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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, wobei die Zweigdrossel ein Leiterstück mit einem metallischen Leiter aufweist.
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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, wobei die Zweigdrossel ein Leiterstück mit einem metallischen Leiter aufweist. Das Leiterstück weist einen den Leiter ummantelnden zweiten Leiter auf, wobei der zweite Leiter eine höhere spezifische Leitfähigkeit aufweist als der Leiter.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass durch die Verwendung von zwei Materialien das Leiterstück bezüglich des Widerstandsbelages auf Gewicht und Größe optimiert wird.
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Der Kern des Leiterstücks in Form des Leiters führt dabei 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.
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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 eine Steuerungseinrichtung umfassen, die ausgestaltet ist, Schaltungen in den Wandlermodulen so vorzunehmen, dass die für die Zweigdrossel wirksamen Schalthandlungen eine Frequenz von wenigsten 50 kHz, insbesondere wenigstens 100 kHz und in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wenigstens 200 kHz haben. Eine Frequenz der Schalthandlungen von 200 kHz kann beispielsweise bei 10 Wandlermodulen dadurch erzeugt werden, dass jedes der Wandlermodule mit einer Frequenz von 20 kHz schaltet und die Schaltzeitpunkte der Wandlermodule untereinander versetzt sind. Es ist also vorteilhaft, wenn die Wandlermodule mit versetzter Taktung geschaltet werden. Hierdurch wird erreicht, dass sich der Strom in der Zweigdrossel durch die hohe Frequenz in Verbindung mit dem Skin-Effekt besonders stark auf den Außenbereich des Leiterstücks und somit auf den zweiten Leiter konzentriert. Durch seine spezifische Leitfähigkeit werden dadurch weniger Verluste bewirkt als bei einem Stromfluss im gesamten Querschnitt des Leiterstücks. Weiterhin kann dadurch eine Gewichtseinsparung erzielt werden, indem der Querschnitt des Leiterstücks an den verringerten Stromfluss im Inneren des Leiters angepasst wird.
- - Der modulare Mehrpegelenergiewandler kann auch mehrere Wandlerschaltungen aufweisen. Dadurch wird beispielsweise ein Aufbau für mehrere Phasen realisiert.
- - 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
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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 beispielsweise 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 beispielsweise 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 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 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.
- - Der rohrförmige Leiter 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 bevorzugt 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 modularen Mehrpegelenergiewandler,
- 2 eine Ansicht einer Zweigdrossel,
- 3 und 4 Querschnitte durch ein Leiterstück der Zweigdrossel,
- 5 und 6 Oberflächenstrukturierungen für eine Oberfläche des Leiterstücks.
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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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2 zeigt eine Ansicht einer beispielhaften Zweigdrossel 14. Die Zweigdrossel 14 umfasst einen Ferrit-Kern 141, der in diesem Beispiel zylindrisch ausgebildet ist. Um den Kern 141 herum ist ein elektrischer Leiter 142 gewickelt.
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Der elektrische Leiter 142 umfasst zumindest im Bereich der Wicklung ein Leiterstück 20, das einen für die Anwendung in einem modularen Mehrpegelenergiewandler optimierten Aufbau aufweist. Der Aufbau ist speziell gestaltet für das Vorhandensein von Stromkomponenten im DC-Bereich, Stromkomponenten mit Frequenzen im Bereich von einigen kHz und Stromkomponenten mit Frequenzen im Bereich von mehr als 100 kHz. Alle diese Stromkomponenten sind dabei in erheblicher Amplitude vorhanden, sodass die auftretenden Verluste nicht vernachlässigbar sind.
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Ein möglicher vorteilhafter Querschnitt für das Leiterstück 20 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.
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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.
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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 durch eine Strukturierung der inneren Oberfläche gemäß der 5 zu erreichen. Hierbei weist die innere Oberfläche Kühlrippen 24 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.
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Eine komplexere Form der Oberflächenstrukturierung ist in 6 ausschnittsweise gezeigt. In diesem Fall weisen die Kühlrippen 25 eine weitere Oberflächenstruktur auf, die für eine weitere Vergrößerung der Oberfläche sorgt.
