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Die Erfindung betrifft eine Gleichrichteranordnung
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Die
US 2015 / 0 061 606 A1 zeigt einen Gleichrichter für Generatoren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und einer Mehrzahl von passiven Gleichrichtern, welche in Reihe geschaltet sind.
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Die
US 5 952 812 A zeigt eine Induktivität oder Spule, die parallel zu Eingangsanschlüssen eines Gleichrichters geschaltet ist.
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Die
US 2010 / 0 220 501 A1 zeigt einen Gleichrichter, welcher ausgangsseitig mit zwei parallel verschalteten Wechselrichtern verbunden ist, welche Wechselrichter jeweils einen zugehörigen Transformator speisen.
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Die
EP 2 567 857 A1 zeigt eine Verschaltung aller Phasen eines Spannungswandlers durch einen Schaltmechanismus.
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Die
EP 0 660 498 A2 zeigt einen Vienna-Gleichrichter und dessen Funktionsweise.
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Die Veröffentlichung IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, vol. 30, issue 7, Seiten 3662-3673, A Single-Phase Rectifier Having Two Independent Voltage Outputs With Reduced Fundamental Frequency Voltage Ripples, Wen-Long Ming, Qing-Chang Zhong zeigt einen Einphasen-Gleichrichter mit zwei unabhängigen Spannungsausgängen und verminderter Spannungsschwankung bei der fundamentalen Frequenz.
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Die Veröffentlichung IECON 2006 - 32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics, 2006, Conference Paper, Publisher: IEEE, Four-Wire Unidirectional Three-Phase/Level/Switch (VIENNA) Rectifier, Jarno Alahuhtala, Heikki Tuusa zeigt einen in eine Richtung verwendbaren DreiPhasen-Gleichrichter.
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Die IEEE-Veröffentlichung 2017 8th Power Electronics, Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), Interlinking converters in application of bipolar dc microgrids, Saman Dadjo Tavakoli, Gholamreza Kadkhodaei, Mohammad Mahdavyfakhr, Mohsen Hamzeh, Keyhan Sheshyekani beschreibt zwei Umrichter-Topologien einschließlich eines Vienna-Gleichrichters für ein bipolare DC Microgrid.
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Die IEEE-Veröffentlichung 13th European Conference on Power Electronics and Applications, Double Boost Effect Topology for three-phase AC/DC Converter with Unity Power Factor, J.C. Le Claire, Jahr 2009, offenbart eine Gleichrichteranordnung mit nur einem Vienna-Gleichrichter Brückenzweig je Phase mit jeweils einer Drossel zu beiden Seiten. Für beide Netzspannungspolaritäten gibt es jeweils zwei Freilaufpfade. In den Freilaufpfaden werden obere und untere Zwischenkreiskondensatoren geladen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Gleichrichteranordnung, die einen geringen Rippelstrom aufweist, und ein neues Fahrzeug mit einer solchen Gleichrichteranordnung bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Eine Gleichrichteranordnung zur Gleichrichtung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung weist mindestens einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Zwischenkreis auf. Der Zwischenkreis weist eine erste Leitung, eine zweite Leitung und mindestens einen Kondensator zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung auf. Der mindestens eine erste Anschluss ist über eine zugeordnete Schaltungsanordnung mit einem Sternpunkt verbunden, und der zweite Anschluss ist ebenfalls mit dem Sternpunkt verbunden. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig auf, welcher zweite Zweig parallel zum ersten Zweig verschaltet ist, welcher erste Zweig und zweite Zweig jeweils eine Umschaltanordnung und eine mit der Umschaltanordnung in Reihe geschaltete Spule aufweisen, welche Spule im ersten Zweig auf der vom Sternpunkt abgewandten Seite der Umschaltanordnung vorgesehen ist, und welche Spule im zweiten Zweig auf der dem Sternpunkt zugewandten Seite der Umschaltanordnung vorgesehen ist, welche Umschaltanordnungen jeweils mindestens einen steuerbaren Schalter aufweisen und einen Stromfluss zwischen dem zugeordneten Zweig und dem Zwischenkreis ermöglichen, wobei in einem ersten Zustand Z1 des mindestens einen steuerbaren Schalters ein Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss und dem Sternpunkt über die Umschaltanordnung unterbunden ist, und wobei in einem zweiten Zustand Z2 des mindestens einen steuerbaren Schalters ein Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss und dem Sternpunkt über die Umschaltanordnung möglich ist.
