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Die Erfindung betrifft einen modularen Mehrpegelenergiewandler mit wenigstens einer Wandlerschaltung, die an einem ersten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossen ist, mehrere in Reihe geschaltete Wandlermodule umfasst, einen mit einem zweiten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers gekoppelten Mittelanschluss bereitstellt und eine Zweigdrossel umfasst.
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Modulare Mehrpegelenergiewandler (auch bekannt als modulare Multilevel-Umrichter, MMC oder M2C) sind eine verhältnismäßig neue Form von Stromrichter. Durch ihre Wandlermodule, von denen der Mehrpegelenergiewandler typischerweise eine Vielzahl umfasst, arbeiten sie mit einer hohen Zahl von Spannungspegeln. Der Aufwand für die Filterung der erzeugten Spannung ist dadurch stark gesenkt.
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Die Filterelemente wie beispielsweise Induktivitäten können einen erheblichen Teil des Gewichts eines Stromrichters ausmachen. Eines von vielen Einsatzgebieten von modularen Mehrpegelenergiewandlern ist als Antriebsumrichter in teilweise oder vollständig elektrisch betriebenen Flugzeugen. Hier arbeitet der Mehrpegelenergiewandler beispielsweise als Wechselrichter zwischen der Batterie und einem der Elektromotoren im Flugzeug.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, einen verbesserten, insbesondere einen gewichtsoptimierten modularen Mehrpegelenergiewandler insbesondere für die Anwendung in wenigstens teilweise elektrisch betriebenen Flugzeugen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen modularen Mehrpegelenergiewandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße modulare Mehrpegelenergiewandler weist eine Wandlerschaltung auf. Die Wandlerschaltung ist an einem ersten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers angeschlossen. Sie umfasst weiterhin mehrere in Reihe geschaltete Wandlermodule. Ferner stellt sie einen mit einem zweiten Anschluss des Mehrpegelenergiewandlers gekoppelten Mittelanschluss bereit. Schließlich umfasst die Wandlerschaltung eine Zweigdrossel.
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Der modulare Mehrpegelenergiewandler umfasst eine Steuerungseinrichtung, die ausgestaltet ist, Schaltungen in den Wandlermodulen so vorzunehmen, dass die für die Zweigdrossel wirksamen Schalthandlungen eine Frequenz von wenigstens 50 kHz haben. Die Zweigdrossel ist als Luftspule ausgestaltet.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass bei Verwendung des modularen Mehrpegelenergiewandlers bei hohen Schaltfrequenzen der benötigte Wert für die Induktivität der Zweigdrossel abgesenkt ist. Dadurch wird es möglich, die Zweigdrossel ohne einen Eisen- oder Ferritkern aufzubauen als sog. Luftspule. Diese ist erheblich leichter als eine gewöhnliche Spule mit Kern. Dieser Aufbau ist besonders vorteilhaft in Anwendungen wie dem elektrischen Fliegen, bei denen das Gewicht des Stromrichters eine entscheidende Größe ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Mehrpegelenergiewandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- - Der modulare Mehrpegelenergiewandler kann auch mehrere Wandlerschaltungen aufweisen. Dadurch werden mehrphasige Aufbauten realisiert.
- - Die Zweigdrossel kann als verkoppelte Induktivität gestaltet sein. Hierbei ist die Induktivität geteilt in eine erste und zweite Teilinduktivität. Die Wandlerschaltung wird durch den Mittelanschluss in einen ersten Arm und einen zweiten Arm geteilt. Die erste Teilinduktivität ist im ersten Arm angeordnet und typischerweise direkt mit dem Mittelanschluss verbunden. Die zweite Teilinduktivität ist im zweiten Arm angeordnet und typischerweise direkt mit dem Mittelanschluss verbunden. Die erste und zweite Teilinduktivität sind dabei so zueinander angeordnet, dass sich ihr magnetischer Fluss aus dem Motorstrom für gleiche Stromanteile im ersten und zweiten Arm teilweise aufhebt.
- - Dazu kann die Zweigdrossel nach Art einer Doppelhelix aufgebaut sein. Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauform erreicht. Ein erster und zweiter Leiter, die die erste und zweite Teilinduktivität darstellen, sind dazu nebeneinander laufend aufgewickelt zu einer Spule.
