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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Netzes, einen Multilevelkonverter, ein Energieversorgungssystem und ein Einzelmodul.
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Ein elektrisches Netz kann mehrere Energiequellen aufweisen, über die mehreren Verbrauchern, die mit dem elektrischen Netz verbunden sind, elektrische Energie bereitstellbar ist. Hierbei ist es weiterhin möglich, dass das elektrische Netz in mehrere Teilnetze unterteilt ist, denen jeweils unterschiedliche Energiequellen sowie Verbraucher zugeordnet sind. Die unterschiedlichen Teilnetze können unterschiedliche Spannungen aufweisen, mit denen die Teilnetze zu betreiben sind, wobei diese unterschiedlichen Spannungen unterschiedliche Amplituden und/oder unterschiedliche maximale Werte aufweisen. Zwei hierbei miteinander verbundene Teilnetze mit unterschiedlichen Spannungen sind über einen Spannungswandler, bspw. einen Gleichspannungswandler oder einen Wechselspannungswandler, miteinander verbunden.
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Aus der Druckschrift
US 5 093 583 A ist ein elektrisches System für ein Kraftfahrzeug bekannt, das ein Niederspannungsnetz sowie ein Hochspannungsnetz umfasst. Hierbei wird von einem Generator eine Niedervoltspannung erzeugt, die das Niederspannungsnetz sowie einen Transformator des Kraftfahrzeugs speist. Dieser Transformator ist dazu ausgebildet, die Niedervoltspannung in eine Hochvoltspannung zu wandeln, mit der parallel zu Verbrauchern des Niederspannungsnetzes auch Verbraucher des Hochspannungsnetzes zu betreiben sind.
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Ein Verfahren zum Versorgen eines Elektromotors mit einem Wechselstrom ist in der Druckschrift
US 2010 0 140 003 A1 beschrieben. Hierbei wird je nach Anforderung des Elektromotors diesem über mindestens eine Pulsweitenmodulation eine elektrische Spannung bereitgestellt, wobei zwischen mehreren Arten, bspw. drei Arten, einer jeweils zu verwendenden Pulsweitenmodulation ausgewählt wird.
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Aus der Druckschrift
US 2013 0 106 365 A1 ist bekannt, einen Energiespeicher eines elektrischen Kraftfahrzeugs über eine externe Energiequelle aufzuladen. Dabei ist es möglich, den Energiespeicher des Kraftfahrzeugs mit der externen Energiequelle galvanisch getrennt oder direkt aufzuladen.
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Ein Brennstoffzellensystem, über das elektrische Lasten mit elektrischer Energie zu versorgen sind, ist in der Druckschrift
US 2014 0 152 089 A1 beschrieben. Hierbei ist zwischen jeweils einer Brennstoffzelle und jeweils einer elektrischen Last ein Wechselrichter angeordnet, der dazu ausgebildet ist, eine von der jeweiligen Last benötigte mehrphasige Hochvoltspannung zu erzeugen, wobei störende Geräusche durch Auswahl einer Differenz von Phasen der Hochvoltspannungen vermieden werden.
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Aus der Druckschrift
US 2014 0 225 432 A1 ist ein Stromwandler bekannt, der drei Spulen umfasst und zum Austausch von elektrischer Energie zwischen verschiedenen Spannungsquellen und Spannungsnetzen eines elektrischen Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung bereitzustellen, mit dem bzw. der Spannungen mit unterschiedlichen maximalen Werten zu erzeugen sind, wobei ein erster Verbraucher, dem eine erste Spannung mit einem ersten Wert bereitzustellen ist, durch eine zweite Spannung mit einem zweiten Wert, die einem zweiten Verbraucher bereitzustellen ist, im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.
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Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1, einem Multilevelkonverter gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12, einem Energieversorgungssystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 20 und einem Einzelmodul gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 25 gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens, des Multilevelkonverters, des Energieversorgungssystems und des Einzelmoduls ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines elektrischen Netzes vorgesehen, das ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, die über mindestens einen Transformator miteinander verbunden und durch diesen voneinander galvanisch getrennt werden, wobei eine Primärseite des mindestens einen Transformators mit mindestens einer ersten Wicklung mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz und eine Sekundärseite des mindestens einen Transformators mit einer zweiten Wicklung mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten Teilnetz zugeordnet wird. Das erste Teilnetz weist einen Multilevelkonverter mit einer Mehrzahl N, N > 1, von Einzelmodulen auf, wobei jedes Einzelmodul mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei die Primärseite des mindestens einen Transformators mit der mindestens einen Wicklung mit der ersten Windungszahl über mindestens eine elektrische Abgriffeinheit an entsprechend mindestens ein Einzelmodul angeschlossen wird. Von dem Multilevelkonverter wird mindestens eine erste elektrische Wechselspannung dem ersten Teilnetz bereitgestellt. Ferner wird an der mindestens einen elektrischen Abgriffeinheit des entsprechend mindestens einen Einzelmoduls mindestens eine zweite elektrische Wechselspannung abgegriffen, die dem mindestens einen Transformator bereitgestellt wird, und von dem mindestens einen Transformator auf eine ausgehende elektrische Wechselspannung transformiert wird, die dem zweiten Teilnetz bereitgestellt wird.
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Üblicherweise ist die mindestens eine erste Windungszahl der Primärseite des mindestens einen Transformators größer als die zweite Windungszahl der Sekundärseite des mindestens einen Transformators. Somit ist eine maximale Amplitude der dem mindestens einen Transformator über die mindestens eine Abgriffeinheit bereitgestellte Wechselspannung des ersten Teilnetzes, bei dem es sich in der Regel um ein Hochspannungsnetz handelt, größer als eine Amplitude der ausgehenden Wechselspannung für das zweite Teilnetz, das entsprechend als Niederspannungsnetz ausgebildet ist.
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Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die mindestens eine erste Wechselspannung eine Amplitude mit einem ersten Wert und eine Frequenz mit einem ersten Wert aufweist, und dass die mindestens eine zweite Wechselspannung eine Amplitude mit einem zweiten Wert und eine Frequenz mit einem zweiten Wert aufweist. Dabei wird der erste Wert der Amplitude der mindestens einen ersten Wechselspannung üblicherweise größer als der zweite Wert der Amplitude der zweiten Wechselspannung eingestellt. Der erste Wert der Frequenz der mindestens einen ersten Wechselspannung wird üblicherweise kleiner als der zweite Wert der Frequenz der mindestens einen zweiten Wechselspannung eingestellt. Alternativ ist möglich, dass der erste Wert der Amplitude der mindestens einen ersten Wechselspannung kleiner als der zweite Wert der zweiten Wechselspannung ist. Außerdem ist es auch möglich, dass der Wert der Frequenz der mindestens einen ersten Wechselspannung größer als der Wert der Frequenz der zweiten Wechselspannung ist.