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Durch die beiden zueinander bezüglich der Anordnung der Spule inversen Zweige entstehen neue Möglichkeiten, da über einen der ersten Anschlüsse bei einer vorgegebenen Halbwelle der Zwischenkreis sowohl oben als auch unten bestromt werden kann. Hierdurch lässt sich ein geringer Rippelstrom erzielen, und dies hat auch Vorteile im Hinblick auf ggf. auftretende Ableitströme.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleichrichteranordnung mindestens drei erste Anschlüsse auf, welche über die jeweils zugeordnete Schaltungsanordnung mit dem Sternpunkt verbunden sind. Über drei erste Anschlüsse kann auch ein Drehstrom verarbeitet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleichrichteranordnung mindestens zwei erste Anschlüsse auf, welche über die jeweils zugeordnete Schaltungsanordnung mit dem Sternpunkt verbunden sind, und welche mindestens zwei ersten Anschlüsse miteinander elektrisch verbunden sind. Durch die elektrische Verbindung bzw. Parallelschaltung der Schaltungsanordnungen kann der Gesamtstrom auf die mindestens zwei ersten Anschlüsse aufgeteilt werden, und die Schaltungsanordnungen können hierdurch für geringere Maximalströme bzw. Maximalleistungen ausgelegt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleichrichteranordnung einen einzigen ersten Anschluss auf. Dies ist ausreichend für ein einphasiges Versorgungsnetz.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleichrichteranordnung eine Steuervorrichtung auf, welche Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, den mindestens einen steuerbaren Schalter zu beeinflussen. Über die Steuervorrichtung kann Einfluss genommen werden auf die Funktion der Gleichrichteranordnung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, den mindestens einen steuerbaren Schalter zumindest zeitweise getaktet anzusteuern, bevorzugt mit einem PWM-Signal. Durch eine getaktete Ansteuerung kann der in den Zwischenkreis gespeiste Strom genau vorgegeben werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, den mindestens einen steuerbaren Schalter des ersten Zweigs und den mindestens einen steuerbaren Schalter des zweiten Zweigs eines des mindestens einen ersten Anschlusses zumindest zeitweise gleichzeitig in den ersten Zustand zu schalten. Dies ermöglicht eine zumindest näherungsweise symmetrische Speisung in den Gleichstromzwischenkreis und damit eine Verringerung der Rippelströme im Zwischenkreis.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, bei einem des mindestens einen ersten Anschlusses zumindest zeitweise den mindestens einen steuerbaren Schalter des ersten Zweigs in den ersten Zustand Z1 zu versetzen und den mindestens einen steuerbaren Schalter des zweiten Zweigs in den zweiten Zustand Z2 zu versetzen, oder umgekehrt. Hierdurch ist eine asymmetrische Speisung des Zwischenkreises durch diesen ersten Anschluss möglich. Dies kann ggf. mit einer asymmetrischen Speisung eines der anderen ersten Anschlüsse kombiniert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Umschaltanordnungen einen Brückengleichrichter auf, welcher Brückengleichrichter zwei Brückengleichrichteranschlüsse, einen ersten Ausgang, einen zweiten Ausgang und den mindestens einen steuerbaren Schalter aufweist, welche Brückengleichrichteranschlüsse mit dem zugeordneten Zweig verbunden sind, welcher erste Ausgang mit der ersten Leitung verbunden ist, welcher zweite Ausgang mit der zweiten Leitung verbunden ist, und welcher Brückengleichrichter dazu ausgebildet ist,
- - im ersten vorgegebenen Zustand Z1 des mindestens einen steuerbaren Schalters einen Stromfluss von mindestens einem der Brückengleichrichteranschlüsse zum ersten Ausgang zu ermöglichen, aber einen Stromfluss vom ersten Ausgang zu den Brückengleichrichteranschlüssen zu verhindern,
- - im ersten vorgegebenen Zustand Z1 des mindestens einen steuerbaren Schalters einen Stromfluss vom zweiten Ausgang zu mindestens einem der Brückengleichrichteranschlüsse zu ermöglichen, aber einen Stromfluss von den Brückengleichrichteranschlüssen zum zweiten Ausgang zu verhindern,
- - im ersten vorgegebenen Zustand Z1 des mindestens einen steuerbaren Schalters einen Stromfluss zwischen den zwei Brückengleichrichteranschlüssen zu unterbinden, und
- - im zweiten vorgegebenen Zustand Z2 des mindestens einen steuerbaren Schalters einen Stromfluss zwischen den zwei Brückengleichrichteranschlüssen in mindestens eine Richtung zu ermöglichen.
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Die Verwendung eines Brückengleichrichters ermöglicht eine bevorzugte Ausbildung der Funktionalität.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Brückengleichrichteranschlüsse jeweils über eine Diode mit einem ersten Punkt und über eine Diode mit einem zweiten Punkt verbunden, und der erste Punkt ist über eine Diode mit dem ersten Ausgang und der zweite Punkt über eine Diode mit dem zweiten Ausgang verbunden. Die Ausbildung des Brückengleichrichters mit Dioden ermöglicht eine sicher funktionierende Brückengleichrichterschaltung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine steuerbare Schalter einen ersten steuerbaren Schalter, welcher zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt geschaltet ist, und der erste steuerbare Schalter ist im ersten Zustand Z1 nichtleitend und im zweiten Zustand Z2 leitend, um im zweiten Zustand Z2 eine Verbindung zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt zu bewirken. Diese Lösung ermöglicht eine Ausbildung mit einer geringen Anzahl von steuerbaren Schaltern. Dies ist kostengünstig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine steuerbare Schalter einen zweiten steuerbaren Schalter und einen dritten steuerbaren Schalter, die zwei Brückengleichrichteranschlüsse weisen einen ersten Brückengleichrichteranschluss und einen zweiten Brückengleichrichteranschluss auf, der zweite steuerbare Schalter ist zwischen dem ersten Brückengleichrichteranschluss und dem ersten Punkt geschaltet, und der dritte steuerbare Schalter ist zwischen dem ersten Brückengleichrichteranschluss und dem zweiten Punkt geschaltet. Diese Ausgestaltung erfordert zusätzliche Schalter. Die Verlustleistung ist jedoch geringer, so dass die Schaltung insbesondere bei Hochleistungsgleichrichtern vorteilhaft ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Brückengleichrichteranschluss der der zugeordneten Spule zugeordnete Brückengleichrichteranschluss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Brückengleichrichteranschluss der der zugeordneten Spule zugeordnete Brückengleichrichteranschluss.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 15.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleichrichteranordnung ein Netzfilter auf, welches Netzfilter einen Ableitstrom ermöglicht. Die Verwendung eines solchen Netzfilters verbessert die EMV-Eigenschaften der gesamten Schaltung, und die Optimierung durch eine geeigneten Einstellung des steuerbaren Schalters hat einen positiven Effekt.
