DE102016105897A1 - Apparatus and method for impressing an electric current - Google Patents

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Thomas Wietoska
Martin Hallas
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/05Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using capacitive coupling

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Abstract

Es ist eine Vorrichtung zum Aufprägen eines elektrischen Stromes auf einen Strompfad, auf dem ein Gleichspannungspotential (Vdc) anliegt, offenbart. Die Vorrichtung umfasst: einen ersten Kondensator (10) und einen zweiten Kondensator (20), wobei der Strompfad (PI) den ersten Kondensator (10) und den zweiten Kondensator (20) verbindet; und eine Erzeugungseinrichtung (30), die ausgebildet ist, um eine Aufprägewechselspannung (Vac) mit einer Schaltfrequenz (f) zwischen dem ersten Kondensator (10) und dem zweiten Kondensator (20) zu erzeugen. Der erste Kondensator (10) und der zweite Kondensator (20) trennen das Gleichspannungspotential (Vdc) von der Erzeugungseinrichtung (30) elektrisch voneinander und prägen die Aufprägewechselspannung (Vac) kapazitiv auf dem Strompfad (PI) auf.It is a device for impressing an electric current on a current path, on which a DC potential (Vdc) is applied, disclosed. The device comprises: a first capacitor (10) and a second capacitor (20), the current path (PI) connecting the first capacitor (10) and the second capacitor (20); and generating means (30) configured to generate an AC injection voltage (Vac) at a switching frequency (f) between the first capacitor (10) and the second capacitor (20). The first capacitor (10) and the second capacitor (20) electrically disconnect the DC potential (Vdc) from the generating means (30) and capacitively impress the impressing AC voltage (Vac) on the current path (PI).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufprägen eines elektrischen Stromes und insbesondere auf eine kapazitive Leistungsübertragung zur Hochstromeinprägung von Gleichstrom (DC) auf hohem Gleichspannungspotential. The present invention relates to an apparatus and method for impressing an electric current, and more particularly to a capacitive power transfer for high current injection of direct current (DC) to a high DC potential.

Hintergrund background

Die Gleichstromübertragung auf hohem Gleichspannungspotential findet zunehmend an Bedeutung. Beispielsweise lassen sich mit einer Gleichspannungsübertragungsleitung große Leistungen über weite Strecken bei relativ kleinen Verlusten übertragen. Außerdem ist es möglich, bei Gleichstromübertragungen die Leitungen unter die Erde zu verlegen, was bei Wechselspannungsübertragungen ab einem bestimmten Spannungsniveau nicht mehr zu annehmbaren Kosten und/oder Verlusten durchführbar ist. The DC transmission at high DC potential is increasingly important. For example, with a DC transmission line, high power can be transmitted over long distances with relatively small losses. In addition, it is possible in DC transmissions to lay the cables underground, which can no longer be carried out at AC voltages above a certain voltage level at acceptable costs and / or losses.

Um Geräte für diese Anwendung Praxisnah zu prüfen ergibt sich der Bedarf, die Leitungen und/oder die entsprechenden Bauelemente und Betriebsmittel bei einem hohem Gleichspannungspotential mit Gleichströmen hoher Stromstärke zu testen und zu prüfen. Hierbei kann das Hochspannungspotential beispielsweise bis zu ±600 kV oder betragsmäßig mehr betragen. Zur Prüfung sollen dann solche Leitungen beispielsweise mit einem Strom von bis zu 5000 A oder noch mehr bestromt werden. Um eine auf solchem hohen Gleichspannungspotential befindliche Leitung mit einem hohen Gleichstrom dauerhaft zu bestromen, wird eine Stromquelle benötigt, die hohe Leistungen (beispielsweise im dreistelligen Kilowatt-Bereich) dauerhaft liefern kann. In order to test devices for this application, there is a need to test and test the lines and / or the corresponding components and equipment at a high DC voltage potential with high current DC currents. In this case, the high-voltage potential can be, for example, up to ± 600 kV or more in terms of amount. For testing such lines should be energized, for example, with a current of up to 5000 A or even more. In order to permanently energize a line with such a high direct current potential at high direct current, a current source is required which can deliver high powers (for example in the three-digit kilowatt range) permanently.

Bei konventionellen Lösungen erfolgt die Bestromung mittels eines Wechselstroms, der induktiv in den entsprechenden Prüfling (d.h. der zu prüfenden Baukomponente oder Leitung) mittels eines Hochstromtransformators eingekoppelt werden kann. Zumindest ein Teil des Prüflings kann ein Hochspannungskabel sein, das beispielsweise für die induktive Kopplung eine Windung durch den Hochstromtransformator bildet. In conventional solutions, current is supplied by means of an alternating current, which can be inductively coupled into the appropriate device under test (i.e., the component or line under test) by means of a high current transformer. At least a portion of the device under test may be a high voltage cable that forms a winding through the high current transformer, for example, for the inductive coupling.

Eine solche Einkopplung ist jedoch bei der Nutzung von Gleichstrom nicht möglich. However, such a coupling is not possible when using direct current.

Daher besteht ein Bedarf nach alternativen Lösungen, um einen Strom auf einem Strompfad (z.B. durch den Prüfling), der auf ein Gleichspannungspotential liegt, aufzuprägen. Therefore, there is a need for alternative solutions to impart current to a current path (e.g., through the device under test) that is at DC potential.

Zusammenfassung Summary

Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder des Verfahrens nach Anspruch 14. The above object is achieved by an apparatus according to claim 1 and a method according to claim 14. The dependent claims relate to advantageous developments of the device according to claim 1 or the method according to claim 14.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufprägen eines elektrischen Stromes auf einen Strompfad (oder einen Lastkreis), auf dem ein Gleichspannungspotential anliegt. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, wobei der Strompfad den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator verbindet. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Erzeugungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Aufprägewechselspannung mit einer Schaltfrequenz zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator zu erzeugen. Der erste Kondensator und der zweite Kondensator trennen das Gleichspannungspotential von der Erzeugungseinrichtung elektrisch voneinander und prägen kapazitiv die Aufprägewechselspannung auf dem Strompfad auf. Optional kann noch ein Gleichrichter vorhanden sein, der aus der Aufprägewechselspannung einen Gleichstrom, welcher auf den Strompfad (PI) aufgeprägt wird, erzeugt. The present invention relates to a device for impressing an electric current on a current path (or a load circuit), on which a DC potential is applied. The device comprises a first capacitor and a second capacitor, wherein the current path connects the first capacitor and the second capacitor. The apparatus further comprises a generating means configured to generate an impressing AC voltage having a switching frequency between the first capacitor and the second capacitor. The first capacitor and the second capacitor electrically separate the DC potential from the generating means and capacitively impress the impressed AC voltage on the current path. Optionally, a rectifier may also be present, which generates a DC current which is impressed on the current path (PI) from the impressing AC voltage.

Beispielsweise umfasst der erste Kondensator und der zweite Kondensator jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, wobei die beiden ersten Anschlüsse der beiden Kondensatoren auf dem Gleichspannungspotential liegen. Die beiden zweiten Anschlüsse der beiden Kondensatoren sind beispielsweise mit der Erzeugungseinrichtung bspw. auf Erdpotential verbunden, so dass zwischen den beiden zweiten Anschlüssen die Aufprägewechselspannung anlegbar ist. Die beiden Kondensatoren isolieren und trennen somit das Gleichspannungspotential, das z.B. mehr als 100 kV betragen kann, von der Erzeugungseinrichtung für die Aufprägewechselspannung, die z.B. weniger als 20 kV betragen kann. For example, the first capacitor and the second capacitor each include a first terminal and a second terminal, wherein the two first terminals of the two capacitors are at the DC potential. The two second terminals of the two capacitors are, for example, connected to the generating device, for example, to ground potential, so that the impressed alternating voltage can be applied between the two second terminals. The two capacitors thus isolate and disconnect the DC potential, e.g. may be more than 100 kV, from the impressing AC voltage generating means, e.g. may be less than 20 kV.

