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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsumrichter und ein elektrisches Antriebssystem mit einem Spannungsumrichter sowie ein Verfahren zum Reduzieren von Störspannungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Reduzierung von Störspannungen von einem Spannungsumrichter.
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Stand der Technik
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Die Deutsche Patentanmeldung
DE 41 07 391 A1 offenbart ein Elektrofahrzeug mit einem batteriegespeisten Wechselrichter, insbesondere mit einem Pulswechselrichter. Ein dreiphasiger Fahrmotor eines Elektrofahrzeugs wird dabei über einen Wechselrichter gespeist. Der Wechselrichter bezieht seine Energie von einer Batterie.
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Pulswechselrichter können bei einer kapazitiven Belastung, wie sie zum Beispiel durch Streukapazitäten in einer angeschlossenen elektrischen Maschine auftreten, Gleichtaktstörungen hervorrufen. Dabei ist es wünschenswert, das im Umfeld einer elektrischen Maschine emittierte Störspannungsspektrum zu reduzieren, um beispielsweise den Rundfunkempfang, insbesondere im Mittelwellen-Frequenzbereich, zu verbessern. Neben aktiven Filtertechniken ist es dabei beispielsweise bekannt, in die Anschlussleitung zwischen Pulswechselrichter und elektrischer Maschine eine Gleichtaktdrossel zu integrieren. Da es sich bei den angeschlossenen elektrischen Maschinen in der Regel um mehrphasige Maschinen handelt, muss eine solche Gleichtaktdrossel sämtliche Anschlussleitungen umfassen.
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Bekannt sind auch Filterstrukturen, die die Störauskopplung aufgrund von Leistugselektronikschaltvorgängen über den Elektromotor teilweise reduzieren. Störströme und Störspannungen kommen durch parasitäre Kapazitäten von den Motorwicklungen zum Motorgehäuse und zum Motorrotor zustande. Dabei wirken die Filterstrukturen einerseits positiv da die Störspannung am Rotor (Fahrzeugwelle, MW-Störung im KFZ) reduziert wird, andererseits negativ, da die parasitäre Kapazität zwischen den Motorwicklungen und dem Stator (Gehäuse) aufgrund des zusätzlich eingebauten Filterkondensators erhöht wird. Dadurch werden die ungewollten Störströme weiter erhöht. Dies wirkt sich nachteilig bei z.B. Magnetfeldemissionen und Störspannungen bzw. Strömen an den HV-DC Zuleitungen aus.
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Aufgrund der steigenden Bedeutung von Elektrofahrzeugen besteht daher ein Bedarf nach einem Spannungsumrichter, der eine effektive und gleichzeitig kostengünstige Filterung von Störspannungen ermöglicht. Dabei sollen der Aufwand für die Filterbauteile reduziert, eine Eingrenzung der Filterwirkung bezüglich Frequenzbereich ermöglicht, der Strom durch die eingefügten Kondensatoren begrenzt, Filterresonanzstellen gedämpft und zusätzlich negative Wirkungen auf andere Emissionsprobleme und Messverfahren reduziert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt einen Spannungsumrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt einen Spannungsumrichter mit einem Wechselrichter und einer Drossel, insbesondere einer stromkompensierten Drossel. Der Wechselrichter umfasst einen zweiphasigen Gleichspannungseingang. Der Gleichspannungseingang ist mit einer Gleichspannungsquelle verbindbar. Ferner umfasst der Wechselrichter einen mehrphasigen Wechselspannungsausgang. Insbesondere kann der Wechselspannungsausgang mindestens drei Phasenanschlüsse aufweisen. Der Wechselspannungsausgang ist mit einem Verbraucher verbindbar. Die Drossel des Spannungsumrichters ist dabei zwischen dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters und der Gleichspannungsquelle angeordnet.