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Ein Fahrzeug, welches als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist, hat eine entsprechende Gleichrichteranordnung. Bei Fahrzeugen werden leistungsstarke Gleichrichteranordnungen benötigt, und die beschriebene Gleichrichteranordnung hat trotz großer Leistung vergleichsweise geringe Ableitströme.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Fahrzeug einen Steckverbinder zum Anschluss eines Ladekabels für das Fahrzeug, und zumindest zeitweise besteht zwischen den Anschlüssen am Steckverbinder und der Gleichrichteranordnung eine galvanische Kopplung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Fahrzeug eine Traktionsbatterie, und es besteht zumindest zeitweise zwischen den Anschlüssen am Steckverbinder und der Traktionsbatterie eine galvanische Kopplung. Bei derartigen Ausgestaltungen wirken sich die Ableitströme in der Gleichrichteranordnung auch außerhalb des Fahrzeugs aus, da keine galvanische Trennung besteht.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt
- 1 eine Gleichrichteranordnung mit Schaltungsanordnungen,
- 2 den Anschluss eines Versorgungsnetzes an die Gleichrichteranordnung von 1,
- 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung der Gleichrichteranordnung von 1 mit Umschaltanordnungen, 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Umschaltanordnung von 3,
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Umschaltanordnung von 3,
- 6 eine Darstellung des Stroms an den Zwischenkreiskondensatoren,
- 7 ein Diagramm mit der Spannung an den Zwischenkreiskondensatoren,
- 8 eine beispielhafte Nutzung der Gleichrichteranordnung in einem Fahrzeug, und
- 9 eine weitere Ausführungsform der Gleichrichteranordnung mit Schaltungsanordnungen.
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1 zeigt eine Gleichrichteranordnung 20 zur Gleichrichtung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung. Die Gleichrichteranordnung 20 hat einen ersten Anschluss 21, einen zweiten Anschluss 22, einen dritten Anschluss 23 und einen vierten Anschluss 24. Die Gleichrichterordnung 20 hat einen Zwischenkreis 50 mit zwei Kondensatoren 61, 62, einer ersten Leitung 51, einer zweiten Leitung 52 und einem Knotenpunkt 53. Der Knotenpunkt 53 ist über den ersten Kondensator 61 mit der ersten Leitung 51 und über den zweiten Kondensator 62 mit der zweiten Leitung 52 verbunden. Die Kondensatoren 61, 62 sind bevorzugt Zwischenkreiskondensatoren zur Speicherung und Abgabe von Energie im Zwischenkreis 50 und weisen eine für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Kapazität auf. Im Ausführungsbeispiel ist der Zwischenkreis als Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet. Der erste Anschluss 21, der zweite Anschluss 22 und der dritte Anschluss 23 sind jeweils über eine zugeordnete Schaltungsanordnung 31, 32, 33 mit einem Sternpunkt 40 verbunden, und der vierte Anschluss 24 ist ebenfalls mit dem Sternpunkt 40 verbunden. Der Sternpunkt 40 ist mit dem Knotenpunkt 53 verbunden. Bevorzugt weist die Gleichrichteranordnung 20 zusätzlich einen fünften Anschluss 25 auf, über den ein Schutzleiter PE (englisch für protective earth) des Versorgungsnetzes verbindbar ist. Am fünften Anschluss 25 ist symbolisch ein Schutzleiterzeichen 69 vorgesehen, welches in der Gleichrichteranordnung 20 symbolisch verwendbar ist und dort ebenfalls mit dem Bezugszeichen 69 versehen ist. Es ist auch die Verwendung eines Versorgungsnetzes ohne einen Schutzleiter PE möglich. Derartige Netze werden als IT-Netze bezeichnet. Das Versorgungsnetz kann auch als Netzanschluss bezeichnet werden.
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Die Schaltungsanordnungen 31, 32, 33 sind jeweils dazu ausgebildet, einen Stromfluss zwischen der Schaltungsanordnung 31, 32, 33 einerseits und der ersten Leitung 51 oder zweiten Leitung 52 andererseits zu ermöglichen. Sofern in dieser Anmeldung von einem Stromfluss zwischen zwei Punkten gesprochen wird, bedeutet dies keine Aussage über die Richtung des Stromflusses. Zum Aufladen der Kondensatoren 61, 62 fließt bevorzugt ein Strom von den Schaltungsanordnungen 31, 32, 33 zur ersten Leitung 51 und ein Strom von der zweiten Leitung 52 zu den Schaltungsanordnungen 31, 32, 33. Dies führt bei der ersten Leitung 51 zu einem höheren Potenzial als bei der zweiten Leitung 52.
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Die Verbindung zwischen dem Sternpunkt 40 und dem Knotenpunkt 53 ist vorteilhaft, wenn am vierten Anschluss 24 ein Neutralleiter angeschlossen ist, da dies zu einem Potenzialbezug zwischen dem Neutralleiter und dem Knotenpunkt 53 führt. Die Gleichrichteranordnung 20 würde auch ohne die Verbindung zwischen dem Sternpunkt 40 und dem Knotenpunkt 53 funktionieren. Wenn kein Neutralleiter am vierten Anschluss 24 anliegt, kann die Variante ohne die Verbindung zwischen dem Sternpunkt 40 und dem Knotenpunkt 53 auf Grund geringerer Ableitströme vorteilhaft sein. Das Potenzial am Knotenpunkt 53 ist ohne die Verbindung nicht fest auf einem vorgegebenen Potenzial des Anschlusses 24, sondern es kann schwanken. Im Englischen wird dies als „free floating“ bezeichnet, es besteht also kein fester Bezug zu einem vorgegebenen Potenzial. Ein Neutralleiter ist beispielsweise teilweise in den USA nicht vorhanden.
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Wenn keine Verbindung zwischen dem Sternpunkt 40 und dem Knotenpunkt 53 vorgesehen ist, können die Kondensatoren 61, 62 alternativ durch einen einzigen Kondensator ersetzt werden.
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Funktionsweise
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Es existieren unterschiedliche Netzanschlüsse, und bevorzugt funktioniert die Gleichrichteranordnung 20 mit einer möglichst großen Anzahl der Varianten der Netzanschlüsse.