Unter dem Begriff „Aufprägen“ (oder Einprägen) einer Spannung soll verstanden werden, dass die entsprechende Spannung auf den Strompfad übertragen wird, so dass zusätzlich zu dem Gleichspannungspotential noch eine auf- oder eingeprägte elektrische Spannung hinzukommt, so dass sich der entsprechende Spannungswert vergrößert oder verringert. The term "imprinting" (or impressing on) a voltage is to be understood as meaning that the corresponding voltage is transmitted to the current path, so that in addition to the direct voltage potential an added or impressed electrical voltage is added, so that the corresponding voltage value increases or reduced.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erlauben somit insbesondere eine Hochstromeinprägung auf einem Gleichspannungspotential von beispielsweise 600 kV (oder in einem Bereich zwischen 100 kV und 1000 kV), wobei der eingeprägte Gleichstrom eine Stromstärke von beispielsweise 5000 A (oder in einem Bereich zwischen 1000 A und 8000 A) aufweisen kann. Die Einprägung kann beispielsweise durch einen Spannungsabfall entlang des Strompfades erfolgen, wobei der Spannungsabfall sich aus dem Widerstand des Prüflings ergibt und beispielsweise bei 25 V (oder in einem Bereich zwischen 10 V und 100 V) liegen kann. Embodiments of the present invention thus allow, in particular, a high-current injection at a DC potential of, for example, 600 kV (or in a range between 100 kV and 1000 kV), the impressed DC current having a current intensity of For example, 5000 A (or in a range between 1000 A and 8000 A) may have. The embossing can be effected, for example, by a voltage drop along the current path, wherein the voltage drop results from the resistance of the test object and can be, for example, 25 V (or in a range between 10 V and 100 V).

Um dieses zu erreichen, brauchen Ausführungsbeispiele insbesondere keine Trenntransformatoren oder Maschinensätze oder auf hohem Potential befindliche Generatoren, die in konventionellen Anlagen genutzt werden und sehr aufwendig und teuer wären. Ausführungsbeispiele brauchen auch keine Generatorsätze mit Isolierwellen, die hohen mechanischen Belastungen standhalten müssten. In order to achieve this, embodiments need in particular no isolation transformers or machine sets or generators located at high potential, which are used in conventional systems and would be very complicated and expensive. Embodiments also need no generator sets with insulating waves that would have to withstand high mechanical loads.

Ausführungsbeispiele lösen die obengenannte technische Aufgabe stattdessen dadurch, dass die Leistung zur Gleichstromanregung mittels hochfrequenter Wechselspannung über Kondensatoren auf das Gleichspannungspotential übertragen werden. Embodiments solve the above-mentioned technical task instead by the fact that the power for DC excitation by means of high-frequency AC voltage via capacitors are transferred to the DC potential.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Erzeugungseinrichtung eine Gleichspannungsquelle zum Bereitstellen einer ersten Gleichspannung und eine Umrichteinrichtung, die eine erste Wechselspannung mit der Schaltfrequenz aus der ersten Gleichspannung erzeugt. Ein Vorteil der Gleichspannungsquelle in Kombination mit einer Umrichteinrichtung liegt darin, dass eine Frequenz und ein Spannungsverlauf der Wechselspannung flexibel gewählt werden kann bzw. an die konkreten Gegebenheiten angepasst werden kann. In further exemplary embodiments, the generating device comprises a DC voltage source for providing a first DC voltage and a converter device which generates a first AC voltage with the switching frequency from the first DC voltage. An advantage of the DC voltage source in combination with a converter is that a frequency and a voltage curve of the AC voltage can be flexibly selected or adapted to the specific circumstances.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Gleichspannungsquelle einen Anschluss an eine Versorgungswechselspannung (z. B. einen Netzanschluss mit beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz) und einen Gleichrichter, wobei der Gleichrichter ausgebildet ist, um die erste Gleichspannung aus der Versorgungswechselspannung zu erzeugen. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die Vorrichtung an eine bestehende normale Versorgungsspannungsquelle angeschlossen werden kann, die zunächst gleichgerichtet wird und dann flexibel eine Wechselspannung mit den gewünschten Parametern erzeugt werden kann. In further embodiments, the DC voltage source comprises a connection to an AC supply voltage (for example a mains connection with, for example, 50 Hz or 60 Hz) and a rectifier, wherein the rectifier is designed to generate the first DC voltage from the AC supply voltage. An advantage of this approach is that the device can be connected to an existing normal supply voltage source, which is first rectified and then flexibly an AC voltage with the desired parameters can be generated.

Bei weiteren Ausführungen kann der Netzanschluss über einen Stelltransformator gesteuert werden, um so die Amplitude der Netzspannung und damit die zur Verfügung stehende Leistung zu steuern. In other embodiments, the mains connection can be controlled via a variable transformer, so as to control the amplitude of the mains voltage and thus the available power.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Umrichteinrichtung ausgebildet, um die erste Wechselspannung mit einer einstellbaren Schaltfrequenz und/oder mit einem einstellbaren Spitzenwert für die Wechselspannung und/oder mit einer einstellbaren mittleren Stromstärke zu erzeugen. Beispielsweise ist die Umrichteinrichtung ausgebildet, die Schaltfrequenz steuerbar einzustellen. Dies kann beispielsweise durch die Erzeugung von Rechteckpulsen geschehen, die eine einstellbare Pulsbreite aufweisen, und mit einer vorbestimmten Widerholfrequenz erzeugt werden. Die Rechteckpulse können dabei nur positive Spannungspulse sein oder auch positive und negative Spannungspulse aufweisen. Somit ist es möglich, flexibel die Frequenz der Wechselspannung (z.B. die Widerholfrequenz der Spannungspulse) und/oder die übertragene Leistung bzw. die mittlere Stromstärke über die Pulsbreite der Vielzahl von Spannungspulsen einzustellen. In further embodiments, the conversion device is designed to generate the first alternating voltage with an adjustable switching frequency and / or with an adjustable peak value for the alternating voltage and / or with an adjustable average current strength. For example, the converter is designed to adjust the switching frequency controllable. This can be done for example by the generation of rectangular pulses having an adjustable pulse width, and are generated at a predetermined repetition frequency. The rectangular pulses can only be positive voltage pulses or have positive and negative voltage pulses. Thus, it is possible to flexibly adjust the frequency of the AC voltage (e.g., the repetition frequency of the voltage pulses) and / or the transmitted power or the average current over the pulse width of the plurality of voltage pulses.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Erzeugungseinrichtung weiter einen Anpasstransformator, der ausgebildet ist, um die Aufprägewechselspannung durch eine Spannungsanpassung aus der ersten Wechselspannung zu erzeugen. In further embodiments, the generating means further comprises a matching transformer configured to generate the impressing AC voltage by a voltage adjustment from the first AC voltage.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen verfügt der Anpasstransformator eine Mittelanzapfung, damit die Verbindung zu beiden Kondensatoren symmetrisch ausgeführt werden kann. Ebenso kann der Anpasstransformator als Spartransformator ausgeführt werden, um die Lösung kostengünstiger zu gestalten. In further embodiments, the matching transformer has a center tap, so that the connection to both capacitors can be made symmetrical. Likewise, the matching transformer can be designed as autotransformer to make the solution cheaper.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Umrichteinrichtung eine Vielzahl von Umrichtern und der Anpasstransformator eine Vielzahl von Transformatoreinheiten, wobei jeweils einer der Umrichter zusammen mit einer der Transformatoreinheiten jeweils ein Umrichtmodul bilden. Jedes der so gebildeten Umrichtermodule kann parallel die erste Gleichspannung empfangen und daraus jeweils eine eigene Wechselspannung erzeugen, wobei die eigenen Wechselspannungen über serielle Verschaltung zusammen addiert werden, um die erste Wechselspannung zu erzeugen. Die resultierende Wechselspannung kann mit weiteren Transformatoren sowohl direkt vor den Kondensatoren als auch nach den Kondensatoren im Spannungsniveau angepasst werden. Daher liefert jedes Umrichtmodul einen Spannungsanteil an der Gesamtwechselspannung. Vorteilhafterweise kann jede Transformatoreinheit jedoch die volle Spannung isolieren. In further embodiments, the conversion device comprises a plurality of converters and the matching transformer, a plurality of transformer units, wherein each one of the inverter together with one of the transformer units each form a Umrichtmodul. Each of the converter modules formed in this way can receive the first DC voltage in parallel and generate their own AC voltage, the own AC voltages being added together via serial interconnection in order to generate the first AC voltage. The resulting AC voltage can be adjusted with other transformers both directly in front of the capacitors and after the capacitors in the voltage level. Therefore, each inverter module provides a voltage share of the total AC voltage. Advantageously, however, each transformer unit can isolate the full voltage.

