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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter, insbesondere zum Einsatz als Gleichrichter in einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter.
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Drehzahlvariable elektrische Antriebe werden üblicherweise mit Gleichspannungszwischenkreis-Umrichtern ausgeführt. Die Einspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis erfolgt dabei in der Regel über einen netzseitigen Stromrichter (Gleichrichter) aus dem dreiphasigen Drehstromnetz. Meistens kommen dafür ungesteuerte Diodengleichrichter (Sechspulsgleichrichter) zum Einsatz. Diese haben jedoch verschiedene Nachteile:
- – Diodengleichrichter erzeugen eine Grundschwingungskomponente des Netzstroms, die nicht in Phase mit der Netzspannung ist.
- – Diodengleichrichter verursachen einen hohen Oberschwingungsgehalt im Netzstrom.
- – Die von einem Diodengleichrichter erzeugte Zwischenkreisspannung ist ungeregelt und schwankt im gleichen Maße wie die Netzspannung.
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Zur Verringerung des Oberschwingungsgehalts werden Gleichrichterschaltungen mit höheren Pulszahlen (B12, B18, B24) eingesetzt. Diese erfordern aber einen komplizierten Transformator und lösen weder das Problem der Grundschwingungsblindleistung noch das der ungeregelten Zwischenkreisspannung.
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Alternativ hierzu kann anstelle eines passiven Gleichrichters ein vollständiger Pulsstromrichter (auch als Active Front End, kurz: AFE bezeichnet) eingesetzt werden. Mit einem solchen Pulsstromrichter können alle oben genannten Nachteile vermieden werden. Allerdings ist ein solcher Pulsstromrichter im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Gleichrichter sehr kostenintensiv. Der Einsatz eines Pulsstromrichters als Gleichrichter ist daher für viele Anwendungsfälle unrentabel, insbesondere zumal die mit einem Pulsstromrichter automatisch verbundene Möglichkeit zur Energierückspeisung aus dem Gleichspannungszwischenkreis in das Netz in vielen Anwendungsfällen nicht benötigt wird, und somit den größeren Kostenaufwand ebenfalls nicht rechtfertigen kann.
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Ein Stromrichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus
US 6 459 596 B1 bekannt. Ein ähnlicher Stromrichter ist aus
US 2011/0291737 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen im Hinblick auf die oben genannten Nachteile verbesserten, gleichwohl aber mit verhältnismäßig geringem Aufwand realisierbaren Stromrichter anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte und teils für sich gesehene erfinderische Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter umfasst mindestens ein Phasenmodul, das eine Anzahl von Schaltelementen sowie eine Phasenklemme aufweist.
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Als „Schaltelement” wird hierbei allgemein ein elektrisches oder elektronisches Bauteil bezeichnet, mittels dem eine elektrisch leitende Verbindung reversibel durch aktive Ansteuerung freigegeben und gesperrt werden kann. Das Schaltelement wird im ersten Fall als „eingeschaltet”, und im zweiten Fall als „ausgeschaltet” bezeichnet. Bei den Schaltelementen des Stromrichters kann es sich grundsätzlich um elektromechanische Schalter handeln. Vorzugsweise werden hierfür aber Halbleiterschalter, insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar Transistor, kurz: IGBT) eingesetzt. Allerdings kann der Stromrichter im Rahmen der Erfindung auch elektromechanische Schalter und Halbleiterschalter in Kombination enthalten.
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Als „Phasenklemme” wird ein elektrischer Anschluss des oder jedes Phasenmoduls bezeichnet, über den ein elektrischer Phasenstrom von dem Phasenmodul ausgebbar oder dem Phasenmodul zuführbar ist. Die Stromflussrichtung des Phasenstroms ist somit umkehrbar. Ein von dem Phasenmodul ausgegebener Phasenstrom wird im Folgenden als positiver Phasenstrom (d. h. Phasenstrom mit positiver Stromstärke und positiver Stromflussrichtung) bezeichnet, während ein in das Phasenmodul eingespeister Phasenstrom als negativer Phasenstrom (also Phasenstrom mit negativer Stromstärke und negativer Stromflussrichtung) bezeichnet wird.
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Erfindungsgemäß ist dabei die an der Phasenklemme anliegende elektrische Spannung mittels der Schaltelemente des Phasenmoduls zwischen vier verschiedenen Potentialen (d. h. definierten Spannungsniveaus) schaltbar. Der erfindungsgemäße Stromrichter ist somit als Vierpunktstromrichter ausgebildet.