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2 zeigt beispielsweise das in Mitteleuropa übliche Versorgungsnetz 10, welches als TN-System mit drei Phasen L1, L2 und L3, welche an zugeordneten Anschlüssen 11, 12, 13 bereit stehen, sowie mit einem Sternpunkt 14' als Neutralleiter ausgebildet ist. Die drei Phasen L1, L2, L3 werden durch die Wechselspannungsquellen 17 versorgt, die jeweils eine Phasendifferenz von 120° haben. In der gezeigten Ausführungsform ist der Neutralleiter (N) 14' geerdet und dient somit ebenfalls als Schutzleiter (PE). Dies wird als PEN-Leiter bezeichnet. Auch viele andere Netzanschlüsse haben einen Neutralleiter, aber nicht alle. In einer Zwischenstation 18, beispielsweise einem Haus oder einer Ladestation, wird üblicherweise der PEN-Anschluss 14' aufgeteilt in einen Neutralleiter-Anschluss (N) 14 und einen SchutzleiterAnschluss (PE) 15. Die Anschlüsse 11, 12, 13, 14, 15 können mit den Anschlüssen 21, 22, 23, 24, 25 verbunden werden, um die Gleichrichteranordnung 20 zu betreiben. Hierzu ist beispielsweise bei einem Fahrzeug ein Steckverbinder 16 vorgesehen, über den die Anschlüsse 21 bis 25 direkt oder indirekt mit dem Versorgungsnetz 10 verbunden werden. Die Anschlüsse 21 bis 24, die für die eigentliche Stromleitung zuständig sind, werden auch als aktive Anschlüsse 21 bis 24 bezeichnet.
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Beim mitteleuropäischen einphasigen Netz besteht auf Grund eines nicht eindeutigen Steckers in Ländern wie Deutschland keine eindeutige Zuordnung zwischen dem Phasenanschluss L1 und dem Neutralleiteranschluss N, und entweder kann der Phasenanschluss L1 am ersten Anschluss 21 und der Neutralleiteranschluss N am vierten Anschluss 24 angeschlossen sein, oder umgekehrt. Der Schutzleiter PE ist am fünften Anschluss 25 angeschlossen. Entweder kann die eindeutige Zuordnung durch eine vorgelagerte Schaltung sichergestellt werden, oder die Gleichrichteranordnung 20 wird dazu ausgebildet, mit beiden Varianten zu arbeiten. Sofern die Gleichrichteranordnung nicht für ein Drehstromnetz vorgesehen ist, können der zweite Anschluss 22 und der dritte Anschluss 23 mit den zugehörigen Schaltungsanordnungen 32, 33 entfallen. Der Sternpunkt 40 kann in analoger Sprechweise weiterhin als Sternpunkt 40 oder allgemeiner als Punkt 40 bezeichnet werden.
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Im Gegensatz zu einem Versorgungsnetz 10 mit Neutralleiter hat beispielsweise das US-Versorgungsnetz mit der Bezeichnung „split phase“ einen ersten Phasenanschluss und einen zweiten Phasenanschluss, wobei die Phase des zweiten Phasenanschlusses um 180° phasenverschoben gegenüber der Phase des ersten Phasenanschlusses ist. Der erste Phasenanschluss wird auch als HOT1 bezeichnet, und der zweite Phasenanschluss als HOT2. Ein Neutralleiter kann vorgesehen sein, er ist aber nicht immer vorgesehen. Häufig ist ein Schutzleiter PE vorgesehen. Bei einem Versorgungsnetz ohne Neutralleiter kann der erste Phasenanschluss HOT1 an einen der Anschlüsse 21, 22, 23 oder - zur Verringerung der Ströme durch die Schaltungsanordnungen 31, 32, 33 an alle drei Anschlüsse 21, 22, 23 angeschlossen werden, und der zweite Phasenanschluss HOT2 kann an den vierten Anschluss 24 angeschlossen werden. Am vierten Anschluss 24 wäre somit beispielsweise kein Neutralleiter angeschlossen, sondern der Phasenanschluss HOT2, der eine Phasendifferenz zu HOT1 von 180° hat.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 31, das in gleicher Weise für die Schaltungsanordnungen 32, 33 anwendbar ist.
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Die Schaltungsanordnung 31 hat zwischen dem ersten Anschluss 21 und dem Sternpunkt 40 einen ersten Zweig 81 und einen zum ersten Zweig 81 parallel geschalteten zweiten Zweig 82. Zusätzlich kann ein - nicht dargestellter - dritter Zweig in Form eines X-Kondensators zwischen dem ersten Anschluss 21 und dem Sternpunkt 40 vorgesehen sein.
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Zur Unterscheidung vom Vienna-Gleichrichter wird der vorliegende Gleichrichter als Weissach-Gleichrichter oder Weissach-Gleichrichteranordnung bezeichnet.
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Der erste Zweig 81 und der zweite Zweig 82 haben jeweils eine Umschaltanordnung 92, 93 und eine mit der Umschaltanordnung 92, 93 in Reihe geschaltete Spule 91, 94, wobei die Spule 91 im ersten Zweig 81 auf der vom Sternpunkt 40 abgewandten Seite der Umschaltanordnung 92 vorgesehen ist und wobei die Spule 94 im zweiten Zweig 82 auf der dem Sternpunkt 40 zugewandten Seite der Umschaltanordnung 93 vorgesehen ist. Man kann auch im ersten Zweig 81 von einer Vienna-Zelle und im zweiten Zweig von einer umgekehrten oder inversen Vienna-Zelle sprechen.
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Die Umschaltanordnungen 92, 93 haben jeweils mindestens einen schematisch angedeuteten steuerbaren Schalter 110 und ermöglichen einen Stromfluss zwischen dem zugeordneten Zweig 81, 82 und dem Zwischenkreis 50 bzw. dessen erster Leitung 51 und/oder zweiter Leitung 52. Die Umschaltanordnungen 92, 93 haben jeweils einen ersten Umschaltanordnungsanschluss 102 und einen zweiten Umschaltanordnungsanschluss 113, über welche sie mit dem zugeordneten ersten Zweig 81 bzw. zweiten Zweig 82 verbunden sind.