Die Modularisierung der Umrichter bietet den Vorteil, dass verhältnismäßig geringe Spannungen während der Erzeugung der Wechselspannung in den einzelnen Modulen vorliegen. Daher können Standardbauteile genutzt werden und es sind keine gesonderten Vorkehrungen für die Hochspannungs-/Hochstromabsicherung erforderlich. The modularization of the converters offers the advantage that relatively low voltages are present during the generation of the alternating voltage in the individual modules. Therefore, standard components can be used and no separate precautions for high voltage / high current protection are required.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Erzeugungseinrichtung weiter eine Kompensationsdrossel, um eine Blindleistung bei einer Übertragung der Aufprägewechselspannung auf den Strompfad zu verringern. Hiermit wird es möglich, die kapazitive Kopplung zusammen mit der Kompensationsdrossel und des Anpasstransformators in einem Resonanzbetrieb zu betreiben, um so die Blindleistung möglichst gering zu halten. In further embodiments, the generating means further comprises a compensation inductor for reducing a reactive power upon transfer of the impressing AC voltage to the current path. This will make it possible, the operate capacitive coupling together with the compensation reactor and the matching transformer in a resonant mode, so as to keep the reactive power as low as possible.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung (z.B. auf Gleichspannungspotential) weiter zumindest einen Hochstromtransformator und zumindest einen weiteren Gleichrichter. Der zumindest eine weitere Gleichrichter ist ausgebildet, um, basierend auf der Aufprägewechselspannung, eine Gleichrichtung durchzuführen und einen gewünschten Gleichspannungsabfall entlang des Strompfades zu erzeugen. Eine Primärseite des Hochstromtransformators kann zwischen dem ersten Kondensator und an dem zweiten Kondensator gekoppelt sein und auf dem Gleichspannungspotential liegen. Der Hochstromtransformator kann eine Mittelanzapfung besitzen um eine symmetrische Aufteilung zu realisieren. Eine Sekundärseite des Hochstromtransformators kann an den weiteren Gleichrichter koppeln, um ein Wechselspannungsniveau zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator anzupassen, um so den gewünschten Gleichspannungsabfall entlang des Strompfade zu erreichen. In further embodiments, the device further comprises (e.g., at DC potential) at least one high current transformer and at least one further rectifier. The at least one further rectifier is configured to rectify and generate a desired DC voltage drop along the current path based on the AC load voltage. A primary side of the high current transformer may be coupled between the first capacitor and the second capacitor and at the DC potential. The high current transformer may have a center tap to realize a symmetrical split. A secondary side of the high current transformer may couple to the further rectifier to adjust an AC level between the first capacitor and the second capacitor so as to achieve the desired DC voltage drop along the current paths.

Durch die Einstellung des Gleichspannungsabfalles ist es möglich, den Strom einzustellen, der entlang des Strompfades aufgeprägt werden soll. Dazu kann der gewünschte Gleichspannungsabfall in Abhängigkeit eines gegebenen Widerstandswertes entlang des Strompfades eingestellt werden, um so einen gewünschten Stromfluss durch den Strompfad zu erreichen. By setting the DC voltage drop, it is possible to set the current to be impressed along the current path. For this purpose, the desired DC voltage drop can be adjusted as a function of a given resistance value along the current path so as to achieve a desired current flow through the current path.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung weiter eine Vielzahl von Stromeinprägungsmodulen und optional eine Vielzahl von Anpasstransformatoren. Jedes der Einprägungsmodule kann einen Hochstromtransformator, einen weiteren Gleichrichter, zwei Eingangsanschlüsse, die an die Primärseite des Hochstromtransformators koppeln, und zwei Ausgangsanschlüsse aufweisen. Die Vielzahl von Stromeinprägungsmodulen können mit ihren jeweiligen Eingangsanschlüssen seriell zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator auf der Hochspannungsseite oder hinter einem Anpasstransformator, der zwischen beiden Kondensatoren geschaltet ist, geschaltet sein und mit ihren jeweiligen zwei Ausgangsanschlüssen parallel zu dem Strompfad geschaltet sein. Die Modularisierung der Stromeinprägung bietet den Vorteil, dass verhältnismäßig geringe Spannungen und Ströme während der Erzeugung des gewünschten Gleichspannungsabfalls in den einzelnen Modulen vorliegt. Daher können Standardbauteile genutzt werden und es sind keine gesonderten Vorkehrungen für die Hochspannungs-/Hochstromabsicherung erforderlich (bspw. erhöhter Kupfereinsatz, höhere Isolationsspannung, etc.). In further embodiments, the apparatus further includes a plurality of current injection modules and optionally a plurality of matching transformers. Each of the embossment modules may include a high current transformer, another rectifier, two input terminals coupling to the primary side of the high current transformer, and two output terminals. The plurality of current injection modules may be serially connected with their respective input terminals between the first capacitor and the second capacitor on the high voltage side or behind a matching transformer connected between both capacitors and connected in parallel with the current path with their respective two output terminals. The modularization of the current injection has the advantage that relatively low voltages and currents are present during the generation of the desired DC voltage drop in the individual modules. Therefore, standard components can be used and there are no separate precautions for the high voltage / high current protection required (for example, increased copper use, higher insulation voltage, etc.).

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Schaltfrequenz und/oder eine Kapazität des ersten und/oder des zweiten Kondensators und/oder eine Induktivität der Kompensationsdrossel und/oder des Anpasstransformators gewählt, um eine Blindleistung bei einem Energietransfer von der Vorsorgungswechselspannung zu dem Strompfad zu minimiert (oder zumindest zu verringern). In further embodiments, the switching frequency and / or a capacitance of the first and / or the second capacitor and / or an inductance of the compensation inductor and / or the matching transformer is selected to minimize (or at least minimize) reactive power during energy transfer from the AC supply voltage to the current path to reduce).

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist/sind die Kapazität des ersten Kondensators und/oder die Kapazität des zweiten Kondensators und/oder die Induktivität in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz derart gewählt, dass die Aufprägewechselspannung weniger als ein vorbestimmter Anteil (z.B. 50% oder 10%) des Gleichspannungspotentials ist. Diese Einschränkung soll sicherstellen, dass der Nennspannungswert der Gleichspannung im Wesentlichen gleichbleibt, da beispielsweise ein Prüfling mit einem bestimmten Nennspannungswert geprüft werden soll. In further embodiments, the capacitance of the first capacitor and / or the capacitance of the second capacitor and / or the inductance in dependence on the switching frequency is / are selected such that the impressed AC voltage is less than a predetermined proportion (eg 50% or 10%) of the DC potential is. This restriction is intended to ensure that the rated voltage value of the DC voltage remains substantially the same, for example, because a device under test with a certain rated voltage value is to be tested.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst der erste Kondensator und/oder der zweite Kondensator jeweils parallel und/oder in Reihe verschaltete Kondensatoren. Widerständen können parallel und/oder in Reihe zu den Kondensatoren vorgesehen sein (bspw. zur Potentialsteuerung). Ein Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass Standardbauteile genutzt werden können und somit kosteneffizient gearbeitet werden kann. Weiterhin können bei weiteren Ausführungsbeispielen zu den seriell verschalteten Kondensatoren einzelne oder mehrere Widerstände parallelgeschaltet werden. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass ein Spannungsabfall über die Kondensatoren entsprechend verteilt wird, so dass das Hochspannungspotential symmetrisch über alle Kondensatoren aufgeteilt wird und damit alle Komponenten gleich belastet werden. In further embodiments, the first capacitor and / or the second capacitor each comprise parallel and / or series-connected capacitors. Resistors may be provided in parallel and / or in series with the capacitors (eg for potential control). An advantage of this approach is that standard components can be used and thus can be worked cost-effectively. Furthermore, in further embodiments, one or more resistors can be connected in parallel with the series-connected capacitors. An advantage of this procedure is that a voltage drop across the capacitors is distributed accordingly, so that the high-voltage potential is divided symmetrically across all capacitors and thus all components are charged equally.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst der zumindest eine weitere Gleichrichter einen Synchrongleichrichter. Bei dieser Art von Gleichrichtern werden keine Bauteile verwendet, die von sich aus einen Stromfluss nur in eine Richtung zulassen (beispielsweise Dioden). Stattdessen werden beispielsweise Feldeffekttransistoren (z.B. MOS-FETs) genutzt, die durch eine Ansteuerelektronik so angesteuert werden, dass sie wie eine Halbleiterdiode mit sehr kleiner Durchlassspannung wirken. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass geringere Wärmeverluste im Gleichrichter auf Gleichstrompotential entstehen und ggf. auf Kühlungsaggregate verzichtet werden kann. In further embodiments, the at least one further rectifier comprises a synchronous rectifier. In this type of rectifier, no components are used which inherently allow current to flow in only one direction (eg, diodes). Instead, for example, field-effect transistors (for example MOS-FETs) are used, which are controlled by drive electronics in such a way that they act like a semiconductor diode with a very low forward voltage. This method has the advantage that lower heat losses in the rectifier arise at DC potential and, if necessary, can be dispensed with cooling units.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Aufprägen eines elektrischen Stromes auf einen Strompfad, auf dem ein Gleichspannungspotential anliegt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Erzeugen einer Aufprägewechselspannung mit einer Schaltfrequenz in einem Schaltungsabschnitt, der elektrisch von dem Gleichspannungspotential getrennt ist (bspw. Erdpotential), und kapazitive Übertragung der Aufprägewechselspannung auf den Strompfad. Beispielsweise kann eine direkte Aufschaltung der Aufprägewechselspannung auf den Strompfad erfolgen. The present invention also relates to a method for impressing an electric current on a current path on which a DC potential is applied. The method comprises the following steps: generating an impressing alternating voltage with a switching frequency in one Circuit portion that is electrically isolated from the DC potential (eg, ground potential) and capacitive transfer of the impressed AC voltage to the current path. For example, a direct connection of the impressing AC voltage on the current path can take place.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren außerdem ein Gleichrichten der kapazitiv aufgeprägten Aufprägewechselspannung, um so einen gewünschten Gleichspannungsabfall auf dem Strompfad auszubilden. In further embodiments, the method also includes rectifying the capacitive impressed AC voltage so as to form a desired DC voltage drop on the current path.

