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Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit zwei über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis verbundenen Stromrichtern, beispielsweise mit einem Gleichrichter und einem Wechselrichter.
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Konventionelle Gleichspannungs-Zwischenkreise werden typischerweise als Kondensatorbank realisiert. Diese stellt genügend Kapazität bereit, um die Zwischenkreis-Spannung auch bei Leistungsschwankungen, Stromimpulsen, Verzerrungen und Oberschwingungen innerhalb eines gewissen Rahmens zu halten. Die Ausnutzung der Kondensatoren ist dabei im Regelfall gering, da eine stärkere Aufladung und Entladung der Kondensatoren hohe und im Gleichspannungs-Zwischenkreis unerwünschte Spannungsänderungen mit sich bringen würde.
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Nachteilig ist, dass Kondensatoren hoher Kapazität in einem typischen Stromrichter einen erheblichen Anteil am Gesamtgewicht und an der Gesamtgröße ausmachen können, also mit anderen Worten vergleichsweise klobig sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Umrichter anzugeben, der insbesondere eine gegenüber bekannten Lösungen verringerte Baugröße aufweist. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Umrichter mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Umrichter umfassend zwei über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis verbundene Stromrichter. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis weist einen Gleichspannungs-Wandler für bidirektionalen Energiefluss mit wenigstens einem, insbesondere wenigstens zwei Leistungshalbleitern und einer Steuerung für die Leistungshalbleiter auf. Der Gleichspannungs-Wandler ist mit seinen eingangsseitigen Anschlüssen parallel zu den Stromrichtern geschaltet und an seinen ausgangsseitigen Anschlüssen mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass eine Verbesserung bezüglich der Ausnutzung der Kondensatoren im Gleichspannungs-Zwischenkreis möglich ist, indem die Spannung des Kondensators oder eines anderen elektrischen Speichers von der eigentlichen Zwischenkreis-Spannung entkoppelt wird. Dazu wird der elektrischen Speicher nicht mehr direkt, sondern über einen Gleichspannungs-Wandler parallel zu den Stromrichtern geschaltet. Der Gleichspannungs-Wandler ist dabei zweckmäßig hochdynamisch steuerbar, um Energiefluss in einem Frequenzspektrum zwischen der Netzfrequenz, also beispielsweise 33 1/3 Hz oder 50 Hz oder 60 Hz und einer oberen Grenzfrequenz von beispielsweise 10 kHz oder 50 kHz steuern zu können.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau kann der maximale Spannungshub des elektrischen Energiespeichers vollständig ausgenutzt werden. Der elektrische Energiespeicher kann dadurch in seiner Größe, also beispielsweise Kapazität auf das nötige Minimum begrenzt werden. Der elektrische Energiespeicher kann mit anderen Worten also kleiner ausgelegt werden als bei einem herkömmlichen Gleichspannungs-Zwischenkreis. Daraus folgt eine höhere Leistungsdichte. Vorteilhaft ist das vor allem bei Anwendungen, für geringes Gewicht und geringe Größe entscheidend sind, beispielsweise elektrisch betrieben Flugzeuge.
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Zusätzlich ergeben sich weitere Vorteile dadurch, dass der Gleichspannungs-Wandler in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher auch eine flexible Kompensation von Verzerrungen, Oberschwingungen und Transienten vornehmen kann. Ferner kann der Gleichspannungs-Wandler in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher Impulsleitsung oder Reserveenergie für einmalige oder seltene Vorgänge wie beispielsweise überhöhter Rippelstrom beim Anfahren oder starke Lastsprüngen bereitstellen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit für Reserveenergie stellt eine Überbrückung oder Notversorgung bei Netzausfall oder anderen Fehlern dar, in denen der Gleichspannungs-Wandler in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher kontrolliert Energie liefern kann.