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Die vier Potentiale, auf die die Phasenklemme des oder jedes Phasenmoduls geschaltet werden kann, sind nachfolgend als „erstes Potential” bis „viertes Potential” bezeichnet, wobei von einer dem Betrag nach absteigenden Reihenfolge ausgegangen wird. Das erste Potential hat also den höchsten Spannungswert, das zweite Potential den zweithöchsten Spannungswert, das dritte Potential den dritthöchsten Spannungswert und das vierte Potential den niedrigsten Spannungswert.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter hat folgende Vorteile:
- – Keine netzseitige Grundschwingungsblindleistung
- – Geringer Oberschwingungsgehalt im Netzstrom
- – Regelbare (und entsprechend im Betrieb des Stromrichters vorzugsweise auch geregelte) Zwischenkreisspannung
- – Vergleichsweise großer Aussteuerbereich, weshalb der Stromrichter auch zusammen mit großen netzseitigen Drosseln (Drosselspulen) einsetzbar ist.
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Die Schaltelemente des Stromrichters sind derart angeordnet und angesteuert, dass das oder jedes Phasenmodul durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente drei Schaltzustände einnehmen kann, nämlich
- – einen ersten Schaltzustand der Schaltelemente, in dem an der Phasenklemme das zweite Potential anliegt,
- – einen zweiten Schaltzustand der Schaltelemente, in dem an der Phasenklemme das dritte Potential anliegt, und
- – einen dritten Schaltzustand der Schaltelemente, in dem an der Phasenklemme bei negativem Phasenstrom das erste Potential, und bei positivem Phasenstrom das vierte Potential anliegt.
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Das oder jedes Phasenmodul umfasst vier Potentialschienen, die jeweils eines der vier Potentiale führen, nämlich
- – eine erste Potentialschiene, die das erste Potential führt,
- – eine zweite Potentialschiene, die das zweite Potential führt,
- – eine dritte Potentialschiene, die das dritte Potential führt, sowie
- – eine vierte Potentialschiene, die das vierte Potential führt.
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Des Weiteren umfasst das oder jedes Phasenmodul eine aktive Halbbrücke und eine passive Halbbrücke. Der Begriff „aktiv” bezeichnet dabei den Umstand, dass diese Halbbrücke steuerbare Schaltelemente umfasst, während die passive Halbbrücke in Abgrenzung hierzu lediglich passive (nicht steuerbare) elektronische Bauelemente enthält, nämlich insbesondere Dioden.
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Die passive Halbbrücke enthält dabei die Phasenklemme. Letztere ist innerhalb der passiven Halbbrücke über jeweils eine Diode oder mehrere in Reihe geschaltete Dioden mit der ersten Potentialschiene sowie mit der vierten Potentialschiene verschaltet.
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Die aktive Halbbrücke umfasst einen Mittelabgriff, der über ein erstes Schaltelement mit der zweiten Potentialschiene sowie über ein zweites Schaltelement mit der dritten Potentialschiene verschaltet ist. Beide Schaltelemente sind vorzugsweise als IGBT mit jeweils antiparallel geschalteter Freilaufdiode ausgeführt.
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Um die vier Potentiale einstellen zu können, ist die Phasenklemme mit dem Mittelabgriff der aktiven Halbbrücke über mindestens ein drittes Schaltelement verschaltet. Das wie vorstehend ausgebildete Phasenmodul wird vorzugsweise wechselnd in jeweils einem der drei zuvor beschriebenen Schaltzustände betrieben:
- – Der erste Schaltzustand, in dem an der Phasenklemme das zweite Potential anliegt, wird durch Einschalten des ersten sowie des oder jedes dritten Schaltelements sowie durch Ausschalten des zweiten Schaltelements realisiert.
- – Der zweite Schaltzustand, in dem an der Phasenklemme das dritte Potential anliegt, wird durch Einschalten des zweiten Schaltelements und des oder jeden dritten Schaltelements sowie durch Ausschalten des ersten Schaltelements realisiert.
- – Der dritte Schaltzustand, in dem – je nach Stromrichtung des Phasenstroms das erste Potential oder das vierte Potential an der Phasenklemme anliegt, wird durch Ausschalten des oder jedes dritten Schaltelements realisiert. Der Schaltzustand des ersten und zweiten Schaltelements lässt in letzterem Fall das an der Phasenklemme anliegende Potential unbeeinflusst und kann somit grundsätzlich beliebig gewählt werden. Vorzugsweise sind das erste und zweite Schaltelement in dem dritten Schaltzustand allerdings ebenfalls ausgeschaltet.