Vorteile der Ausführungsbeispiele bestehen darin, dass ein sehr kompakter und leichter Aufbau möglich wird. Da keine neuartigen Bauteile oder Techniken erforderlich sind, ist eine sehr günstige Leistungsübertragung möglich. Außerdem entkoppeln die Hochspannungskondensatoren das Gleichspannungspotential (bspw. auf Hochspannung) von den Bauteilen, die die Wechselspannungskomponente erzeugen. Advantages of the embodiments are that a very compact and lightweight construction is possible. Since no novel components or techniques are required, a very favorable power transmission is possible. In addition, the high voltage capacitors decouple the DC potential (eg, high voltage) from the components that produce the AC component.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen sich die Begriffe „verbinden“ und “schalten“ insbesondere auf elektrische Verbindungen und elektrische Verschaltungen beziehen und nur insoweit einschränkend sein, dass ein Strompfad zwischen den verbundenen/geschalteten Komponenten ausgebildet werden kann (wenn entsprechende Spannungen anliegen). Eine elektrische Verbindung muss dabei nicht notwendigerweise eine direkte elektrische Verbindung umfassen. Daher ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer elektrischen Verbindung das Ausbilden eines Strompfades zu verstehen, der einen Fluss oder eine Bewegung (z.B. bei Wechselströmen) von elektrischen Ladungsträgern zwischen den Komponenten erlaubt. Der Begriff „koppeln“ ist so auszulegen, dass es jegliche Verbindung umfasst, über die Energie transportiert werden kann (auch drahtlos). In the context of the present invention, the terms "connect" and "switch" should refer in particular to electrical connections and electrical interconnections and be restrictive only insofar as a current path can be formed between the connected / connected components (if corresponding voltages are present). An electrical connection does not necessarily have to include a direct electrical connection. Therefore, in the context of the present invention, an electrical connection is to be understood to mean the formation of a current path which allows a flow or a movement (for example in the case of alternating currents) of electric charge carriers between the components. The term "couple" should be interpreted to include any connection through which energy can be transported (including wireless).

Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen. The embodiments of the present invention will be better understood from the following detailed description and the accompanying drawings of the different embodiments, which should not be construed as limiting the disclosure to the specific embodiments, but for explanation and understanding only.

1 zeigt eine schematische Darstellung für die Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic representation of the device according to an embodiment of the present invention.

2 zeigt weitere Details der Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. 2 shows further details of the device according to further embodiments.

3 zeigt einen beispielhaften Wechselspannungsverlauf der gemäß Ausführungsbeispiele von der Erzeugungseinrichtung erzeugt werden kann. 3 shows an exemplary alternating voltage curve which can be generated according to embodiments of the generating device.

4 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Aufprägen eines elektrischen Stromes gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. 4 FIG. 10 is a flowchart of a method of applying an electric current according to embodiments of the present invention. FIG.

Detaillierte Beschreibung Detailed description

1 zeigt eine Vorrichtung, die geeignet ist, einen elektrischen Strom auf einen Strompfad, auf dem ein Gleichspannungspotential Vdc anliegt, aufzuprägen. Die Vorrichtung umfasst: einen ersten Kondensator 10 und einen zweiten Kondensator 20, wobei der Strompfad PI den ersten Kondensator 10 und den zweiten Kondensator 20 verbindet. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Erzeugungseinrichtung 30, die ausgebildet ist, um eine Aufprägewechselspannung Vac mit einer Schaltfrequenz f zwischen dem ersten Kondensator 10 und dem zweiten Kondensator 20 zu erzeugen. Der erste Kondensator 10 und der zweite Kondensator 20 trennen das Gleichspannungspotential Vdc von der Erzeugungseinrichtung 30 elektrisch voneinander und prägen die Aufprägewechselspannung Vac kapazitiv auf dem Strompfad PI auf, wobei entlang des Strompfades PI weitere Bauteile wie beispielsweise ein Gleichrichter vorhanden sein kann. 1 shows a device which is adapted to impose an electric current on a current path on which a DC potential Vdc is applied. The device comprises: a first capacitor 10 and a second capacitor 20 , where the current path PI is the first capacitor 10 and the second capacitor 20 combines. The device also comprises a generating device 30 , which is designed to be an impressed AC voltage Vac with a switching frequency f between the first capacitor 10 and the second capacitor 20 to create. The first capacitor 10 and the second capacitor 20 disconnect the DC potential Vdc from the generator 30 electrically from each other and impress the imprinting AC voltage Vac capacitively on the current path PI, wherein along the current path PI other components such as a rectifier may be present.

Optional können in der Vorrichtung folgende weitere Komponenten ausgebildet sein: ein Netzgleichrichter mit Umrichter für einen Frequenzbereich für die Aufprägewechselspannung zwischen 20 kHz und 200 kHz (oder zwischen 5 kHz und 1000 kHz) eine Kompensationsspule und ein Hochstromtransformator, der einen Synchrongleichrichter umfassen kann. Optionally, the following further components can be formed in the device: a power rectifier with converter for a frequency range for the impressing alternating voltage between 20 kHz and 200 kHz (or between 5 kHz and 1000 kHz), a compensation coil and a high-current transformer, which can comprise a synchronous rectifier.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine mögliche Verschaltung der weiteren optionalen Komponenten. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel trennt der erste Kondensator 10 und der zweite Kondensator 20 eine Niederspannungsseite von einer Hochspannungsseite, wobei die Hochspannungsseite in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 sich auf der rechten Seite der Linie 400 befindet und die Niederspannungsseite sich auf der linken Seite der Linie 300 befindet. Die Niederspannungsseite kann beispielsweise auf ein Erdpotential (Masse) liegen, während die Hochspannungsseite beispielsweise auf mehr als 1000V liegt. 2 shows an embodiment of a possible interconnection of the other optional components. In the embodiment shown, the first capacitor separates 10 and the second capacitor 20 a low voltage side from a high voltage side, wherein the high voltage side in the illustrated embodiment of 2 on the right side of the line 400 and the low voltage side is on the left side of the line 300 located. For example, the low voltage side may be at a ground potential (ground), while the high voltage side may be at more than 1000V.

Auf der Niederspannungsseite 300 ist die Erzeugungseinrichtung 30 zum Erzeugen einer Einprägewechselspannung Vac durch den gestrichelten Kasten dargestellt und wird durch einen Versorgungswechselspannungsanschluss 311 beispielsweise mit einer Netzspannung versorgt. Die Einrichtung 30 umfasst einen Gleichrichter 315, eine Umrichteinrichtung 320, einen Anpasstransformator 340 und eine Drosselspule 350. On the low voltage side 300 is the generating device 30 for generating a Einprägenwechselspannung Vac through the dashed box and is represented by a supply AC voltage connection 311 for example, supplied with a mains voltage. The device 30 includes a rectifier 315 , a conversion device 320 , a matching transformer 340 and a choke coil 350 ,

Der Gleichrichter 315 umfasst zwei Anschlüsse, die mit dem Versorgungswechselspannungsanschluss 311 verbunden sind, und ist ausgebildet, um aus der Versorgungswechselspannung eine erste Gleichspannung Vdc1 zu erzeugen. Somit stellt der Gleichrichter 315 zusammen mit der angeschlossenen Wechselspannungsquelle eine Gleichspannungsquelle 310 dar. Optional kann der Gleichrichter 315 auch eine Anpassung des Spannungswertes für die erste Gleichspannung Vdc1 vornehmen. The rectifier 315 includes two connectors connected to the AC supply voltage connection 311 are connected, and is adapted to generate from the AC supply voltage, a first DC voltage Vdc1. Thus, the rectifier provides 315 together with the connected AC voltage source, a DC voltage source 310 Optionally, the rectifier 315 also make an adjustment of the voltage value for the first DC voltage Vdc1.