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Der Einsatz des Gleichspannungs-Wandlers in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher als flexibles Filterelement lässt auch eine Auslegung des passiven Netzfilters auf den reinen Nennbetrieb zu, sodass der Gleichspannungs-Wandlers die Filterung aller darüber hinaus gehenden Sonderfälle an Betriebsbedingungen abdecken kann. Das ist besonders vorteilhaft bei unregelmäßigen oder je nach Arbeitspunkt unterschiedlich ausfallenden Oberschwingungsspektren.
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Der Gleichspannungs-Wandler in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher kann vorteilhaft immer im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, im Gegensatz zu beispielsweise LC-Saugkreisen, die ausschließlich für die abgestimmte Frequenz wirken. Diese werden bei einphasig betriebenen Umrichtern teils zusätzlich verwendet und können aufgrund von Abweichungen der Resonanzfrequenz durch Toleranzen und Alterung nur relativ ineffizient ausgelegt werden. Auch bei Umschaltung der Netzfrequenz beispielsweise an Ländergrenzen zwischen 33 1/3 Hz, 50 Hz und 60 Hz wird mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ein effizienter Betrieb ermöglicht.
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Auch im Einsatz bei mehrphasigen Maschinen hat die Erfindung Vorteile: Der Ausfall einer Phase einer solchen Maschine hat zunächst eine Leistungsherabsetzung zur Folge. Wird der Strom der verlorenen Phase auf benachbarte Phasen überlagert, kann das Drehfeld der Maschine wieder zu einem gewissen Grad auf seine ursprüngliche Form verstärkt werden. Hierbei werden dem idealerweise konstanten Leistungsfluss aber Leistungspulsationen überlagert. Vorteilhaft kann der Umrichter solche Leistungspulsationen liefern.
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In ausgedehnten Zwischenkreisen, also beispielsweise wenn Zwischenkreise mehrerer Stromrichter miteinander gekoppelt sind, wird vorteilhaft die die Abstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Felder verringert, wenn im erfindungsgemäßen Stromrichter Oberschwingungen und andere Transienten besser kompensiert werden.
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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 Umrichter noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- - Der elektrische Energiespeicher kann einen Kondensator oder mehrere Kondensatoren umfassen. Der elektrische Energiespeicher kann also insbesondere eine Kondensatorbank sein.
- - Der elektrische Energiespeicher kann eine Induktivität oder einen Schwingkreis umfassen, insbesondere einen LC-Schwingkreis. Hierbei wird die elektrische Energie wenigstens teilweise magnetisch gespeichert. Vorteilhaft kann hierbei der Gleichspannungs-Wandler so betrieben werden, dass die Frequenz des Rippelstroms im Energiespeicher bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises gehalten werden.
- - Jeder der Stromrichter kann ein beispielsweise einphasiger oder dreiphasiger Gleichrichter oder ein beispielsweise einphasiger oder dreiphasiger Wechselrichter sein. Sind der Stromrichter ein dreiphasiger Gleichrichter und ein Wechselrichter, bilden diese zusammen einen typischen dreiphasigen Umrichter. Es ist aber auch möglich, dass der Stromrichter beispielsweise zwei Gleichrichter als Stromrichter umfasst. Einer oder beide der Stromrichter können eine galvanische Entkopplung, also einen Transformator umfassen.
- - Der Gleichspannungs-Wandler kann ausgestaltet sein, zu ermöglichen, den Leistungsfluss des elektrischen Energiespeichers in eine Fehlerstelle zu unterbinden, sodass eine Kurzschluss-Schutzfunktion möglich ist. Damit können Zerstörungsrisiken stark minimiert und Kurzschluss-Ströme besser reguliert werden.
