DE102013207894A1

DE102013207894A1 - Elektrische Schaltung

Info

Publication number: DE102013207894A1
Application number: DE201310207894
Authority: DE
Inventors: Jörg Janning
Original assignee: GE Energy Power Conversion GmbH
Current assignee: GE Energy Power Conversion GmbH
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2014-05-22

Abstract

Es wird eine elektrische Schaltung (10) zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder umgekehrt beschrieben. Die Schaltung (10) ist mit zwei Gleichspannungsanschlüssen (12, 13), mit einem Wechselspannungsanschluss (35) sowie mit mindestens einem dazwischen geschalteten Stromrichter versehen. Erfindungsgemäß ist eine Anzahl von Stromrichtern vorhanden, die auf ihrer Gleichspannungsseite eine Reihenschaltung (S1, S2) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder umgekehrt.
Es ist bekannt, eine derartige Umwandlung mit Hilfe von elektrischen Stromrichtern durchzuführen. Ebenfalls ist bekannt, auf diese Weise Energie über eine Gleichspannungsübertragungsleitung zu übertragen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Schaltung zu schaffen, die im Vergleich zum Stand der Technik eine schaltungstechnisch einfache und kostengünstige Gleichspannungsübertragung ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine elektrische Schaltung nach dem Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung ist mit zwei Gleichspannungsanschlüssen und mit einem Wechselspannungsanschluss versehen. Erfindungsgemäß ist eine Anzahl von Stromrichtern vorhanden, die auf ihrer Gleichspannungsseite eine Reihenschaltung bilden. Weiterhin weist jeder der Stromrichter mindestens einen modularen Schalter auf, der mit einer ersten Serienschaltung bestehend aus einem ersten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement und einer ersten Diode, mit einer zweiten Serienschaltung bestehend aus einer zweiten Diode und einem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement und mit einem Kondensator versehen ist, wobei die erste Serienschaltung und die zweite Serienschaltung und der Kondensator zueinander parallel geschaltet sind.
Mit Hilfe der Reihenschaltung der Stromrichter auf ihrer Gleichspannungsseite wird eine besonders einfache, aber trotzdem besonders effektive Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung und umgekehrt ermöglicht. Damit kann eine besondere kostengünstige Gleichspannungsübertragung realisiert werden.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen modularen Schalter können nahezu beliebige Multi-Level- bzw. Mehrpunkt-Stromrichter in modularer Weise aufgebaut werden. Beispielsweise können Multi-Level-Stromrichter mit drei oder mit fünf Arbeitspunkten mit Hilfe der erfindungsgemäßen modularen Schalter realisiert werden. Durch den modularen Aufbau werden der Aufwand und damit auch die Kosten für die Realisierung derartiger Multi-Level-Stromrichter vermindert.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den zugehörigen Figuren dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Schaltung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder umgekehrt, 2 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teils der elektrischen Schaltung der 1, 3a und 3b zeigen elektrische Schaltpläne von zwei Ausführungsbeispielen eines modularen Schalters zur Verwendung in einem Stromrichter, 4 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Stromrichters mit dem modularen Schalter der 3b, 5 und 6 zeigen schematische Blockschaltbilder eines zweiten und eines dritten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Schaltung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder umgekehrt, und 7 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Stromrichters der elektrischen Schaltung der 6.
In der 1 ist eine elektrische Schaltung 10 dargestellt, die zur Umwandlung einer hohen Gleichspannung in eine hohe Wechselspannung oder umgekehrt vorgesehen ist. Bei der hohen Gleichspannung kann es sich beispielsweise um 500 kV und bei der hohen Wechselspannung um 400 kV handeln. Es versteht sich, dass auch andere Werte für die Gleichspannung und/oder die Wechselspannung vorhanden sein können.
Mit Hilfe der Schaltung 10 kann eine hohe Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung umgewandelt werden, so dass danach Energie über eine Gleichspannungsübertragungsleitung übertragen werden kann. Der dabei übertragene Gleichstrom kann beispielsweise 1.200 A betragen. Die Distanz, über die eine Energieübertragung stattfinden kann, kann beispielsweise 100 km betragen. Am Ende der Energieübertragung kann dann eine weitere Schaltung 10 vorhanden sein, mit der die hohe Gleichspannung wieder in eine hohe Wechselspannung umgewandelt werden kann. Es versteht sich, dass der vorgenannte Gleichstrom und die vorgenannte Distanz für die Energieübertragung auch andere Werte aufweisen können.
