DE102019204121A1 - Stromrichter zum Umrichten einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer nachgeschalteten, schaltbaren Spannungsquelle sowie Verfahren - Google Patents

Stromrichter zum Umrichten einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer nachgeschalteten, schaltbaren Spannungsquelle sowie Verfahren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter (10) zum Umrichten einer Gleichspannung (12) in eine Wechselspannung (14) oder der Wechselspannung (14) in die Gleichspannung (12), mit einer ersten Stromrichterschaltung (16), welche auf einer Gleichspannungsseite (18) des Stromrichters (10) mit einem positiven Pol der Gleichspannungsseite (18) gekoppelt ist, und mit einer zur ersten Stromrichterschaltung (16) unterschiedlichen zweiten Stromrichterschaltung (20), welche auf der Gleichspannungsseite (18) mit einem negativen Pol der Gleichspannungsseite (18) gekoppelt ist, wobei die erste Stromrichterschaltung (16) und die zweite Stromrichterschaltung (20) mit einer Wechselspannungsseite (22) des Stromrichters (10) gekoppelt sind, wobeider Stromrichter (10) auf der Wechselspannungsseite (22) eine nach der ersten Stromrichterschaltung (16) und der zweiten Stromrichterschaltung (20) nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle (24) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stromrichter zum Umrichten einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder der Wechselspannung in die Gleichspannung. Der Stromrichter weist eine erste Stromrichterschaltung, welche auf einer Gleichspannungsseite des Stromrichters mit einem positiven Pol der Gleichspannungsseite gekoppelt ist, und eine zur ersten Stromrichterschaltung unterschiedliche zweite Stromrichterschaltung, welche auf der Gleichspannungsseite mit einem negativen Pol der Gleichspannungsseite gekoppelt ist, auf. Die erste Stromrichterschaltung und die zweite Stromrichterschaltung sind mit einer Wechselspannungsseite des Stromrichters gekoppelt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters.
  • Stromrichter werden im Allgemeinen zur Energiewandlung verwendet. Hierbei ist als primäre Aufgabe die Wandlung von Gleichspannung in Wechselspannung beziehungsweise umgekehrt zu nennen. Bei der technischen Umsetzung unterscheidet man zwischen zweistufigen und mehrstufigen Umrichtern. Je höher die gewählte Stufenzahl ausfällt, desto besser wird die sinusförmige Ausgangsspannung des Umrichters abgebildet.
  • Neben der Netzkopplung, also der Anbindung von Gleichspannungs-Lasten oder Quellen an das öffentliche Netz, können Wechselrichter beziehungsweise Stromrichter auch gezielt zur Filterung von Netzstörungen oder zur Bildleistungskompensation verwendet werden. In diesem Fall wird der Stromrichter als aktiver Filter verwendet, wobei kein Wirkleistungsaustausch zwischen der Wechselspannungsseite und der Gleichspannungsseite stattfindet.
  • Eine gute Darstellung der Ausgangsspannung führt im Allgemeinen zu kleineren Netzfiltern, einer höheren Dynamik des Stromrichters sowie wenige ungewollte Störungen beziehungsweise Oberschwingungen, die in das Netz eingespeist werden. Obwohl eine besonders hohe Stufung der Ausgangsspannung generell wünschenswert ist, findet heutzutage hauptsächlich der Zweipunktumrichter Anwendung. Insbesondere hat dies den Hintergrund darin, dass der Zweipunktumrichter eine geringe Komplexität aufweist. Die geringe Stufung des Zweipunktumrichters führt bei Netzanwendungen jedoch zu vergleichsweise großen Netzfehlern, da der Strom, der sich durch die hohen Spannungsunterschiede zwischen dem Stromrichter und dem Netz ergibt, begrenzt werden muss. Bei Motoranwendungen beispielsweise verursacht die sehr grobe Abbildung des Zweipunktumrichters der Ausgangsspannung unter anderem Gleichtaktstörungen, die sich in ungewollte Lagerströme äußern. Dies macht gerade bei älteren Motoren eine zusätzliche Filterung der Ausgangsspannung notwendig.