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In Ausgestaltung wird die von dem mindestens einen Transformator ausgehende elektrische Wechselspannung über mindestens einen Gleichrichter in eine Gleichspannung gewandelt. Der mindestens eine Gleichrichter ist dabei auf der Sekundärseite des mindestens einen Transformators an den mindestens einen Transformator angekoppelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens eine Abgriffeinheit des entsprechend mindestens einen Einzelmoduls als Wechselrichter bzw. als Inverter realisiert wird, der an den elektrischen Energiespeicher bzw. im Falle, dass das mindestens eine Einzelmodul mehrere Energiespeicher umfasst, an einen der Energiespeicher des mindestens einen Einzelmoduls mittelbar oder unmittelbar angeschlossen ist. Dabei ist der elektrische Energiespeicher, an dem die elektrische Abgriffeinheit angeschlossen ist, als Gleichspannungsquelle ausgebildet, so dass die davon abgegriffene Gleichspannung über die als Inverter ausgebildete elektrische Abgriffeinheit in eine als zweite Wechselspannung bezeichnete Wechselspannung überführt bzw. gewandelt wird. Im Falle, dass nicht nur eine Abgriffeinheit an einem Einzelmodul, sondern mehrere Abgriffeinheiten an entsprechend mehreren Einzelmodulen vorgesehen sind, wobei jede dieser Abgriffeinheiten als Inverter ausgebildet ist und an je einen als Gleichspannungsquelle ausgebildeten Energiespeicher je eines der mehreren Einzelmodule angeschlossen ist, werden dem mindestens einen Transformator entsprechend mehrere zweite Wechselspannungen bereitgestellt. Es ist darauf hinzuweisen, dass die jeweilige Abgriffeinheit dabei eine Gleichspannung von dem jeweiligen Einzelmodul abgreift. Dabei kann die Abgriffeinheit unmittelbar an die Gleichspannungsquelle des jeweiligen Einzelmoduls angeschlossen bzw. angekoppelt sein oder die Abgriffeinheit ist an Zuleitungen zu der Gleichspannungsquelle angeschlossen und darüber mittelbar mit der Gleichspannungsquelle verbunden.
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In möglicher Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei vorgesehen, dass der mindestens eine Transformator auf der Primärseite eine Mehrzahl m, N ≥ m > 1, von ersten Wicklungen aufweist und die Primärseite des mindestens einen Transformators mit der Mehrzahl m von ersten Wicklungen über eine entsprechende Mehrzahl m von Abgriffeinheiten an eine entsprechende Mehrzahl m von Einzelmodulen angeschlossen wird, wobei an den jeweiligen Abgriffeinheiten jeweils eine zweite elektrische Wechselspannung abgegriffen wird, die jeweils dem mindestens einen Transformator bereitgestellt wird, und der mindestens eine Transformator die jeweiligen zweiten elektrischen Wechselspannungen auf entsprechend mindestens eine ausgehende elektrische Wechselspannung transformiert, die dem zweiten Teilnetz bereitgestellt wird.
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Dabei ist es möglich, dass die an den jeweiligen Abgriffeinheiten jeweils abgegriffene zweite elektrische Wechselspannung für alle Abgriffeinheiten identisch ist. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die an den jeweiligen Abgriffeinheiten jeweils abgegriffene zweite elektrische Wechselspannung von Abgriffeinheit zu Abgriffeinheit variiert wird.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Mehrzahl n, N ≥ n > 1 von Transformatoren vorgesehen, wobei jeder Transformator der Mehrzahl n von Transformatoren auf der Primärseite eine erste Wicklung mit einer ersten Windungszahl und auf der Sekundärseite eine zweite Wicklung mit einer zweiten Windungszahl aufweist, und jeder Transformator an der Primärseite über eine jeweilige Abgriffeinheit an ein jeweiliges Einzelmodul angeschlossen wird, und die an den jeweiligen Anschlüssen jeweils abgegriffene eine zweite elektrische Wechselspannung dem jeweiligen Transformator bereitgestellt wird, von dem jeweiligen Transformator auf eine jeweilige ausgehende elektrische Wechselspannung transformiert wird, und eine aus den von der Mehrzahl n der Transformatoren bereitgestellten ausgehenden elektrischen Wechselspannungen resultierende Spannung dem zweiten Teilnetz bereitgestellt wird.
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Es ist auch denkbar, eine Mischung aus Transformatoren mit je einer ersten Wicklung mit einer ersten Windungszahl auf der Primärseite und einer zweiten Wicklung mit einer zweiten Windungszahl auf der Sekundärseite, und aus Transformatoren mit einer Mehrzahl von ersten Wicklungen auf der Primärseite vorzusehen, wobei jede erste Wicklung über eine jeweilige Abgriffeinheit mit je einem Einzelmodul gekoppelt ist.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden n Transformatoren vorgesehen, die auf ihrer jeweiligen Primärseite über entsprechend n Abgriffeinheiten an n Einzelmodule angeschlossen werden, wobei die an den jeweiligen n Abgriffeinheiten abzugreifenden zweiten Wechselspannungen mit einem Phasenversatz von 2π/n zueinander abgegriffen werden.
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In noch weiterer Ausgestaltung wird jedem der vorgesehenen mehreren Transformatoren ein Gleichrichter nachgeschaltet, der die von dem jeweiligen Transformator ausgehende elektrische Wechselspannung in eine jeweilige Gleichspannung überführt. Dabei werden die entsprechend mehreren Gleichrichter nach Bedarf des zweiten Teilnetzes wahlweise zueinander parallel oder in Reihe geschaltet werden. Dem zweiten Teilnetz wird dabei eine Gesamtgleichspannung bereitgestellt. Bei mehr als zwei Gleichrichtern ist es auch denkbar, manche der Gleichrichter parallel zueinander und manche der Gleichrichter in Reihe zueinander zu schalten. Soll bspw. eine Gleichspannung von 12V bzw. 48V im zweiten Teilnetz zur Verfügung gestellt werden, so werden die Gleichrichter parallel zueinander geschaltet. Soll demgegenüber eine Gleichspannung von 400V im zweiten Teilnetz zur Verfügung gestellt werden, werden zumindest manche, in der Regel alle Gleichrichter in Reihe zueinander geschaltet.