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Der Gleichspannungseingang des Wechselrichters umfasst einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Die Drossel des Spannungsumrichters umfasst ferner eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung. Die erste Wicklung der Drossel ist dabei zwischen dem ersten Anschluss des Gleichspannungseingangs des Wechselrichters und einem ersten Anschluss der Gleichspannungsquelle angeordnet. Die zweite Wicklung der Drossel ist zwischen dem zweiten Anschluss des Gleichspannungseingangs des Wechselrichters und einem zweiten Anschluss der Gleichspannungsquelle angeordnet. Ferner ist zwischen der Drossel und der Gleichspannungsquelle ein erster Kondensator angeordnet, der auf der einen Seite mit dem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss der Gleichspannungsquelle und der ersten Wicklung der Drossel und auf der anderen Seite mit einem zusätzlichen Stromleiter verbunden ist. Ferner ist ein zweiter Kondensator angeordnet, der auf der einen Seite mit dem Strompfad zwischen dem zweiten Anschluss der Gleichspannungsquelle und der zweiten Wicklung der Drossel und auf der anderen Seite mit dem zusätzlichen Stromleiter verbunden ist.
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Der Wechselspannungsausgang des Wechselrichters umfasst eine Mehrzahl von Phasenanschlüssen. Dabei ist zwischen dem zusätzlichen Stromleiter und jedem Phasenanschluss des Wechselrichters ein Kondensator angeordnet. An den Phasenanschlüssen ist ein mehrphasiger Verbraucher anschließbar.
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Der zusätzliche Stromleiter besteht aus einem elektrisch leitenden Material und ist eine niederohmige elektrische Verbindung der zweiten Anschlüsse der Entstörkondensatoren. Gegenüber weiteren elektrisch leitenden Verbindungen oder Gehäusen ist der zusätzliche Stromleiter isoliert.
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Durch eine derartige Anordnung der Kondensatoren ist es möglich, Störungen von der Wechselspannungsseite auf die Gleichspannungsseite des Wechselrichters zu führen, wobei die Störungen lokal auf dem zusätzlichen Stromleiter isoliert und gefiltert werden. Insbesondere werden die Störungen nicht auf das Gehäuse des Spannungsumrichters, einer angeschlossenen Gleichspannungsquelle, eines angeschlossenen Verbrauchers oder den elektrischen Masseanschluss bspw. eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges übertragen.
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Der Aufbau des Filters besteht somit auf der Gleichspannungsseite aus einer Drossel zwischen dem Wechselrichter und einem ersten und einem zweiten Kondensator, insbesondere x-Kondensatoren mit Mittenabgriff. Alternativ besteht der Aufbau des Filters auf der Gleichspannungsseite insbesondere aus einer Drossel zwischen einem Zwischenkreis-Kondensator und dem ersten und dem zweiten Kondensator. Einseitig, insbesondere mit dem Mittenabgriff, führen die beiden Kondensatoren auf einen zusätzlichen Stromleiter. Der Mittenabgriff zwischen den Gleichspannungsleitern wird kapazitiv realisiert. Die Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren sind im Allgemeinen gleich groß. Je nach Anwendung sind jedoch auch unterschiedlich große Kapazitätswerte der Kondensatoren möglich, insbesondere bei asymmetrischem Hochfrequenzverhalten des Spannungsumrichters oder des Spannungsumrichters und den angeschlossenen Komponenten.
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Auf der Wechselspannungsseite oder Motorseite des Wechselrichters besteht der Filter aus, insbesondere kleinen, Kondensatoren, insbesondere Entstörkondensatoren, die auf einen Sternpunkt zwischen den Wechselspannungsleitern führen. Dieser Sternpunkt ist mit dem zusätzlichen Stromleiter verbunden. Dieser zusätzliche Stromleiter führt den Störstrom unter Umgehung der eingangs beschriebenen Nachteile.