  • Aus diesen Gründen findet im Niederspannungsbereich auch zunehmend die Dreipunkttechnik Anwendung. Die Ausgangsspannung des Stromrichters wird dabei nicht durch zwei Spannungsniveaus, sondern durch drei Spannungsniveaus abgebildet. Dies führt zum einen, wie bereits erwähnt, zu einer Erhöhung der Systemdynamik und zum anderen hat dies auch eine Reduktion der Ausgangsfilter zur Folge.
  • Des Weiteren muss bei Netzanwendungen die Gleichspannung eines Zwischenkreises des Stromrichters oberhalb der Spitzengleichrichterspannung des Netzes liegen, was zu vergleichsweise hohen Gleichspannungsspannungen am Zwischenkreis führt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stromrichter sowie ein Verfahren zu schaffen, mittels welchen ein verbesserter Stromrichter realisiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Stromrichter sowie durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Stromrichter zum Umrichten einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder von der Wechselspannung in die Gleichspannung. Der Stromrichter weist eine erste Stromrichterschaltung auf, welche auf einer Gleichspannungsseite des Stromrichters mit einem positiven Pol der Gleichspannungsseite gekoppelt ist. Ferner weist der Stromrichter eine von der ersten Stromrichterschaltung unterschiedliche zweite Stromrichterschaltung auf, welche auf der Gleichspannungsseite mit einem negativen Pol der Gleichspannungsseite gekoppelt ist. Die erste Stromrichterschaltung und die zweite Stromrichterschaltung sind mit einer Wechselspannungsseite des Stromrichters gekoppelt.
  • Es ist vorgesehen, dass der Stromrichter auf der Wechselspannungsseite eine nach der ersten Stromrichterschaltung und der zweiten Stromrichterschaltung nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle aufweist.
  • Dadurch ist es ermöglicht, dass die Spannung der Spannungsquelle auf die Ausgangsspannung des insbesondere als Zweipunktstromrichter ausgebildeten Stromrichters addiert beziehungsweise von dieser subtrahiert werden kann. Dies führt zu insgesamt fünf Spannungsstufen am Ausgang des Stromrichters. Somit ist es ermöglicht, dass mittels eines Zweipunktstromrichters fünf Spannungsstufen erreicht werden können, sodass eine besonders vorteilhafte Stufung der Ausgangsspannung des Stromrichters genutzt beziehungsweise bereitgestellt werden kann. Somit können insbesondere ungewollte Störungen beziehungsweise Oberschwingungen, die in das Netz eingespeist werden, verhindert werden.
    Insbesondere kann durch den erfindungsgemäßen Stromrichter die Wechselspannung für eine Wechselspanungsphase erzeugt werden.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Stromrichter bei Photovoltaikanlagen eingesetzt wird. Insbesondere wird dabei die durch die Photovoltaikanlage erzeugte Gleichspannung in eine sinusförmige Wechselspannung für das öffentliche Netz umgewandelt. Mit anderen Worten kann die von der Photovoltaikanlage erzeugte Gleichspannung in das öffentliche Netz eingespeist werden. Die Photovoltaikanlage bildet dann im vorliegenden Beispiel die Gleichspannungsseite, während die Wechselspannungsseite durch das öffentliche Netz ausgebildet ist.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass der Stromrichter zum Umwandeln einer Wechselspannung für eine Gleichspannungslast ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass eine Wechselspannung aus dem öffentlichen Netz mittels des Stromrichters in eine Gleichspannung für einen Gleichspannungsverbraucher umgewandelt wird.
  • Die erste Stromrichterschaltung und die zweite Stromrichterschaltung können insbesondere mit jeweils einem Halbleiterschalter und einer Diode ausgebildet sein, welche insbesondere parallel zueinander verschaltet sind.
  • Insbesondere kann der Stromrichter mittels einer elektronischen Recheneinrichtung derart gesteuert werden, dass eine entsprechende Umwandlung der Gleichspannung in die Wechselspannung beziehungsweise der Wechselspannung in die Gleichspannung ermöglicht ist. Insbesondere können dabei Schaltelemente, beispielsweise die Halbleiterschalter, der Stromrichterschaltung entsprechend angesteuert werden.
