückenschaltung) bilden die Anschlusspunkte (dcp) und (dcn) die Möglichkeit, ein einphasiges ac-Netz beliebiger Frequenz anzuschließen (Mc. Murray, William ”Fast response stepped-wave switching power converter circuit”, 3581212, Mai 25, 1971). Die m ac-Netzanschlusspunkte befinden sich pro Phase (P) an der Verbindungstelle zwischen der Schalterzelle (SZz) und der Schalterzelle (SZz + 1). Damit verbindet dieses Schalternetzwerk genau ein mehrphasiges ac-Netz mit einem dc-Netz oder einem einphasigen ac-Netz beliebiger Frequenz.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Nachteil aus dem bisherigen Stand der Technik zu überwinden und eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, bei dem mit ein und demselben Schalternetzwerk mehrere ac-Netze angeschlossen werden können und durch vorgesehene Schalter, die Anzahl der anzuschließenden ac-Netze umschaltbar und damit variabel zu gestalten. Somit können verschiedene ac-Netze zum Anschluss von Drehfeldmaschinen oder auch zum Anschluss von drei- oder auch vierphasigen Inselnetzen ermöglicht werden. Durch die Umschaltungen können bei konstanter Anzahl von Schalterzellen (SZ) entweder mehrere ac-Netze mit geringerer Nennspannung oder weniger ac-Netze mit steigender Nennspannung angeschlossenen werden.
  • Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schalternetzwerkes sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, mit ein und demselben Schalternetzwerk durch Gruppenbildung von Schalterzellen (SZ) innerhalb der Phasen (P) der Stromrichtereinheit (SRE) über deren Anschlusspunkte (a) pro Gruppe (G) jeweils ein ac-Netz anzuschließen, wobei die innerhalb der Gruppe (G) liegenden Schalterzellen (SZ) nach einer einheitlichen Steuerstrategie angesteuert werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, durch die Bildung von Makrogruppen (MG), die jeweils aus mehreren Gruppen (G) bestehen, die Anzahl der anzuschließenden ac-Netze variabel zu gestalten, wobei auch die innerhalb der Makrogruppen (MG) angeordneten Schalterzellen (SZ) nach einer einheitlichen Steuerstrategie angesteuert werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung entsteht durch Verbindung der Anschlüsse (d) der Gruppen (G) oder Makrogruppen (MG), wobei über diese Verbindungen (d) Ausgleichströme innerhalb der angeschlossenen ac-Netze fließen und damit die nicht an der Gruppe beteiligten Schalterzellen (SZ) der Phasen (P) entlasten. Ohne diese Verbindungen (d) fließen diese Ausgleichströme über alle anderen Gruppen (G) der gesamten Phasen (P) und die Anschlüsse (dcp) und (dcn) der Stromrichtereinheit (SRE).
  • Durch jeweils unterschiedliche Zuordnung der Schalterzellen (SZ) zu den Gruppen (G) und der Gruppen (G) zu den Makrogruppen (MG) können die zu definierenden Anschlusspunkte (a) der Gruppen (G) und (aM) der Makrogruppen (MG) bei einer anderen Zuordnung auch mit den Verbindungspunkten (d) der Gruppen (G) oder (dM) der Makrogruppen (MG) übereinstimmen, siehe 5 und 9.
  • Für den Fall der betriebsmäßig vorgesehenen Umschaltbarkeit zwischen der Anzahl der anzuschließenden ac-Netze wird weiterhin vorgeschlagen, über m-phasige Schalter sowohl die Anschlusspunkte (d) der Gruppen (G) und die Anschlusspunkte (dM) der Makrogruppen (MG) jeweils alternierend zu verbinden bzw. aufzutrennen und gleichzeitig die Anschlusspunkte (a) der Gruppen (G) und die Anschlusspunkte (aM) der Makrogruppen (MG) jeweils alternierend mit den ac-Netzen zu verbinden bzw. aufzutrennen.