- - Der elektrische Leiter der Zweigdrossel kann ein Leiterstück mit einem metallischen Leiter umfassen, wobei das Leiterstück einen den Leiter ummantelnden zweiten Leiter aufweist, wobei der zweite Leiter eine höhere spezifische Leitfähigkeit als der Leiter aufweist. Dadurch kann das Leiterstück bezüglich des Widerstandsbelages auf Gewicht und Größe optimiert werden. Der Kern des Leiterstücks in Form des Leiters führt den größten Teil des Gleichstromanteils und die Wechselstromanteile mit niedriger Frequenz. Der zweite Leiter, der den Leiter ummantelt, führt die Wechselstromanteile mit hoher Frequenz. Durch die höhere spezifische Leitfähigkeit des zweiten Leiters werden die im gesamten Leiterstück auftretenden Verluste gegenüber einer Lösung mit nur einem Material verringert, wobei ein übermäßig großer Querschnitt des Leiterstücks vermieden wird.
- - Der zweite Leiter kann Kupfer aufweisen. Insbesondere kann der zweite Leiter im Wesentlichen aus Kupfer bestehen. Kupfer weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und eignet sich daher besonders gut, um die elektrischen Verluste von hochfrequenten Anteilen des Stroms zu verringern, da bedingt durch Skin- und Proximity-Effekt gerade der zweite Leiter die hochfrequenten Stromanteile trägt.
- - Die Dicke des zweiten Leiters beträgt bevorzugt zwischen 100 µm und 1000 µm, insbesondere zwischen 300 µm und 600 µm. In einer besonderen Ausgestaltung beträgt die Dicke des zweiten Leiters zwischen 450 und 550 µm. Die Dicke des zweiten Leiters bezeichnet die Wandstärke des zweiten Leiters. Eine Dicke im Bereich von 500 µm entspricht etwa der zweifachen Eindringtiefe des Stroms bei einer Frequenz von 60 kHz und ist somit ausreichend, um diesen Stromanteil verlustarm zu führen.
- - Der Leiter umfasst bevorzugt Aluminium. Insbesondere besteht der Leiter im Wesentlichen aus Aluminium.
- - Der Leiter kann stangenförmig sein. Mit anderen Worten ist der Leiter als Vollmaterial-Leiter ausgebildet, also nicht als Rohr. In diesem Fall ist der für Stromanteile mit geringer Frequenz zur Verfügung stehende Querschnitt besonders groß und der Durchmesser des Leiters kann geringstmöglich gewählt werden. Es versteht sich, dass zum Aufbau der Zweigdrossel der Leiter spiralförmig gewunden ist.
- - Alternativ kann der Leiter rohrförmig ausgebildet sein. Hierdurch wird die Entwärmung der Zweigdrossel begünstigt, da der Leiter im Inneren ein Kühlfluid leiten kann. Im einfachsten Fall kann das Kühlfluid Luft sein, aber auch andere Medien wie Kühlwasser können verwendet werden. Es versteht sich, dass zum Aufbau der Zweigdrossel der Leiter spiralförmig gewunden ist.
- - Die Wandstärke des rohrförmigen Leiters beträgt bevorzugt zwischen 3 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 4,3 mm und 4,7 mm. Eine Dicke im Bereich von 4,5 mm entspricht etwa der zweifachen Eindringtiefe des Stroms bei einer Frequenz von 1,5 kHz und ist somit ausreichend, um diesen Stromanteil verlustarm zu führen. Zusätzlich reicht der dadurch entstehende Gesamtquerschnitt der Leiterfläche auch für das Führen des DC-Stroms.
- - Der erste Leiter kann an seiner Innenseite eine Strukturierung zur Erhöhung der Oberfläche aufweisen. Dadurch wird die Entwärmung der Zweigdrossel in besonderer Weise begünstigt. Die Strukturierung kann beispielsweise in Flussrichtung laufende Rillen umfassen. Diese erhöhen vorteilhaft die Wärmeabfuhr an ein Kühlmedium im Leiter. Die Rillen können eine weitere Oberflächenstrukturierung zur Vergrößerung der Oberfläche umfassen. Beispielsweise kann die Oberfläche der Rillen mit wellenartigen Erhebungen versehen sein. Dadurch wird die erreichbare Kühlleistung nochmal verbessert.
- - Das innere des rohrförmigen Leiters kann offenporig oder aus einem Metallschaum gebildet sein. Hierdurch wird ebenfalls eine hohe Oberfläche erreicht, was wiederum für eine gute Wärmeabfuhr sorgt.
- - Der Leiter und der zweite Leiter stehen zweckmäßig in direktem mechanischen und damit auch elektrischen Kontakt.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Schaltbildansicht einen modularer Mehrpegelenergiewandler,
- 2 eine Ansicht einer verkoppelten Luftspule als Zweigdrossel und
- 3 und 4 Querschnitte durch ein Leiterstück der Zweigdrossel.
