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Die Erfindung betrifft ein Umrichtersystem und eine Vorrichtung.
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Vorrichtungen wie etwa mehrachsige Antriebssysteme oder Werkzeugmaschinen sowie Einfachanwendungen wie Pumpen, Lüfter, Solaranlagen und Ladestationen umfassen regelmäßig Umrichter. Solche Umrichter werden typischerweise für die angestrebte Anwendung passgenau ausgelegt. Gerade bei geringen oder mittleren Stückzahlen ist die Entwicklung der vorgenannten Vorrichtungen daher oft aufwendig und teuer.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Umrichtersystem sowie eine Vorrichtung mit einem Umrichtersystem anzugeben, welche einfach und kostengünstig bereitstellbar sind.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Umrichtersystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Vorrichtung mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Umrichtersystem ist mit zumindest einem Umrichter gebildet. Das Umrichtersystem ist mit zumindest einem Modul gebildet, wobei das erfindungsgemäße Umrichtersystem zumindest zwei Schnittstellen umfasst, welche jeweils zur Anbindung des zumindest einen Moduls an eine weitere Funktionseinheit des Umrichtersystems ausgebildet sind.
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Das erfindungsgemäße Umrichtersystem ist folglich modular ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich das erfindungsgemäße Umrichtersystem flexibel mit neuer Funktionalität ausbilden oder aber an bislang für ein gegebenes erfindungsgemäßes Umrichtersystem nicht vorgesehene Anwendungen oder Spezifikationen anpassen. Insbesondere ist eine erste der zumindest zwei Schnittstellen für einen ersten Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Umrichtersystems vorgesehen, während die zweite Schnittstelle für einen weiteren Anwendungsfall vorgesehen ist und insbesondere eine Einbindung einer Drittherstellerkomponente als Funktionseinheit an das zumindest eine Modul erlaubt. Vorteilhafterweise ist die zweite Schnittstelle zur Kommunikation mit der Drittherstellerkomponente ausgebildet, d.h. es handelt sich um eine geeignet angepasste Schnittstelle, welche zur Kommunikation mit der Drittherstellerkomponente ausgebildet ist, geeigneterweise als Hardwareschnittstelle und/oder als Softwareschnittstelle. Vorteilhaft ist daher ein erfindungsgemäßes Umrichtersystem im Gegensatz zu Umrichtersystemen wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind einfacher und kostengünstiger bereitstellbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Umrichtersystem zumindest zwei Module auf, wobei je Modul zumindest zwei Schnittstellen vorhanden sind, die zur Anbindung des zumindest einen Moduls an eine weitere Funktionseinheit oder je eine weitere Funktionseinheit des Umrichtersystems ausgebildet sind.
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In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist das zumindest eine Modul oder ist zumindest eines oder sind mehrere oder sämtliche der Module mit einem oder mehreren Modulen der nachfolgend angegebenen Gruppe gebildet:
Diese Gruppe umfasst zunächst ein Steuermodul: Das Steuermodul kann grundsätzlich durch jedes Hardware-Modul gebildet sein, welches zur Berechnung von überlagerten Steuerungssignalen ausgebildet ist. Hierzu zählen insbesondere Positions-, Drehzahl-, und Momenten-Regelungen aber auch Ablaufsteuerungen. Das Modul kann mittels einer entsprechenden Embedded-Plattform, vorzugsweise mit Realzeit-Betriebssystem, insbesondere ARM9 mit Linux-RT und/oder mittels mindestens eines Micro-Controllers, insbesondere ATMEL und/oder mittels zumindest eines FPGA und/oder mittels zumindest einer GPU und/oder eines ASICs und/oder einer PLC und/oder einer Kombination der genannten Plattformen realisiert werden. Das Steuermodul realisiert zudem je nach Ausprägung/Anwendung verschiedene optionale Schnittstellen wie insbesondere DriveCliq und/oder RS232 und/oder RS485 und/oder CAN.
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Hierfür sind am Steuermodul, insbesondere auf einer ggf. vorhandenen Platine und/oder an einem ggf. vorhandenen Gehäuse des Steuermoduls ein oder mehrere optimale Anschlüsse/Aussparungen vorgesehen. Insbesondere ist eine Einfachst-Positionsregelung vorhanden, umfassend einen Standard-ATMEL-Micro-Controller mit RS232-Schnittstelle. So kann die Komplexität des Systems zur Sollwertberechnung flexibel an die Komplexität der Anwendung angepasst werden. Grundsätzlich kann auch die Funktionalität des Steuermoduls mittels eines weiteren Moduls des Umrichtersystems realisiert sein, sodass das Steuermodul sogar verzichtbar ist.