In der Schaltung 10 sind ein positiver Gleichspannungsanschluss 12, ein negativer Gleichspannungsanschluss 13 und ein Masseanschluss 14 vorhanden. Der positive Gleichspannungsanschluss 12 kann beispielsweise auf +250 kV, der negative Gleichspannungsanschluss 13 auf –250 kV und der Masseanschluss 14 auf 0 V liegen.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der positive Gleichspannungsanschluss 12 über eine Induktivität 16 und über eine Serienschaltung aus zwei Umrichtern 17, 18 mit dem Masseanschluss 14 verbunden. In entsprechender Weise ist der Masseanschluss 14 über eine Serienschaltung aus zwei Umrichtern 19, 20 und über eine Induktivität 21 mit dem negativen Gleichspannungsanschluss 13 verbunden.
In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Umrichter 17, 18, 19, 20 kann/können die Induktivität/en 16 und/oder 20 gegebenenfalls entfallen.
Weiterhin ist jeder der Umrichter 17, 18, 19, 20 dreiphasig mit den Sekundärwicklungen 23 eines Drehstromtransformators 24, 25, 26, 27 verbunden. Die Primärwicklungen 28 der Drehstromtransformatoren 24, 25, 26, 27 sind ausgangsseitig paarweise miteinander verbunden und jeweils dreiphasig an einen Anschluss einer Schalteinrichtung 30, 31 angeschlossen. Die anderen Anschlüsse der beiden Schalteinrichtungen 30, 31 sind miteinander verbunden und an eine Wicklungsseite eines weiteren Transformators 33 angeschlossen. An dieser Wicklungsseite des weiteren Transformators 33 kann beispielsweise eine Wechselspannung von 110 kV vorhanden sein.
Auf der anderen Wicklungsseite des weiteren Transformators 33 ist ein Wechselspannungsanschluss 35 vorhanden. An dem Wechselspannungsanschluss 35 kann eine Wechselspannung von beispielsweise 400 kV vorhanden sein.
Es versteht sich, dass der weitere Transformator 33 auch entfallen kann. In diesem Fall müssen die Drehstromtransformatoren 24, 25, 26, 27 gegebenenfalls entsprechend angepasst sein.
In der 2 sind die beiden (in der 1: oberen) Umrichter 17, 18 und die beiden zugehörigen (in der 1: oberen) Transformatoren 24, 25 detaillierter dargestellt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jeder der beiden Umrichter 17, 18 vier Stromrichter 37 auf, die jeweils dazu geeignet sind, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln oder umgekehrt. Auf ihrer Gleichspannungsseite sind die vier Stromrichter 37 jedes Umrichters 17, 18 in Reihe geschaltet. Weiterhin sind auch die benachbart angeordneten Stromrichter 37 der Umrichter 17, 18 in Reihe geschaltet. Insgesamt sind somit sämtliche Stromrichter 37 der elektrischen Schaltung 10 auf ihrer Gleichspannungsseite in Reihe geschaltet.
In der 2 ist diese Serienschaltung innerhalb der Umrichter 17, 18 nur angedeutet und mit einem „S1“ gekennzeichnet. Die Serienschaltung zwischen dem untersten Stromrichter 37 des Umrichters 17 und dem obersten Stromrichter 37 des Umrichters 18 ist in der 2 hingegen eingezeichnet und mit einem „S2“ gekennzeichnet.
Auf ihrer Wechselspannungsseite ist jeder der Stromrichter 37 dreiphasig mit einer der Sekundärwicklungen 23 des jeweils zugehörigen Drehstromtransformators 24, 25 verbunden. Jeder dieser Drehstromtransformatoren 24, 25 weist vier Sekundärwicklungen 23 und eine Primärwicklung 28 auf. Wie bereits erläutert wurde, sind die Primärwicklungen 28 der beiden Transformatoren 24, 25 dreiphasig miteinander verbunden und an die Schalteinrichtung 30 angeschlossen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die beiden (in der 1: unteren) Umrichter 19, 20 in entsprechender Weise aufgebaut und verschaltet sind, wie dies in der 2 für die beiden (in der 1: oberen) Umrichter 17, 18 dargestellt und vorstehend erläutert ist.
Es sind somit sämtliche Stromrichter 37 der elektrischen Schaltung 10 auf ihrer Gleichspannungsseite in Reihe geschaltet. Weiterhin ist jedem Stromrichter 37 genau eine separate dreiphasige Sekundärwicklung 23 von einem der Drehstromtransformatoren 24, 25, 26, 27 zugeordnet.