- - Eine Anordnung mehrerer Stromrichter mit gekoppeltem Zwischenkreis kann besonders vorteilhaft realisiert werden, wenn mehreren Kompensations-Einheiten mit Gleichspannungs-Wandler und elektrischem Energiespeicher, insbesondere eine Kompensations-Einheit je Stromrichter, vorgesehen werden. Hierdurch ist es möglich, eine konstruktive Überlagerung von Transienten mehrerer Stromrichter zu kompensieren, die ansonsten zu starken Spannungseinbrüchen an einem regulären Zwischenkreis-Kondensator führen würden. Bei regulären Kondensatorbank-Zwischenkreisen ist nur eine beschränkte Kompensation von besonders starken und/oder höherfrequenten Pendelmomenten möglich, da für eine vollständige Kompensation starke Energieimpulse nötig wären, die bedingt durch die nötige Qualität der Zwischenkreis-Spannung wiederum nur durch eine vergrößerte Zwischenkreis-Kapazität realisiert werden könnten. Durch die Entkopplung des Zwischenkreises vom elektrischen Energiespeicher können diese Energieimpulse aber größer ausfallen, da die sich in erster Linie auf die gespeicherte Energie im elektrischen Energiespeicher auswirken, die Zwischenkreis-Spannung aber durch den Gleichspannungs-Wandler innerhalb ihrer Grenzwerte gehalten werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung wiederum in volumen- oder gewichtskritischen Anwendungen wie elektrisch betriebene Fahrzeuge wie Flugzeuge und Auto. Daneben entstehen Vorteile auch bei Anwendungen, die spezielle Anforderungen im Hinblick auf kurzzeitige Überlast oder kritische Arbeitspunkte besitzen, hochdynamisches Agieren erfordern oder sicherheitskritische Systeme sind. Systeme, die auch bei Teilausfall und resultierenden Nebeneffekten noch funktionieren müssen, können mit dem Gleichspannungs-Wandler in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher als Reserve anders als auf den absolut schlimmsten Fall ausgelegt werden.
- - Die Steuerung kann ausgestaltet sein, Messwerte für die Energiebeladung des elektrischen Energiespeichers aufzunehmen. Hierdurch wird eine genaue Laststeuerung für den elektrischen Energiespeicher ermöglicht. Die Energiebeladung kann beispielsweise die Spannung sein. Ferner kann die Steuerung ausgestaltet sein, Messwerte für die Spannung im Zwischenkreis aufzunehmen. Dadurch wird es möglich, SpannungsSchwankungen direkt und ohne Vorwissen entgegenzuwirken. Für eine genauere Steuerung des Gleichspannungs-Wandler kann auch eine Strommessung im Zwischenkreis vorhanden sein.
- - Die Steuerung kann ausgestaltet sein, Daten für zu erwartende Oberschwingungen und/oder Transienten von den Stromrichtern zu empfangen und für die Steuerung des Gleichspannungs-Wandlers zu verwenden. Hierdurch wird ein besserer Ausgleich von Verzerrungen, also Oberschwingungen und Transienten ermöglicht, vor allem bei hohen Frequenzen, in denen ein Ausgleich als Reaktion auf eine Messung schwierig oder nicht mehr möglich ist. Die Steuerung kann insbesondere ausgestaltet sein, aus den Daten der Stromrichter eine Wellenform für die Spannung im Zwischenkreis zu berechnen. Ferner kann die Steuerung ausgestaltet sein, aus der Wellenform spezifische Frequenzanteile auszufiltern oder nicht zu beachten. Solche Anteile werden also bei der Kompensation nicht berücksichtigt.
- - Der Stromrichter kann einen weiteren Energiespeicher umfassen, der zur Speicherung von Energie in thermischer, mechanischer oder chemischer Form ausgestaltet ist. Beispielsweise kann der weitere Energiespeicher ein Schwungrad sein. Dieser weitere Energiespeicher kann beispielsweise vorteilhaft als Impulsleistungsreserve dienen und beispielsweise bei einer kurzfristigen, aber erheblichen Überlast eingesetzt werden. Ein Beispiel für eine solche Überlast ist das Anlaufen eines Motors, bei dem in einem Zeitraum von wenigen Sekunden die vielfache Belastung für die Stromrichter und damit für den Zwischenkreis auftritt.