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Die Gruppe umfasst ferner ein Pulserzeugungsmodul: Das Pulserzeugungsmodul ist zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Leistungshalbleiter sowie optional zu deren Überwachung und/oder zur Realisierung von Standard-Schutz-Funktionalität ausgebildet. Optional kann das Pulserzeugungsmodul zur Ausführung einfacher (Low-Level-)Regelalgorithmen, insbesondere zur Strom-Regelung und/oder zur Spannungsregelung auf AC- und/oder DC-Seite ausgebildet sein. Insbesondere kann das Pulserzeugungsmodul mittels einer Embedded-Plattform, vorzugsweise Infinion Tri-Core und/oder mittels eines Micro-Controllers, insbesondere ATMEL oder ARM, und/oder mittels eines FPGA oder mittels eines entsprechend ausgebildeten ASIC (Digital Gate Unit) und/oder mittels Kombination der vorgenannten Plattformen gebildet sein. Vorzugsweise weist das Pulserzeugungsmodul Schnittstellen zur Kommunikation mittels des DriveCliq- und/oder RS232- und/oder RS485- und/oder CAN-Protokolls auf. So lässt sich die Komplexität des Pulserzeugungsmoduls flexibel an die Komplexität der Anwendung anpassen. Auf einer ggf. vorhandenen Platine und/oder am ggf. vorhandenen Gehäuse des Pulserzeugungsmoduls sind vorzugsweise ein(e) oder mehrere optionale Bestückungsoptionen/Anschlüsse-/Aussparungen vorgesehen.
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Die Gruppe umfasst zudem ein Leistungsstufenmodul: Das Leistungsstufenmodul umfasst vorzugsweise eines oder mehrere Elemente der nachfolgend aufgezählten Leistungshalbleiterelemente: Thyristor, IGBT, MOS-FET, insbesondere einschließlich ggf. erforderlicher Ansteuerungselektronik und/oder Treiber. In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Leistungsstufenmodul mit einem Power-Board in einem Sinamics ALM-Umrichter (ALM: „Active Line Module“) gebildet.
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Die Gruppe umfasst ferner ein DC-Modul: Vorzugsweise nämlich sind Kondensatoren nicht in herkömmlicher Weise in das Umrichtersystem integriert sondern bilden ein eigenes DC-Modul. Optional weist das C-Modul neben Kondensatoren zudem weitere Passivkomponenten und/oder eine Kombination von Passivkomponenten auf: Zweckmäßig weist das DC-Modul etwa eine oder mehrere Kondensatorschaltung/en und/oder mindestens eine Drossel und/oder mindestens einen Widerstand, insbesondere zur Bildung eines DC-Filters und/oder ein DC-Filter auf. In dieser Weiterbildung lassen sich vorteilhaft DC-/DC-Steller leicht integrieren.
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Die Gruppe umfasst zudem ein AC-Modul: Zweckmäßig ist das AC-Modul mittels einer Kombination von Passivkomponenten gebildet, welche insbesondere zur Filterung und/oder Leistungsfaktorkorrektur (PFC: „Power Factor Correction“) ausgebildet ist.
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Weiterhin in der Gruppe enthalten ist ein Messmodul: Das optional vorgesehene Messmodul ist insbesondere zur Messung von AC- und/oder DC-seitigen elektrischen Größen wie Strom und/oder Spannung und/oder Leistung und/oder Oberwellen und/oder eines Spektrums ausgebildet.
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Bevorzugt ist oder sind bei dem erfindungsgemäßen Umrichtersystem eine oder zwei oder sämtliche der Schnittstellen, mittels welchem zumindest eines der Module mit Teilen des Umrichtersystems signalverbindbar ist, Softwareschnittstellen.
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Alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt ist oder sind bei dem erfindungsgemäßen Umrichtersystem eine oder zwei oder sämtliche der Schnittstellen mittels welchem zumindest eines der Module mit Teilen des Umrichtersystems signalverbindbar ist, Hardwareschnittstellen.