  • Durch die deutliche Erhöhung der Ausgangsspannungsstufen, insbesondere auf der Wechselspannungsseite, lassen sich die Ausgangsfilter des Stromrichters drastisch reduzieren, was sowohl Kosten spart als auch die Verluste in diesem Bauelement verringert. Des Weiteren ermöglicht die Erhöhung der Ausgangsspannungsstufen eine deutliche Erhöhung der Dynamik des Stromrichters, die besonders zuverlässig für Filteranwendungen genutzt werden kann. Des Weiteren kann durch die Addition der Spannung der nachgeschalteten, schaltbaren Spannungsquelle auf die des Zweipunktstromrichters eine Boostfunktionalität bereitgestellt werden. Somit kann eine Zwischenkreisspannung auch unterhalb der Spitzengleichrichterspannung des Netzes liegen.
  • Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass der Stromrichter als Zweipunktstromrichter bereitgestellt wird. Durch die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle können mittels des Zweipunktstromrichters fünf Ausgangsspannungsstufen bereitgestellt werden. Sollte beispielsweise der Stromrichter mit einer 200 Volt Spannungsquelle auf der Gleichspannungsseite betrieben werden, und die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle ebenfalls 200 Volt aufweisen, so können mittels des Stromrichters auf der Wechselspannungsseite eine Spannung von 400 Volt, 200 Volt, 0 Volt, minus 200 Volt und minus 400 Volt bereitgestellt werden. Dadurch kann eine besonders stufige Ausgangspannung bereitgestellt werden, sodass besonders zuverlässig eine sinusförmige Wechselspannung mittels des Stromrichters aus der Gleichspannung erzeugt werden kann. Alternativ kann besonders vorteilhaft aus der sinusförmigen Wechselspannung besonders verlustarm eine Gleichspannung erzeugt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle in eine Vollbrücke integriert. Insbesondere ist die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle parallel zu einer ersten Halbbrücke der Vollbrücke und zu einer zweiten Halbbrücke der Vollbrücke ausgebildet. Insbesondere kann die schaltbare Spannungsquelle somit in einer Vollbrückenkombination gekapselt werden, welche es erlaubt, die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle zu brücken beziehungsweise mit frei wählbarer Polarität einzufügen. Dadurch ist es ermöglicht, dass mittels des Stromrichters fünf Ausgangsspannungen bereitgestellt werden können. Des Weiteren ist es ermöglicht, da die Spannung an der Spannungsquelle etwa ein Drittel der heute üblichen Zwischenkreisspannungen beträgt, dass innerhalb der Vollbrücke Halbleiterschalter mit geringen Durchlassverlusten genutzt werden können, sodass es zu einem deutlich besseren Schaltverhalten führt. Des Weiteren bietet die Struktur entkoppelte Kommutierungskreise an. Sowohl der Kommutierungskreis des Zweipunktstromrichters als auch der Kommutierungskreis der Vollbrücke können als eigenständig angesehen werden. Des Weiteren machen die entkoppelten Kommutierungskreise diese Struktur auch für die Erweiterung bestehender Wechselrichter attraktiv. Beispielsweise kann dies auch für einen fünfstufigen Stromrichter genutzt werden. Somit ist diese Vollbrücke für eine Vielzahl von Stromrichtern einsetzbar. Dies erweitert den Einsatzkreis dieser Vollbrücke deutlich, sodass zuverlässig eine besonders sinusförmige Wechselspannung bereitgestellt werden kann.
  • Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Vollbrücke mit zumindest einem Halbleiterschalter, insbesondere mit vier Halbleiterschaltern, ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist die Vollbrücke insbesondere vier Halbleiterschalter auf. Insbesondere ist zu jedem Halbleiterschalter eine entsprechende Diode parallel geschaltet. Somit ermöglicht die Struktur eine verbesserte Aufteilung zwischen durchlassoptimierten und schaltoptimierten Halbleiterschaltern. Bei geeigneter Ansteuerung, beispielsweise mittels der elektronischen Recheneinrichtung, fallen nahezu alle Schaltvorgänge auf eine Halbbrücke in der Vollbrücke. Insbesondere kann hierzu eine elektronische Recheneinrichtung, beispielsweise des Stromrichters, dazu ausgebildet sein die entsprechende Ansteuerung der Vollbrücke zu übernehmen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle als Kondensator ausgebildet. Insbesondere kann damit die Spannung des Kondensators auf die Ausgangsspannung des Zweipunktstromrichters addiert beziehungsweise von dieser subtrahiert werden. Somit können die fünf Spannungsstufen am Ausgang, insbesondere der Vollbrücke des Stromrichters, realisiert werden. Insbesondere ist der Kondensator parallel innerhalb der Vollbrücke angeordnet. Durch die Nutzung des Kondensators, insbesondere in einer einphasigen Struktur des Stromrichters, kann der Stromrichter als aktiver Filter verwendet werden. Insbesondere können somit gezielt Netzstörungen aus dem öffentlichen Netz gefiltert werden, beziehungsweise kann der Stromrichter dadurch verbessert für eine Blindleistungskompensation verwendet werden. Mit anderen Worten findet beim Stromrichter als aktiver Filter kein Wirkleistungsaustausch zwischen der Wechselspannungsseite und der Gleichspannungsseite statt.
  • Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der Kondensator einen Kapazitätswert von zumindest 1µF, insbesondere zumindest 50µF, insbesondere zumindest 100µF, insbesondere zumindest 500µF, aufweist. Somit weist der Kondensator einen relativ hohen Kapazitätswert auf. Insbesondere kann somit von dem Kondensator eine entsprechende Spannung bereitgestellt werden, sodass diese auf die Gleichspannung des Zweipunktstromrichters aufaddiert werden kann. Dadurch kann zuverlässig eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt werden beziehungsweise kann dadurch zuverlässig die sinusförmige Wechselspannung verlustarm in eine entsprechende Gleichspannung umgewandelt werden.
  • Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle als unabhängige Spannungsquelle ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann durch die unabhängige Spannungsquelle eigenständig eine elektrische Spannung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die unabhängige Spannungsquelle ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie sein. Insbesondere ist es dadurch ermöglicht, dass die Gleichspannung in eine Wechselspannung mit fünf Stufen umgewandelt werden kann. Insbesondere kann damit die Ausgangsspannung, insbesondere wechselspannungsseitig, des Zweipunktstromrichters erhöht beziehungsweise reduziert werden. Somit kann eine entsprechende Boostfunktionalität des Stromrichters bereitgestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Stromrichter als modularer Multilevel Stromrichter ausgebildet. Insbesondere wird somit eine Kombination eines Zweipunktstromrichters mit einer M2C Vollbrücke bereitgestellt. Dadurch kann eine hohe Verfügbarkeit und zugleich ein motor- oder netzfreundlicher Umrichter bereitgestellt werden. Insbesondere ist der Stromrichter somit als Mittelspannungsstromrichter ausgebildet, welcher mehrere Niederspannungszellen aufweisen kann. In Reihe geschaltet können diese Niederspannungszellen eine entsprechende Ausgangsspannung auf Mittelspannungsniveau bereitstellen. Innerhalb des Stromrichters kann dann jede Niederspannungszelle einzeln angesteuert werden, wobei jede Niederspannungszelle einen dezentralen Energiespeicher aufweist, der zur Zwischenkreisspannung anteilig beiträgt. Dies bedeutet, dass eine Ausgangsspannung des Stromrichters feinstufig moduliert werden kann, sodass diese am Ende insbesondere zuverlässig sinusförmig bereitgestellt werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die erste Stromrichterschaltung einen ersten Halbleiterschalter und/oder die zweite Stromrichterschaltung einen zweiten Halbleiterschalter auf. Dadurch ist es ermöglicht, dass mit geringen Schaltverlusten eine Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann. Alternativ kann mit wenigen Schaltverlusten aus der Wechselspannung die Gleichspannung erzeugt werden. Bei den Halbleiterschaltern kann es sich insbesondere um MOSFET's handeln. Insbesondere sind parallel zu den MOSFET's dann entsprechende Dioden angeordnet, sodass zuverlässig die Wechselspannung in die Gleichspannung beziehungsweise die Gleichspannung in die Wechselspannung umgewandelt werden kann.
  • Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Stromrichter als Filtereinrichtung oder als Stromrichter mit Wirkleistungstransport ausgebildet ist. Insbesondere kann der Stromrichter, welcher als Filtereinrichtung ausgebildet ist, somit als Bildleistungskompensationseinrichtung ausgebildet sein.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle mittels einer elektronischen Recheneinrichtung derart geschaltet wird, dass eine Spannung der Spannungsquelle auf eine Ausgangsspannung der ersten Stromrichterschaltung und der zweiten Stromrichterschaltung aufaddiert oder subtrahiert wird.
  • Dadurch ist es ermöglicht, dass mittels eines Zweipunktstromrichters fünf Ausgangsspannungen bereitgestellt werden können. Beispielsweise kann die elektronische Recheneinrichtung Teil des Stromrichters sein. Ferner kann die elektronische Recheneinrichtung auch stromrichterextern bereitgestellt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste Stromrichterschaltung und die zweite Stromrichterschaltung derart angesteuert werden, dass eine sinusförmige 50 Hertz Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Stromrichters sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens anzusehen. Der Stromrichter weist dazu gegenständliche Merkmale auf, welche zum Durchführen des Verfahrens oder einer vorteilhaften Ausgestaltungsform davon benötigt sind.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 ein schematisches Ersatzschaltbild einer einphasigen Struktur einer Ausführungsform eines Stromrichters;
    • 2 ein weiteres Ersatzschaltbild einer einphasigen Struktur einer weiteren Ausführungsform des Stromrichters;
    • 3 ein Zeit-Spannungs-Diagramm einer nachgeschalteten, schaltbaren Spannungsquelle einer Ausführungsform des Stromrichters; und
    • 4 ein Zeit-Strom-Spannungsverlauf einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstromes einer Ausführungsform des Stromrichters.
  • In den FIG sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform eines Stromrichters 10. Der Stromrichter 10 ist zum Umrichten einer Gleichspannung 12 in eine Wechselspannung 14 oder der Wechselspannung 14 in die Gleichspannung 12 ausgebildet. Der Stromrichter 10 weist eine erste Stromrichterschaltung 16, welche mit einem positiven Pol einer Gleichspannungsseite 18 gekoppelt ist, und eine zur ersten Stromrichterschaltung 16 unterschiedliche zweite Stromrichterschaltung 20 auf, welche auf der Gleichspannungsseite 18 mit einem negativen Pol der Gleichspannungsseite 18 gekoppelt ist. Die erste Stromrichterschaltung 16 und die zweite Stromrichterschaltung 20 sind mit einer Wechselspannungsseite 22 des Stromrichters 10 gekoppelt. Insbesondere ist somit der Stromrichter 10 als zweistufiger Stromrichter 10 ausgebildet.
  • Es ist vorgesehen, dass der Stromrichter 10 auf der Wechselspannungsseite 22 eine nach der ersten Stromrichterschaltung 16 und der zweiten Stromrichterschaltung 20 nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle 24 aufweist.
  • Dadurch ist es ermöglicht, dass die Spannung der Spannungsquelle 24 auf eine Ausgangsspannung 34 des insbesondere als Zweipunktstromrichter ausgebildeten Stromrichters 10 addiert beziehungsweise von dieser subtrahiert werden kann. Dies führt zu insgesamt fünf Spannungsstufen am Ausgang des Stromrichters 10. Somit ist es ermöglicht, dass mittels eines Zweipunktstromrichters fünf Spannungsstufen erreicht werden können, sodass eine besonders vorteilhafte Stufung der Ausgangsspannung 34 des Stromrichters 10 genutzt beziehungsweise bereitgestellt werden kann. Somit können insbesondere ungewollte Störungen beziehungsweise Oberschwingungen, die in das Netz eingespeist werden, verhindert werden.
  • Insbesondere kann durch den erfindungsgemäßen Stromrichter 10 die Wechselspannung 14 für eine Wechselspanungsphase erzeugt werden.
  • Insbesondere zeigt die 1, dass die erste Stromrichterschaltung 16 als ein High-Side-Schalter ausgebildet ist und die zweite Stromrichterschaltung 20 als ein Low-Side-Schalter ausgebildet ist.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle 24 in eine Vollbrücke 26 integriert ist.