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In einer besonders einfachen Bauvariante des oder jedes Phasenmoduls sind als dritte Schaltelemente zweckmäßigerweise zwei Halbleiterschalter vorgesehen, die antiseriell zueinander zwischen dem Mittelabgriff und der Phasenklamme geschaltet sind. Jeder dieser Halbleiterschalter ist vorzugsweise durch einen IGBT mit jeweils antiparallel geschalteter Freilaufdiode gebildet.
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In einer alternativen, aber gleichwirkenden Bauvariante des oder jeden Phasenmoduls sind als dritte Schaltelemente zwei Halbleiterschalter vorgesehen, die antiparallel zueinander zwischen dem Mittelabgriff und die Phasenklemme geschaltet sind. Die Halbleiterschalter sind hierbei wiederum vorzugsweise durch IGBT realisiert, wobei jedem IGBT zweckmäßigerweise eine Diode seriell geschaltet ist.
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Zur Vorgabe der einzustellenden Potentiale sind zwischen die einzelnen Potentialschienen des oder jedes Phasenmoduls vorzugsweise Kondensatoren geschaltet, nämlich
- – ein erster Kondensator zwischen die erste Potentialschiene und die zweite Potentialschiene,
- – ein zweiter Kondensator zwischen die zweite Potentialschiene und die dritte Potentialschiene, sowie
- – ein dritter Kondensator zwischen die dritte Potentialschiene und die vierte Potentialschiene.
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Zwischen der ersten und der vierten Potentialschiene sind die drei Kondensatoren somit in Reihe geschaltet. Zur Herstellung symmetrischer Spannungsverhältnisse sind dabei zumindest der erste Kondensator und der dritte Kondensator vorzugsweise hinsichtlich ihres Kapazitätswertes gleich dimensioniert. Der mittlere, zweite Kondensator kann wahlweise ebenfalls den gleichen Kapazitätswert oder einen hiervon abweichenden Kapazitätswert haben.
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Alternativ kann anstelle des zweiten Kondensators auch eine Reihenschaltung zweier Kondensatoren vorgesehen sein, die – wiederum zur Herstellung symmetrischer Spannungsverhältnisse – bevorzugt gleich dimensioniert sind. Diese Ausführungsform, bei der zwischen der ersten und der vierten Potentialschiene somit insgesamt vier Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, hat den Vorteil, dass zwischen den beiden mittleren Kondensatoren der Reihenschaltung ein symmetrisch zwischen dem ersten Potential und dem vierten Potential liegendes Mittenpotential abgreifbar ist.
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Im Rahmen der Erfindung kann der Stromrichter grundsätzlich beliebig viele Phasenmodule der vorstehend beschriebenen Art umfassen. Sofern mehrere Phasenmodule vorhanden sind, sind diese vorzugsweise jeweils mit ihren ersten Potentialschienen und ihren vierten Potentialschienen zusammengeschaltet und somit in Parallelschaltung zueinander angeordnet.
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Der vorstehend beschriebene Stromrichter wird insbesondere als Gleichrichterteil eines Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters eingesetzt. In dieser Anwendung umfasst der Stromrichter bevorzugt drei Phasenmodule, deren Phasenklemmen jeweils mit einer Phase eines dreiphasigen Drehstromnetzes verschaltet sind. Zur Erzielung höherer Spannungen können im Rahmen der Erfindung allerdings auch mehrere Phasenmodule parallel zueinander mit einer gemeinsamen Phase des Stromnetzes verbunden sein. Die Anzahl der Phasenmodule beträgt in diesem Fall ein ganzzahliges Vielfaches von drei.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einem schematisch vereinfachten elektrischen Schaltbild ein Phasenmodul eines Stromrichters,
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2 in Darstellung gemäß 1 eine alternative Ausführung des Phasenmoduls,
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3 in Darstellung gemäß 1 eine weitere Ausführungsform des Phasenmoduls, und
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4 in einem schematisch vereinfachten elektrischen Schaltbild einen Stromrichter mit drei Phasenmodulen gemäß 1.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Phasenmodul 1 eines Stromrichters 2. Das Phasenmodul 1 umfasst vier Potentialschienen 3, 4, 5 und 6, die jeweils ein Potential, d. h. einen definierten Spannungswert führen. In dem dargestellten Schaltbild sind diese Potentiale wertmäßig auf ein Mittenpotential 0 bezogen. Zwischen dem Mittenpotential 0 und den Potentialschienen 3 und 6 ist jeweils eine Spannung des Betrags Ud/2 gebildet. Zwischen dem Mittenpotential 0 und den Potentialschienen 4 und 5 ist jeweils eine Spannung des Betrags U1/2 gebildet. Somit führen
- – die Stromschiene 3 das Potential +Ud/2
- – die Stromschiene 4 das Potential +U1/2,
- – die Stromschiene 5 das Potential –U1/2, und
- – die Stromschiene 6 das Potential –Ud/2.