- - Der Umrichter kann wenigstens einen zweiten Gleichspannungs-Wandler umfassen, der mit seinen eingangsseitigen Anschlüssen parallel zum Gleichspannungs-Wandler geschaltet ist und an seinen ausgangsseitigen Anschlüssen mit einem zweiten Energiespeicher verbunden ist. Dieser zweite Gleichspannungs-Wandler in Verbindung mit dem zweiten Energiespeicher, also die zweite Kompensations-Einheit kann beispielsweise nahe an einem der Stromrichter angeordnet sein und speziell für die Kompensation von dessen Oberschwingungen und Transienten ausgelegt sein. Es ist auch möglich, dass der Gleichspannungs-Wandler für einen optimalen Betrieb bei einer ersten Frequenz, beispielsweise Netzfrequenz, ausgelegt ist, während der zweite Gleichspannungs-Wandler für einen optimalen Betrieb bei einer höheren Frequenz ausgelegt ist, beispielsweise bei der 6-fachen Netzfrequenz, also beispielsweise 300 Hz oder 360 Hz oder bei einer Schaltfrequenz im kHz-Bereich des Stromrichters, also beispielsweise 8 kHz, 16 kHz oder 30 kHz. Hierdurch wird eine insgesamt effizientere Kompensation erreicht. In einer weiteren Alternative sind die Gleichspannungs-Wandler für einen optimalen Betrieb bei verschiedenen Leistungen ausgelegt.
- - Der Umrichter kann eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Gleichspannungs-Wandler und den Stromrichtern umfassen. Mit dieser Kommunikationsverbindung können Daten ausgetauscht werden. Die Kommunikationsverbindung kann als Bus ausgeführt sein, der auch einen Datenaustausch der Stromrichter untereinander ermöglicht. Mögliche auszutauschende Daten umfassen: Angaben zu vorliegenden Störungen oder Fehlern, beispielsweise Kurzschluss oder Teilausfall, Angaben über die momentan und in naher Zukunft benötigte Leistung, Angaben zum Pulsmuster, insbesondere Angaben, die ein Maß für Verzerrungen und Oberschwingungen sind, Angaben zu etwaiger Unsymmetrie, beispielsweise bei einem Teilausfall und Angaben zur Netzqualität, aus denen Oberschwingungen und Transienten abgeleitet werden können.
- - Der Gleichspannungs-Wandler ist bevorzugt beidseitig unipolar ausgestaltet. Er erlaubt zweckmäßig einen bipolaren Stromfluss. Zweckmäßig ist die Ausgangsspannung, d.h. die Spannung am elektrischen Energiespeicher durch den Gleichspannungs-Wandler in einem weiten Bereich einstellbar, beispielsweise in einem Bereich von 0 V bis 2 kV. Der Gleichspannungs-Wandler ist zweckmäßig in der Lage, die Spannung am elektrischen Energiespeicher mit hoher Dynamik zu variieren.
- - Die Steuerfunktion, d.h. Ausgangsspannung über dem Tastgrad, sollte über den kompletten Bereich der Ausgangsspannung gut steuerbar sein, d.h. es sollten keine großen Änderungen der Ausgangsspannung bei nur geringen Änderungen des Tastgrads auftreten. Außerdem sollten keine extremen Tastgrade auftreten, da diese sehr ineffizient sind und bei hohen Frequenzen teils auch nicht mehr erreichbar sind.
- - Der Gleichspannungs-Wandler umfasst bevorzugt genau zwei Leistungshalbleiter, um Platz zu sparen und die Verluste gering zu halten.
- - Der Gleichspannungs-Wandler kann so gestaltet sein, dass bei einer Zwischenkreis-Spannung, die sich 0 V nähert, die im elektrischen Energiespeicher gehaltene Energie nicht über Dioden in den Zwischenkreis fließen kann, sodass eine Kurzschlussabschaltung realisiert werden kann. Dazu ist es beispielsweise möglich, Leistungshalbleiter, die eine inhärente oder externe Diode besitzen oder benötigen, um einen antiseriellen Schalter zu ergänzen, der eine Sperrfunktion in die entgegengesetzte Stromrichtung ermöglicht.