Am Ausgang des Gleichrichters 315 ist die Umrichteinrichtung 320 angeordnet, die die erste Gleichspannung Vdc1 empfängt und daraus die erste Wechselspannung Vac1 erzeugt. Beispielsweise kann die Umrichteinrichtung 320 eine erste Wechselspannung Vac1 mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 200 kHz erzeugen, wobei die erste Wechselspannung Vac1 beispielsweise eine Rechteckpulsfolge darstellen kann. Optional kann die Umrichteinrichtung 320 eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren oder IGBT-Vollbrücken aufweisen, die genutzt werden, um die gewünschte erste Wechselspannung Vac1 zu erzeugen. At the output of the rectifier 315 is the inverter device 320 arranged, which receives the first DC voltage Vdc1 and generates therefrom the first AC voltage Vac1. For example, the inverter device 320 generate a first AC voltage Vac1 with a frequency between 20 kHz and 200 kHz, wherein the first AC voltage Vac1 can represent, for example, a rectangular pulse train. Optionally, the inverter device 320 a plurality of field effect transistors or IGBT full bridges, which are used to generate the desired first AC voltage Vac1.

Am Ausgang der Umrichteinrichtung 320 ist der Anpasstransformator 340 angeordnet. Der Anpasstransformator 340 umfasst beispielsweise eine Primärspule und eine Sekundärspule, wobei die Primärspule die durch die Umrichteinrichtung 320 erzeugte erste Wechselspannung Vac1 empfängt. Die Sekundärseite des Anpasstransformators 340 ist zwischen dem ersten Kondensator 10 und dem zweiten Kondensator 20 geschaltet. Beispielsweise kann ein Mittenkontakt der Sekundärspule des Anpasstransformators 340 auf ein Massepotential gelegt sein. Optional ist ebenfalls eine Drosselspule 350 ausgebildet, die entlang des Strompfades von dem ersten Kondensator 10 zu der Sekundärspule des Anpasstransformators 340 hin zu dem zweiten Kondensator 20 geschaltet sein kann. At the output of the inverter 320 is the matching transformer 340 arranged. The matching transformer 340 includes, for example, a primary coil and a secondary coil, wherein the primary coil through the inverter 320 generated first AC voltage Vac1 receives. The secondary side of the matching transformer 340 is between the first capacitor 10 and the second capacitor 20 connected. For example, a center contact of the secondary coil of the matching transformer 340 be placed on a ground potential. Optional is also a choke coil 350 formed along the current path of the first capacitor 10 to the secondary coil of the matching transformer 340 towards the second capacitor 20 can be switched.

Auf der Hochspannungsseite 400 ist zwischen dem Strompfad PI und dem ersten Kondensator 10 und dem zweiten Kondensator 20 ein Hochstromtransformator 40 und ein weiterer Gleichrichter 50 (z.B. ein Synchrongleichrichter) ausgebildet. On the high voltage side 400 is between the current path PI and the first capacitor 10 and the second capacitor 20 a high current transformer 40 and another rectifier 50 (For example, a synchronous rectifier) is formed.

Der Hochstromtransformator 40 umfasst wiederum eine Sekundärspule und eine Primärspule, wobei die Primärspule zwischen dem ersten Kondensator 10 und dem zweiten Kondensator 20 ausgebildet ist, und zwar gegenüberliegend zu der Kopplung des Anpasstransformators 340. Die Sekundärspule des Hochstromtransformators 40 erzeugt eine zweite Wechselspannung Vac2 aus dem Wechselspannungssignal, welches zwischen dem ersten Kondensator 10 und dem zweiten Kondensator 20 anliegt und gibt die zweite Wechselspannung Vac2 an den weiteren Gleichrichter 50 weiter. The high current transformer 40 again comprises a secondary coil and a primary coil, the primary coil between the first capacitor 10 and the second capacitor 20 is formed, and opposite to the coupling of the matching transformer 340 , The secondary coil of the high current transformer 40 generates a second AC voltage Vac2 from the AC signal, which is between the first capacitor 10 and the second capacitor 20 is applied and outputs the second AC voltage Vac2 to the other rectifier 50 further.

Der weitere Gleichrichter 50 ist ausgebildet, um aus der zweiten Wechselspannung Vac2 einen Gleichspannungsabfall ΔVdc entlang des Strompfades PI zu erzeugen. Optional ist es ebenfalls möglich, dass der weitere Gleichrichter 50 ein Synchrongleichrichter ist, was den Vorteil bietet, dass im Vergleich zu anderen üblichen Gleichrichtereinrichtungen weniger Wärme erzeugt wird. The further rectifier 50 is designed to generate from the second AC voltage Vac2 a DC voltage drop ΔVdc along the current path PI. Optionally, it is also possible that the additional rectifier 50 is a synchronous rectifier, which offers the advantage that less heat is generated compared to other conventional rectifier devices.

Optional ist es möglich, dass der Hochstromtransformator 40 und der weitere Gleichrichter 50 mehrfach ausgebildet sind. Beispielsweise können auf der Hochspannungsseite 400 eine Vielzahl von Einprägemodulen ausgebildet sein, die seriell zwischen dem ersten Kondensator 10 und dem zweiten Kondensator 20 geschaltet sind. Jedes der Vielzahl von Einprägemodulen umfasst beispielsweise eine Hochstromtransformatoreinheit 40 und eine weitere Gleichrichtereinheit 50 und prägt einen Gleichspannungsanteil auf den Strompfad PI ein. Damit wird es möglich, dass jedes der Vielzahl von Einprägemodulen einen vergleichsweise kleinen Strom erzeugt (z. B. weniger als 100 A) und dass die Überlagerung aller durch die Einprägemodule erzeugten Ströme zu dem gesamten Strom führt, der auf dem Strompfad PI eingeprägt werden soll (der beispielsweise mehr als 1000 A aufweist). Somit können die Vielzahl von Einprägemodulen parallel zu dem Strompfad PI ausgebildet sein. Optionally, it is possible that the high current transformer 40 and the other rectifier 50 are formed several times. For example, on the high voltage side 400 a plurality of Einprägemodulen be serially formed between the first capacitor 10 and the second capacitor 20 are switched. Each of the plurality of embossing modules includes, for example, a high current transformer unit 40 and another rectifier unit 50 and impresses a DC component on the current path PI. This makes it possible for each of the plurality of imprint modules to generate a comparatively small current (eg less than 100 A) and that the superimposition of all the currents generated by the impressing module leads to the entire current which is to be impressed on the current path PI (which for example has more than 1000 A). Thus, the plurality of Einprägemodulen can be formed parallel to the current path PI.

Ebenso ist es möglich, dass die Umrichteinrichtung 320 eine Vielzahl von Umrichtern umfasst, die jeweils an eine Primärspule des Anpasstransformators 340 koppeln. Ein Vorteil besteht wiederum darin, dass die erzeugten Spannungen für jede Umrichteinrichtung kleiner sind als bei nur einer Umrichteinrichtung 320, da erst auf der Sekundärseite des Anpasstransformators oder der Anpasstransformatoren 340 die erzeugten Spannungen addiert werden und sich zu dem Gesamtspannungsabfall Vac summieren. It is also possible that the Umrichteinrichtung 320 includes a plurality of inverters, each to a primary coil of the matching transformer 340 couple. An advantage, in turn, is that the voltages generated are smaller for each inverter than for just one inverter 320 , because only on the secondary side of the matching transformer or the matching transformers 340 the voltages generated are added together and add up to the total voltage drop Vac.