Es versteht sich, dass die Anzahl der pro Umrichter in Reihe geschalteten Stromrichter 37 auch einen anderen Wert aufweisen kann. Entsprechend kann auch die Anzahl der Drehstromtransformatoren sowie die Anzahl der Primär- und Sekundärwicklungen der Drehstromtransformatoren jeweils einen anderen Wert besitzen.
In der 3a ist ein modularer Schalter 40 dargestellt, der zur Verwendung in einem elektrischen Stromrichter vorgesehen ist.
Der modulare Schalter 40 weist eine erste Serienschaltung bestehend aus einem ersten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement V1 und einer ersten Diode D1 sowie eine zweite Serienschaltung bestehend aus einer zweiten Diode D2 und einem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement V2 auf.
Bei der ersten Serienschaltung sind der Kollektor des ersten Leistungshalbleiterbauelements V1 und die Anode der ersten Diode D1 miteinander verbunden. Dieser Verbindungspunkt ist als erster Anschluss 41 bezeichnet. Bei der zweiten Serienschaltung sind der Emitter des zweiten Leistungshalbleiterbauelements V2 und die Kathode der zweiten Diode D2 miteinander verbunden. Dieser Verbindungspunkt ist als zweiter Anschluss 42 bezeichnet.
Die beiden Serienschaltungen sind zueinander parallel geschaltet. Damit ist die Kathode der ersten Diode D1 mit dem Kollektor des zweiten Leistungshalbleiterbauelements V2 und der Emitter des ersten Leistungshalbleiterbauelements V1 mit der Anode der zweiten Diode D2 verbunden.
Zu den beiden parallel geschalteten Serienschaltungen ist ein Kondensator C parallel geschaltet.
An dem Kondensator C liegt eine Gleichspannung u_dc an und zwischen den beiden Anschlüssen 41, 42 ist eine Anschlussspannung u_a vorhanden. Die Richtung der vorgenannten Spannungen ist in der 3a angegeben. Weiterhin fließt von dem ersten Anschluss 41 ein Strom i in Richtung zu dem zweiten Anschluss 42.
Bei den Leistungshalbleiterbauelementen V1, V2 handelt es sich um steuerbare Schalter, beispielsweise um Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, oder um Thyristoren mit gegebenenfalls erforderlicher Hilfsbeschaltung, insbesondere GTO-Thyristoren (GTO = gate turn off), oder um IGBTs (IGBT = insulated gate bipolar transistor), oder um vergleichbare elektronische Bauelemente. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 können die Anschlüsse derselben unterschiedliche Bezeichnungen haben. Die vorstehenden Bezeichnungen Kollektor und Emitter beziehen sich auf die beispielhafte Verwendung von IGBTs. Der Kondensator C kann unipolar ausgebildet sein.
Der modulare Schalter 40 kann vier Zustände einnehmen:

– Wenn die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 beide ausgeschaltet (sperrend) sind, dann fließt der Strom i von dem ersten Anschluss 41 über die Diode D1, über den Kondensator C und über die Diode D2 zu dem zweiten Anschluss 42. Der Kondensator C wird von diesem Strom i geladen, so dass die Gleichspannung u_dc größer wird. Abgesehen von den Spannungsabfällen an den Dioden D1, D2 ist die Anschlussspannung u_a gleich der negativen Gleichspannung –u_dc, also u_a = –u_dc.
– Wenn die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 beide eingeschaltet (leitend) sind, dann fließt der Strom i von dem ersten Anschluss 41 über das erste Leistungshalbleiterbauelement V1, über den Kondensator C und über das zweite Leistungshalbleiterbauelement V2 zu dem zweiten Anschluss 42. Der Kondensator C wird von diesem Strom i entladen, so dass die Gleichspannung u_dc kleiner wird. Abgesehen von den Spannungsabfällen an den Leistungshalbleiterbauelementen V1, V2 ist die Anschlussspannung u_a gleich der positiven Gleichspannung u_dc, also u_a = u_dc.
– Wenn das erste Leistungshalbleiterbauelement V1 eingeschaltet (leitend) und das zweite Leistungshalbleiterbauelement V2 ausgeschaltet (sperrend) ist, dann fließt der Strom i von dem ersten Anschluss 41 über das erste Leistungshalbleiterbauelement V1 und über die zweite Diode D2 zu dem zweiten Anschluss 42. Die Gleichspannung u_dc an dem Kondensator C bleibt konstant. Abgesehen von den Spannungsabfällen an dem ersten Leistungshalbleiterbauelement V1 und der zweiten Diode D2 ist die Anschlussspannung u_a gleich Null, also u_a = 0.