- - Der Gleichspannungs-Wandler kann beispielsweise ein Synchronwandler sein.
- - Der Gleichspannungs-Wandler kann beispielsweise ein kondensatorgekoppelter Wandler mit zwei Leistungshalbleitern sein wie beispielsweise ein Cuk-, SEPIC- oder Zeta-Wandler oder ein Doppelinverter mit drei Leistungshalbleitern. Diese sind vorteilhaft bei Verwendung für niedrige Leistungen.
- - Der Gleichspannungs-Wandler kann ein isolierter Gleichspannungs-Wandler, beispielsweise ein Sperrwandler sein. Damit kann die Isolation des Energiespeichers vereinfacht werden, was in Mittelspannungs-Anwendungen vorteilhaft ist.
- - In weiteren Alternativen ist der Gleichspannungs-Wandler ein Watkins-Johnson-Wandler (nichtisolierte Variante des „Push-pull current-fed“-Konverters), für hohe Leistungen auch eine Dual-Active Bridge oder ein resonanter Wandler (LLC, LLCC). Es ist möglich, den Gleichspannungs-Wandler kaskadiert aufzubauen, um höhere Übersetzungsfaktoren und eine gute Steuerfunktion und damit eine präzise Vorgabe des Stroms / der Spannung zu erreichen. Beispiele dafür sind ein Doppel-Tiefsetzsteller (Buck2) oder ein kaskadierter Cuk-Wandler.
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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. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild für den Aufbau eines Umrichters mit Gleichspannungs-Wandler und elektrischem Energiespeicher,
- 2 ein elektrisches Schaltbild für den Umrichter,
- 3 zwei Möglichkeiten für den Energietransfer zwischen Zwischenkreis und elektrischen Energiespeicher,
- 4 eine Wellenform für die Spannung des elektrischen Energiespeichers,
- 5 ein Blockschaltbild für die Regelungsstruktur des Gleichspannungs-Wandlers.
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1 zeigt ein Blockschaltbild für einen Umrichter 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Umrichter 100 umfasst einen Gleichrichter 102 und einen Wechselrichter 104. Gleichrichter 102 und Wechselrichter 104 sind mittels zweier Gleichspannungsleitungen 106, 107 miteinander verbunden. Die Gleichspannungsleitungen 106, 107 verbindend ist ein Zwischenkreiskondensator 105 vorgesehen. Dessen Kapazität hängt vom konkreten Aufbau ab, beträgt aber wesentlich weniger, beispielsweise nur ein Zehntel der Kapazität eines Zwischenkreis-Kondensators in bekannten Aufbauten. Parallel zu Gleichrichter 102 und Wechselrichter 104 ist ein Gleichspannungs-Wandler 108 eingangsseitig mit den Gleichspannungsleitungen 106, 107 verbunden. Ausgangsseitig ist der Gleichspannungs-Wandler 108 an einen elektrischen Energiespeicher 110 angeschlossen.
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Der Umrichter 100 umfasst ferner eine Steuerung 112 für die Ansteuerung des Gleichspannungs-Wandlers 108. Die Ansteuerung der Komponenten des Umrichters 100 passiert also in diesem Beispiel separat für den Gleichspannungs-Wandler 108, den Wechselrichter 104 und den Gleichrichte 102. In anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine Gesamtsteuerung vorgesehen sein, die alle nötigen Messwerte und Sollwerte aufnimmt für die Komponenten des Umrichters 100 und alle Komponenten ansteuert.
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Zur Ansteuerung umfasst der Umrichter 100 einen Kommunikationsbus 114, der Gleichrichter 102, Wechselrichter 104 und Gleichspannungs-Wandler 108 miteinander verbindet und den Austausch von Daten zwischen den Geräten ermöglicht. Die Steuerung 112 erhält Daten aus einer ersten Spannungs- oder Strommesseinrichtung 118 am elektrischen Energiespeicher 110 und aus einer zweiten Spannungs- oder Strommesseinrichtung 116 am Zwischenkreis, also den Gleichspannungsleitungen 106, 107.