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In der Regel ist vorgesehen, dass die Mehrzahl m bzw. n von Einzelmodulen, von denen über eine entsprechende Mehrzahl m bzw. n von Abgriffeinheiten eine jeweilige zweite Wechselspannung abgegriffen wird, im Wesentlichen gleichmäßig aus der Mehrzahl N von Einzelmodulen des Multilevelkonverters ausgewählt werden. Dadurch soll sichergestellt werden, dass die Last, die durch eine jeweilige Abgriffeinheit bewirkt wird, gleichmäßig über die Mehrzahl von Einzelmodulen des Multilevelkonverters verteilt wird. Demnach ist es auch denkbar, dass die Einzelmodule der Mehrzahl m bzw. n von Einzelmodulen aus verschiedenen Strängen bzw. Modul-Strängen des Multilevelkonverters gewählt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden von dem Multilevelkonverter mehrere zueinander phasenverschobene erste Wechselspannungen bereitgestellt.
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Der mehrere Einzelmodule mit Energiespeichern umfassende Multilevelkonverter ist ebenfalls als Energiespeicher bzw. Energiequelle ausgebildet und/oder zu bezeichnen, mit dem Verbrauchern der Teilnetze Wechselspannungen mit unterschiedlichen Frequenzen bereitgestellt werden. Hierbei werden Verbrauchern des ersten Teilnetzes Wechselspannungen mit jeweils bedarfsgerecht angepassten Amplituden und Frequenzen bereitgestellt.
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Weiterhin wird Verbrauchern des zweiten Teilnetzes über den mindestens einen Transformator abhängig von der mindestens einen dem mindestens einen Transformator bereitgestellten zweiten Wechselspannung eine ausgehende Wechselspannung bereitgestellt, wobei deren Frequenz sowie Amplitude von der Frequenz und Amplitude der dem mindestens einen Transformator bereitgestellten mindestens einen zweiten Wechselspannung sowie von einem Verhältnis der mindestens einen Windungszahl der Primärseite und der Windungszahl der Sekundärseite des mindestens einen Transformators abhängig ist.
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Außerdem weist der Multilevelkonverter mehrere verteilte Einzelmodule auf, wobei von einem Energiespeicher eines jeweiligen Einzelmoduls in der Regel eine Gleichspannung bereitgestellt wird, wobei für den Fall, dass von einem jeweiligen Energiespeicher eine Gleichspannung bereitgestellt wird, diese Gleichspannung von dem Multilevelkonverter in eine Wechselspannung gewandelt wird.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Multilevelkonverter, der in einem elektrischen Netz anzuordnen ist, wobei das elektrische Netz ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, wobei die beiden Teilnetze über mindestens einen Transformator miteinander zu verbinden und durch diesen voneinander galvanisch zu trennen sind. Eine Primärseite des mindestens einen Transformators ist mit mindestens einer ersten Wicklung mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz und eine Sekundärseite des mindestens einen Transformators ist mit einer zweiten Wicklung mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten Teilnetz zuzuordnen. Der Multilevelkonverter ist in dem ersten Teilnetz anzuordnen und weist eine Mehrzahl N, N > 1, von Einzelmodulen auf, wobei jedes Einzelmodul mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist, wobei der Multilevelkonverter dazu ausgebildet ist, mindestens eine erste elektrische Wechselspannung dem ersten Teilnetz bereitzustellen und über mindestens eine Abgriffeinheit an entsprechend mindestens einem Einzelmodul mindestens eine zweite elektrische Wechselspannung dem mindestens einen Transformator bereitzustellen, die von dem mindestens einen Transformator auf eine ausgehende elektrische Spannung transformiert wird, die dem zweiten Teilnetz bereitgestellt wird.
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In Ausgestaltung ist dem erfindungsgemäßen Multilevelkonverter eine Kontrolleinheit zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, Werte von mindestens einem physikalischen Parameter, bspw. einer Amplitude und/oder einer Frequenz, der mindestens einen ersten und/oder der mindestens einen zweiten Wechselspannung einzustellen. Die Kontrolleinheit kann als Komponente bzw. Bauteil des Multilevelkonverters ausgebildet sein.
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Weiterhin sind in möglicher Ausgestaltung mindestens zwei Einzelmodule gleich ausgebildet.
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Der Multilevelkonverter ist dazu ausgebildet, die mindestens eine erste Wechselspannung aus mindestens einer Einzelspannung von einer Energiequelle bzw. einem Energiespeicher mindestens eines Einzelmoduls zu erzeugen bzw. bereitzustellen, wobei in der Regel mehrere Wechselspannungen einander überlagert und/oder zueinander zeitlich phasenverschoben werden.
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Ferner ist in weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäße Multilevelkonverter dazu ausgebildet, mindestens zwei Einzelmodule in Reihe und/oder zueinander parallel zu schalten, und die mindestens eine erste Wechselspannung aus einer Kombination von Einzelspannungen der mindestens zwei miteinander zu kombinierenden Einzelmodule bereitzustellen. Hierbei werden einzelne Einzelmodule je nach Bedarf eingeschaltet oder ausgeschaltet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters, weist der Multilevelkonverter mehrere Stränge auf, wobei jeder Strang eine Kombination aus mehreren miteinander verschalteten Einzelmodulen aufweist, wobei mit jedem Strang jeweils eine erste Wechselspannung und somit eine Phase zu erzeugen bzw. erzeugbar ist. Der Wert der Amplitude der jeweiligen ersten Wechselspannung wird abhängig davon, welches Einzelmodul eines jeweiligen Stranges ein- oder ausgeschaltet ist und wie mehrere eingeschaltete Einzelmodule des Strangs zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet werden, eingestellt.
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Die Energiespeicher der Einzelmodule sind in der Regel als Gleichspannungsquellen ausgebildet, wobei der Multilevelkonverter mindestens einen Wandler aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine als Gleichspannung ausgebildete Einzelspannung eines Energiespeichers mindestens eines Einzelmoduls in eine Wechselspannung umzuwandeln. Vorzugsweise wird je Einzelmodul eine Spannung < 60V abgegriffen.