3 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf für die erste Wechselspannung Vac1, der durch den einen oder die mehreren Umrichteinrichtungen 320 erzeugt wird. Beispielsweise kann die erste Wechselspannung Vac1 als eine Pulsfolge erzeugt werden, wie sie in der 3 zu sehen ist. Dabei folgen positive Spannungspulse mit einem Spannungsspitzenwert Vr negative Spannungspulse mit einem negative Spannungsspitzenwert –Vr und daran anschließend folgt wieder ein positiver Spannungspuls. Beispielsweise wird ein erster Spannungspuls P1 zu Zeit t1 erzeugt und hat eine Pulsbreite t2 – t1. Zwischen der zweiten Zeit t2 und der dritten Zeit t3 erfolgt keine Spannungsausgabe (d.h. es liegt z. B. das Massepotential an). Zu Zeit t3 erfolgt die Erzeugung eines negativen Spannungspulses P2 mit einem negativen Spannungsspitzenwert –Vr, der bis zu Zeit t4 anhält. Zwischen der Zeit t4 und t5 wird kein Spannungswert ausgegeben und zu Zeit t5 wird wiederum ein positiver Spannungspuls P3 erzeugt, der bis zu Zeit t6 anhält. Optional ist es ebenfalls möglich, dass nicht abwechselnd positive und negative Spannungspulse erzeugt werden, sondern dass lediglich positive Spannungspulse erzeugt werden. Die Pulsbreiten (t2 – t1 oder t4 – t3 oder t6 – t5) sind beispielsweise durch die Umrichteinrichtung 320 gezielt einstellbar. Die Frequenz bezieht sich dabei auf die inverse Zeitdauer zwischen zwei Pulsen (z.B. t3 – t1 oder t5 – t3 oder t5 – t1) und kann ebenfalls einstellbar sein. Beispielsweise kann die übertragene Leistung bzw. die weitergeleitete Stromstärke über die Pulsbreiten reguliert werden. Optional ist es ebenfalls möglich, dass die Amplitude der Pulse reguliert wird, um die übertragene Leistung zu steuern. Optional sind neben rechteckigen Impulsen auch andere Pulsformen denkbar. So können beispielsweise sinusförmige Verläufe erzeugt werden, indem Pulse übereinandergelegt werden. 3 shows an exemplary voltage waveform for the first AC voltage Vac1 passing through the one or more inverter devices 320 is produced. For example, the first AC voltage Vac1 can be generated as a pulse train as described in US Pat 3 you can see. Positive voltage pulses with a voltage peak value Vr follow negative voltage pulses with a negative voltage peak value -Vr, followed by a positive voltage pulse. For example, a first voltage pulse P1 is generated at time t1 and has a Pulse width t2 - t1. There is no voltage output between the second time t2 and the third time t3 (ie, the ground potential is applied, for example). At time t3, a negative voltage pulse P2 is generated with a negative voltage peak -Vr, which stops until time t4. No voltage value is output between time t4 and t5, and at time t5 a positive voltage pulse P3 is again generated, which stops until time t6. Optionally, it is also possible that alternately positive and negative voltage pulses are generated, but that only positive voltage pulses are generated. The pulse widths (t2 - t1 or t4 - t3 or t6 - t5) are, for example, by the inverter 320 specifically adjustable. The frequency refers to the inverse time between two pulses (eg t3 - t1 or t5 - t3 or t5 - t1) and can also be adjustable. For example, the transmitted power or the forwarded current intensity can be regulated over the pulse widths. Optionally, it is also possible that the amplitude of the pulses is regulated to control the transmitted power. Optionally, other pulse shapes are conceivable in addition to rectangular pulses. For example, sinusoidal waveforms can be generated by overlapping pulses.

4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Aufprägen eines elektrischen Stromes auf einen Strompfad, auf dem ein Gleichspannungspotential anliegt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Erzeugen S110 einer Aufprägewechselspannung Vac mit einer Schaltfrequenz f in einem Schaltungsabschnitt (z.B. der Niederspannungsbereich 300 aus der 2), der elektrisch von dem Gleichspannungspotential Vdc getrennt ist; und kapazitives Übertragen S120 der Aufprägewechselspannung Vac auf das Gleichspannungspotential Vdc auf dem Strompfad PI. Über einen Gleichrichter kann optional die Einprägung eines Gleichstromes auf den Strompfad PI erfolgen. 4 shows a flowchart of a method for impressing an electric current on a current path, which is applied to a DC potential. The method comprises the steps of generating S110 an impressed AC voltage Vac at a switching frequency f in a circuit portion (eg, the low voltage range 300 from the 2 ) electrically isolated from the DC potential Vdc; and capacitively transmitting S120 the impressed AC voltage Vac to the DC potential Vdc on the current path PI. A rectifier can optionally be used to impress a direct current on the current path PI.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind die oben mit der Vorrichtung beschriebenen Funktionen als weitere optionale Verfahrensschritte in dem Verfahren umgesetzt. In further embodiments, the functions described above with the device are implemented as further optional method steps in the method.

Aspekte der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden:
Ausführungsbeispiele können zur Prüfung von Bauteilen oder Komponenten genutzt werden, die sich auf einem sehr hohen Gleichspannungspotential befinden (wobei ein hohes Gleichspannungspotential beispielsweise 500 kV beträgt), wobei die Gleichspannungskomponenten durch Kondensatoren vollständig entkoppelt werden. Wenn die Leistung bei sehr hohen Frequenzen (z. B. 20 kHz bis 200 kHz) übertragen wird, ergeben sich – trotz einer möglicherweise geringen Kapazität der Koppelkondensatoren 10, 20 (z. B. weniger als 10 nF oder in einem Bereich von 0,5 nF bis 100 nF) und sehr hohen Leistungen – im Vergleich zum Gleichspannungspotential nur geringe Wechselspannungsanteile an den Koppelkondensatoren 10, 20. Es kommt daher zu keiner signifikanten dielektrischen Beanspruchung der Kondensatoren durch die Aufprägewechselspannung. Zur Minimierung der Verluste an diesen Bauteilen kann eine Kompensationsdrossel 350 eingebaut werden. Die Kompensationsdrossel bildet mit den Kondensatoren 10, 20 einen elektrischen Schwingkreis. Beispielsweise ergeben sich im Resonanzfall im Kreis relativ geringe ohmsche Übertragungsverluste. Lediglich die sehr geringen dielektrischen Verluste in den Kondensatoren und die ohmschen Verluste in den Leitungen und der Spule reduzieren den Wirkungsgrad der Schaltung. Der überwiegende Teil der Leistung wird dadurch im Strompfad PI umgesetzt.
Aspects of the present invention may be summarized as follows:
Embodiments may be used to test components or components that are at a very high DC potential (where a high DC potential is, for example, 500 kV), with the DC components completely decoupled by capacitors. If the power is transmitted at very high frequencies (eg 20 kHz to 200 kHz), despite a possibly small capacitance of the coupling capacitors 10 . 20 (For example, less than 10 nF or in a range of 0.5 nF to 100 nF) and very high power - compared to the DC potential only small AC components of the coupling capacitors 10 . 20 , There is therefore no significant dielectric stress on the capacitors due to the impressed AC voltage. To minimize the losses of these components, a compensation reactor 350 to be built in. The compensation choke forms with the capacitors 10 . 20 an electrical resonant circuit. For example, arise in the case of resonance in the circle relatively low ohmic transmission losses. Only the very low dielectric losses in the capacitors and the ohmic losses in the lines and the coil reduce the efficiency of the circuit. The majority of the power is thereby converted into the current path PI.

Die Schaltfrequenz des Umrichters 320 kann beispielsweise derart eingestellt werden, dass die Summenkapazität der beiden Koppelkondensatoren 10, 20 von der Spule 350 kompensiert werden. Die Kapazität der Kondensatoren 10, 20 kann beispielsweise so gewählt werden, dass bei der eingestellten Frequenz und dem zur Übertragung der Leistung benötigten Strom, die Wechselspannungskomponente weniger als 10% der Gleichspannungskomponente beträgt. Die Nutzwechselspannung liegt beispielsweise in einem Bereich von 10 kV bei einer Frequenz von etwa 50 kHz und einen Strom von etwa 13 A. Dies ergibt bei 10 nF als Kapazität für die Koppelkondensatoren einen Spitzenwert der Wechselspannungskomponente von ca. 5,8 kV, also etwa 1% der Gleichspannungskomponente. The switching frequency of the inverter 320 For example, it is possible to set such that the sum capacity of the two coupling capacitors 10 . 20 from the coil 350 be compensated. The capacity of the capacitors 10 . 20 For example, it can be chosen so that at the set frequency and the current required to transmit the power, the AC component is less than 10% of the DC component. The useful AC voltage is for example in a range of 10 kV at a frequency of about 50 kHz and a current of about 13 A. This results in 10 nF as the capacitance for the coupling capacitors, a peak value of the AC component of about 5.8 kV, ie about 1 % of DC component.

Als Koppelkondensatoren 10, 20 können beispielsweise in Reihe geschaltete Polypropylen-Folien-Kondensatoren eingesetzt werden, die eine Spannungsfestigkeit von bis 1,2 kV besitzen und jeweils einen separaten Gleichstromwiderstand von ca. 2 MOhm zur Spannungsaufteilung und Entladung aufweisen. As coupling capacitors 10 . 20 For example, polypropylene foil capacitors connected in series can be used which have a dielectric strength of up to 1.2 kV and each have a separate DC resistance of approximately 2 MOhm for voltage division and discharge.

Der Umrichter 320 kann außerdem eine Festfrequenz aufweisen, die einstellbar sein kann oder selbst im Resonanzbetrieb arbeitet. Ersteres bietet den Vorteil, dass im Fehlerfall (bspw. durch Zerstörung von Komponenten im elektrischen Schwingkreis) die abgegebene Leistung sinkt. Jedoch ist diese Vorgehensweise ungeeignet bei der Verwendung von stark spannungs- und/oder temperaturabhängigen Kondensatoren, wie beispielsweise Keramikkondensatoren. In diesem Fall ist die Frequenz ggf. zur Änderung der Kapazität und Induktivität der Bauelemente anzupassen. The inverter 320 may also have a fixed frequency, which may be adjustable or even works in resonance mode. The former offers the advantage that in the event of a fault (for example due to destruction of components in the electrical oscillating circuit), the power output drops. However, this approach is unsuitable for the use of highly voltage- and / or temperature-dependent capacitors, such as ceramic capacitors. In this case, the frequency may need to be adjusted to change the capacitance and inductance of the components.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Leistung auf bis zu 30 (oder mehr) kleinere Umrichter 321, 322, ... zu verteilen, wobei jeder Umrichter einen eigenen Anpasstransformator 341, 342, ... aufweisen kann, der sekundär beispielhaft 1/30 der Spannung liefert, jedoch die volle Spannung isolieren kann. Dadurch können alle Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet werden, was eine exakte Aufteilung der Leistung auf alle Umrichter sicherstellt. In further embodiments it is possible to increase the power up to 30 (or more) smaller inverters 321 . 322 , ..., where each inverter has its own matching transformer 341 . 342 , ..., which provides a secondary example of 1/30 of the voltage, but can isolate the full voltage. This means that all secondary windings can be connected in series, which ensures an exact distribution of the power across all inverters.