  • In 9 ist ein Anwendungsbeispiel gezeigt, bei dem auf der linken Seite entweder ein Generator (G) oder ac-Netz 1 an die Gruppen (G) bzw. Makrogruppen (MG) angeschlossen wird. Bei Anschluss des Generators (G) bilden die unteren 6 Gruppen (G) eine Makrogruppe (MG) und oberhalb der Makrogruppe (MG) werden die drei Phasen über die Anschlüsse (dM) bzw. Querverbindungen miteinander verbunden. Das ac-Netz 1 ist dann nicht verbunden. Bei Anschluss des ac-Netzes 1 über die Anschlüsse (aM) werden die gerade erwähnten Anschlüsse (dM) bzw. Querverbindungen und die Verbindungen (aM) zum Generator geöffnet. Die Anschlüsse (aM) zum ac-Netz 1 gehören dann zu einer Makrogruppe (MG), die sämtliche Gruppen (G) der drei Phasen (P) auf der linken Seite in 9 umfassen. Auf der rechten Seite des 9, unten, ist ein Motor (M) über die Anschlüsse (a) einer Gruppe (G) je Phase (P) angeschlossen. Die Ausgleichsströme können über die gleich darüber liegenden Anschlüsse (d) bzw. Querverbindungen fließen.
  • Ein weiteres Beispiel wird mittels 8 beschrieben. Für ein Bordnetz im Automobil werden an die Gleichspannung der Schalterzellen (SZ) aller auf drei Phasen aufgeteilten Gruppen (G) auf der linken Seite des Bildes Batterien angeschlossen. Diese Batterien können dann auf zwei unterschiedliche Weisen aufgeladen werden. Variante 1 des Aufladens ist während der Fahrt über zwei sogenannte Range Extender, die über je einen Generator (G) an die obere und untere Hälfte der Gruppen (G) angeschlossen werden, möglich. Variante 2 des Aufladens ist im Stillstand über den alternativen Anschluss des ac-Netzes 1 (z. B. einem 400 V Dreiphasennetz des öffentlichen Stromnetzes) möglich, wobei die Generatoren (G) dann nicht angeschlossen sind. In der Variante 2 stellen somit alle Gruppen (G) auf der linken Seite des Bildes das Ladegerät für die Batterien da. Ein extra Ladegerät (z. B. ein externes Ladegerät) ist nicht nötig. Über die gleichen Gruppen (G) können also während der Fahrt zwei Generatoren (G) und im Stillstand das dreiphasige Netz ac-Netz 1 angeschlossen werden.
  • Die auf drei Phasen aufgeteilten Gruppen (G) auf der rechten Seite des Bildes sind während der Fahrt an zwei Motoren (M) angeschlossen, je ein Motor über die obere und die untere Hälfte der Gruppen (G). Das ac-Netz 2 wird lediglich im Stillstand angeschlossen und über alle Gruppen (G) der rechten Seite des Bildes betrieben. Im Stillstand sind die Motoren (M) nicht mit der Stromrichtereinheit verbunden. Das ac-Netz 2 kann ein Inselnetz darstellen, dass entweder nur aus den Batterien, die in der Stromrichtereinheit (SRE) sind, Energie bezieht oder aus einem angeschlossenen ac-Netz 1 oder als eine Variante 3 aus zwei Generatoren (G), die sonst während des Fahrens Teil des Range Extenders sind und nun im Stillstand die Batterien nachladen bzw. Energie für das ac-Netz 2 bereitstellen. Ist das ac-Netz 2 ein öffentliches Stromnetz, kann über die beiden Generatoren (G) und/oder über die Batterien Energie ins öffentliche Netz eingespeist werden oder z. B. auch positive und negative Regelenergie bereitgestellt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a – Stromrichtereinheit (SRE)
  • 1b – Schalterzellen (SZ)
  • 2 – eine Gruppe (G) mit 2z Schalterzellen (SZ)
  • 3 – eine Phase (P) mit 2g Gruppen (G)
  • 4 – eine Stromrichtereinheit (SRE) mit m-Phasen (P)
  • 5 – die Bildung von Makrogruppen (MG)
  • 6 – eine Stromrichtereinheit (SRE) mit Verbindungsleitungen (d)