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Weiterhin wird die Primärseite des mindestens einen Transformators durch den Multilevelkonverter, d. h. durch die mindestens eine von dem Multilevelkonverter über die mindestens eine Abgriffeinheit des mindestens einen Einzelmoduls bereitgestellte zweite Wechselspannung angeregt.
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Der mindestens eine Transformator weist eine Hochpasscharakteristik auf, wobei durch den mindestens einen Transformator aus der bereitgestellten mindestens einen zweiten Wechselspannung nur Anteile berücksichtigt und auf die ausgehende elektrische Wechselspannung transformiert werden, die mindestens so groß wie eine Grenzfrequenz sind.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ist die mindestens eine Abgriffeinheit an dem entsprechend mindestens einen Einzelmodul als Wandler realisiert, der dazu ausgebildet ist, eine als Gleichspannung ausgebildete Einzelspannung mindestens eines Energiespeichers des mindestens einen Einzelmoduls in eine Wechselspannung, voranstehend als zweite Wechselspannung bezeichnet, umzuwandeln.
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Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem weist ein elektrisches Netz auf, das ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz umfasst, die über mindestens einen Transformator miteinander verbunden und durch diesen voneinander galvanisch getrennt sind, wobei eine Primärseite des mindestens einen Transformators mit mindestens einer ersten Wicklung mit einer ersten Windungszahl dem ersten Teilnetz und eine Sekundärseite des mindestens einen Transformators mit einer zweiten Wicklung mit einer zweiten Windungszahl dem zweiten Teilnetz zugeordnet ist. Das erste Teilnetz weist einen Multilevelkonverter mit einer Mehrzahl N, N > 1, von Einzelmodulen auf, wobei jedes Einzelmodul mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Der Multilevelkonverter ist dazu ausgebildet, mindestens eine erste elektrische Wechselspannung dem ersten Teilnetz bereitzustellen und über mindestens eine Abgriffeinheit an entsprechend mindestens einem Einzelmodul mindestens eine zweite elektrische Wechselspannung dem mindestens einen Transformator bereitzustellen, wobei der Transformator dazu ausgebildet ist, die mindestens eine zweite elektrische Wechselspannung auf eine ausgehende elektrische Wechselspannung zu transformieren und dem zweiten Teilnetz bereitzustellen.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems ist die Windungszahl der Primärseite des mindestens einen Transformators größer als die Windungszahl der Sekundärseite des Transformators.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems weist der mindestens eine Transformator auf der Primärseite eine Mehrzahl m, N ≥ m > 1, von ersten Wicklungen auf, wobei die Primärseite des mindestens einen Transformators mit der Mehrzahl m von ersten Wicklungen über eine entsprechende Mehrzahl m von Abgriffeinheiten an eine entsprechende Mehrzahl m von Einzelmodulen angeschlossen ist, wodurch an den jeweiligen Abgriffeinheiten jeweils eine zweite elektrische Wechselspannung abgreifbar ist, die jeweils dem mindestens einen Transformator bereitgestellt werden kann. Der mindestens eine Transformator ist dazu ausgelegt, die jeweiligen zweiten elektrischen Wechselspannungen zusammen auf eine ausgehende elektrische Wechselspannung zu transformieren und dem zweiten Teilnetz bereitzustellen.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu ist es möglich, eine Mehrzahl n, N ≥ n > 1, von Transformatoren vorzusehen, wobei jeder Transformator der Mehrzahl n von Transformatoren auf der Primärseite eine erste Wicklung mit einer ersten Windungszahl und auf der Sekundärseite eine zweite Wicklung mit einer zweiten Windungszahl aufweist, und jeder Transformator an der Primärseite über eine jeweilige Abgriffeinheit an ein jeweiliges Einzelmodul angeschlossen ist, und die an den jeweiligen Anschlüssen jeweils abgreifbaren zweiten elektrischen Wechselspannungen dem jeweiligen Transformator bereitzustellen und von dem jeweiligen Transformator auf eine jeweilige ausgehende elektrische Wechselspannung zu transformieren sind, so dass eine aus den von der Mehrzahl n der Transformatoren bereitgestellten ausgehenden elektrischen Wechselspannungen resultierende Spannung dem zweiten Teilnetz bereitstellbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung ist jedem der n Transformatoren ein Gleichrichter nachgeschaltet, der dazu ausgestaltet ist, die von dem jeweiligen Transformator ausgehende elektrische Wechselspannung in eine jeweilige Gleichspannung zu überführen, wobei die entsprechend n Gleichrichter nach Bedarf des zweiten Teilnetzes zueinander parallel oder in Reihe geschaltet bzw. schaltbar sind, um so eine Gesamtgleichspannung dem zweiten Teilnetz bereitzustellen.
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Ferner sind die Mehrzahl m bzw. n von Einzelmodulen, von denen über eine entsprechende Mehrzahl m bzw. n von Abgriffeinheiten eine jeweilige zweite Wechselspannung abgreifbar ist bzw. abgegriffen wird, im Wesentlichen gleichmäßig aus der Mehrzahl N an Einzelmodulen des Multilevelkonverters ausgewählt.
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Gemäß weiterer Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem in einem Kraftfahrzeug anzuordnen bzw. anordenbar.
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Weiterhin ist dem ersten Teilnetz als Verbraucher eine elektrische Maschine zuzuordnen bzw. zugeordnet, die mehrere Phasen aufweist, wobei der Multilevelkonverter dazu ausgebildet ist, jeder Phase jeweils eine erste Wechselspannung bereitzustellen.
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In weiterer Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem, wie bereits voranstehend erwähnt, mindestens einen Gleichrichter, der dem mindestens einen Transformator nachgeschaltet ist und dazu konfiguriert ist, die von dem mindestens einen Transformator bereitgestellte ausgehende elektrische Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und dem zweiten Teilnetz bereitzustellen.
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Der vorgestellte erfindungsgemäße Multilevelkonverter ist in Ausgestaltung als Komponente des vorgestellten erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems ausgebildet, wobei mit dem Multilevelkonverter und/oder dem Energieversorgungssystem Verbraucher des Netzes, d. h. mindestens ein Verbraucher des ersten Teilnetzes, der üblicherweise als elektrische Maschine ausgebildet ist, sowie mindestens ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes mit elektrischer Energie zu versorgen sind.