  • Ferner zeigt 1, dass auf der Gleichspannungsseite 18 insbesondere zwei Gleichspannungsquellen 28, 30 ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine erste Gleichspannungsquelle 28 von einer Photovoltaikanlage stammen. Beispielsweise kann die erste Gleichspannungsquelle 28 als Photovoltaikmodul ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass eine zweite Gleichspannungsquelle 30 ebenfalls als Photovoltaikmodul ausgebildet sein kann. Insbesondere ist ferner auf der Gleichspannungsseite 18 ein Zwischenkreiskondensator 32 ausgebildet.
  • Somit kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Stromrichter 10 als modularer Multilevel Stromrichter 10 ausgebildet ist.
  • Ferner zeigt die 1, dass die erste Stromrichterschaltung 16 einen ersten Halbleiterschalter M1 und/oder die zweite Stromrichterschaltung 20 einen zweiten Halbleiterschalter M2 aufweisen kann. Die Vollbrücke 26 weist insbesondere einen dritten Halbleiterschalter M3, einen vierten Halbleiterschalter M4, einen fünften Halbleiterschalter M5 und einen sechsten Halbleiterschalter M6 auf. Die Halbleiterschalter M1 bis M6 sind insbesondere als MOSFET's ausgebildet. Die erste Stromrichterschaltung 16 weist parallel zum ersten Halbleiterschaltung M1 eine erste Diode D1 auf. Die zweite Stromrichterschaltung 20 weist ebenfalls parallel zum zweiten Halbleiterschalter M2 eine zweite Diode D2 auf. Parallel zum dritten Halbleiterschalter M3 ist eine dritte Diode D3 ausgebildet. Ferner ist parallel zum vierten Halbleiterschalter M4 eine vierte Diode D4 ausgebildet. Parallel zum fünften Halbleiterschalter M5 ist eine fünfte Diode D5 ausgebildet und parallel zum sechsten Halbleiterschalter M6 ist eine sechste Diode D6 ausgebildet.
  • Mittels einer nicht gezeigten elektronischen Recheneinrichtung, welche beispielsweise Teil des Stromrichters 10 sein kann, können entsprechende Schaltspannungen S1 bis S6 der jeweiligen Halbleiterschalter M1 bis M6 bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine Taktung der Schaltfrequenz der jeweiligen Halbleiterschalter M1 bis M6 mittels der elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt werden.
  • Als Ausgangsspannung 34 des Stromrichters 10, insbesondere der Vollbrücke 26, kann somit insbesondere eine fünfstufige Ausgangsspannung 34 bereitgestellt werden. Insbesondere kann dadurch eine besonders zuverlässige, sinusförmige Ausgangsspannung 34 bereitgestellt werden.
  • 1 zeigt ferner, dass die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle 24 als Kondensator 36 ausgebildet sein kann. Der Kondensator kann beispielsweise einen Kapazitätswert von zumindest einem 1µF, insbesondere zumindest 50µF, insbesondere zumindest 100µF, insbesondere zumindest 500µF, aufweisen. Insbesondere kann somit von dem Kondensator 36 eine entsprechende Spannung bereitgestellt werden, sodass diese auf die Gleichspannung 12 des Zweipunktstromrichters aufaddiert werden kann. Dadurch kann zuverlässig eine sinusförmige Wechselspannung 14 erzeugt werden beziehungsweise kann dadurch zuverlässig die sinusförmige Wechselspannung 14 verlustarm in eine entsprechende Gleichspannung 12 umgewandelt werden.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere nur eine Phase des Stromrichters 10 gezeigt. Insbesondere ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Ausgestaltungsform der Spannungsquelle 24 als Kondensator 36 der Stromrichter 10 als Filtereinrichtung ausgebildet. Insbesondere kann hiermit eine Bildleistungskompensation durchgeführt werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass zuverlässig Netzstörungen gefiltert werden können.
  • Insbesondere zeigt die 1, dass durch die Erhöhung der Ausgangsspannungsstufen sich die Ausgangsfilter des Stromrichters 10 drastisch reduzieren lassen, wodurch sowohl Kosten als auch Verluste in dem Bauelement entsprechend verringert werden können. Die Erhöhung der Ausgangsspannungsstufen ermöglicht ebenfalls eine Erhöhung der Dynamik des Stromrichters 10, so dass dieser als aktiver Filter genutzt werden kann. Die Spannung am Kondensator 36 der Vollbrücke 26 beträgt etwa ein Drittel der heute üblichen Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 32. Dies ermöglicht den Einsatz von MOSFET's als die Halbleiterschalter M1 bis M6, wodurch geringe Durchlassverluste und ein deutlich besseres Schaltverhalten des Stromrichters 10 realisiert werden kann.