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Der mindestens eine steuerbare Schalter 110 ist bevorzugt ein elektronischer Schalter, weiter bevorzugt ein Halbleiterschalter. Geeignet sind beispielweise Halbleiterschalter vom Typ MOSFET oder IGBT.
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Eine Steuervorrichtung 99 ist zur Ansteuerung der Umschaltanordnungen 92, 93 bzw. insbesondere der steuerbaren Schalter 110 vorgesehen.
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In einem ersten Zustand Z1 des mindestens einen steuerbaren Schalters 110 ist ein Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss 21 und dem Sternpunkt 40 über die Umschaltanordnung 92 bzw. 93 unterbunden, und in einem zweiten Zustand Z2 des mindestens einen steuerbaren Schalters 110 ist ein Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss 21 und dem Sternpunkt 40 über die Umschaltanordnung 92, 93 möglich.
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Durch die Änderung des mindestens einen steuerbaren Schalters 110 in den zweiten Zustand Z2 wird ein Strom zwischen dem ersten Anschluss 21 und dem Sternpunkt 40 ermöglicht, wobei die Richtung des Stromflusses abhängig ist von dem aktuellen Wert der Wechselspannung (Phase) am ersten Anschluss 21. Wenn die Spannung am ersten Anschluss 21 positiver ist als die Spannung am Sternpunkt 40 und der Schalter 110 der Umschaltanordnung 92 im zweiten Zustand Z2 ist, fließt ein Strom vom ersten Anschluss 21 über die Spule 91 und die Umschaltanordnung 92 zum Sternpunkt 40. Der Strom durch die Spule 91 steigt mit der Zeit an, und es wird im Magnetfeld der Spule 91 Energie gespeichert. Wenn anschließend der Schalter 110 in den ersten Zustand Z1 geschaltet wird, kann die zugeordnete Spule 91 bzw. 94 die gespeicherte Energie über die Umschaltanordnung 92 bzw. 93 in den Zwischenkreis 50 abgeben.
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Bei einem üblichen Vienna-Gleichrichter, der beispielsweise nur den ersten Zweig 81 und keinen zweiten Zweig 82 beim ersten Anschluss 21 aufweist, kann die in der Spule 91 gespeicherte Energie - in Abhängigkeit davon, ob die positive oder negative Halbwelle am ersten Anschluss anliegt bzw. in welche Richtung die Spule Energie gespeichert hat - entweder nur für den ersten Zweig 51 oder nur für den zweiten Zweig 52 genutzt werden. Das Vorsehen des zusätzlichen zweiten Zweigs 82, bei dem die Spule auf der von der Umschaltanordnung 93 rechten Seite angeordnet ist, ermöglicht jeweils, dass entweder über den oberen Zweig 81 die erste Leitung 51 (positiv) gespeist und über den unteren Zweig 82 die zweite Leitung 52 (negativ) gespeist werden kann, oder aber über den unteren Zweig 82 die erste Leitung 51 (positiv) gespeist und über den oberen Zweig 81 die zweite Leitung 52 (negativ) gespeist werden kann. Hierdurch erhält man zusätzliche Möglichkeiten zur Speisung des Zwischenkreises 50, und es lässt sich sowohl bei einem einphasigen Versorgungsnetz als auch bei einem dreiphasigen Versorgungsnetz eine Gleichspannung am Zwischenkreis 50 erzeugen, die sich weniger ändert als ohne den unteren Zweig 82. Dieser Effekt hat sich insbesondere bei einem einphasigen Versorgungsnetz positiv bemerkbar gemacht, bei dem der Rippelstrom am Zwischenkreis deutlich gesenkt werden kann. Bei einem dreiphasigen Versorgungsnetz ist die Spannungsänderung am Zwischenkreis bereits deutlich geringer als bei einem einphasigen Versorgungsnetz, so dass sich der Effekt anteilig geringer auswirkt.
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Die Steuervorrichtung 99 hat bevorzugt eine - nicht dargestellte - Spannungsmessvorrichtung zum Messen der jeweiligen Spannung an den Anschlüssen 21, 22, 23 (Phasen). Weiter bevorzugt hat die Steuervorrichtung 99 eine oder mehrere der folgenden Vorrichtungen:
- - Spannungsmessvorrichtung zum Messen der Spannung am Knotenpunkt 53,
- - Spannungsmessvorrichtung zum Messen der Spannung am Zwischenkreis 50,
- - Strommessvorrichtung zum Messen des Stroms am Gleichstromzwischenkreis,
- - Strommessvorrichtung zum Messen des jeweiligen Stroms der Schaltungsanordnungen 31, 32, 33 zur ersten Leitung 51 und zur zweiten Leitung 52.
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Zur Erzielung eines guten Leistungsfaktors steuert die Steuervorrichtung 99 die Schaltungsanordnungen 31, 32, 33 bzw. die Umschaltanordnungen 92, 93 derart an, dass der Strom der Phasenspannung der jeweiligen Phase folgt.
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Da an jedem der Anschlüsse 21, 22, 23 eine Schaltungsanordnung 31, 32, 33 vorgesehen ist, kann bei jedem der Anschlüsse sowohl bei der positiven Halbwelle als auch bei der negativen Halbwelle eine Speisung in die erste Leitung 51 und/oder in die zweite Leitung 52 erfolgen. Dies ermöglicht ein Vielzahl von Kombinationen, die bei einem einfachen Vienna-Gleichrichter nicht möglich sind.
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4 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der Umschaltanordnung 92, die in gleicher Ausführung für die Umschaltanordnung 93 verwendet werden kann. Die Umschaltanordnung 92 ist nach Art eines Vienna-Gleichrichters ausgebildet.
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Die Umschaltanordnung 92 hat einen ersten Umschaltanordnungsanschluss 102, einen zweiten Umschaltanordnungsanschluss 113, einen ersten Ausgang 96 und einen zweiten Ausgang 97. Die Umschaltanordnungsanschlüsse 102, 113 können auch als Brückengleichrichteranschlüsse bezeichnet werden, und sie dienen zur Verbindung mit dem zugeordneten ersten Zweig 81 bzw. zweiten Zweig 82. Der ersten Ausgang 96 dient zur Verbindung mit der ersten Leitung 51 und der zweiten Ausgang 97 zur Verbindung mit der zweiten Leitung 52.