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In Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen, dass eine derartige elektrische Maschine als elektrischer Motor betrieben wird, mit dem elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, dass diese elektrische Maschine je nach Anforderung als elektrischer Generator betrieben wird.
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Falls das Energieversorgungssystem und das Netz für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sind, ist das Netz auch als Bordnetz des Kraftfahrzeugs ausgebildet und/oder zu bezeichnen. Entsprechend sind die beiden Teilnetze als Teilbordnetze des Kraftfahrzeugs ausgebildet und/oder zu bezeichnen, die mit Spannungen zu betreiben sind, deren Amplituden bzw. maximale Werte unterschiedlich groß sind. In diesem Fall ist weiterhin vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Verbraucher des ersten Teilnetzes, dessen Spannung eine Amplitude mit einem großen Wert aufweist, sofern sie als elektrischer Motor betrieben wird, zum Antreiben bzw. Fortbewegen des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Falls die elektrische Maschine alternativ hierzu als elektrischer Generator betrieben wird, ist mit dieser mechanische Energie des Kraftfahrzeugs, bspw. bei einem Rekuperationsbetrieb, in elektrische Energie zu wandeln, wobei dabei bereitgestellte elektrische Energie in einem Energiespeicher des elektrischen Netzes zu speichern ist. Ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes, dessen Spannung eine Amplitude mit einem geringen Wert aufweist, ist bspw. zur Durchführung einer Kontrollfunktion des Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren ist mit dem erfindungsgemäßen Multilevelkonverter und/oder dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem durchzuführen, wobei das Verfahren mit dem Multilevelkonverter und/oder dem Energieversorgungssystem zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln ist.
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In Ausgestaltung ist der Multilevelkonverter als Hochspanungs-Multilevelkonverter ausgebildet, falls das erste Teilnetz mit einer höheren Spannung als das mindestens eine zweite Teilnetz zu betreiben ist. Der Wert der Frequenz der mindestens einen ersten Wechselspannung, die von dem Multilevelkonverter breitgestellt wird und mit der der Verbraucher des ersten Teilnetzes zu versorgen ist, ist in der Regel vergleichsweise niedrig und beträgt maximal zwei Kilohertz. Dagegen ist die Frequenz der mindestens einen zweiten Wechselspannung größer als der Wert der Frequenz der mindestens einen ersten Wechselspannung.
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Der Multilevelkonverter ist bspw. als modularer Multilevelkonverter (modular multilevel converter, MMC) oder MMSPC ausgebildet. Ein als MMSPC ausgebildeter Multilevelkonverter ist in der Druckschrift "Modular Multilevel Converter with Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control.’(IEEE Transaction on Power Electronics) von S. M. Goetz, A. V. Peterchev und T. Weyh beschrieben.
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Der Multilevelkonverter kann ferner auch als Neutral-Point-Clamped-(NPC)-Converter, der an einem Sternpunkt einen Neutralleiter aufweist, oder als Flying Capacitor ausgebildet sein, mit denen ebenfalls jeweils bspw. Wechsel- oder Drehstromspannungen für mindestens eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden können. Eine derartige zur Versorgung vorgesehene Spannung weist einen Wert im Hochvoltbereich größer 60 Volt, üblicherweise größer 200 Volt auf und wird in der Regel aus mehreren Energiespeichern, bspw. Hochvoltspeichern, gespeist. Mindestens ein Ausgang des Multilevelkonverters ist von dem mindestens einen Hochvoltspeicher galvanisch getrennt. Falls der Multilevelkonverter mehrere Ausgänge aufweist, sind diese ebenfalls voneinander galvanisch getrennt.
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In der Regel weist die mindestens eine zu erzeugende erste Wechselspannung eine hohe Dynamik auf. Üblicherweise ist der Wert der Amplitude der mindestens einen ersten Wechselspannung um mehrere Größenordnungen größer als der Wert der Amplitude der mindestens einen zweiten Wechselspannung. Durch Kombination mehrerer erster Wechselspannungen, die von dem Multilevelkonverter überlagert werden, ist ein sogenanntes Frequenzmultiplexing der ersten Wechselspannungen möglich, wobei die derart miteinander kombinierten ersten Wechselspannungen zum Versorgen des Verbrauchers des ersten Teilnetzes ausgehend von dem Multilevelkonverter zu versorgen sind.
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Eine Hochpasscharakteristik des mindestens einen Transformators ist durch Auswahl eines Werts einer Induktivität mindestens einer Wicklung bzw. einer Spule des mindestens einen Transformators einzustellen, wobei die Induktivität der jeweiligen Spule abhängig von ihrer Windungszahl ist.
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Die Sekundärseite des mindestens einen Transformators ist, wie bereits voranstehend erwähnt, in Ausgestaltung mit mindestens einem Gleichrichter und somit ggf. einer Topologie aus mehreren Gleichrichtern verbunden, wobei an dem mindestens einen Gleichrichter wiederum mindestens ein Verbraucher des zweiten Teilnetzes angeschlossen ist, wobei die von dem mindestens einen Transformator bereitgestellte ausgehende Wechselspannung von dem mindestens einen Gleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Der mindestens eine Gleichrichter ist üblicherweise aktiv oder passiv ausgebildet und weist in der Regel mindestens eine DC-Regelstufe auf, die bspw. als Buck,- Boost-, oder Buck-Boost-Stufe ausgebildet ist. Die aus dem mindestens einen Gleichrichter gebildete Topologie ist zumindest einpulsig oder mehrpulsig, bspw. einpulsig bis zwölfpulsig ausgebildet. Zum aktiven Regeln des mindestens einen Gleichrichters ist bspw. ein als Feldeffekttransistor (FET) ausgebildeter Halbleiterbaustein zu verwenden. Zum passiven Regeln ist bspw. mindestens eine Diode zu verwenden. Denkbar ist auch ein Gleichrichter mit Inverter, bspw. für eine Ausgabe von 110 V oder 240 V.