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Vorteilhaft wird bei diesem Aufbau des Filters mittels des zusätzlichen Stromleiters die Filterwirkung der gleichspannungsseitigen Kondensatoren, insbesondere x-Kondensatoren, mit den wechselspannungsseitigen Filtern, insbesondere auf der Motorseite, des Wechselrichters kombiniert. Dadurch kann der Aufwand für die notwendigen Bauteile minimiert werden. Insbesondere wird mit dem Mittenabgriff auch gleichzeitig eine x-Entstörung bereitgestellt, sodass eine doppelte Ausführung der Bauteile dafür nicht notwendig ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren von Störspannungen mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 7.
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Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren von Störspannungen von einem Spannungsumrichter mit den Schritten des Bereitstellens eines Wechselrichters mit einem zweiphasigen Gleichspannungseingang und einem mehrphasigen Wechselspannungsausgang, des Koppelns einer Drossel mit dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters sowie des Anordnens eines ersten Kondensators, der auf der einen Seite mit einem Strompfad zwischen einem ersten Anschluss der Gleichspannungsquelle und einer ersten Wicklung der Drossel und auf der anderen Seite mit einem zusätzlichen Stromleiter verbunden ist und des Anordnens eines zweiten Kondensators, der auf der einen Seite mit einem Strompfad zwischen einem zweiten Anschluss der Gleichspannungsquelle und einer zweiten Wicklung der Drossel und auf der anderen Seite mit dem zusätzlichen Stromleiter verbunden ist, und des Anordnens jeweils eines Kondensators oder einer Reihenschaltung aus einem Kondensator, einem elektrischen Widerstand und/ oder Induktivität zwischen dem zusätzlichen Stromleiter und jeder Phase des mehrphasigen Wechselspannungsausgangs des Wechselrichters.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, am Eingang eines Wechselrichters eine Drossel vorzusehen, um auf diese Weise Gleichtaktstörungen des Wechselrichters zu minimieren. Vorzugsweise ist die hierfür erforderliche Drossel auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters zwischen dem Wechselrichter und einem ersten und zweiten eingangsseitigen Kondensator vorgesehen. Der erste und zweite Kondensator ist jeweils zwischen einem zusätzlichen Stromleiter und einem Anschluss des Gleichspannungseingangs des Wechselrichters angeordnet. Ein optionaler Zwischenkreiskondensator kann zwischen den beiden Eingangsanschlüssen des Wechselrichters und der Drossel angeordnet werden.
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Durch die Anordnung einer Drossel auf der Eingangsseite des Wechselrichters können Gleichtaktstörungen des Wechselrichters sehr gut minimiert werden. Daher kann ausgangsseitig in der mehrphasigen Verbindung zwischen Wechselrichter und Verbraucher auf eine Drossel, insbesondere eine stromkompensierte Drossel, verzichtet werden, die aufgrund der höheren Phasenanzahl zwischen Wechselrichter und Verbraucher sehr aufwändig wäre. Der erfindungsgemäße Spannungsumrichter ermöglicht somit eine einfache und kostengünstige Unterdrückung von Störungen. Durch das Vorsehen eines zusätzlichen Stromleiters, mit dem der erste und der zweite Kondensator zwischen der Drossel und der Gleichspannungsquelle als auch die Kondensatoren an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters einseitig verbunden sind werden die gefilterten Störungen vorteilhaft nicht auf die Strukur (beispielsweise Masseplatte bzw. Fahrzeugstruktur) zurück sondern auf einem separaten Pfad um die Störquelle (Leistungselektronik, insbesondere der Wechselrichter) herum geleitet. Das verhindert die eingangs beschriebenen negativen Nebeneffekte. Weiter vorteilhaft ist, dass die drei eingefügten Kondensatoren an den drei Phasen der elektrischen Maschine nicht mehr gegen das Gehäuse, beziehungsweise Bezugspotential, geführt sind. Dadurch ist eine geringere Spannungsfestigkeit ausreichend. Entsprechend können die Bauteile günstiger und kleiner gewählt werden und auch als Keramikbauteil statt als Folienbauteil ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem zusätzlichen Stromleiter und jedem Phasenanschluss des Wechselrichters eine Reihenschaltung aus dem Kondensator und einem elektrischen Widerstand und/ oder Induktivität angeordnet. Kondensator und Widerstand und/ oder Induktivität bilden somit ein RC-oder RCL-Glied. Auf diese Weise ist es möglich, das von dem Wechselrichter emittierte Störspannungsspektrum gezielt für einen vorgegebenen Frequenzbereich zu dämpfen. Durch das Einbringen der elektrischen/ohmschen Widerstände kann der ausgekoppelte Gleichtaktstrom minimiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kondensator bzw. die Reihenschaltung aus Kondensator und elektrischem Widerstand und/ oder Induktivität zusammen mit dem Wechselrichter in einem gemeinsamen Leistungsmodul angeordnet. Durch die Integration von Wechselrichter und Kondensator bzw. RC- oder RCL-Glied in einem gemeinsamen Modul ist ein kompakter Aufbau möglich. Darüber hinaus kann für die Entwärmung des Wechselrichters und das Abführen der elektrischen Verlustleistung des RC- oder RCL-Gliedes eine gemeinsame Kühlung vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kondensator bzw. die Reihenschaltung aus Kondensator und elektrischem Widerstand und/ oder Induktivität auf einem Anschlusselement des elektrischen Verbrauchers angeordnet. Beispielsweise können die Kondensatoren bzw. die RC- oder RCL-Glieder verbraucherseitig in der Nähe der Anschlussklemmen des Verbrauchers angeordnet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Spannungsumrichter ferner einen Zwischenkreiskondensator. Dieser Zwischenkreiskondensator ist zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Gleichspannungseingangs des Wechselrichters angeordnet. Insbesondere ist der Zwischenkreiskondensator zwischen der Drossel und dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Reduzieren von Störspannungen umfasst das Verfahren einen Schritt zum Anordnen jeweils eines Kondensators oder eine Reihenschaltung aus Kondensator und elektrischem Widerstand und/ oder Induktivität (RC- oder RCL-Glied) zwischen dem zusätzlichen Stromleiter und jeder Phase des mehrphasigen Wechselspannungsausgangs des Wechselrichters.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer Gleichspannungsquelle, einem elektrischen Motor und einem erfindungsgemäßen Spannungsumrichter.
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungsumrichter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungsumrichter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
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3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Reduzieren von Störspannungen gemäß einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem umfasst eine Gleichspannungsquelle 2, einen elektrischen Verbraucher 3 sowie einen Spannungsumrichter 1. Darüber hinaus kann das elektrische Antriebssystem gegebenenfalls je nach Bedarf auch noch weitere Komponenten umfassen. Zum besseren Verständnis der Erfindung wurden jedoch mögliche weitere Komponenten des elektrischen Antriebssystems hier nicht dargestellt. Bei der Gleichspannungsquelle 2 kann es sich beispielsweise um eine Batterie handeln. Insbesondere ist zum Beispiel als Gleichspannungsquelle 2 die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs möglich. Darüber hinaus sind jedoch als Gleichspannungsquelle 2 beliebige weitere Gleichspannungsquellen möglich. Bei dem elektrischen Verbraucher 3 kann es sich, wie hier dargestellt, beispielsweise um einen dreiphasigen elektrischen Motor handeln. Als elektrischer Verbraucher 3 sind dabei zum Beispiel beliebige Elektromotoren möglich. Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Motor 3 um eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine handeln. Die hier dargestellte Anzahl von drei elektrischen Phasen für den elektrischen Verbraucher 3 ist dabei ebenfalls nur beispielshaft zu verstehen. Darüber hinaus sind auch beliebige elektrische Motoren, oder auch beliebige andere elektrische Verbraucher möglich, die ein von drei abweichende Anzahl von Phasen haben. Insbesondere sind auch elektrische Verbraucher mit sechs Phasen möglich.