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Zumindest eine oder mehrere oder sämtliche der zumindest zwei Schnittstellen kann oder können, zumindest im Falle von Hardware-Schnittstellen, mit jeweils einer der nachfolgend erläuterten Schnittstellen gebildet sein:
Zumindest eine der Schnittstellen zwischen Steuermodul und Leistungsstufenmodul wie zuvor erläutert kann als „Full-Feature“-Schnittstelle, insbesondere als oder mittels DriveCliq-Schnittstelle oder als „Low-Feature“-Schnittstelle, insbesondere als oder mittels RS232-Schnittstelle und/oder RS485-Schnittstelle und/oder CAN-Schnittstelle ausgebildet sein.
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Zumindest eine der Schnittstellen zwischen Pulserzeugungsmodul und Leistungsstufenmodul ist ggf. vorzugsweise als ein Technologiestandard, insbesondere IGBT, ausgebildet. Insbesondere ist die Schnittstelle mittels Lichtwellenleiter und/oder Optokoppler mit digitaler Signalleitung, insbesondere Flachlandkabel, vorzugsweise zur Ansteuerung von Treiberbausteinen, ausgebildet.
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Zumindest eine der Schnittstellen zwischen Messmodul und Steuermodul ist ggf. vorzugsweise als oder mittels DriveCliq-Schnittstelle ausgebildet. Auf diese Weise können auch optional Strom- oder Spannungsdaten, die häufig für komplexere Anwendungen erforderlich sind, übertragen werden.
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Zumindest eine der Schnittstellen zwischen DC-Modul und Leistungsstufenmodul ist ggf. bevorzugt mittels einer DC-Schiene gebildet. Insbesondere ist die DC-Schiene zur Übernahme weiterer Funktionen ausgebildet.
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Zumindest eine der Schnittstellen zwischen AC-Modul und Leistungsstufenmodul ist ggf. vorzugsweise mittels eines dreiphasigen AC-Anschlusses gebildet.
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Zweckmäßig ist zumindest eine der mindestens zwei oder sind mehrere oder sämtliche der Schnittstellen im Falle von Software-Schnittstellen wie folgt ausgebildet:
Zumindest eine der Schnittstellen ist für die Kommunikation mittels eines ersten Protokolls ausgebildet und zusätzlich mit einer Lademöglichkeit zum Laden eines Treibers versehen, welcher für die Kommunikation mittels eines zweiten Protokolls ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist die zumindest eine Schnittstelle unabhängig von der Funktion des oder zumindest eines der Module, welches mittels der Schnittstelle angebunden ist, unabhängig ausgebildet. Zweckmäßig sind Funktion und Schnittstelle modularisiert ausgebildet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist oder sind bei dem Umrichtersystem eine oder beide oder sämtliche der Schnittstellen als Schnittstelle/n zur DriveClick-Kommunikation und/oder zur RS232/RS485-Kommunikation oder zur CAN-Kommunikation ausgebildet.
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Geeigneterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Umrichtersystem die Funktionsweise des zumindest einen Moduls unabhängig von der/den Schnittstelle(n), mittels welcher das Modul angebunden ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein erfindungsgemäßes Umrichtersystem wie zuvor beschrieben auf. In bevorzugten Weiterbildungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein, insbesondere mehrachsiges Antriebssystem oder eine Werkzeugmaschine oder eine Pumpe oder ein Lüfter.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ladestation zum elektrischen Laden von Elektrofahrzeugen, insbesondere Elektroautos.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Zeichnungs1 zeigt eine Ladestation zum elektrischen Laden von Elektroautos schematisch in einer Prinzipskizze.
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Die in 1 dargestellte Ladestation 5 umfasst ein Messmodul MEA, ein Steuermodul CON, und ein Pulserzeugungsmodul PGLLC, welches zugleich ein Low-Level-Regelmodul umfasst, ein Leistungsstufenmodul PS, ein DC-Modul DCM und ein AC-Modul ACM.
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Das Messmodul MEA ist ausgebildet zur Erfassung elektronischer Größen sowohl auf der AC als auch der DC-Seite, im dargestellten Ausführungsbeispiel Spannung, Strom sowie Oberwellen.