– Wenn das erste Leistungshalbleiterbauelement V1 ausgeschaltet (sperrend) und das zweite Leistungshalbleiterbauelement V2 eingeschaltet (leitend) ist, dann fließt der Strom i von dem ersten Anschluss 41 über die erste Diode D1 und das zweite Leistungshalbleiterbauelement V2 zu dem zweiten Anschluss 42. Die Gleichspannung u_dc an dem Kondensator C bleibt konstant. Abgesehen von den Spannungsabfällen an der ersten Diode D1 und dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement V2 ist die Anschlussspannung u_a gleich Null, also u_a = 0.

Der Strom i durch den modularen Schalter 10 ist immer in dieselbe Richtung gerichtet. Diese Richtung ist dabei durch die Dioden D1, D2 vorgegeben. Die Anschlussspannung u_a kann im Wesentlichen drei Werte annehmen, und zwar u_a = –u_dc oder u_a = u_dc oder u_a = 0. Die Gleichspannung u_dc am Kondensator C kann größer oder kleiner werden.
In der 3b ist ein modularer Schalter 45 dargestellt, der alle Bauelemente des modularen Schalters 40 der 3a aufweist, und der hinsichtlich seines schaltungstechnischen Aufbaus mit dem modularen Schalter 40 der 3a übereinstimmt. Übereinstimmende Bauelemente des modularen Schalters 45 der 3b sind deshalb in gleicher Weise gekennzeichnet wie bei dem modularen Schalter 40 der 3a. Insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung des modularen Schalters 40 der 3a verwiesen.
Ergänzend zu dem modularen Schalter 40 der 3a weist der modulare Schalter 45 der 3b jeweils eine Freilaufdiode 46 zu den beiden Leistungshalbleiterbauelementen V1, V2 auf. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Freilaufdioden 46 an sich für den Betrieb des modularen Schalters 45 der 3b nicht erforderlich sind, dass der modulare Schalter 45 also auch ohne die Freilaufdioden 46 – also in der anhand des modularen Schalters 40 der 3a erläuterten Weise – vollständig funktionsfähig ist.
In der Praxis wird man jedoch die Freilaufdioden 46 zum Schutz der Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 vorsehen. Mit Hilfe der Freilaufdioden 46 können mögliche Schäden an den Leistungshalbleiterbauelementen V1, V2 bei einer ungewollten Stromrichtungsumkehr des Stroms i verhindert werden.
Im Normalfall fließt der Strom i in positiver Richtung des in der 3b angegebenen Strompfeils. Kehrt sich der Strom i jedoch um, so fließt er über die Freilaufdioden 46. Die Anschlussspannung u_a wird zu u_a = +u_dc und der Kondensator C wird geladen. In diesem Fall spielt der Schaltzustand der Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 keine Rolle.
Weiterhin kann mit Hilfe der Freilaufdioden 46 erreicht werden, dass an dem Kondensator C keine Spannungsumkehr eintreten kann, so dass – sofern erwünscht – ein unipolarer Kondensator zum Einsatz kommen kann.
In der 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Stromrichters 37 der 2 dargestellt. Der Stromrichter 37 ist dabei unter Verwendung des modularen Schalters 45 der 3b aufgebaut. Es handelt sich um einen sogenannten Multi-Level- oder Mehrpunkt-Stromrichter, der im vorliegenden Fall der 4 drei Arbeitspunkte besitzt.
Der Stromrichter 37 ist beispielhaft für den Anschluss einer dreiphasigen Wechselspannung ausgebildet, wobei die jeweiligen Bauelemente der drei Phasen mit I, II, III gekennzeichnet sind. Es versteht sich, dass der Stromrichter 37 auch zweiphasig oder ganz allgemein mehrphasig ausgebildet sein kann. Jeder Phase des Stromrichters 37 sind zwei modulare Schalter 45 zugeordnet.
Wie anhand der Phase I des Stromrichters 37 gezeigt ist, ist der Anschluss 42 des ersten, oberen Schalters 45 mit dem Anschluss 41 des zweiten, unteren Schalters 45 verbunden. Weiterhin ist der Anschluss 41 des ersten, oberen Schalters 45 über eine erste Induktivität 47 mit einem Minuspol – und der Anschluss 42 des zweiten, unteren Schalters 45 über eine zweite Induktivität 48 mit einem Pluspol + verbunden. Es ist auch möglich, dass nur eine der beiden Induktivitäten 47, 48 vorhanden ist oder dass – im Hinblick auf die Induktivitäten 16, 21 der 1 – keine der beiden Induktivitäten 47, 48 vorhanden ist.