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Auch wenn im Nachfolgenden das elektrische Antriebssystem dahingehend beschrieben wird, dass ein Spannungsumrichter 1 von einer Gleichspannungsquelle 2 gespeist wird und der Wechselrichter 1 am Ausgang mit einem elektrischen Verbraucher 3 verbunden ist, so kann das Antriebssystem darüber hinaus gegebenenfalls in einem weiteren Betriebsmodus auch elektrische Energie, die von dem elektrischen Motor in einem Generatorbetrieb bereitgestellt wird, durch den Wechselrichter 1 in eine Gleichspannung umformen. Diese Gleichspannung kann daraufhin in die Gleichspannungsquelle 2 eingespeist werden, um beispielsweise auf diese Weise eine Batterie zu laden.
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Der Spannungsumrichter 1 umfasst dabei einen Wechselrichter 10. Bei dem Wechselrichter 10 kann es sich zum Beispiel um einen Pulswechselrichter (PWR) handeln. Insbesondere kann der Wechselrichter 10, wie in 1 schematisch dargestellt, beispielsweise eine Mehrzahl von Schaltelementen S1 bis S6 umfassen. Bei diesen Schaltelementen kann es sich beispielsweise um Halbleiterschaltelemente in Form von IGBT oder MOSFET handeln. Der grundsätzliche Aufbau von Wechselrichter, insbesondere von Pulswechselrichtern, ist jedoch bekannt, so dass der Aufbau hier nicht im Detail beschrieben werden muss.
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Auf der Gleichspannungsseite weist der Wechselrichter 10 einen zweiphasigen Gleichspannungseingang 110 auf. Ein erster Anschluss 111 des Gleichspannungseingangs 100 ist dabei mit einem Anschluss 21 der Gleichspannungsquelle 2 verbunden. Der andere Anschluss 112 des Gleichspannungseingangs 110 des Wechselrichters 10 ist mit einem weiteren Anschluss 22 der Gleichspannungsquelle 2 verbunden. Zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und dem Wechselrichter 10 umfasst der Spannungsumrichter 1 darüber hinaus eine Drossel 11, insbesondere eine stromkompensierte Drossel 11. Die Drossel 11 umfasst dabei zwei Wicklungen 11a und 11b. Eine erste Wicklung 11a der Drossel 11 ist dabei zwischen dem ersten Anschluss 21 der Gleichspannungsquelle 2 und dem ersten Anschluss 111 des Wechselrichters 10 angeordnet. Die zweite Wicklung 11b der Drossel 11 ist zwischen dem zweiten Anschluss 22 der Gleichspannungsquelle 2 und dem zweiten Anschluss 112 des Gleichspannungseingangs 110 des Wechselrichters 10 angeordnet.
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Darüber hinaus kann der Spannungsumrichter 1 zwischen der Drossel 11 und dem Gleichspannungseingang 110 des Wechselrichters 10 einen Zwischenkreiskondensator 12 umfassen. Dieser Zwischenkreiskondensator 12 ist dabei mit einem Anschluss mit dem Strompfad zwischen der ersten Wicklung 11a der Drossel 11 und dem ersten Anschluss 111 des Gleichspannungseingangs 110 des Wechselrichters 10 verbunden. Der andere Anschluss des Zwischenkreiskondensators 12 ist mit dem Strompfad zwischen der zweiten Wicklung 11b der Drossel 11 und dem zweiten Anschluss 112 der Gleichspannungseingangs 110 des Wechselrichters 10 verbunden.