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Ein elektrisches Schaltbild für eine konkretere Ausgestaltung für den Umrichter 100 ist in 2 dargestellt. Der Gleichrichter 102 ist ein passiver dreiphasiger Brücken-Gleichrichter mit sechs Dioden 202. Anstelle jeder der Dioden 202 kann auch eine Serienschaltung von Dioden 202 verwendet werden. Der Wechselrichter 104 ist als dreiphasiger Wechselrichter mit IGBTs 204 als Ventilen ausgestaltet. Die Außenanschlüsse der Halbbrücken, die Gleichrichter und Wechselrichter 102, 104 bilden, sind zu einem Zwischenkreis aus den zwei Gleichspannungs-Leitungen 106, 107 zusammengeschaltet. Ebenfalls mit den zwei Gleichspannungs-Leitungen 106, 107 zusammengeschaltet ist ein Synchronwandler 208, der als Gleichspannungs-Wandler 108 verwendet wird. Der Synchronwandler 208 umfasst einen Eingangskondensator 2081, der zwischen die Gleichspannungs-Leitungen 106, 107 geschaltet ist. Der Eingangskondensator 2081 ist ein Stütz-Kondensator sehr kleiner Kapazität zur Spannungsstabilisierung. Darauf folgend ist zwischen die Gleichspannungs-Leitungen 106, 107 eine Halbbrücke aus einem ersten und zweiten Leistungshalbleiter 2082, 2083, beispielsweise MOSFETs geschaltet. Zwischen den Mittelanschluss der Halbbrücke und die untere Gleichspannungs-Leitung 107 ist eine Serie aus einer Induktivität 2084 und dem als elektrischen Energiespeicher 110 dienenden Kondensator 210 geschaltet. Die Steuerung 112 ist zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter 2082, 2083 mit deren Gatetreiber verbunden. Weiterhin ist die Steuerung 112 mit der ersten Spannungs-Messeinrichtung 118 parallel zum Kondensator 210 und mit der zweiten Spannungs-Messeinrichtung 116 zwischen den Gleichspannungs-Leitungen 106, 107 verbunden.
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Da der Gleichrichter passiv ist und keine Steuerdaten liefert, kann die Steuerung 112 keine Voraussagen zum Verhalten des Gleichrichters treffen. Es ist aber möglich, dass die Steuerung 112 Steuerdaten vom Wechselrichter 104 erhält und aus diesen eigene Steuerdaten ableitet. Daneben nimmt die Steuerung 112 die Messdaten zu den Spannungswerten von den Spannungs-Messeinrichtungen 116, 118 auf und bestimmt aus diesen und allen vorhandenen Daten von Gleichrichter und Wechselrichter 102, 104 das nötige Steuerverhalten für den Gleichspannungs-Wandler 108, also hier den Synchronwandler 208 und speziell darin die Leistungshalbleiter 2082, 2083.
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3 zeigt zwei Möglichkeiten für den Energietransfer zwischen dem Zwischenkreis und dem elektrischem Speicher 110. 3 zeigt für beide Möglichkeiten einen Ausschnitt aus dem Spannungsverlauf im Zwischenkreis des Umrichters 100, wobei der Ausschnitt einer vollen Periode eines fiktiven Rippelstroms 402 entspricht. Dieser Rippelstrom 402 ist dabei idealisiert und entspricht einer einzelnen Frequenz und weist selbst keine Oberschwingungen oder Transienten auf. Es wird davon ausgegangen, dass die Steuerung 112 in der Lage ist, in einer Zeit, die wesentlich kleiner ist als die dargestellte Periodendauer, auf die Form des Rippelstroms 402 zu reagieren und den Gleichspannungs-Wandler 300 anzusteuern. Dafür kann die Frequenz des Rippelstroms 402 niedrig genug sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Steuerung 112 bereits vorab Informationen über die Form des Rippelstroms 402 hat, beispielsweise durch Datenaustausch mit dem Gleichrichter 102 oder dem Wechselrichter 104.