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Die Umschaltanordnung 92 weist einen Brückengleichrichter 95 und den steuerbaren Schalter 110 auf, wie dies im Folgenden näher beschrieben wird.
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Der Umschaltanordnungsanschluss
102 ist über eine Diode
103 mit einem Punkt
104 verbunden, und der Punkt
104 ist über eine Diode
105 mit dem ersten Ausgang
96 verbunden. Der Umschaltanordnungsanschluss
102 ist über eine Diode
106 mit einem Punkt
107 verbunden, und der Punkt
107 ist über eine Diode
108 mit dem zweiten Ausgang
97 verbunden. Ein steuerbarer Schalter
110 ist zwischen den Punkten
107 und
104 vorgesehen. Der Schalter
110 ist im Ausführungsbeispiel als MOSFET ausgebildet, es sind aber beispielweise auch andere elektronische Schalter wie IGBTs möglich. Der Umschaltanordnungsanschluss
113 ist über eine Diode
111 mit dem Punkt
104 und über eine Diode
112 mit dem Punkt
107 verbunden. Die Kathoden der Dioden
103,
105,
106,
108,
111,
112 sind jeweils auf der Seite zur ersten Leitung
51 hin bzw. zum ersten Ausgang
96 hin geschaltet, und die Anoden jeweils auf der Seite zur zweiten Leitung
52 hin bzw. zum zweiten Ausgang
97 hin. Die Funktionsweise des Vienna-Gleichrichters ist beispielsweise beschrieben in der
EP 0 660 498 A2 .
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Wenn der steuerbare Schalter 110 im ersten Zustand Z1 nichtleitend geschaltet ist, funktioniert der Brückengleichrichter 95 wie ein normaler Brückengleichrichter. Ein Strom kann von den Umschaltanordnungsanschlüssen 102, 113 über die Dioden 103, 105, 111 zum ersten Ausgang 96 fließen, und ein Strom kann vom zweiten Ausgang 97 über die Dioden 108, 106, 112 zu den Umschaltanordnungsanschlüssen 102, 113 fließen, da die entsprechenden Dioden in diese Richtungen in Durchlassrichtung geschaltet sind.
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Wenn der steuerbare Schalter 110 dagegen im zweiten Zustand Z2 leitend geschaltet ist, kann ein Strom vom Umschaltanordnungsanschluss 102 über die Diode 103, den steuerbaren Schalter 110 und die Diode 112 zum Umschaltanordnungsanschluss 113 fließen, oder es kann umgekehrt ein Strom vom Umschaltanordnungsanschluss 113 über die Diode 111, den steuerbaren Schalter 110 und die Diode 106 zum Umschaltanordnungsanschluss 102 fließen. Es kann jeweils weiterhin auch ein Strom von den Umschaltanordnungsanschlüssen 102 und/oder 113 zum ersten Ausgang 51, und/oder ein Strom vom zweiten Ausgang 52 zu den Umschaltanordnungsanschlüssen 102, 113 fließen.
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Ob tatsächlich ein Strom fließt, hängt von den Spannungsverhältnissen an den Umschaltanordnungsanschlüssen 102, 113 und den Ausgängen 96, 97 ab.
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Wenn die Dioden 103, 104 auf der Seite der Spule 91 bzw. 94 angeordnet sind, können die Dioden 111, 112 schwächer ausgebildet werden als die Dioden 103, 104, da sie weniger belastet werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 92 von 4. Diese weist ebenfalls die Umschaltanordnungsanschlüsse 102, 113, die Dioden 103, 105, 106, 108, 111 und 112 sowie die Punkte 104, 107 auf, die mit den gleichen Bezugszeichen wie in 4 versehen sind. Der Schalter 110 von 4 wurde ersetzt durch zwei Schalter 110A, 110B. Der Schalter 110A ist parallel zur Diode 111 geschaltet, und der Schalter 110B ist parallel zur Diode 112 geschaltet. Die Dioden 111, 112 können als integrierte Inversdioden des jeweiligen Halbleiterschalters 110A, 110B ausgebildet sein, oder als zusätzlich parallelgeschaltete Diode mit bevorzugt geringer Flussspannung, beispielsweise einer Schottky-Diode. Bevorzugt wird die Spule 91 bzw. 94 jeweils auf der Seite des Brückengleichrichteranschlusses 102 geschaltet, so dass die Dioden 103, 106 auf der Seite der Spule 91 bzw. 94 sind. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Stroms durch die Schalter 110A, 110B und erleichtert deren Kommutierung. Zudem können bei dieser Ausführungsform Schalter 110A, 110B ohne integrierte Inversdioden verwendet werden, beispielsweise günstige IGBT-Schalter. Es sind aber beide Varianten möglich.
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Der Schalter 110A ermöglicht im leitenden zweiten Zustand Z2 einen Stromfluss vom Punkt 104 zum Umschaltanordnungsanschluss 113, und der Schalter 110B ermöglicht im leitenden zweiten Zustand Z2 einen Stromfluss vom Umschaltanordnungsanschluss 113 zum Punkt 107.
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Im ersten nichtleitenden Zustand der Schalter 110A, 110B verhält sich die Umschaltvorrichtung 92 wie die Umschaltvorrichtung 92 von 4. Im zweiten leitenden Zustand der Schalter 110A, 110B ermöglicht die Umschaltvorrichtung 92 einen Stromfluss vom Umschaltanordnungsanschluss 102 über die Diode 103 und den Schalter 110A zum Umschaltvorrichtungsanschluss 113 bzw. einen Stromfluss vom Umschaltanordnungsanschluss 113 über den Schalter 110B und die Diode 106 zum Umschaltvorrichtungsanschluss 102. Im Gegensatz zur Ausführungsform von 4 hat diese Schaltung geringere Leitverluste, da nicht wie in 4 bei leitendem Schalter 110 zwei Dioden in Serie geschaltet sind.