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Die Potentiale +Ud/2, +U1/2, –U1/2 und –Ud/2 sind hierbei dem Wert nach in absteigender Reihenfolge aufgeführt (+Ud/2 > +U1/2 > –U1/2 > –Ud/2).
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Das Phasenmodul 1 umfasst weiterhin eine passive Halbbrücke 7, die zwischen die Potentialschienen 3 und 6 geschaltet ist. In der passiven Halbbrücke 7 ist eine Phasenklemme 8 angeordnet, über die das Phasenmodul 1 einen Phasenstrom IP abgibt (positive Stromrichtung) oder aufnimmt (negative Stromrichtung). Zwischen der Phasenklemme 8 und der Potentialschiene 3 sind in Reihenschaltung zwei Dioden 9 und 10 angeordnet. Zwischen der Phasenklemme 8 und der Potentialschiene 6 umfasst die passive Halbbrücke 7 zwei weitere Dioden 11 und 12. Die Dioden 9 bis 12 sind hierbei jeweils in Sperrrichtung in das zwischen den Potentialschienen 3 und 6 herrschende Potentialgefälle geschaltet.
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Das Phasenmodul 1 umfasst zusätzlich eine aktive Halbbrücke 13, die zwischen die Potentialschienen 4 und 5 geschaltet ist. Zwischen einem Mittelabgriff 14 und der Potentialschiene 4 umfasst die aktive Halbbrücke 13 einen Halbleiterschalter 15 in Form eines IGBT sowie eine hierzu antiparallel geschaltete Freilaufdiode 16. Zwischen dem Mittelabgriff 14 und der Potentialschiene 5 ist in die aktive Halbbrücke 13 ein weiterer Halbleiterschalter 17, ebenfalls in Form eines IGBT, mit einer ebenfalls antiparallel geschalteten Freilaufdiode 18 geschaltet.
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Das Phasenmodul 1 umfasst schließlich zwei weitere, ebenfalls als IGBT ausgebildete Halbleiterschalter 19 und 20, die antiseriell zwischen den Mittelabgriff 14 der aktiven Halbbrücke 13 und die Phasenklemme 8 geschaltet sind. Jedem der Halbleiterschalter 19 und 20 ist hierbei eine Freilaufdiode 21 bzw. 22 antiparallel geschaltet.
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Im Betrieb des Stromrichters 2 werden die Halbleiterschalter 15, 17, 19 und 20 wechselnd in einem von drei Schaltzuständen betrieben, nämlich
- – einem ersten Schaltzustand, in dem die Halbleiterschalter 15, 19 und 20 eingeschaltet sind, und der Halbleiterschalter 17 ausgeschaltet ist; in diesem Schaltzustand entspricht die an der Phasenklemme 8 in Bezug auf das Mittenpotential 0 anliegende Phasenspannung UP dem Potential +U1/2 der Potentialschiene 4 (UP = +U1/2);
- – einem zweiten Schaltzustand, in dem die Halbleiterschalter 17, 19 und 20 eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 15 ausgeschaltet ist; in diesem Schaltzustand entspricht die Phasenspannung UP dem Potential –U1/2 der Potentialschiene 5 (Up = –U1/2); sowie
- – einem dritten Schaltzustand, in dem die Halbleiterschalter 19 und 20 ausgeschaltet sind; in diesem Fall liegt die Phasenklemme 8 bei negativer Stromrichtung des Phasenstroms IP (IP < 0) auf dem Potential +Ud/2 der Potentialschiene 3 (UP = +Ud/2), und bei positiver Stromrichtung des Phasenstroms IP (IP > 0) auf dem Potential –Ud/2 der Potentialschiene 6 (Up = –Ud/2).