  • Ferner kann durch das in 1 gezeigte Beispiel eine gute Aufteilung zwischen durchlassoptimierten und schaltoptimierten Halbleiterschaltern M1 bis M6 realisiert werden. Bei der geeigneten Ansteuerung, beispielsweise durch die hier nicht gezeigte elektronische Recheneinrichtung, fallen nahezu alle Schaltvorgänge auf eine jeweilige Halbbrücke der Vollbrücke 26. Dadurch können weiterhin entkoppelte Kommutierungskreise realisiert werden. Sowohl der Kommutierungskreis des Zweipunktstromrichters als auch der Kommutierungskreis der Vollbrücke 26 können als eigenständig angesehen werden. Dies ist gerade für den Aufbau von besonderem Vorteil. Kommutierungskreise können es auch ermöglichen, dass ein Stromrichter, welcher beispielsweise fünfstufig ausgebildet ist, ebenfalls genutzt werden kann. Insbesondere kann somit die Vollbrücke 26 mit einem fünfstufigen Stromrichter bereitgestellt werden. Somit können mehr als fünf Ausgangsspannungen 34 mittels des fünfstufigen Umrichters bereitgestellt werden. Durch die Addition der Kondensatorspannung auf die des Zweipunktwechselrichters ergibt sich somit eine Boostfunktionalität dieser Struktur. Somit kann die Zwischenkreisspannung auch unterhalb der Spitzengleichspannung des Netzes liegen.
  • 2 zeigt ein weiteres schematisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform des Stromrichters 10. Bezüglich des grundsätzlichen Aufbaus dieser Schaltung sei auf die 1 verwiesen. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle 24 als eine unabhängige Spannungsquelle 40 ausgebildet ist. Mit anderen Worten wird eine zusätzliche elektrische Spannung durch die unabhängige Spannungsquelle 40 bereitgestellt. Beispielsweise kann die unabhängige Spannungsquelle 40 als eigenständige Batterie ausgebildet sein. Insbesondere lässt sich somit ein Wirkleistungstransport zwischen der Gleichspannungsseite 18 und der Wechselspannungsseite 22, insbesondere der Ausgangsspannung 34 realisieren.
  • Beim Verfahren zum Betreiben des Stromrichters 10 wird die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle 24 mittels einer elektronischen Recheneinrichtung derart geschaltet, dass eine Spannung V2 der Spannungsquelle 24 auf eine Ausgangsspannung V1 der ersten Stromrichterschaltung 16 und der zweiten Stromrichterschaltung 20 aufaddiert oder subtrahiert wird. Somit können fünf Stufen der Ausgangsspannung 34 bereitgestellt werden.
  • 3 zeigt ein schematisches Zeit-Spannungs-Diagramm am Kondensator 36 für die Ausführungsform gemäß 1. Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen und auf der Ordinate die Spannung V. Insbesondere zeigt die 3 den Spannungsverlauf am Kondensator 36 bei einer Frequenz von 50 Hertz. Mit anderen Worten zeigt die 3 den Spannungsverlauf der Spannung V2.
  • 4 zeigt einen Strom-Spannungs-Verlauf für die Ausgangsspannung 34 und für einen Ausgangsstrom 38. Auf der Abszisse ist erneut die Zeit t aufgetragen und auf der Ordinate die Spannung V sowie der Strom I. Die 4 ist gemeinsam mit der 3 zu lesen. Mit anderen Worten sind die entsprechende Ausgangsspannung 34 und der Ausgangsstrom 38 in Abhängigkeit der Spannung V2 gemäß 3 gezeigt. Insbesondere zeigt 4 die fünfstufige Ausgangsspannung 34, wobei der Nulldurchgang, mit anderen Worten null Volt, mit als einzelne Stufe gerechnet wird. Insbesondere zeigt die 4, dass auf die Ausgangsspannung V1 des Zweipunktwechselrichters, in diesem Ausführungsbeispiel die Spannung V2 mit aufaddiert werden kann. Dadurch ist es ermöglicht, dass eine besonders sinusförmige Ausgangsspannung 34 bereitgestellt werden kann. Insbesondere zeigt die 4 ebenfalls die Ausgangsspannung 34 und den Ausgangsstrom 38 bei einer Frequenz von 50 Hertz.