  • 7 – eine Stromrichtereinheit (SRE) mit umschaltbarer Anzahl von ac-Netzen
  • 8 – ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stromrichtereinheit (SRE)
  • 9 – ein zweites Ausführungsbeispiel einer Stromrichtereinheit (SRE)
  • Das erfindungsgemäße Schalternetzwerk zur transformatorlosen Kopplung von ac-Netzen mit einem dc-Netz umfasst Stromrichtereinheiten (SRE) (1a), die aus jeweils eine Phase (P) bildenden 2z in Reihe geschalteten Schalterzellen (SZ) bestehen, deren 1 bis m Phasen (P) jeweils an den Anschlusspunkten (dcp) und (dcn) parallel geschaltet und mit einem dc-Netz verbunden sind und deren Anschlusspunkte (a1) bis (am) die Verbindung mit einem ac-Netz realisieren, wobei die Schalterzellen (SZ) mindestens zwei alternierend schaltende Schalter (S1) und (S2) an einer eingeprägten Gleichspannung aufweisen (1b). Dabei bilden erfindungsgemäß 2z in Reihe geschaltete Schalterzellen (SZ) mit einem Anschlusspunkt (dn) an der Schalterzelle (SZ1), einem Anschlusspunkt (dp) an der Schalterzelle (SZ2z) und einem Anschlusspunkt (a) an der Verbindung der zwei Schalterzellen (SZz) und (SZz + 1) (2) eine Gruppe (G), deren 2z Schalterzellen (SZ) nach einer gemeinsamen Steuerstrategie der Gruppe (G) angesteuert werden. Eine Phase (P) (3) besteht aus 2g in Reihe geschalteten Gruppen (G) mit einem Anschlusspunkt (dcn) an der Gruppe (G1), einem Anschlusspunkt (dcp) an der Gruppe (G2g), den Anschlusspunkten (a1) bis (a2g) der 2g Gruppen und den Anschlusspunkten (d1) bis (d2g – 1) jeweils an der Verbindung der zwei Gruppen (Gg) und (Gg + 1). Die m Phasen (P) sind über Impedanzen L an einem Anschlusspunkt (dcp) und einem Anschlusspunkt (dcn) parallel geschaltet und bilden somit eine Stromrichtereinheit (SRE) (4) mit dem dc-Netzanschluss (dcp) und (dcn) und den 2g m Anschlusspunkten (a2g, m) für jeweils 2 g m-phasige ac-Netze.
  • Weiterhin liegt es im Bereich der Erfindung, dass innerhalb einer Phase (P) mit 2 g Gruppen (G) eine Anzahl von Makrogruppen (MG) mit n in Reihe geschalteten Gruppen (G) definiert wird (5), deren 2nz Schalterzellen (SZ) nach einer gemeinsamen Steuerstrategie angesteuert werden, wobei der neue Anschlusspunkt (aM) der Makrogruppe (MG) an die Verbindung der zwei Schalterzellen (SZnz) und (SZnz + 1) gelegt wird.
  • Die d2g – 1, m Anschlusspunkte der Gruppe (G) aller m Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) können erfindungsgemäß jeweils miteinander verbunden sein (6).
  • Für den Anwendungsfall einer aktiven Umschaltung der Anzahl der anzuschließenden ac-Netze wird im Bereich der Erfindung vorgesehen, dass sowohl die d2g – 1, m Anschlusspunkte der Gruppe (G) aller m Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) über eine Gruppe m-phasiger Schalter (SdG) als auch die Anschlusspunkte der Makrogruppen (MG) aller m Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) über eine Gruppe m-phasiger Schalter (SdMG) zu trennen und zu verbinden sind, wobei die Schalter (SdG) und (SdMG) jeweils alternierend schalten, dass sowohl die a2g, m Anschlusspunkte der Gruppen (G) aller Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) über eine Gruppe m-phasiger Schalter (SaG) die 2g ac-Netze 1 als auch die a2g/n, m Anschlusspunkte der Makrogruppen (MG) aller Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) über eine Gruppe m-phasiger Schalter (SaMG) die 2g/n ac-Netze 2 zu trennen und zu verbinden, wobei die Schalter (SaG) und (SaMG) jeweils alternierend schalten.