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Die in 2 dargestellte Ausführungsform des Phasenmoduls 1 gleicht – sofern nicht abweichend beschrieben – der Ausführungsform gemäß 1. Allerdings fehlen bei der Ausführungsform gemäß 2 die Freilaufdioden 21 und 22. Zudem sind die Halbleiterschalter 19 und 20 hier antiparallel zu der Diode 9 bzw. der Diode 11 der passiven Halbbrücke 7 geschaltet. Die in 2 eingetragenen Verbindungen zwischen dem Kollektor des Halbleiterschalters 19 und der Kathode der Diode 9 bzw. zwischen dem Emitter des Halbleiterschalters 20 und der Anode der Diode 11 können hierbei jedoch optional entfallen. Die Halbleiterschalter 19 und 20 sind in der Schaltung gemäß 2 antiparallel zwischen die Phasenklemme 8 und den Mittelabgriff 14 der aktiven Halbbrücke 13 geschaltet. Den Halbleiterschaltern 19 und 20 und dem Mittelabgriff 14 ist hierbei jeweils eine weitere Diode 23 bzw. 24 zwischengeschaltet, wobei diese Dioden 23 und 24 seriell bzgl. des jeweils zugeordneten Halbleiterschalters 19 bzw. 20 gepolt sind.
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Hinsichtlich Ansteuerung und Wirkung entspricht das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel des Phasenmoduls 1 ist in 3 dargestellt. Dieses entspricht wiederum – soweit nicht anders beschrieben – dem Ausführungsbeispiel gemäß 2. Allerdings fehlen bei dem Phasenmodul 1 gemäß 3 die Dioden 23 und 24. Zudem sind die Halbleiterschalter 19 und 20 nicht einzeln den Dioden 9 und 11 parallelgeschaltet. Vielmehr ist hier die Serienschaltung der Halbleiterschalter 19 und 20 der Serienschaltung der Dioden 9 und 11 parallel geschaltet. Die Halbleiterschalter 19 und 20 sind wiederum antiparallel zwischen die Phasenklemme 8 und dem Mittelabgriff 14 geschaltet.
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Die Ansteuerung der Halbleiterschalter 15, 17, 19 und 20 entspricht wiederum dem anhand von 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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In 4 ist schließlich eine dreiphasige Ausführungsform des Stromrichters 2 dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst der Stromrichter 2 drei Phasenmodule 1 des in 1 dargestellten Typs. Die Phasenmodule 1 sind hierbei jeweils mit der Potentialschiene 3 sowie mit der Potentialschiene 6 zusammengeschaltet. Die zusammengeschalteten Potentialschienen 3 und 6 sind hierbei mit einem Gleichspannungskreis 25, insbesondere dem Gleichspannungszwischenkreis eines Zwischenkreis-Umrichters verbunden.
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Die drei Phasenklemmen 8 der Phasenmodule 1 sind ihrerseits mit den drei Phasen 26 eines Drehstromnetzes 27 kontaktiert.
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Die Potentiale +Ud/2, +U1/2, –U1/2 und –Ud/2 der Potentialschienen 3 bis 6 werden in jedem Phasenmodul 1 durch jeweils drei Kondensatoren 28, 29 und 30 eingestellt, die in Reihe jeweils zwischen die Potentialschiene 3 und die Potentialschiene 6 geschaltet sind. Die Potentialschiene 4 ist hierbei zwischen den Kondensatoren 28 und 29 kontaktiert, während die Potentialschiene 5 zwischen den Kondensatoren 29 und 30 kontaktiert ist. Zumindest die Kondensatoren 28 und 30 sind hierbei gleich dimensioniert, haben also den gleichen Kapazitätswert. Der Kondensator 29 weist optional einen hiervon abweichenden Kapazitätswert auf. Anstelle des mittleren Kondensators 29 ist in einer (nicht explizit dargestellten) Variante der Phasenmodule 1 jeweils wiederum eine Reihenschaltung aus zwei gleich dimensionierten Kondensatoren vorgesehen, zwischen denen das Mittenpotential 0 abgreifbar ist.
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Der in 4 dargestellte Stromrichter 2 kann alternativ auch mit Phasenmodulen 1 gemäß 2 oder 3 ausgerüstet sein. Er kann zudem auch eine abweichende Anzahl von Phasenmodulen 1 enthalten. Für den beschriebenen Verwendungszweck als netzseitiger Teil eines Zwischenkreis-Umrichters beträgt die Anzahl N der Phasenmodule 1 dabei insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Phasenanzahl des Drehstromnetzes 27 (N = 6, 9, 12, ...), wobei in diesem Fall jeweils die Phasenklemmen 8 mehrere Phasenmodule 1 mit einer gemeinsamen Phase 26 des Drehstromnetzes 27 verbunden sind.
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Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist gleichwohl auf diese Ausführungsbeispiele aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung von dem Fachmann aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