Zwischen dem Plus- und dem Minuspol liegt eine Gleichspannung an. Die Gleichspannung kann unterschiedliche Werte aufweisen und kann insbesondere auch umgekehrt gepolt sein. Die Gleichspannung kann auch durch einen anderen Umrichter erzeugt werden, der dem Umrichter 37 der 4 entgegen geschaltet ist. Dieser andere Umrichter kann dabei gleichartig wie der Umrichter 37 ausgebildet sein.
Der Verbindungspunkt der beiden modularen Schalter 45 ist über eine Induktivität 49 zu einem Anschluss P geführt, an dem die Phasen der Wechselspannung anliegen.
Im Hinblick auf die anderen beiden Phasen II, III ist der Umrichter 37 entsprechend aufgebaut. Die Induktivitäten 49 der drei Phasen können dann beispielsweise durch eine Drehstromdrossel realisiert sein. Die Induktivitäten 49 können aber auch durch eine angeschlossene induktive Last oder einen Transformator realisiert werden.
Wie erläutert wurde, kann die Anschlussspannung u_a jedes modularen Schalters 45 im Wesentlichen drei Zustände einnehmen: u_a = –u_dc oder u_a = u_dc oder u_a = 0. Damit kann die Spannung jeder Phase des Anschlusses P gegenüber dem Plus- oder dem Minuspol ebenfalls im Wesentlichen diese drei vorgenannten Zustände einnehmen.
Damit kann bei einer vorgegebenen Gleichspannung an dem Plus- und dem Minuspol durch eine entsprechende Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 der einzelnen modularen Schalter 45 an dem Anschluss P des Umrichters 37 eine Wechselspannung erzeugt werden. Umgekehrt kann bei einer an dem Anschluss P vorgegebenen Wechselspannung durch eine entsprechende Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 der einzelnen modularen Schalter 45 eine Gleichspannung zwischen dem Plus- und dem Minuspol erzeugt werden.
Der Ladezustand der Kondensatoren C in den einzelnen modularen Schaltern 45 kann aufgrund der möglichen Be- und Entladung der Kondensatoren C voneinander abweichen. Dies kann zu Umladevorgängen zwischen den Phasen führen.
Durch eine entsprechende Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2, insbesondere durch entsprechende Umschaltungen der Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 der modularen Schalter 45 der einzelnen Phasen des Umrichters 37, kann eine Abweichung der Spannungen an den jeweiligen Kondensatoren C der einzelnen Phasen vermindert werden.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Zeitdauer, während der beide Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 eines der modularen Schalter 45 ein- oder ausgeschaltet sind, verlängert oder verkürzt wird. Durch diese Maßnahme wird – wie erläutert wurde – die Gleichspannung u_dc an dem zugehörigen Kondensator C vergrößert oder verkleinert.
Alternativ kann dies beispielweise dadurch erreicht werden, dass die Leistungshalbleiterbauelemente V1, V2 der einzelnen modularen Schalter 45 in redundante Schaltzustände umgeschaltet werden, die ausgangsseitig gleichwirkend sind.
Die verbleibenden, gegebenenfalls noch auftretenden Umladevorgänge führen zu keinen Schwingströmen zwischen den Phasen. Dies ergibt sich daraus, dass – wie erläutert wurde – in den einzelnen modularen Schaltern 45 der Strom i nur in eine Richtung fließen kann. Mögliche Umladevorgänge können somit nur zu Ausgleichsströmen in einer Richtung führen, nicht jedoch zu einer Stromumkehr und damit auch nicht zu Schwingströmen.
Es wird darauf hingewiesen, dass dem vorstehend erläuterten Stromrichter 37 gegebenenfalls eine sogenannte Brems-Chopper-Schaltung zugeordnet sein kann, die beispielsweise aus einer Serienschaltung bestehend aus mindestens einer Schalteinrichtung und mindestens einem Bremswiderstand aufgebaut sein kann.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt zwischen dem Plus- und dem Minuspol eine Gleichspannung von 31,2 kV an. An den Anschlüssen P liegt im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Wechselspannung von 21 kV an. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es sich dabei nur um beispielhafte Werte handelt, die auch größer oder kleiner sein können.
Wie insbesondere anhand der 2 erläutert wurde, sind einem einzelnen Transformator 24, 25, 26, 27 jeweils vier Stromrichter 37 zugeordnet. Jedem der vier Transformatoren 24, 25, 26, 27 ist somit eine Gleichspannung von 124,8 kV zugeordnet und zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluss 12, 13 liegt damit eine Gleichspannung von 499,2 kV an. Die vorstehenden Gleichspannungswerte beziehen sich dabei immer nur auf das vorliegende Ausführungsbeispiel und können, wie bereits erwähnt, auch größer oder kleiner sein.
Durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalteinrichtungen der Stromrichter 37 kann eine an dem Wechselspannungsanschluss 35 anliegende Wechselspannung von beispielsweise 400 kV in eine zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluss 12, 13 anliegende Gleichspannung von beispielsweise 500 kV umgewandelt werden. Umgekehrt kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalteinrichtungen der Stromrichter 37 die zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluss 12, 13 anliegende Gleichspannung von beispielsweise 500 kV in eine an dem Wechselspannungsanschluss 35 anliegende Wechselspannung von beispielsweise 400 kV umgewandelt werden.
Mit zwei an den Enden einer Gleichspannungsübertragungsleitung angeschlossenen elektrischen Schaltungen 10 kann somit die vorgenannte Wechselspannung von beispielsweise 400 kV in eine Gleichspannung von beispielsweise 500 kV umgewandelt und über die Gleichspannungsübertragungsleitung übertragen werden.
Steigt die Gleichspannung auf der Gleichspannungsübertragungsleitung während des Betriebs aus irgendwelchen Gründen über einen vorgegebenen Schwellwert an, so kann mit Hilfe der erwähnten, den Stromrichtern 37 zugeordneten Brems-Chopper-Schaltungen eine Gegenmaßnahme ergriffen werden.
Jeder der Transformatoren 24, 25, 26, 27 kann mit einer zusätzlichen Wicklung versehen sein, an die ein Netzfilter angeschlossen werden kann, um die Rückwirkungen der Stromrichter 37 in das angeschlossene Wechselspannungsnetz zu reduzieren. Weiterhin kann an diese Wicklung eine beispielsweise mit Hilfe von Thyristoren aufgebaute Kurzschließeinrichtung angeschlossen werden, mit der im Fehlerfall das Wechselspannungsnetz über den Transformator kurzgeschlossen werden kann.
Weiterhin ist es möglich, dass die an der Sekundärwicklung 23 vorhandene Spannung dazu verwendet wird, um insbesondere die Steuerung des zugehörigen Stromrichters 37 und/oder andere elektrische Verbraucher mit Energie zu versorgen. Gegebenenfalls kann ein weiterer Transformator vorgesehen sein, der räumlich dem oder den Stromrichter/n 37 zugeordnet ist, und der die Spannung von zumindest einer der Sekundärwicklungen 23 in eine Spannung von beispielsweise 400 Volt umwandelt. Mit dieser Spannung kann/können dann die Steuerung von mindestens einem der Stromrichter 37 und/oder andere elektrische Verbraucher mit Energie versorgt werden.
Unabhängig davon ist es möglich, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und/oder einen aus Batterien oder Kondensatoren bestehenden Energiespeicher vorzusehen, an die insbesondere die Steuerungen der Stromrichter 37 angeschlossen ist/sind. Damit können die Stromrichter 37 auch dann betrieben werden, wenn beispielsweise die Schalter 30, 31 vor dem Starten der gesamten Schaltung 10 noch nicht geschlossen sind.
Es versteht sich, dass anstelle des in der 4 gezeigten Stromrichters 37 mit drei Arbeitspunkten auch ein entsprechend aufgebauter Stromrichter mit fünf oder mehr Arbeitspunkten verwendet werden kann. Es wird hierzu auf die DE 10 2010 046 142 A1 verwiesen.
Der in der 5 dargestellte Teil einer elektrischen Schaltung entspricht grundsätzlich dem in der 2 gezeigten Teil der elektrischen Schaltung 10 der 1. Die 5 basiert deshalb in gleicher Weise auf der 1 wie die 2. Im Unterschied zur 2, in der Drehstromtransformatoren 24, 25 dargestellt sind, sind in der 5 einphasige Transformaten vorhanden.
In der 5 sind die Umrichter 17, 18 der 2 dargestellt, die, wie erläutert wurde, zusammen acht Stromrichter 37 aufweisen, die auf ihrer Gleichspannungsseite in Reihe geschaltet sind. Es wird auf die angedeutete Serienschaltung S1, S2 der 5 verwiesen. Jeder der Stromrichter 37 kann beispielsweise gemäß dem Schaltplan der 4 ausgebildet sein und weist auf seiner Wechselspannungsseite drei Phasenanschlüsse auf.
Weiterhin sind in der 5 drei einphasige Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 vorhanden, die jeweils acht einphasige Sekundärwicklungen 23 und eine einphasige Primärwicklung 28 besitzen.