  • 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 10103031 A1 [0002]

Claims (4)

  1. Schaltungsanordnung zur transformatorlosen Kopplung von ac-Netzen mit einem dc-Netz unter Verwendung von Stromrichtereinheiten (SRE), die aus jeweils eine Phase (P) bildenden 2z in Reihe geschalteten Schalterzellen (SZ) bestehen, deren 1 bis m Phasen (P) jeweils an den Anschlusspunkten (dcp) und (dcn) parallel geschaltet und mit einem dc-Netz verbunden sind und deren Anschlusspunkte (a1) bis (am) die Verbindung mit einem ac-Netz realisieren, wobei die Schalterzellen (SZ) mindestens zwei alternierend schaltende Schalter (S1) und (S2) an einer eingeprägten Gleichspannung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe (G) aus 2z in Reihe geschalteten Schalterzellen (SZ) mit einem Anschlusspunkt (dn) an der Schalterzelle (SZ1), einem Anschlusspunkt (dp) an der Schalterzelle (SZ2z) und einem Anschlusspunkt (a) an der Verbindung der zwei Schalterzellen (SZz) und (SZz + 1) besteht, deren 2z Schalterzellen (SZ) nach einer gemeinsamen Steuerstrategie der Gruppe (G) angesteuert werden, wobei eine Phase (P) aus 2g in Reihe geschalteten Gruppen (G) mit einem Anschlusspunkt (dcn) an der Gruppe (G1), einem Anschlusspunkt (dcp) an der Gruppe (G2g) den Anschlusspunkten (a1) bis (a2g) der 2g Gruppen (G) und den Anschlusspunkten (d1) bis (d2g – 1) jeweils an der Verbindung der zwei Gruppen (Gg) und (Gg + 1) besteht und die m Phasen (P) mit Impedanzen L an einem Anschlusspunkt (dcp) und einem Anschlusspunkt (dcn) parallel geschaltet sind und somit eine Stromrichtereinheit (SRE) mit dem dc-Netzanschluss (dcp) und (dcn) und den 2g m Anschlusspunkten (a2g, m) für jeweils 2 g m-phasige ac-Netze bilden.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Phase (P) mit 2 g Gruppen (G) eine Anzahl von Makrogruppen (MG) mit n in Reihe geschalteten Gruppen (G) definiert wird, deren 2nz Schalterzellen (SZ) nach einer gemeinsamen Steuerstrategie angesteuert werden, wobei der neue Anschlusspunkt (aM) der Makrogruppe (MG) an die Verbindung der zwei Schalterzellen (SZnz) und (SZnz + 1) gelegt ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die d2g – 1, m Anschlusspunkte der Gruppe (G) aller m Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) jeweils miteinander verbunden sind.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die d2g – 1, m Anschlusspunkte der Gruppe (G) aller m Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) über eine Gruppe m-phasiger Schalter (SdG) als auch die Anschlusspunkte der Makrogruppen (MG) aller m Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) über eine Gruppe m-phasiger Schalter (SdMG) zu trennen und zu verbinden sind, wobei die Schalter (SdG) und (SdMG) jeweils alternierend schalten und sowohl die a2g, m Anschlusspunkte der Gruppen (G) aller Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) über eine Gruppe m-phasiger Schalter (SaG) die 2g ac-Netze 1 als auch die a2g/n, m Anschlusspunkte der Makrogruppen (MG) aller Phasen (P) einer Stromrichtereinheit (SRE) über eine Gruppe m-phasiger Schalter (SaMG) die 2g/n ac-Netze 2 zu trennen und zu verbinden sind, wobei die Schalter (SaG) und (SaMG) jeweils alternierend schalten.
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