Ebenso kann die sekundäre Stromeinprägung beispielsweise durch 100 Einzelmodule erfolgen, die wiederum primär in Serie geschaltet sein können und hochstromseitig parallelgeschaltet sind, um eine gleiche Stromaufteilung zu erhalten. Likewise, the secondary Stromeinprägung example, by 100 Single modules take place, which in turn can be primarily connected in series and are connected in parallel on the high-current side in order to obtain the same current distribution.

Um die Abwärme in den Hochstrommodulen 40, 50 zu verringern, kann ein Synchrongleichrichter mit Feldeffekttransistoren (z.B. MOSFETs) ausgebildet sein. Die beispielhaften MOSFETs arbeiten ab etwa 8 V Sekundärspannungen. Bei sehr kleinen Spannungen (und somit auch kleinen Strömen) arbeitet der Gleichrichter 50 über die speziell dafür vorgesehenen Paralleldioden der MOSFETs passiv. To the waste heat in the high current modules 40 . 50 To reduce, a synchronous rectifier may be formed with field effect transistors (eg MOSFETs). The exemplary MOSFETs operate from about 8 V secondary voltages. At very low voltages (and thus also small currents) the rectifier works 50 via the specially provided parallel diodes of the MOSFETs passive.

Ein kritisches Bauteil in der Kette der Leistungsübertragung sind die Kondensatoren 10, 20. Diese Kondensatoren 10, 20 werden einerseits mit einer hohen Gleichspannung belastet, als auch einer sehr kleinen, hochfrequenten (< 10%) Wechselspannung und außerdem einem sehr hohen Wechselstrom hoher Frequenz ausgesetzt. Aus diesem Grund dominieren die thermischen Verluste in den Leitungen der Kondensatoren 10, 20. Die dielektrischen Verluste sind gering. Die Belastung der Kondensatoren 10, 20 hängt dabei von der Gleichspannungskomponente, dem Wechselstrom und der Frequenz des Wechselstroms ab. Die Höhe der Wechselspannung, die übertragen wird, spielt für die Belastung der Kondensatoren 10, 20 nur eine geringe Rolle, da an den Kondensatoren 10, 20 nur der durch den Strom und Impedanz bedingte Teil abfällt. Zur Reduzierung des Stromes durch die Kondensatoren wird allerdings ein erhöhtes Spannungsniveau für die Aufprägewechselspannung bevorzugt (bspw. 10 kV bei 15 A zur Übertragung von 150 kVA Leistung). A critical component in the power transmission chain is the capacitors 10 . 20 , These capacitors 10 . 20 are loaded on the one hand with a high DC voltage, as well as a very small, high-frequency (<10%) AC voltage and also exposed to a very high alternating current high frequency. For this reason, the thermal losses in the lines of the capacitors dominate 10 . 20 , The dielectric losses are low. The load on the capacitors 10 . 20 depends on the DC component, the alternating current and the frequency of the alternating current. The amount of AC voltage that is transferred plays for the load on the capacitors 10 . 20 only a minor role, because of the capacitors 10 . 20 only the part due to the current and impedance drops. In order to reduce the current through the capacitors, however, an increased voltage level is preferred for the impressed alternating voltage (eg 10 kV at 15 A for the transmission of 150 kVA power).

Die Vorrichtung kann gemäß Ausführungsbeispielen auch für die folgenden Parameter genutzt werden. Das Gleichspannungspotential kann beispielsweise bei 60 kV (oder zwischen 5 kV und 200 kV) liegen. Der Wechselstrom kann effektiv 10 A (oder zwischen 1 A und 50 A liegen). Am Ausgang der Hochspannungsseite kann beispielsweise 18 V bei 45 A anliegen. Der Gesamtwirkungsgrad liegt ca. bei 85%, ohne die Verluste im Hochspannungskreis durch eventuell eingebaute Steuerwiderstände. The device can also be used according to embodiments for the following parameters. The DC potential may be, for example, 60 kV (or between 5 kV and 200 kV). The AC current can be effectively 10 A (or between 1 A and 50 A). For example, at the output of the high-voltage side, 18 V may be present at 45 A. The overall efficiency is about 85%, without the losses in the high voltage circuit due to possibly built-in control resistors.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the description, the claims and the figures may be essential for the realization of the invention either individually or in any combination.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10
erster Kondensator first capacitor
20 20
zweiter Kondensator second capacitor
30 30
Erzeugungseinrichtung generator
40 40
Hochspannungstransformator High Voltage Transformer
50 50
weiterer Gleichrichter another rectifier
310 310
Gleichspannungsquelle DC voltage source
311 311
Versorgungswechselspannung AC supply voltage
315 315
Gleichrichter rectifier
320 320
Umrichteinrichtung Umrichteinrichtung
340 340
Anpasstransformator matching transformer
350 350
Kompensationsdrossel Shunt Reactors
Vdc Vdc
Gleichspannungspotential DC potential
Vdc1 Vdc1
erste Gleichspannung first DC voltage
Vac Vac
Aufprägewechselspannung Aufprägewechselspannung
Vac1 Vac1
erste Wechselspannung first alternating voltage
ΔVdc ΔVdc
eingeprägter Spannungsabfall impressed voltage drop
Vr Vr
Spannungsspitzenwert Voltage peak
f f
Schaltfrequenz switching frequency
PI PI
Strompfad current path

Claims (15)