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Darüber hinaus umfasst der Spannungsumrichter 1 zwischen der Drossel 11 und der Gleichspannungsquelle 2 einen ersten und einen zweiten Kondensator 13-1 und 13-2. Dabei ist der erste Kondensator 13-1 auf der einen Seite mit dem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss 21 der Gleichspannungsquelle und der ersten Wicklung 11a der Drossel 11 verbunden. Der andere Anschluss des ersten Kondensators 13-1 ist mit einem zusätzlichen Stromleiter 16 verbunden. Analog ist ein zweiter Kondensator 13-2 auf der einen Seite mit einem Strompfad zwischen dem zweiten Anschluss 22 der Gleichspannungsquelle 2 und der zweiten Wicklung 11b der Drossel 11 verbunden. Der andere Anschluss dieses zweiten Kondensators 13-2 ist ebenfalls mit dem zusätzlichen Stromleiter 16 verbunden.
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Zur Verbindung des Spannungsumrichters 1 mit der Gleichspannungsquelle 2 kann der Spannungsumrichter 1 über eine geeignete Kabelverbindung 20 mit der Gleichspannungsquelle 2 verbunden sein.
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Auf der Ausgangsseite des Wechselrichters 10 des Spannungsumrichters 1 stellt der Wechselrichter 10 an einem Wechselspannungsausgang 120 eine mehrphasige Wechselspannung bereit. Wie bereits zuvor beschrieben, ist der hier dargestellte dreiphasige Wechselspannungsausgang nur beispielhaft zu verstehen. Eine von drei abweichende Anzahl von Phasen für die Wechselspannung ist darüber hinaus ebenso möglich.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Wechselspannungsausgang 120 drei Anschlüsse 121, 122 und 123. Jeder dieser Anschlüsse 121 bis 123 ist mit einem korrespondierenden Anschluss des elektrischen Verbrauchers 3 verbunden. Auch hier kann zwischen dem Spannungsumrichter 1 und dem elektrischen Verbraucher 3 eine geeignete Kabelverbindung 30 vorgesehen sein.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist insbesondere ein gemeinsames Bezugpotential 40, oder eine Masseleitung, des elektrischen Antriebssystems dargestellt. Beispielsweise verbindet diese Masseleitung 40 die Gehäuse der Gleichspannungsquelle 2, des angeschlossenen Verbrauchers 3, des Spannungsumrichters 1 (diese Verbindung ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt) und/ oder die Schirmleiter der Kabelverbindungen 20, 30 miteinander.
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Zwischen den einzelnen Phasenanschlüssen, also den Verbindungen zwischen den Anschlüssen 121 bis 123 des Wechselrichters 10 und dem elektrischen Verbraucher 3 auf der einen Seite und dem zusätzlichen Stromleiter 16 auf der anderen Seite ist jeweils ein ausgangsseitiger Kondensator 14-1, 14-2 und 14-3 vorgesehen. Ein erster Anschluss eines ersten Kondensators 14-1 ist dabei elektrisch mit einem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss 121 des Wechselspannungsausgangs 120 des Wechselrichters sowie dem ersten Phasenanschluss des elektrischen Verbrauchers 3 verbunden. Der andere Anschluss des ersten Kondensators 14-1 ist mit dem zusätzlichen Stromleiter 16 elektrisch verbunden. Analog ist der zweite Kondensator 14-2 mit dem Strompfad zwischen dem zweiten Anschluss 122 des Wechselspannungsausgangs 120 und dem zweiten Phasenanschluss des elektrischen Verbrauchers 3 auf der einen Seite und mit dem zusätzlichen Stromleiter 16 auf der anderen Seite verbunden. Ein dritter Kondensator 14-3 ist ebenso mit dem Strompfad zwischen dem dritten Anschluss 123 des Wechselspannungsausgangs 120 und dem dritten Phasenanschluss des elektrischen Verbrauchers 3 auf der einen Seite und mit dem zusätzlichen Stromleiter 16 auf der anderen Seite verbunden.