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1 zeigt stark schematisiert den Aufbau eines modularen Mehrpegelenergiewandlers 10 in einem einphasigen Aufbau. Der Mehrpegelenergiewandler 10 umfasst einen ersten Anschluss 11, an dem beispielsweise eine Gleichspannung aus einem Zwischenkreis angeschlossen sein kann. Parallel zu diesem Zwischenkreis ist im Mehrpegelenergiewandler 10 eine Wandlerschaltung 12 angeordnet. In einem mehrphasigen Aufbau für den Mehrpegelenergiewandler 10 sind beispielsweise zwei weitere solche Wandlerschaltungen 12 parallel zueinander vorhanden.
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Die Wandlerschaltung 12 umfasst eine Serienschaltung aus einer Mehrzahl von Wandlermodulen 13, die üblicherweise mittig durch eine in Serie zu den Wandlermodulen 13 geschaltete Zweigdrossel 14 unterbrochen wird. Die Zweigdrossel 14 weist einen Mittelabgriff auf, der mit einem Mittelanschluss 15 verbunden ist. Der Mittelanschluss 15 bildet einen der Ausgangsanschlüsse, der beispielsweise ein Wechselspannungsausgang ist.
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Die Wandlermodule 13 umfassen jeweils wenigstens einen Energiespeicher, typischerweise in Form eines Kondensators sowie ein Schaltnetzwerk, das den Energiespeicher überbrücken oder seriell zuschalten kann. Über die wechselnde Zuschaltung und Überbrückung der Energiespeicher wird das Spannungsniveau für die Ausgangsspannung gesteuert. Aus der Einstellung des Spannungsniveaus mittels der Vielzahl von Wandlermodulen 13 und der Notwendigkeit, den Ladezustand der Energiespeicher zu regulieren, ergeben sich vielerlei Schalthandlungen, die insgesamt Stromkomponenten in einem weiten Frequenzbereich ergeben.
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Durch eine in 1 nicht gezeigte Steuerung werden die Wandlermodule 13 des modularen Mehrpegelenergiewandlers 10 derart angesteuert, dass jedes der Wandlermodule 13 mit einer Frequenz von 25 kHz schaltet. Es wird für dieses Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, dass die Wandlerschaltung 20 einzelne Wandlermodule 13 umfasst. Diese teilen sich in den unteren und oberen Arm der Wandlerschaltung 12 auf. Die Steuerung ist so gestaltet, dass die Wandlermodule 13 des oberen Arms zueinander versetzt getaktet werden, sodass sich letztlich eine Frequenz für die Schalthandlungen im oberen Arm von 250 kHz ergibt. Eine analoge Ansteuerung wird für den unteren Arm vorgenommen.
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Einen vorteilhaften Aufbau der Zweigdrossel 14 zeigt 2. Die Zweigdrossel 14 ist als Luftspule aufgebaut, also ohne einen Ferrit- oder Eisenkern. Dieser Aufbau wird durch die hohen anliegenden Schaltfrequenzen von 250 kHz und die dadurch bedingte hohe Frequenz der Störanteile des Stromflusses ermöglicht. Diese hohe Frequenz erlaubt es, für die Zweigdrossel 14 eine im Verhältnis zu bekannten Umrichtern geringe Induktivität festzulegen. Es wird also eine deutliche Einsparung beim Gewicht der Zweigdrossel 14 erreicht.
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Die Zweigdrossel 14 ist im vorliegenden Beispiel als verkoppelte Induktivität ausgeführt. Hierbei ist die Zweigdrossel 14 geteilt in eine erste und zweite Teilinduktivität 141 und 142. Die Wandlerschaltung 12 wird durch den Mittelanschluss 15 in einen ersten Arm und einen zweiten Arm geteilt. Die erste Teilinduktivität 141 ist im ersten Arm angeordnet und typischerweise direkt mit dem Mittelanschluss 15 verbunden. Die zweite Teilinduktivität 142 ist im zweiten Arm angeordnet und typischerweise direkt mit dem Mittelanschluss 15 verbunden. Die erste und zweite Teilinduktivität 141, 142 sind dabei so zueinander angeordnet, dass sich ihr magnetischer Fluss für gleiche Stromanteile im ersten und zweiten Arm teilweise aufhebt.
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In der konkreten Ausführung werden die elektrischen Leiter 143, 144 für die erste Teilinduktivität 141 und die zweite Teilinduktivität 142 nebeneinander geführt und zu einer Spule gewickelt. Bei passender Polarität des Anschlusses ergibt sich eine verkoppelte Induktivität für de Zweigdrossel 14.