Vorrichtung zum Aufprägen eines elektrischen Stromes auf einen Strompfad (PI), auf dem ein Gleichspannungspotential (Vdc) anliegt, mit folgenden Merkmalen: einen ersten Kondensator (10) und einen zweiten Kondensator (20), wobei der Strompfad (PI) den ersten Kondensator (10) und den zweiten Kondensator (20) verbindet; und eine Erzeugungseinrichtung (30), die ausgebildet ist, um eine Aufprägewechselspannung (Vac) mit einer Schaltfrequenz (f) zwischen dem ersten Kondensator (10) und dem zweiten Kondensator (20) zu erzeugen, wobei der erste Kondensator (10) und der zweite Kondensator (20) das Gleichspannungspotential (Vdc) von der Erzeugungseinrichtung (30) elektrisch trennen und die Aufprägewechselspannung (Vac) kapazitiv übertragen. Device for impressing an electric current on a current path (PI) on which a DC potential (Vdc) is applied, comprising: a first capacitor (PI) 10 ) and a second capacitor ( 20 ), where the current path (PI) is the first capacitor (PI) 10 ) and the second capacitor ( 20 ) connects; and a generating device ( 30 ) which is designed to generate an impressing alternating voltage (Vac) with a switching frequency (f) between the first capacitor ( 10 ) and the second capacitor ( 20 ), the first capacitor ( 10 ) and the second capacitor ( 20 ) the DC potential (Vdc) from the generator ( 30 ) electrically and transfer the impressed AC voltage (Vac) capacitively. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Erzeugungseinrichtung (30) Folgendes aufweist: eine Gleichspannungsquelle (310) zum Bereitstellen einer ersten Gleichspannung (Vdc1); und eine Umrichteinrichtung (320) zum Erzeugen einer ersten Wechselspannung (Vac1) mit der Schaltfrequenz (f) aus der ersten Gleichspannung (Vdc1). Apparatus according to claim 1, wherein the generating means ( 30 ) Comprises: a DC voltage source ( 310 ) for providing a first DC voltage (Vdc1); and a conversion device ( 320 ) for generating a first AC voltage (Vac1) with the switching frequency (f) from the first DC voltage (Vdc1). Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Gleichspannungsquelle (310) einen Anschluss (311) an eine Versorgungswechselspannung und einen Gleichrichter (315) aufweist, wobei der Gleichrichter (315) ausgebildet ist, um die erste Gleichspannung (Vdc1) aus der Versorgungswechselspannung zu erzeugen. Apparatus according to claim 2, wherein the DC voltage source ( 310 ) a connection ( 311 ) to an AC supply voltage and a rectifier ( 315 ), wherein the rectifier ( 315 ) is configured to generate the first DC voltage (Vdc1) from the AC supply voltage. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Umrichteinrichtung (320) ausgebildet ist, um die erste Wechselspannung (Vac1) mit einer einstellbaren Schaltfrequenz (f) und/oder mit einem einstellbaren Spitzenwert (Vr) für die Spannung und/oder mit einer einstellbaren mittleren Stromstärke zu erzeugen. Apparatus according to claim 2 or claim 3, wherein the conversion device ( 320 ) is formed to the first AC voltage (Vac1) with a adjustable switching frequency (f) and / or with an adjustable peak value (Vr) for the voltage and / or with an adjustable average current to produce. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Erzeugungseinrichtung (30) weiter einen Anpasstransformator (340) aufweist, der ausgebildet ist, um die Aufprägewechselspannung (Vac) durch eine Spannungsanpassung aus der ersten Wechselspannung (Vac1) zu erzeugen. Apparatus according to claim 4, wherein said generating means ( 30 ) further a matching transformer ( 340 ) adapted to generate the impressing AC voltage (Vac) by a voltage adjustment from the first AC voltage (Vac1). Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Umrichteinrichtung (320) eine Vielzahl von Umrichtern (331, 332, ...) und der Anpasstransformator (340) eine Vielzahl von Transformatoreinheiten (341, 342, ...) aufweisen, wobei jeweils einer der Umrichter (331, 332, ...) zusammen mit einer der Transformatoreinheiten (341, 342, ...) jeweils ein Umrichtmodul bilden, und wobei jedes der so gebildeten Umrichtmodule die erste Gleichspannung (Vdc1) empfangen und daraus jeweils eine eigene Wechselspannung erzeugen, um durch serielles Addieren der eigenen Wechselspannungen die erste Wechselspannung (Vac1) zu erzeugen. Apparatus according to claim 5, wherein the conversion device ( 320 ) a large number of converters ( 331 . 332 , ...) and the matching transformer ( 340 ) a plurality of transformer units ( 341 . 342 , ...), whereby in each case one of the converters ( 331 . 332 , ...) together with one of the transformer units ( 341 . 342 , ...) each form a Umrichtmodul, and wherein each of the Umrichtmodule thus formed receive the first DC voltage (Vdc1) and each generate their own AC voltage to generate by serial addition of their own AC voltages, the first AC voltage (Vac1). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erzeugungseinrichtung (30) weiter eine Kompensationsdrossel (350) aufweist, um eine Blindleistung bei einer Übertragung der Aufprägewechselspannung (Vac) auf den Strompfad (PI) zu verringern. Device according to one of the preceding claims, wherein the generating device ( 30 ) a compensation choke ( 350 ) to reduce a reactive power in a transmission of the impressed AC voltage (Vac) on the current path (PI). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter zumindest einen Hochstromtransformator (40) und zumindest einen weiteren Gleichrichter (50) aufweist, wobei der zumindest eine weitere Gleichrichter (50) ausgebildet ist, um, basierend auf der Aufprägewechselspannung (Vac), einen gewünschten Gleichspannungsabfall (∆Vdc) entlang des Strompfades (PI) zu erzeugen, und wobei eine Primärseite des zumindest einen Hochstromtransformators (40) zwischen dem ersten Kondensator (10) und dem zweiten Kondensator (20) koppelt und auf dem Gleichspannungspotential (Vdc) liegt und eine Sekundärseite des zumindest einen Hochstromtransformators (40) an den weiteren Gleichrichter (50) koppelt, um ein Wechselspannungsniveau zwischen dem ersten Kondensator (10) und dem zweiten Kondensator (20) anzupassen, um den gewünschten Gleichspannungsabfall (∆Vdc) entlang des Strompfade (PI) zu erreichen. Device according to one of the preceding claims, further comprising at least one high-current transformer ( 40 ) and at least one further rectifier ( 50 ), wherein the at least one further rectifier ( 50 ) is configured to generate a desired DC voltage drop (ΔVdc) along the current path (PI) based on the impressed AC voltage (Vac), and wherein a primary side of the at least one high current transformer (Vac) 40 ) between the first capacitor ( 10 ) and the second capacitor ( 20 ) and is at the DC potential (Vdc) and a secondary side of the at least one high-current transformer ( 40 ) to the further rectifier ( 50 ) is coupled to an AC level between the first capacitor ( 10 ) and the second capacitor ( 20 ) to achieve the desired DC voltage drop (ΔVdc) along the current paths (PI). Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der zumindest eine weitere Gleichrichter (50) einen Synchrongleichrichter umfasst. Apparatus according to claim 8, wherein the at least one further rectifier ( 50 ) comprises a synchronous rectifier. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, die eine Vielzahl von Stromeinprägungsmodulen aufweist, wobei jedes der Einprägungsmodule einen Hochstromtransformator (40), der auf dem Gleichspannungspotential (Vdc) liegt, einen weiteren Gleichrichter (50), zwei Eingangsanschlüsse, die an die Primärseite des Hochstromtransformators (40) koppeln, und zwei Ausgangsanschlüsse aufweist, wobei und die Vielzahl von Stromeinprägungsmodulen seriell mit ihren jeweiligen Eingangsanschlüssen zwischen dem ersten Kondensator (10) und dem zweiten Kondensator (20) geschaltet sind und mit ihren jeweiligen zwei Ausgangsanschlüssen parallel zu dem Strompfad (PI) geschaltet sind. Apparatus according to claim 8 or claim 9, comprising a plurality of current impressing modules, each of the embossing modules comprising a high current transformer (10). 40 ), which is at the DC potential (Vdc), another rectifier ( 50 ), two input terminals connected to the primary side of the high current transformer ( 40 ), and having two output terminals, and the plurality of current injection modules connected in series with their respective input terminals between the first capacitor (12) and 10 ) and the second capacitor ( 20 ) and their respective two output terminals are connected in parallel with the current path (PI). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltfrequenz (f) und/oder eine Kapazität des ersten und/oder des zweiten Kondensators (10, 20) und/oder eine Induktivität der Kompensationsdrossel (350) und/oder des Anpasstransformators (340) gewählt sind, um eine Blindleistung bei einem Energietransfer von der Vorsorgungswechselspannung zu dem Strompfad (PI) zu minimiert und/oder eine gewünschte Stromstärke entlang des Strompfades (PI) zu erzeugen. Device according to one of the preceding claims, wherein the switching frequency (f) and / or a capacitance of the first and / or the second capacitor ( 10 . 20 ) and / or an inductance of the compensation reactor ( 350 ) and / or the matching transformer ( 340 ) are selected to minimize reactive power in energy transfer from the AC supply voltage to the current path (PI) and / or to produce a desired current along the current path (PI). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapazität des ersten Kondensators (10), die Kapazität des zweiten Kondensators (20) und die Induktivität (L) in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz (f) gewählt sind, so dass die Aufprägewechselspannung (Vac) weniger als ein vorbestimmter Anteil des Gleichspannungspotentials (Vdc) ist. Device according to one of the preceding claims, wherein the capacitance of the first capacitor ( 10 ), the capacity of the second capacitor ( 20 ) and the inductance (L) are selected as a function of the switching frequency (f), so that the impressing AC voltage (Vac) is less than a predetermined proportion of the DC potential (Vdc). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kondensator (10) und/oder der zweite Kondensator (20) jeweils in Reihe und/oder parallel verschalteten Kondensatoren aufweisen. Device according to one of the preceding claims, wherein the first capacitor ( 10 ) and / or the second capacitor ( 20 ) in each case in series and / or parallel-connected capacitors. Verfahren zum Aufprägen eines elektrischen Stromes auf einen Strompfad (PI), auf dem ein Gleichspannungspotential (Vdc) anliegt, mit folgenden Schritten: Erzeugen (S110) einer Aufprägewechselspannung (Vac) mit einer Schaltfrequenz (f) in einem Schaltungsabschnitt, der elektrisch von dem Gleichspannungspotential (Vdc) getrennt ist; und kapazitives Übertragen (S120) der Aufprägewechselspannung (Vac) auf das Gleichspannungspotential (Vdc) auf dem Strompfad (PI).  Method for applying an electric current to a current path (PI) on which a direct voltage potential (Vdc) is applied, comprising the following steps: Generating (S110) an impressed AC voltage (Vac) having a switching frequency (f) in a circuit portion electrically disconnected from the DC potential (Vdc); and capacitively transmitting (S120) the impressed AC voltage (Vac) to the DC potential (Vdc) on the current path (PI). Verfahren nach Anspruch 14, das weiter ein Gleichrichten der kapazitiv aufgeprägten Aufprägewechselspannung (Vac) umfasst, um so einen gewünschten Gleichspannungsabfall (∆Vdc) auf dem Strompfad (PI) auszubilden.  The method of claim 14, further comprising rectifying the capacitive impressed AC voltage (Vac) so as to form a desired DC voltage drop (ΔVdc) on the current path (PI).
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