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Das Steuermodul CON ist zur überlagerten Regelung eingerichtet, im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Regelung der elektrischen Spannung sowie von räumlichen Positionen und Drehmomenten. Das Steuermodul CON übernimmt die Ladeablaufsteuerung beim Laden eines Elektroautos und bezieht dazu den Ladezustand einer Elektrobatterie des Elektroautos, sowie ggf. Tarifinformationen ein. Dazu liefert das Messmodul MEA Messwerte für zu diesem Zweck geeignete Messgrößen wie beispielsweise die Ladespannung der Elektrobatterie des Elektrofahrzeugs. In 1 sind über Schnittstellen vermittelte Kommunikationspfade links mit Pfeilen verdeutlicht, rechts kennzeichnen Pfeile den Energiefluss.
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Das Pulserzeugungsmodul PGLLC ist ausgebildet, die Pulsgenerierung für die Leistungsstufen vorzunehmen sowie zur schnellen Stromregelung und zur Durchführung entsprechender Schutzmaßnahmen.
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Das Leistungsstufenmodul PS ist mit Leistungshalbleitern mit Treibern gebildet, im dargestellten Ausführungsbeispiel mit Thyristoren, IGBTs, MOS-FETs, etc.
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Bei dem DC-Modul DCM handelt es sich um DC-seitige Passivkomponenten, im dargestellten Ausführungsbeispiel um Zwischenkreiskondensatoren, DC-Filter, etc.
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Bei dem AC-Modul ACM hingegen handelt es sich um AC-seitige Passivkomponenten, im dargestellten Ausführungsbeispiel um ein Filter. Das Filter ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Filter ausgebildet, welches am Anmeldetag als Sinamics Active Interface Module (Sinamics AIM) bekannt ist.
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In an sich bekannter Weise bilden das Pulserzeugungsmodul PGLLC mit dem Low-Level-Regelmodul, das Leistungsstufenmodul PS, das DC-Modul DCM und das AC-Modul ACM einen Umrichter der Ladestation 5 aus:
Für die Ladestation 5 schreiben Ladenormen typischerweise eine galvanische Trennung des Autos vom Netz sowie eine geringe Belastung des Netzes mit Oberwellen vor. Deshalb ist im dargestellten Beispiel ein Sinamics ALM (Active Line Module) über ein Sinamics AIM (Active Interface Module) an einen Trenn-Transformator angeschlossen. Auf der DC-Seite des Sinamics ALM ist ein Motor-Modul zum Betrieb als DC-DC-Steller angeschlossen.
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Der DC-DC-Steller ist über ein entsprechendes DC-Filter mit dem Elektroauto elektrisch verbunden. Um die Leistungskomponenten in der beschriebenen Form betreiben zu können, ist zusätzlich eine Steuereinrichtung, beispielsweise CU320 nötig.
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Die Steuereinrichtung CU320 kann jedoch ab Werk lediglich über das Profi-Bus- und/oder das Profi-Net-Protokoll kommunizieren. Folglich erforderte die Ladestation in herkömmlicher Art entweder eine Profi-Bus- oder Profi-Net-fähiges Steuereinrichtung, beispielsweise eine S7 PLC, oder aber eine CAN-Bus-Erweiterung.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Ladestation 5 jedoch sind infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Modularisierung sowohl ein Profi-Bus- oder Profi-Net-fähiges Steuergerät als auch eine CAN-Bus-Erweiterung entbehrlich. Stattdessen weisen sowohl das Steuermodul CON als auch das Pulserzeugungsmodul PGLLC zusätzlich Schnittstellen zur Kommunikation mit RS232 auf.
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Grundsätzlich können dabei zudem Spannungsregelung und ggf. Stromregelung anstelle mittels des Steuermoduls CON mittels des Pulserzeugungsmoduls bewerkstelligt werden, indem entsprechende Software-Pakete mit entsprechenden Software-Schnittstellen vorgesehen sind.
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In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen sind alternativ oder zusätzlich zumindest ein weiteres der in der Beschreibung genannten Module mit zumindest zwei Schnittstellen wie in der Beschreibung aufgeführt vorgesehen und zum Austausch derselben Information ausgebildet.
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Es versteht sich, dass in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen die in 1 dargestellte Vorrichtung keine Ladestation 5 bildet, sondern um eine sonstige Vorrichtung, beispielsweise ein mehrachsiges Antriebssystem oder eine Werkzeugmaschine oder eine Pumpe oder einen Lüfter.