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Die ausgangsseitigen Kondensatoren 14-i zwischen dem zusätzlichen Stromleiter 16 und den Anschlüssen 121, 122 und 123 am Wechselspannungsausgang 120 können dabei beispielsweise gemeinsam mit dem Wechselrichter 110 in einem gemeinsamen Leistungsmodul angeordnet werden. Insbesondere ist es dabei möglich, den Wechselrichter 10 und die Kondensatoren 14-i beispielsweise auf einem gemeinsamen Trägersubstrat anzuordnen. Alternativ können die Kondensatoren 14-i, die zwischen den Anschlüssen 121, 122 und 123 an dem Wechselspannungsanschluss 120 des Wechselrichters 10 und dem zusätzlichen Stromleiter 16 angeordnet sind, auch gemeinsam mit dem elektrischen Verbraucher 3 zusammen in einer Einheit angeordnet werden. Beispielsweise können die Kondensatoren 14-i an den Anschlussklemmen des elektrischen Verbrauchers 3 angeordnet werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungsumrichter 1 gemäß einer Ausführungsform. Diese Ausführungsform ist dabei weitestgehend identisch mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Die beiden Ausführungsformen unterscheiden sich dabei nur darin, dass in der Ausführungsform gemäß 2 anstelle der Kondensatoren 14-i zwischen den Anschlüssen 121, 122 und 123 des Wechselspannungsausgangs 120 und dem zusätzlichen Stromleiter 16 nun eine Reihenschaltung aus jeweils einem Kondensator 14-i und einem elektrischen/ohmschen Widerstand 15-1, 15-2, 15-3 und/oder einer Induktivität 17-1, 17-2, 17-3 vorgesehen ist. Dabei ist es unerheblich, ob die elektrischen Widerstände 15-i und/oder die Induktivitäten 17-i zwischen dem zusätzlichen Stromleiter 16 und den entsprechenden Kondensatoren 14-i angeordnet sind, oder ob alternativ die Widerstände und/oder die Induktivitäten zwischen den Kondensatoren 14-i und den einzelnen Anschlüssen 121, 122 und 123 des Wechselspannungsausgangs 120 angeordnet sind und somit alle drei Kondensatoren 14-i auf der einen Seite mit dem gemeinsamen zusätzlichen Stromleiter 16 verbunden sind.
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Jede Reihenschaltung aus einem Widerstand 15-i und/oder einer Induktivität 17-i und dem korrespondierenden Kondensator 14-i bildet somit ein RC- oder RCL-Glied. Die zusätzlichen ohmschen Widerstände 15-i dienen dabei als Dämpfungswiderstände. Die zusätzlichen Induktivitäten 17-i dienen zur frequenzspezifischen Abstimmung des Filters.
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Bei der Dimensionierung der Widerstände 15-i und/oder der Induktivitäten 17-i können die einzelnen RC- oder RCL-Glieder dabei zur Filterung eines vorgegebenen Frequenzbereiches, zur Resonanzunterdrückung und/oder zur Strombegrenzung optimiert werden.
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Insbesondere kann als zu filternder Frequenzbereich beispielsweise ein Frequenzband für den Rundfunkempfang, beispielsweise im Mittelwellen-Band, gewählt werden. Die so zusätzlich eingebrachten Widerstände 15-i und/oder Induktivitäten 17-i ermöglichen dabei eine Minimierung des zusätzlich ausgekoppelten Gleichtaktstroms und eine Dämpfung des vom Wechselrichter 10 emittierten Störspannungsspektrums insbesondere für einen gezielt vorgegebenen Frequenzbereich.
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Werden dabei die Widerstände 15-i und/oder Induktivitäten 17-i bzw. die RC- oder RCL-Glieder aus der Reihenschaltung von den Widerständen 15-i und/oder Induktivitäten 17-i und den Kondensatoren 14-i gemeinsam mit den Bauelementen des Wechselrichters 10 in einem gemeinsamen Leistungsmodul angeordnet, so ist in diesem Fall ein besonders effizienter Aufbau möglich. Insbesondere ist es möglich, die für die Kühlung des Wechselrichters 10 vorgesehene Kühlung auch gleichzeitig zur Entwärmung der RC- oder RCL-Glieder, insbesondere der an den ohmschen Widerständen 15-i und/oder Induktivitäten 17-i in Wärme umgesetzten elektrischen Energie vorzusehen. Alternativ können analog zu dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel auch hier die RC- oder RCL-Glieder aus den Widerständen 14-i und 15-i bzw. 17-i in dem elektrischen Verbraucher 3 angeordnet werden.