Die drei Phasenanschlüsse der Stromrichter 37 sind mit jeweils einer (in der 5: beispielsweise der obersten oder untersten) Sekundärwicklung 23 von jeweils unterschiedlichen Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse dieser Sekundärwicklungen 23 sind als Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verbunden.
Die Primärwicklungen 28 der drei Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 sind einerseits über eine Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verbunden. Andererseits bilden die jeweils anderen Anschlüsse der Primärwicklungen 28 die dreiphasige Verbindung zu dem in der 1 gezeigten Schalter 30.
Die in der 5 gezeigte Schaltung betrifft, wie erläutert wurde, die Umrichter 17, 18 der 2. Eine entsprechende Schaltung ist auch für die weiteren Umrichter 19, 20 vorhanden.
Es sind damit in der 5 jedem Stromrichter 37 genau drei einphasige Sekundärwicklungen 23 phasenweise zugeordnet, also jedem Phasen-Anschluss des Stromrichters 37 genau eine separate Sekundärwicklung 23.
Wie bereits erläutert wurde, können die Stromrichter 37 gemäß dem Schaltplan der 4 ausgebildet sein. Es versteht sich, dass, wie bereits erwähnt, auch andersartig ausgebildete Stromrichter vorgesehen sein können. Die Stromrichter 37 der 5 sind in entsprechender Weise, wie dies im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläutert wurde, auf ihrer Gleichspannungsseite in Reihe geschaltet.
Der in der 6 dargestellte Teil einer elektrischen Schaltung entspricht grundsätzlich dem in der 2 gezeigten Teil der elektrischen Schaltung 10 der 1. Die 6 basiert deshalb in gleicher Weise auf der 1 wie die 2. Im Unterschied zur 2, in der Drehstromtransformatoren 24, 25 dargestellt sind, sind in der 6 einphasige Transformaten vorhanden.
In der 6 sind drei einphasige Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 vorhanden, die jeweils acht einphasige Sekundärwicklungen 23 und jeweils eine einphasige Primärwicklung 28 besitzen.
Die Primärwicklungen 28 der drei Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 sind einerseits über eine Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verbunden. Andererseits bilden die jeweils anderen Anschlüsse der Primärwicklungen 28 die dreiphasige Verbindung zu dem in der 1 gezeigten Schalter 30.
Die Sekundärwicklungen 23 der Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 sind jeweils mit einem Stromrichter 37‘ verbunden. Zwischen den einphasigen Transformatoren sind insoweit keine Querverbindungen vorhanden.
Der Stromrichter 37‘ der 6 ist beispielhaft in der 7 dargestellt. Der Stromrichter 37‘ basiert im Wesentlichen auf dem Stromrichter 37 der 4. Im Vergleich zur 4 weist der Stromrichter 37‘ der 7 jedoch nur zwei Phasen und damit auch nur zwei Wechsel-Anschlüsse P auf.
Wenn jeder der einphasigen Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 der 6 jeweils acht Sekundärwicklungen 23 besitzt, so ergibt dies insgesamt 24 Sekundärwicklungen 23 und damit 24 zugeordnete Stromrichter 37‘. Die acht Stromrichter 37‘ pro Phase sind dabei grundsätzlich wie in der 2 in Reihe geschaltet.
Auf ihrer Gleichspannungsseite sind immer drei Stromrichter 37‘ parallelgeschaltet, und zwar diejenigen Stromrichter 37‘, die mit Sekundärwicklungen 23 von unterschiedlichen Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 verbunden sind (in der 6: beispielsweise diejenigen Stromrichter 37‘, die zu den jeweils obersten Sekundärwicklungen 23 der Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 zugeordnet sind). Es ergeben sich damit bei der 6 acht derartige Parallelschaltungen, die den acht Sekundärwicklungen 23 der Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 zugeordnet sind.
Die vorgenannten acht Parallelschaltungen von Stromrichtern 37‘ sind dann in Reihe geschaltet. Dies ist in der 6 dadurch angedeutet, dass beispielsweise die parallelgeschalteten Gleich-Anschlüsse 62 der (in der 6: obersten) Stromrichter 37‘ eine Verbindung 62‘ zu den Gleich-Anschlüssen 61 der benachbarten Stromrichter 37‘ aufweisen. Entsprechend weisen die Gleich-Anschlüsse 61 der (in der 6: untersten) Stromrichter 37‘ eine Verbindung 61‘ zu den Gleich-Anschlüssen 62 der benachbarten Stromrichter 37‘ auf.