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Die Steuerung 112 steuert den Gleichspannungs-Wandler 108 innerhalb der Periode so an, dass ein gleichbleibender Anteil des Rippelstroms 402 in den oder aus dem elektrischen Energiespeicher 110 laufen kann. Der Anteil kann von der Steuerung 112 gewählt werden und beträgt gemäß 3 80%. Der Spannungsverlauf 404, der 80% des Rippelstroms 402 entspricht, ist in 3 zusätzlich dargestellt. Im Zwischenkreis verbleibt dadurch ein kleinerer Rippelstrom 406 von nur 20% des Rippelstroms 402. Die Spannung im Zwischenkreis wird also geglättet und der größere Teil der Spannungsschwankungen wird im elektrischen Energiespeicher 110 gepuffert.
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Da die Steuerung 112 den Gleichspannungs-Wandler 108 auch anders ansteuern kann als zur bloßen konstanten Aufteilung des Rippelstroms 402, gibt es auch die zweite Möglichkeit zum Betrieb gemäß 3. Der angenommene Rippelstrom 402 ist hier derselbe. Die Aufteilung, die durch den Gleichspannungs-Wandler 108 vorgenommen wird, ist aber verändert. Hier sorgt die Steuerung 112 dafür, dass eine Spannungs-Obergrenze und eine Spannungs-Untergrenze nicht überschritten bzw. unterschritten werden. Mit anderen Worten wird die Spannung zwischen diesen Grenzen gehalten. Ist die Spannung des Rippelstroms 402 von selbst innerhalb dieser Schwellen, was nahe 0, pi und 2 * pi der Fall ist, greift der Gleichspannungs-Wandler 108 nicht ein und der Zwischenkreis-Rippelstrom 404 entspricht dem Rippelstrom 402. In den Zeiten, in denen die Spannung über die Schwellwerte hinauswächst, sorgt die Steuerung 112 über den Gleichspannungs-Wandler 108 dafür, dass die Spannung des Zwischenkreis-Rippelstroms 406 bei den Schwellwerten bleibt und der verbleibende Anteil wird im elektrischen Energiespeicher 110 gepuffert. Bei dieser Form der Ansteuerung des Gleichspannungs-Wandlers 108 ist die mit dem elektrischen Energiespeicher 110 ausgetauschte Energiemenge reduziert gegenüber der ersten Möglichkeit gemäß 3. Die rein sinusförmigen Spannungsverläufe der ersten Möglichkeit entsprechen dafür geringeren Oberwellen und sind in Bezug auf die Abstrahlung besser.
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4 zeigt eine beispielhafte Wellenform für die Spannung Ues für den elektrischen Energiespeicher 110. Die Wellenform kann beispielsweise aus der ersten Möglichkeit der Steuerungsmodi aus 4 entstehen, bei der ein fester Anteil des Rippelstroms 402 in den elektrischen Energiespeicher 110 gelangt. Die Wellenform ist in 4 in Beziehung gesetzt zum maximalen Spannungshub, der mit dem elektrischen Energiespeicher 110 realisierbar ist und in 4 als „100%“ markiert ist. Die Spannung variiert zwischen 25 % und 75 % der maximalen Spannung. Der maximal mögliche Spannungshub ist also nicht ausgenutzt. Daher besteht hier eine Pulsleistungsreserve. Wird für kurze Zeit ein erhöhter Eintrag von Energie in den Zwischenkreis oder ein verringerter Eintrag von Energie nötig, kann dieser ohne zusätzliche Geräte direkt aus dem elektrischen Energiespeicher 110 bewirkt werden. Bei einem erhöhten Eintrag von Energie in den Zwischenkreis wird der elektrischen Energiespeicher 110 über das normale Maß hinaus entladen. Der Kondensator 210 würde beispielsweise bis zu einer Spannung von 0 V entladen. Es ist auch möglich, den elektrischen Energiespeicher 110 bis weniger als 0 V zu belasten.