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Bei einer ersten möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters und/oder des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems ist vorgesehen, dass das erste Teilnetz als Hochspannungsversorgungsnetz und das zweite Teilnetz als Niederspannungsversorgungsnetz ausgebildet ist. Dabei weist das zweite Teilnetz in Ausgestaltung mindestens einen eigenen Energiespeicher, bspw. einen Kondensator und/oder eine Batterie, auf. Ein durchschnittlicher Leistungsbedarf des ersten Teilnetzes ist hierbei um ein Vielfaches, bspw. einen Faktor fünf, höher als der durchschnittliche Leistungsbedarf des zweiten Teilnetzes. Falls das Energieversorgungssystem und somit das elektrische Netz für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, beträgt der durchschnittliche Leistungsbedarf des zweiten Teilnetzes mit einer maximalen Spannung von bspw. 12 V, 24 V, 48 V, 400 V oder 800 V 1 bis 3 kW. Dagegen beträgt der Leistungsbedarf des ersten Teilnetzes je nach Ausgestaltung des anzutreibenden Kraftfahrzeugs für dessen Antrieb bspw. 20 kW bis 400 kW.
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Dadurch, dass über die mindestens eine Abgriffeinheit an dem mindestens einen Einzelmodul dem Multilevelkonverter Leistung entzogen wird, und eine aktuelle Leistung des ersten Teilnetzes, die sich aus einem eigentlichen Soll-Strom- oder Soll-Spannungsverlauf auf Grundlage der mindestens einen ersten Wechselspannung ergibt, einem aktuellen Regelsoll folgen soll, entspricht die mindestens eine zweite Wechselspannung lediglich in einem zeitlichen Durchschnitt dem Leistungsbedarf des zweiten Teilnetzes und somit dessen Verbrauchern und/oder Energiespeichern. Diese zwei Bedingungen aus einem instantanen Leistungsbedarf des ersten Teilnetzes und einer durchschnittlichen Leistung des zweiten Teilnetzes bestimmen zwei Freiheitsgrade aus einem Grad der bereitzustellenden mindestens einen zweiten Wechselspannung und einem Grad der Leistung eines Soll-Spannungs- oder Soll-Stromverlaufs. Vorzugsweise wird einem Einzelmodul eine Gleichspannung < 60V entnommen.
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Die mindestens eine zweite Wechselspannung zum Anregen des mindestens einen Transformators in dem ersten Teilnetz ist für den mindestens einen Verbraucher des ersten Teilnetzes, bspw. für mindestens eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, im Wesentlichen nicht sichtbar.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Einzelmodul zur Implementierung in einen voranstehend beschriebenen Multilevelkonverter und/oder in ein voranstehend beschriebenes Energieversorgungssystem. Dabei umfasst das Einzelmodul mindestens einen elektrischen Energiespeicher, mindestens zwei erste elektrische Anschlüsse zum Anschluss an entsprechend mindestens ein weiteres Einzelmodul, eine Mehrzahl an Schaltelementen zum dynamischen Umschalten zwischen einer Mehrzahl an Schaltzuständen zwischen dem Einzelmodul und dem mindestens einen weiteren Einzelmodul und mindestens zwei zweite elektrische Anschlüsse zum Anschluss mindestens einer elektrischen Abgriffeinheit zum Bereitstellen einer elektrischen Wechselspannung, die von einem Transformator auf eine ausgehende elektrische Spannung transformiert wird.
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In Ausgestaltung ist die mindestens eine elektrische Abgriffeinheit integrativer Teil des Einzelmoduls.
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In weiterer Ausgestaltung ist der mindestens eine elektrische Energiespeicher als Gleichspannungsquelle und die mindestens eine elektrische Abgriffeinheit als Inverter realisiert.
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Dabei kann ferner der Transformator ebenfalls integrativer Teil des Einzelmoduls sein.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung umfasst das Einzelmodul ferner einen dem Transformator nachgeschalteten Gleichrichter.
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Demnach ist erfindungsgemäß ein Einzelmodul gegenüber einem bekannten und bislang in einem Multilevelkonverter üblicherweise verwendeten Einzelmodul durch Anschluss eines DC/DC-Wandlers modifiziert. Dabei kann der DC/DC-Wandler teilweise oder vollständig in das Einzelmodul integriert sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters, wie er in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbar ist.
- 2 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.
- 3 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.
- 4 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.
- 5 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einzelmoduls.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
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Die in
1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters
10 umfasst einen ersten Strang
12 mit vier Einzelmodulen
14a,
14b,
14c,
14d, einen zweiten Strang
16 mit ebenfalls vier Einzelmodulen
18a,
18b,
18c,
18d und einen dritten Strang
20 mit vier Einzelmodulen
22a,
22b,
22c,
22d. Dabei ist es möglich, jeden der genannten Stränge
12,
16,
20 auch als Arm des Multilevelkonverters
10 zu bezeichnen. Dieser hier modulare Multilevelkonverter ist bspw. als MMC, MMSPC oder Matroschka-Umrichter ausgebildet, der in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2015 112 513 beschrieben ist. Jedes der Einzelmodule
14a,
14b,
14c,
14d,
18a,
18b,
18c,
18d,
22a,
22b,
22c,
22d umfasst mindestens einen Energiespeicher, bspw. einen Kondensator oder eine Batterie, weshalb der Multilevelkonverter
10 mehrere verteilte Energiespeicher aufweist. Mit Energiespeichern der Einzelmodule
14a,
14b,
14c,
14d des ersten Strangs ist hier einer ersten Phase einer elektrischen Maschine Energie bereitzustellen. Einer zweiten Phase dieser elektrischen Maschine ist über die Einzelmodule
18a,
18b,
18c,
18d des zweiten Strangs
16 elektrische Energie bereitzustellen. Außerdem ist mit den Einzelmodulen
22a,
22b,
22c,
22d, des dritten Strangs
20 einer dritten Phase der elektrischen Maschine Energie bereitzustellen.
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Manche der Einzelmodule, hier die Einzelmodule 22a, 22b, 22c und 22d sind, wie schematisch angedeutet, durch jeweilige Ankopplung eines DC/AC-Wandlers 23a, 23b, 23c und 23d modifiziert, so dass darüber an diesen Einzelmodulen 22a, 22b, 22c, 22d jeweils eine erfindungsgemäße Abgriffeinheit 23a, 23b, 23c bzw. 23d , d.h. ein AC-Abgriff realisiert wird. Die an diesen Abgriffeinheiten 23a, 23b, 23c und 23d jeweils bereitgestellte zweite Wechselspannung wird von mindestens einem hier nicht dargestellten nachgeschalten Transformator transformiert und einem ebenfalls hier nicht dargestellten zweiten Teilnetz zur Verfügung gestellt. In der Regel ist dem mindestens einen Transformator mindestens ein Gleichrichter nachgeschaltet, der die von dem Transformator transformierte Wechselspannung in eine Gleichspannung überführt.