  • Insgesamt zeigt die Erfindung einen hybriden fünfstufigen Stromrichter 10.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Stromrichter
    12
    Gleichspannung
    14
    Wechselspannung
    16
    erste Stromrichterschaltung
    18
    Gleichspannungsseite
    20
    zweite Stromrichterschaltung
    22
    Wechselspannungsseite
    24
    Spannungsquelle
    26
    Vollbrücke
    28
    erste Gleichspannungsquelle
    30
    zweite Gleichspannungsquelle
    32
    Zwischenkreiskondensator
    34
    Ausgangsspannung
    36
    Kondensator
    38
    Ausgangsstrom
    40
    unabhängige Spannungsquelle
    D1
    erste Diode
    D2
    zweite Diode
    D3
    dritte Diode
    D4
    vierte Diode
    D5
    fünfte Diode
    D6
    sechste Diode
    M1
    erster MOSFET
    M2
    zweiter MOSFET
    M3
    dritter MOSFET
    M4
    vierter MOSFET
    M5
    fünfter MOSFET
    M6
    sechster MOSFET
    V1
    Ausgangsspannung
    V2
    Spannung

Claims (10)

  1. Stromrichter (10) zum Umrichten einer Gleichspannung (12) in eine Wechselspannung (14) oder der Wechselspannung (14) in die Gleichspannung (12), mit einer ersten Stromrichterschaltung (16), welche auf einer Gleichspannungsseite (18) des Stromrichters (10) mit einem positiven Pol der Gleichspannungsseite (18) gekoppelt ist, und mit einer zur ersten Stromrichterschaltung (16) unterschiedlichen zweiten Stromrichterschaltung (20), welche auf der Gleichspannungsseite (18) mit einem negativen Pol der Gleichspannungsseite (18) gekoppelt ist, wobei die erste Stromrichterschaltung (16) und die zweite Stromrichterschaltung (20) mit einer Wechselspannungsseite (22) des Stromrichters (10) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (10) auf der Wechselspannungsseite (22) eine nach der ersten Stromrichterschaltung (16) und der zweiten Stromrichterschaltung (20) nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle (24) aufweist.
  2. Stromrichter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle (24) in eine Vollbrücke (26) integriert ist.
  3. Stromrichter (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollbrücke (26) mit zumindest einem Halbleiterschalter (M3 - M6), insbesondere mit vier Halbleiterschaltern (M3 - M6), ausgebildet ist.
  4. Stromrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle (24) als Kondensator (36) ausgebildet ist.
  5. Stromrichter (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (36) einen Kapazitätswert von zumindest 1µF, insbesondere zumindest 50µF, insbesondere zumindest 100µF, insbesondere zumindest 500µF, aufweist.
  6. Stromrichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle (24) als unabhängige Spannungsquelle (40) ausgebildet ist.
  7. Stromrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (10) als modularer Multilevel Stromrichter ausgebildet ist.
  8. Stromrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromrichterschaltung (16) einen ersten Halbleiterschalter (M1) und/oder die zweite Stromrichterschaltung (20) einen zweiten Halbleiterschalter (M2) aufweisen.
  9. Stromrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (10) als Filtereinrichtung oder als Stromrichter (10) mit Wirkleistungstransport ausgebildet ist.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die nachgeschaltete, schaltbare Spannungsquelle (24) mittels einer elektronischen Recheneinrichtung derart geschaltet wird, dass eine Spannung (V2) der nachgeschalteten, schaltbaren Spannungsquelle (24) auf eine Ausgangsspannung (VI) der ersten Stromrichterschaltung (16) und der zweiten Stromrichterschaltung (20) aufaddiert oder subtrahiert wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19615855A1 (de) * 1996-04-20 1997-10-23 Asea Brown Boveri Leistungselektronische Schaltungsanordnung
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US6621719B2 (en) * 2001-04-25 2003-09-16 Abb Schweiz Ag Converter with additional voltage addition or subtraction at the output

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