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Als elektrische Widerstände 15-i, Induktivitäten 17-i bzw. als Kondensatoren 14-i können dabei grundsätzlich beliebige Ausführungsformen gewählt werden. Insbesondere sind zum Beispiel keramische SMD-Kondensatoren und SMD-Chip-Widerstände möglich.
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Der erfindungsgemäße Spannungsumrichter 1 mit einer Drossel 11 am Gleichspannungseingang des Wechselrichters 10 kann dabei für beliebige Anwendungen eingesetzt werden. So sind zum Beispiel elektrische Antriebssysteme für Elektro- oder Hybridfahrzeuge möglich. Darüber hinaus sind ebenso Wechselrichter-gespeiste Industrieantriebe denkbar. Ferner kann der erfindungsgemäße Spannungsumrichter beispielsweise auch für Industriewechselrichter, wie zum Beispiel für Solaranlagen oder ähnliches, eingesetzt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zum Reduzieren von Störspannungen von einem Spannungsumrichter 1, wie es einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 wird ein Wechselrichter 10 mit einem zweiphasigen Gleichspannungseingang 110 und einem mehrphasigen Wechselspannungsausgang 120 bereitgestellt. In Schritt S2 wird dieser bereitgestellte Wechselrichter 10 am Gleichspannungseingang 110 mit einer Drossel 11 gekoppelt. In Schritt S3 wird zwischen einem zusätzlichen Stromleiter 16 und je einem Phasenanschluss 121, 122, 123 des mehrphasigen Wechselspannungsausgangs 120 des Wechselrichters jeweils ein Kondensator 14-i oder alternativ eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 14-i und einem elektrischen Widerstand 15-i und/oder einer Induktivität 17-i angeordnet und ein erster Kondensator 13-1 angeordnet, der auf der einen Seite mit einem Strompfad zwischen einem ersten Anschluss 21 der Gleichspannungsquelle 2 und einer ersten Wicklung 11a der Drossel 11 und auf der anderen Seite mit dem zusätzlichen Stromleiter 16 verbunden ist, und ein zweiter Kondensator 13-2 angeordnet, der auf der einen Seite mit einem Strompfad zwischen einem zweiten Anschluss 22 der Gleichspannungsquelle 2 und einer zweiten Wicklung 11b der Drossel 11 und auf der anderen Seite mit dem zusätzlichen Stromleiter 16 verbunden ist.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine kostengünstige und effiziente Entstörung von Störsignalen aus einem Wechselrichter. Hierzu wird an einem Wechselrichter, insbesondere einem Pulswechselrichter, eingangsseitig eine Drossel, insbesondere eine stromkompensierte Drossel, vorgesehen. Diese Drossel wird vorzugsweise zwischen einer Gleichspannungsquelle und einem Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters angeordnet. Auf diese Weise können mehrphasige Drosseln am Wechselspannungsausgang des Wechselrichters entfallen. Weiter werden durch das Vorsehen eines zusätzlichen Stromleiters, mit dem ein erster und zweiter Kondensator zwischen der Drossel und der Gleichspannungsquelle als auch Kondensatoren an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters einseitig verbunden sind, die gefilterten Störungen vorteilhaft nicht auf die Strukur (beispielsweise Masse oder Masseleitung oder Masseplatte bzw. Fahrzeugstruktur) zurück sondern auf einem separaten Pfad um die Störquelle (Leistungselektronik, insbesondere der Wechselrichter) herum geleitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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