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Die in 2 schematisch dargestellte erste Ausführungsform des Energieversorgungssystems 30 umfasst ein erstes Teilnetz 32 und ein zweites Teilnetz 34. Das erste Teilnetz 32 umfasst eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 36, der wiederum drei zueinander parallel geschaltete Stränge 47, 49, 51 bzw. Arme aufweist, wobei ein erster derartiger Strang 47 ein erstes Einzelmodul 48a, ein zweites Einzelmodul 48b, ein drittes Einzelmodul 48c und ein viertes Einzelmodul 48d aufweist. Ein zweiter Strang 49 des Multilevelkonverters 36 weist ein erstes Einzelmodul 50a, ein zweites Einzelmodul 50b, ein drittes Einzelmodul 50c und ein viertes Einzelmodul 50d auf. Außerdem umfasst der Multilevelkonverter 36 einen dritten Strang 51 mit einem ersten Einzelmodul 53a, einem zweiten Einzelmodul 52b, einem dritten Einzelmodul 52c und einem vierten Einzelmodul 52d. Hierbei weisen sämtliche Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 53a, 52b, 52c, 52d jeweils einen als Batterie oder als Kondensator ausgebildeten Energiespeicher auf.
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Weiterhin umfasst der Multilevelkonverter 36 eine Kontrolleinheit 54. Jeweils ein Strang 47, 49, 51 des Multilevelkonverters 36 ist einer Phase von insgesamt drei Phasen U, V, W eines elektrischen Verbrauchers 58 zugeordnet, der hier als elektrische Maschine ausgebildet ist.
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Beim Betrieb des Multilevelkonverters 36 wird ein Wert einer Amplitude mindestens einer ersten Wechselspannung, die einer jeweiligen Phase U, V, W des Verbrauchers 58 bereitzustellen ist, über die Kontrolleinheit 54 eingestellt. Dabei ist einer ersten Phase U der erste Strang 47 mit den Einzelmodulen 48a, 48b, 48c, 48d zugeordnet. Einer zweiten Phase V des Verbrauchers 58 ist der zweite Strang 49 mit den Einzelmodulen 50a, 50b, 50c, 50d zugeordnet. Außerdem ist der dritten Phase W des Verbrauchers 58 der dritte Strang 51 mit den Einzelmodulen 53a, 52b, 52c, 52d zugeordnet.
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Sämtliche Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 53a, 52b, 52c, 52d weisen jeweils einen Energiespeicher auf. Je nachdem, welchen Wert die Amplitude der Wechselspannung aufweisen soll, die einer jeweiligen Phase U, V, W bereitzustellen ist, wird bzw. werden von der Kontrolleinheit 54 innerhalb eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 mindestens ein Einzelmodul 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 53a, 52b, 52c, 52d, in der Regel mehrere Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 53a, 52b, 52c, 52d aktiviert, wobei je nach dem Wert der bereitzustellenden Amplitude der Wechselspannung bspw. mindestens zwei Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 53a, 52b, 52c, 52d innerhalb eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet werden.
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Bei Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit den Einzelmodulen 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 53a, 52b, 52c, 52d, des jeweiligen Strangs 47, 49, 51 ein Drei-Phasen System bereitgestellt.
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Hierbei ist der erste Strang 47 einer ersten Phase U, der zweite Strang 49 einer zweiten Phase V und der dritte Strang 51 einer dritten Phase W des Verbrauchers 58 zugeordnet.
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Hier ist vorgesehen, dass das erste Teilnetz 32 mit einer Spannung betrieben wird, die höher als eine zweite Spannung des zweiten Teilnetzes 34 ist. Beide Teilnetze 32, 34 sind hier über einen galvanisch trennenden Transformator 60 miteinander verbunden, wobei die Primärseite des Transformators 60 dem ersten Teilnetz 32 und die Sekundärseite des Transformators 60 dem zweiten Teilnetz 34 zugeordnet ist. Außerdem ist dem Transformator 60 innerhalb des zweiten Teilnetzes 34 ein Gleichrichter 62 nachgeschaltet, an dem ein Energiespeicher 64 angeschlossen ist.
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Die Primärseite des Transformators 60 ist über eine elektrische Abgriffeinheit 61, der in der Regel als Inverter bzw. DC/AC-Wandler realisiert ist, an das Einzelmodul 53a angeschlossen. Von der elektrischen Abgriffeinheit wird nun zunächst von dem Einzelmodul 53a bzw. von seinem Energiespeicher eine Gleichspannung abgegriffen, die dann durch die als DC/AC-Wandler ausgebildete elektrische Abgriffeinheit in eine zweite Wechselspannung überführt und dem Transformator 60 bereitgestellt wird. Der Transformator 60 transformiert die zweite Wechselspannung. Die von dem Transformator 60 transformierte Wechselspannung wird dann von dem nachgeschalteten Gleichrichter 62 in eine Gleichspannung überführt.
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Mit dem Multilevelkonverter 36, der hier als Dreiphasen-MMSPC ausgebildet ist, wird über den Transformator 60 eine integrierte galvanisch getrennte Versorgung von Verbrauchern des zweiten Teilnetzes 34 ermöglicht.
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Die in 3 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 40 umfasst ein erstes Teilnetz 42 und ein zweites Teilnetz 44. Das erste Teilnetz 42 umfasst eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 46. Hierbei ist vorgesehen, dass die dritte Ausführungsform des Multilevelkonverters 46 weitgehend baugleich zu der zweiten Ausführungsform des Multilevelkonverters 36 ausgebildet ist. Außerdem umfassen die beiden Teilnetze 42, 44 der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 40 im Wesentlichen dieselben Komponenten wie die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 30 aus 3.
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Auch hier wird die maximale Amplitude mit dem ersten Wert für eine jeweilige Phase U, V, W des Verbrauchers 58 durch eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 53a, 53b, 53c, 53d eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 bereitgestellt.