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Im Gegensatz zur Umschaltvorrichtung 92 von 4 ist die Umschaltvorrichtung 92 von 5 asymmetrisch bezüglich der Umschaltvorrichtungsanschlüsse 102, 113. Der Umschaltvorrichtungsanschluss 113 kann als der Spule 91 zugeordneter Brückengleichrichteranschluss 113 vorgesehen werden, oder aber der Umschaltvorrichtungsanschluss 102. Die zweitgenannte Variante (Dioden 103, 106 und Brückengleichrichteranschluss 102 auf der Seite der Spule 91) hat die geringeren Verluste an den Schaltern 110A, 110B.
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6 zeigt ein Diagramm mit dem simulierten Strom am oberen und unteren Kondensator des Zwischenkreises bei der Gleichrichteranordnung 20 und im Vergleich hierzu bei einem entsprechenden Vienna-Gleichrichter. Die Simulation wurde durchgeführt mit den folgenden Randbedingungen: Versorgungsnetz: US split-phase mit HOT1, HOT2 und 60 Hz Frequenz
Kapazität der Kondensatoren des Zwischenkreises: C_O = 1,3 mF oben und C_U = 1,3 mF unten
Spannung am Zwischenkreis: U = 800 V
Elektrische Ausgangsleistung: P = 19,2 kW
Das Diagramm zeigt den jeweiligen Strom. Ein Strom größer als Null entspricht einem Speichern von Energie im jeweiligen Kondensator, und ein Strom kleiner als Null entspricht einer Abgabe von Energie aus dem jeweiligen Kondensator.
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Die Linien 131 bzw. 132 zeigen den Strom durch den oberen Kondensator des Zwischenkreises bzw. durch den unteren Kondensator des Zwischenkreises bei einem Vienna-Gleichrichter. Es wird jeweils entweder der obere Kondensator oder der untere Kondensator gespeist. Es ist zu sehen, dass der jeweils nicht von der Quelle gespeiste Kondensator entladen wird. Dafür muss er in der Zeit, in der er gespeist wird, mit doppelter Leistung geladen werden. Der maximale positive Strom beträgt ca. 73 A, und der maximale negative Strom beträgt ca. - 26 A.
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Die Linien 133, 134 überlappen sich und zeigen den Strom durch den oberen Kondensator des Zwischenkreises bzw. durch den unteren Kondensator des Zwischenkreises beim Weissach-Gleichrichter 20. Die Verbindung zwischen dem Sternpunkt 40 und dem Knotenpunkt 53 von 1 wurde in der Simulation weggelassen, da dies für das verwendete US split-phase Versorgungsnetz vorteilhaft ist. Durch die Schaltungsanordnungen 31, 32, 33 ist es möglich, jeweils sowohl den oberen Kondensator 61 als auch den unteren Kondensator 62 von 1 aufzuladen. Hierdurch kann der erforderliche Strom durch die Kondensatoren 61, 62 bei gleicher elektrischer Ausgangsleistung verringert werden. Der maximale positive Strom beträgt ca. 25 A, und der maximale negative Strom beträgt ca. - 25 A.
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Der Effektivwert (quadratischer Mittelwert) des Stroms durch die Zwischenkreiskondensatoren beträgt beim Vienna-Gleichrichter 34 A und beim Weissach-Gleichrichter 17 A. Die Belastung des Zwischenkreises 50 beim einphasigen Laden ist somit beim Weissach-Gleichrichter 20 deutlich geringer als beim Vienna-Gleichrichter. Dies ermöglicht eine längere Lebensdauer der Kondensatoren 61, 62.
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7 zeigt ein Diagramm mit der simulierten Spannung am Zwischenkreis 50 entsprechend der Simulation von 6. Die Linien 121 bzw. 122 zeigen die Spannung an der oberen Leitung des Zwischenkreises (entsprechend Leitung 51 in 1) bzw. an der unteren Leitung des Zwischenkreises (entsprechend Leitung 52 in 1) des Vienna-Gleichrichters. Die maximale Spannung beträgt ca. 480 V, und die minimale Spannung beträgt ca. 300 V. Dies ergibt einen Spannungsrippel von ca. 180 V.
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Die Linien 123, 124, die einander überlappen, zeigen die Spannung an der oberen Leitung 51 und an der unteren Leitung 52 des Zwischenkreises des Weissach-Gleichrichters 20, vgl. 1. Die maximale Spannung beträgt ca. 424 V, und die minimale Spannung beträgt ca. 376 V. Dies ergibt einen Spannungsrippel von ca. 48 V.
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Wie zu sehen ist, führt die gleichmäßigere Einspeisung beim Weissach-Gleichrichter 20 bei einem US split-phase Versorgungsnetz zu einer geringeren Welligkeit der Spannung bzw. zu einem geringeren Spannungsrippel. Die Spannungswelligkeit des Weissach-Gleichrichters 20 beträgt etwa 27 % der Spannungswelligkeit des Vienna-Gleichrichters.
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Aufgrund der geringeren Welligkeit der Spannung ist bei gleicher durchschnittlicher Spannung die minimale Spannung beim Weissach-Gleichrichter 20 größer als beim Vienna-Gleichrichter. Daher kann beispielsweise bei einem nachgeschalteten Buck-Wandler die Zwischenkreisspannung bei einem Weissach-Gleichrichter 20 niedriger gewählt werden als bei einem Vienna-Gleichrichter. Dies führt zu einer Erhöhung der Effizienz des Buck-Wandlers und damit zu einer höheren Effizienz der gesamten Vorrichtung.