Die Gleich-Anschlüsse 62 der (in der 6: untersten) Stromrichter 37‘ sind über eine Verbindung 62‘‘ mit den (in der 6 nicht-dargestellten) Stromrichtern 37 des Umrichters 18 in Reihe geschaltet.
Es versteht sich, dass die Transformatoren 24-1, 24-2, 24-3 mit einer zusätzlichen Wicklung versehen sein können, an die ein Netzfilter und/oder eine Kurzschließeinrichtung angeschlossen sein kann/können. Ebenfalls ist es möglich, dass die an der Sekundärwicklung 23 vorhandene Spannung dazu verwendet wird, um insbesondere die Steuerung des zugehörigen Stromrichters 37‘ und/oder andere elektrische Verbraucher mit Energie zu versorgen. Gegebenenfalls kann ein zusätzlicher Transformator vorhanden sein, der die Spannung beispielsweise in eine Spannung von 400 Volt umsetzt. Weiterhin kann/können eine USV und/oder sonstige Energiespeicher zum Zwecke der Energieversorgung insbesondere der Stromrichter-Steuerungen und/oder sonstiger elektrischer Verbraucher vorgesehen sein.
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 102010046142 A1 [0061]

Claims

Elektrische Schaltung (10) zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder umgekehrt, mit zwei Gleichspannungsanschlüssen (12, 13) und mit einem Wechselspannungsanschluss (35) sowie mit mindestens einem dazwischen geschalteten Stromrichter (37, 37‘), dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Stromrichtern (37, 37‘) vorhanden sind, dass die Stromrichter (37, 37‘) auf ihrer Gleichspannungsseite eine Reihenschaltung (S1, S2) bilden, und dass jeder der Stromrichter (37, 37‘) mindestens einen modularen Schalter (40, 45) aufweist, der mit einer ersten Serienschaltung bestehend aus einem ersten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement (V1) und einer ersten Diode (D1), mit einer zweiten Serienschaltung bestehend aus einer zweiten Diode (D2) und einem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterbauelement (V2) und mit einem Kondensator (C) versehen ist, wobei die erste Serienschaltung und die zweite Serienschaltung und der Kondensator (C) zueinander parallel geschaltet sind.
Schaltung (10) nach Anspruch 1, wobei der Verbindungspunkt des ersten Leistungshalbleiterbauelements (V1) und der ersten Diode (D1) einen ersten Anschluss (41) und der Verbindungspunkt der zweiten Diode (D2) und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements (V2) einen zweiten Anschluss (42) des modularen Schalters (40, 45) bildet, wobei zwischen den beiden Anschlüssen (41, 42) eine Anschlussspannung (u_a) vorhanden ist, und wobei an dem Kondensator (C) eine Gleichspannung (u_dc) vorhanden ist.
Schaltung (10) nach Anspruch 2, wobei die Anschlussspannung (u_a) im Wesentlichen gleich der negativen oder der positiven Gleichspannung (u_dc) ist, wenn beide Leistungshalbleiterbauelemente (V1, V2) ausgeschaltet oder eingeschaltet sind, und wobei die Anschlussspannung (u_a) im Wesentlichen gleich Null ist, wenn eines der beiden Leistungshalbleiterbauelemente (V1, V2) ausgeschaltet und das andere eingeschaltet ist.
Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedem der Stromrichter (37, 37‘) eine separate Wicklung eines Transformators zugeordnet ist.
Schaltung (10) nach Anspruch 4, wobei ein Drehstromtransformator (24, 25, 26, 27) mit einer Anzahl von Sekundärwicklungen (23) vorgesehen ist, und wobei jedem der Stromrichter (37, 37‘) eine separate Sekundärwicklung (23) des Drehstromtransformators (24, 25, 26, 27) zugeordnet ist.
Schaltung (10) nach Anspruch 4, wobei mindestens zwei einphasige Transformatoren (24-1, 24-2, 24-3) mit jeweils einer Anzahl von Sekundärwicklungen (23) vorgesehen sind, und wobei jedem der Stromrichter (37, 37‘) eine separate Sekundärwicklung (23) der Transformatoren (24-1, 24-2, 24-3) zugeordnet ist.
Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Transformator eine zusätzliche Wicklung aufweist, an die ein Netzfilter und/oder eine Kurzschließeinrichtung angeschlossen ist.
Schaltung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jedem der Stromrichter (37, 37‘) eine Brems-Chopper-Schaltung zugeordnet ist, die mit mindestens einem Bremswiderstand versehen ist.
Schaltung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und/oder sonstige Energiespeicher zum Zwecke der Energieversorgung vorhanden sind.