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In der hier dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems verfügen die Einzelmodule 53a, 53b, 53c und 53d des Strangs 51 jeweilig über eine erfindungsgemäße elektrische Abgriffeinheit 70a, 70b, 70c bzw. 70d, über welchen der Transformator 70 bzw. dessen Primärseite an die jeweiligen Einzelmodulen 53a, 53b, 53c und 53d angeschlossen ist. Über die jeweiligen elektrischen Abgriffeinheiten 70a, 70b, 70c bzw. 70d, die in der Regel jeweils als DC/AC-Wandler ausgebildet sind, wird dem Transformator 70 von den jeweiligen Einzelmodulen 53a, 53b, 53c und 53d jeweilig eine zweite Wechselspannung bereitgestellt. Die dem Transformator bereitgestellten zweiten Wechselspannungen werden in eine von dem Transformator 70 ausgehende elektrische Wechselspannung transformiert, die über einen dem Transformator nachgeschalteten Gleichrichter 62 dem zweiten Teilnetz 44 zur Verfügung gestellt wird. Die von den jeweiligen Einzelmodulen 53a, 53b, 53c und 53d abzugreifenden zweiten Wechselspannungen sind zueinander in Phase.
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Die in 4 schematisch dargestellte dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 66 umfasst ein erstes Teilnetz 42 und ein zweites Teilnetz 84. Das erste Teilnetz 42 umfasst eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters 46, die weitgehend baugleich zu der dritten Ausführungsform des Multilevelkonverters 46 ausgebildet ist. Außerdem umfassen die beiden Teilnetze 42, 84 der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 66 im Wesentlichen dieselben Komponenten wie die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 40 aus 3.
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Auch hier wird die maximale Amplitude mit dem ersten Wert für eine jeweilige Phase U, V, W des Verbrauchers 58 durch eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der Einzelmodule 48a, 48b, 48c, 48d, 50a, 50b, 50c, 50d, 53a, 53b, 53c, 53d eines jeweiligen Strangs 47, 49, 51 bereitgestellt.
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In der hier dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 66 verfügen die Einzelmodule 53a, 53b, 53c und 53d des Strangs 51 ebenfalls jeweils über eine erfindungsgemäße elektrische Abgriffeinheit 70a, 70b, 70c bzw. 70d. Die jeweilige elektrische Abgriffeinheit 70a, 70b, 70c bzw. 70d ist in der Regel als DC/AC-Wandler ausgeführt. Im Gegensatz zu 3 ist hier jedoch entsprechend zu der Anzahl von vorgesehenen Abgriffeinheiten 70a, 70b, 70c bzw. 70d eine entsprechende Anzahl von voneinander unabhängigen Transformatoren 80a, 80b, 80c und 80d vorgesehen, deren jeweilige Primärseite genau einer Abgriffeinheit 70a, 70b, 70c bzw. 70d eines Einzelmoduls 53a, 53b, 53c bzw. 53d zugeordnet ist. Jedem Transformator 80a, 80b, 80c und 80d ist jeweils ein Gleichrichter 82a, 82b, 82c bzw. 82d nachgeschaltet. In der hier dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems sind die Gleichrichter 82a, 82b, 82c und 82d parallel zueinander geschaltet. Dies ist günstig, wenn in dem zweiten Teilnetz eine Gleichspannung von bspw. 12V oder 48V bereitgestellt werden soll. Soll demgegenüber in dem zweiten Teilnetz 84 eine Gleichspannung von bspw. 400V bereitgestellt werden, sind die Gleichrichter 82a, 82b, 82c und 82d vorzugsweise in Reihe zueinander zu schalten. Die von den Abgriffeinheiten 70a, 70b, 70c und 70d bereitgestellten bzw. bereitzustellenden zweiten Wechselspannungen sind vorzugsweise zueinander phasenversetzt, insbesondere im Falle von hier vier Abgriffeinheiten um π/2 (Pi/2). Dies wird von der Kontrolleinheit 54 entsprechend gesteuert. Aber auch ein zufälliger jeweiliger Abgriff an den jeweiligen elektrischen Abgriffeinheiten 70a, 70b, 70c und 70d realisiert in der Regel automatisch eine ausreichende Phasenverschiebung, um eine möglichst geringe Zahl an Spannungsrippel zu bewirken bzw. um das Auftreten eines Rippelstroms zu vermeiden.
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5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einzelmoduls 520 zur Implementierung in einen Multilevelkonverter wie er bspw. in den 1, 2, 3 und 4 gezeigt ist und/oder in ein Energieversorgungssystem wie es bspw. in den 2, 3 und 4 gezeigt ist. Das Einzelmodul umfasst hier einen elektrischen Energiespeicher 509, zwei erste elektrische Anschlüsse 510 und 511 zum Anschluss an entsprechend mindestens ein weiteres Einzelmodul, eine Mehrzahl an Schaltelementen zum dynamischen Umschalten zwischen einer Mehrzahl an Schaltzuständen zwischen dem Einzelmodul und dem mindestens einen weiteren Einzelmodul und mindestens zwei zweite elektrische Anschlüsse 521 und 522 zum Anschluss mindestens einer elektrischen Abgriffeinheit 523 zum Bereitstellen einer elektrischen Wechselspannung, die von einem hier nicht dargestellten Transformator auf eine ausgehende elektrische Spannung transformiert wird. Hier ist die elektrische Abgriffeinheit 523 integrativer Teil des Einzelmoduls.
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Ferner ist die elektrische Abgriffeinheit 523 als Inverter realisiert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Abgriffeinheit 523 eine Gleichspannung von dem Einzelmodul abgreift. Dabei kann die Abgriffeinheit 523 unmittelbar an die Gleichspannungsquelle 509 des Einzelmoduls angeschlossen bzw. angekoppelt sein oder die Abgriffeinheit 523 ist an Zuleitungen zu der Gleichspannungsquelle 509 angeschlossen und darüber mittelbar mit der Gleichspannungsquelle 509 verbunden.
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Das Einzelmodul umfasst als Schaltelemente vier Transistoren 501, 502, 503 und 504 und zusätzliche Dioden 505, 506, 507 und 508. Alle Schaltelemente können als Transistoren, bspw. als MOSFETs oder auch IGBTs, oder als andere Halbleiterschalter ausgeführt sein.
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Es ist denkbar, dass der hier nicht gezeigte Transformator integrativer Teil des Einzelmoduls ist.
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Darüber hinaus kann das Einzelmodul auch einen dem Transformator nachgeschalteten Gleichrichter umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5093583 A [0003]
- US 20100140003 A1 [0004]
- US 20130106365 A1 [0005]
- US 20140152089 A1 [0006]
- US 20140225432 A1 [0007]
- DE 102015112513 [0068]