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8 zeigt schematisch ein Fahrzeug 19, in welchem die Gleichrichteranordnung 20 von 1 vorgesehen ist. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Landfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug sein. Die erste Leitung 51 und die zweite Leitung 52 sind mit einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 55 verbunden, um diesen aus dem Zwischenkreis 50 mit Energie zu versorgen. Der Gleichspannungswandler 55 ist beispielsweise als Buck-Wandler ausgebildet.
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Am Ausgang des Gleichspannungswandlers 55 sind beispielhaft Leitungen 56, 57 und ein EMV-Filter 63 vorgesehen. Das EMV-Filter 63 hat einen X-Kondensator 161, der zwischen den Leitungen 56, 57 geschaltet ist, einen Y-Kondensator 162 zwischen der Leitung 57 und dem Anschluss 25 (Schutzleiter PE) und einen Y-Kondensator 163 zwischen der Leitung 56 und dem Anschluss 25. Anschließend sind die Leitungen 56, 57 jeweils über eine Induktivität 164 bzw. 165 mit Leitungen 156 bzw. 157 verbunden. Anschließend sind ein X-Kondensator 166, der zwischen den Leitungen 156, 157 geschaltet ist, ein Y-Kondensator 167 zwischen der Leitung 157 und dem Anschluss 25 (Schutzleiter PE) und ein Y-Kondensator 168 zwischen der Leitung 156 und dem Anschluss 25 vorgesehen. Das EMV-Filter 63 kann auch mehrstufig ausgebildet werden.
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Die Y-Kondensatoren dienen zur Verringerung von Störspannungen, welche gegenüber dem Potenzial am Schutzleiteranschluss 25 auftreten. Sie haben üblicherweise eine geringere Kapazität als die Kondensatoren 61, 62 von 1. Die Verringerung von Störspannungen erfolgt durch das Fließen eines Ableitstroms zwischen dem Schutzleiteranschluss 25 und der Leitung 56 bzw. 57. Die X-Kondensatoren dienen zur Dämpfung der Gegentakt-Störspannung zwischen den Anschlüssen 56 und 57. Über das EMV-Filter 63 entstehen Ableitströme vom oder zum Schutzleiter PE.
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Die Leitungen 156, 157 sind mit einem Verbraucher 58 verbunden, insbesondere einer Fahrzeugbatterie (Traktionsbatterie) für ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb, oder beispielsweise einer Heizvorrichtung. Im Ausführungsbeispiel ist im dargestellten Teil des Fahrzeugs 19 kein Transformator vorgesehen. Üblicherweise haben Fahrzeuge mit einer Ladevorrichtung für eine Traktionsbatterie einen Transformator, und dieser führt zu einer galvanischen Trennung zwischen dem äußeren Netz und den Komponenten, die auf der fahrzeuginneren Seite des Transformators vorgesehen sind. Dies hat zur Folge, dass Ableitströme auf der fahrzeuginneren Seite des Transformators keine Auswirkung auf der fahrzeugäußeren Seite des Transformators haben. Daher kann es auch nicht zu einem Auslösen einer Netzsicherung durch solche Ableitströme kommen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind dagegen kein Transformator und keine galvanische Trennung vorhanden, und daher ist die Verringerung der Ableitströme durch die geringere Schwankung der Zwischenkreisspannung vorteilhaft.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Gleichrichteranordnung 20, welche beispielhaft an ein US split-phase Versorgungsnetz 10 angeschlossen ist. Das Versorgungsnetz 10 stellt die Phasen HOT1, HOT2 und den Schutzleiter PE zur Verfügung. Dies ist schematisch dargestellt mit zwei Wechselspannungsquellen 17, welche an einem Punkt 117 miteinander verbunden sind. Der Punkt 117 ist gleichzeitig als Schutzleiteranschluss PE mit entsprechender - nicht dargestellter - Erdung vorgesehen.
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Die Anschlüsse 21, 22, 23 sind über mindestens eine Leitung 26 miteinander verbunden, so dass der Strom zwischen HOT1 und HOT2 durch alle Schaltungsanordnungen 31, 32, 33 fließen kann. Hierdurch verringert sich der Strom durch die einzelne Schaltungsanordnung 31, 32, 33, und diese können für geringere maximale Ströme ausgelegt werden.
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Bei einem Anschluss an ein US split-phase Versorgungsnetz, einer gewünschten Gesamtladeleistung von 19,2 kW und einem damit verbundenen Strom von insgesamt ca. 80 A, können die einzelnen Schaltungsanordnungen bei drei ersten Anschlüssen beispielsweise auf 7,2 kW ausgelegt werden. Bei sehr hohen Gesamtleistungen können auch weitere Schaltungsanordnungen parallel geschaltet werden.
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Die Parallelschaltung ist auch vorteilhaft bei einem einphasigen europäischen Anschluss mit L1 an den ersten Anschlüssen und N am zweiten Anschluss (oder umgekehrt).
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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In realen Ausführungsformen sind bevorzugt weitere Komponenten vorhanden, beispielsweise EMV-Filter, Leistungsfaktorregelung, und/oder Isolationswächterschaltungen.
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An den Anschlüssen 21, 22, 23 können eingangsseitig zusätzliche Filterspulen vorgesehen sein, welche auch als Entstördrosseln bezeichnet werden. Allgemein können eingangsseitig zusätzlich EMV-Filter und Netzfilter vorgesehen sein.
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Die Dioden können jeweils durch Schalter ersetzt werden, die in Abhängigkeit von der Spannung am jeweiligen Schalter leitend oder nichtleitend geschaltet werden und somit wie eine Diode funktionieren. Dies ist jedoch aufwändig, und die Dioden sind vorzuziehen.
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Mit dem vorliegenden Weissach-Gleichrichter sind leistungsstarke Ladevorrichtungen möglich. Bei Ladegeräten mit dreiphasigem Anschluss und 400 V Spannungsamplitude kann beispielsweise am Zwischenkreis 50 eine Gleichspannung von 800 V erzeugt werden und eine Leistung von 22 kW bereitgestellt werden.