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Diese Pulsleistung kann beispielsweise bei schlagartigen Drehzahl- oder Laständerungen wie Maschinenanlauf oder Lastmomentsprünge unterstützend wirken, sodass der Gleichrichter 102 nicht so hochdynamischen Strom liefern muss und der aus dem Netz gezogene Strom gleichmäßiger wird. Auch kann der zum Gleichrichter 102 zugehörige Netzfilter einfacher ausfallen. Besitzt die Steuerung 112 Vorabinformation über eine künftig benötigte Pulsleistung, kann der elektrische Energiespeicher 110 vorausschauend bis an das obere/untere Maximum aufgeladen werden, um eine größere Pulsenergie bereitstellen oder aufnehmen zu können. Dadurch wird eine Verbesserung der erreichbaren Pulsleistung um etwa Faktor 2 erreicht. Nach verbrauchter Pulsleistung sollte der elektrische Energiespeicher 110 wieder auf den Mittelwert geregelt werden, beispielsweise durch eine Schalthandlung oder eine Laständerung.
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5 zeigt ein Blockschaltbild für die Regelungsstruktur 602 des Gleichspannungs-Wandlers 108 durch die Steuerung 112. Dabei werden Vorgabewerte 604 im Sinne von Steuerwerten, die nicht der Regelung unterliegen, an einen Mittelwert-Regler 606 weitergegeben, beispielsweise eine Pulsleistungsvorgabe. Der Mittelwert-Regler 606 hält die mittlere Energie oder Spannung des elektrischen Energiespeichers 110 mit einer Zeitkonstante im ms-Bereich auf dem Sollniveau aus den Vorgabewerten 604. Der Kompensationsregler 608 adressiert die Kompensation der hochfrequenten Stromformen des Zwischenkreises. Das Ergebnis der Regler 606, 608 wird als Steuerbefehle an den Gleichspannungs-Wandler 108 weitergegeben. Im Umrichter 100 gemäß 2 werden Schaltbefehle für die Leistungshalbleiter 2082, 2083 ermittelt, die an deren Gatetreiber gegeben werden. Das Ein- und Ausschaltverhalten der Leistungshalbleiter 2082, 2083 steuert die Ladung des Kondensators 210 und damit den Leistungsfluss zwischen dem Kondensator 210 und dem Zwischenkreis. Im Idealfall fließen damit die Wechselanteile 124 und 126 der Leistung zwischen dem Gleichrichter 102 und dem elektrischen Energiespeicher 110 und zwischen dem Wechselrichter 104 und dem elektrischen Energiespeicher 110, aber weitgehend Gleichanteile 122 der Leistung zwischen dem Gleichrichter 102 und dem Wechselrichter 104.
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Eine serielle Anordnung der Regler 606, 608, wie in 5 gezeigt ist zweckmäßig, da die Vorgabe des zeitlichen Mittelwerts für Kondensatorspannung oder Energie die maximale Aussteuerung der hochfrequenten Kompensation beeinflusst. Soll der zeitliche Mittelwert beispielsweise sehr hoch sein, darf die Kompensation der Oberschwingungen keine hohen Überspannungen mehr produzieren, da sonst die Spannungsfestigkeit des Kondensators überschritten werden kann. Andererseits erfordert die Kompensationsregelung typischerweise eine gewisse garantierte Aussteuerungsfähigkeit 610, um die Kompensation von gewissen Signalen sicherstellen zu können - was im Umkehrschluss die Flexiblität der Mittelwert-Variation einschränkt. Diese Aussteuerungsfähigkeit 610 könnte berechnet werden und muss an den Mittelwert-Regler weitergereicht werden. Alternativ können die beiden Regler 606, 608 auch parallel statt seriell/unterlagert angeordnet sein.