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Ein möglicher vorteilhafter Querschnitt für ein Leiterstück 20 der Zweigdrossel 14 ist in 3 schematisch gezeigt. Das Leiterstück 20 umfasst einen inneren Leiter 21 aus Aluminium, der in diesem Beispiel aus Vollmaterial gefertigt ist, beispielsweise durch Strangpressen. Der innere Leiter 21 ist umgeben von einem äußeren Leiter 22. Der äußere Leiter 22 steht dabei in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt mit dem inneren Leiter 21. Der äußere Leiter 22 besteht aus Kupfer und ist beispielsweise durch Aufsprühen gefertigt.
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Die Dicke des äußeren Leiters 22, also der Kupferschicht, richtet sich nach dem Hochfrequenz-Rippel, der von der Schaltfrequenz des modularen Mehrpegelenergiewandlers abhängig ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn zur Materialeinsparung die Dicke des äußeren Leiters 22 das Doppelte der Eindringtiefe der betrachteten Stromkomponente nicht überschreitet. Für die Anwendung beispielsweise in einem elektrisch betriebenen Flugzeug mit Schaltfrequenzen von beispielsweise 60 kHz beträgt die Eindringtiefe ca. 270 µm. Als Dicke des äußeren Leiters 22 kann daher beispielsweise ein Wert zwischen 300 µm und 600 µm gewählt werden. In der Abwägung zwischen Materialverbrauch und Leitungsverlusten ist eine Dicke zwischen 450 µm und 550 µm besonders geeignet, beispielsweise 500 µm.
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Die Dicke des inneren Leiters 21, also des Aluminiumstabes bestimmt sich analog aus der Drehfeldfrequenz des modularen Mehrpegelenergiewandlers, die in der vorgenannten Anwendung beispielsweise bei 1,5 kHz liegt. Hieraus ergibt sich für Aluminium eine Eindringtiefe von ca. 2,2 mm. Als Radius des inneren Leiters 21 kann daher vorteilhaft ein Wert zwischen 3 mm und 5 mm verwendet werden, beispielsweise 4,5 mm. Die auftretende DC-Komponente des Stroms liegt in der Größenordnung von 30% des Stromes mit Drehfeldfrequenz und ist durch die Verwendung der in etwa doppelten Eindringtiefe in Aluminium also bereits berücksichtigt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Leiterstück 20 ist in 4 anhand des Querschnitts durch das Leiterstück 20 dargestellt. Hierbei handelt es sich bei dem inneren Leiter 21 im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 um ein Rohr, das vom äußeren Leiter 22 ummantelt ist. Mit anderen Worten weist der innere Leiter 21 in seinem Inneren einen Hohlraum 23 auf. In dieser Ausgestaltung richten sich die Dicken von innerem und äußerem Leiter 21, 22 ebenfalls nach den Eindringtiefen, wodurch dieselben Werte wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft kann bei der Ausführung nach 4 der Außendurchmesser des Leiterstücks 20 angepasst werden, um den Anforderungen aus dem zu führenden Strom sowie den vorliegenden Kühlbedingungen, d.h. zulässige Materialtemperatur, Kühlmedium, Vorlauftemperatur und Durchflussmenge, zu genügen. Da die Wandstärken der Leiter 21, 22 durch die Eindringtiefen festgelegt sind, führt eine Änderung des Außendurchmessers zu einer Veränderung der Materialmenge an Aluminium und Kupfer, die pro Länge des Leiterstücks 20 verwendet werden. Dadurch sinkt der Widerstand des Leiterstücks 20 pro Längeneinheit, was zu geringeren Verlusten führt. Gleichzeitig steigt die innere und äußere Oberfläche der Leiter 21, 22, was zu einer besseren Entwärmung führt. Hierdurch kann ein Optimum zwischen Materialbedarf und Entwärmung gefunden werden. Dabei wird vorteilhaft kein Material, beispielsweise Aluminium, für den inneren Leiter aufgebracht, das aufgrund der Eindringtiefen nur wenig zur Stromführung beitragen würde, wodurch Gewicht und Kosten eingespart werden.
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Eine Verbesserung der Eigenschaften des inneren Leiters 21 bezüglich der Entwärmung ist beispielsweise durch eine Strukturierung der inneren Oberfläche zu erreichen. Hierbei weist die innere Oberfläche Kühlrippen auf, die die Oberfläche deutlich vergrößern und dadurch die Wärmeabgabe an ein Medium in inneren des inneren Leiters 21 verbessern. Eine Verbesserung der Eigenschaften der Entwärmung führt dazu, dass ein geringerer Außendurchmesser für das Leiterstück 20 gewählt werden kann, was zu Materialeinsparung bei den Leitern 21, 22 und damit zu Kosten- und vor allem Gewichtsreduzierung führt. In einer komplexeren Gestaltung der Oberflächenstrukturierung können die Kühlrippen eine weitere Oberflächenstruktur aufweisen, die für eine weitere Vergrößerung der Oberfläche sorgt.
