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Die Erfindung betrifft eine Gleichrichteranordnung.
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Die
US 2015/0061606 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 2010/0220501 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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DE 10 2019 106 485 A1 offenbart eine Gleichrichteranordnung zur Gleichrichtung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung. Die Gleichrichteranordnung weist 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. Die Gleichrichteranordnung weist ferner Schaltungsanordnungen, eine Umschaltanordnung und eine in Reihe mit der Umschaltanordnung geschaltete Spule auf.
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J.C. Le Claire, et.al., Comparative evaluation of the Single-phase „VIENNA I" and the Double Boost Effect „DBE" rectifiers under sliding mode current control, 13th European Conference on Power Electronics and Applications, Conference Paper, IEEE, 2009 offenbart weitere Details von Vienna-Gleichrichtern.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue 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 Anschlüsse, Schaltungsanordnungen, eine Verschaltungsvorrichtung und einen Zwischenkreis auf, welche Anschlüsse einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss umfassen, welcher Zwischenkreis eine erste Leitung, eine zweite Leitung und mindestens einen Kondensator zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung aufweist, welche Schaltungsanordnungen jeweils einen ersten Schaltungsanordnungsanschluss und einen zweiten Schaltungsanordnungsanschluss aufweisen, zwischen denen eine Umschaltanordnung und eine mit der Umschaltanordnung in Reihe geschaltete Spule vorgesehen sind, wobei die Reihenfolge der Umschaltanordnung und der Spule zwischen den ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen und den zugeordneten zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen der Schaltungsanordnungen jeweils gleich ist, welche Umschaltanordnungen mit der ersten Leitung und mit der zweiten Leitung verschaltet sind, und welche Verschaltungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, zumindest eine erste Konfiguration und eine zweite Konfiguration zu ermöglichen, bei welcher ersten Konfiguration die Schaltungsanordnungen eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe bilden, wobei der erste Anschluss und der vierte Anschluss mit den Schaltungsanordnungen der ersten Gruppe, aber nicht mit den Schaltungsanordnungen der zweiten Gruppe verbunden sind, und wobei der zweite Anschluss und der dritte Anschluss mit den Schaltungsanordnungen der zweiten Gruppe, aber nicht mit den Schaltungsanordnungen der ersten Gruppe verbunden sind, und bei welcher zweiten Konfiguration mindestens einer der Anschlüsse mit allen Schaltungsanordnungen verbunden ist.
Die Verschaltungsvorrichtung ermöglicht somit unterschiedliche Konfigurationen zwischen den Anschlüssen und den Schaltungsanordnungen.
Die erste Konfiguration ermöglicht zwei unabhängige Strompfade über die erste Gruppe bzw. über die zweite Gruppe der Schaltungsanordnungen. Hierdurch ist der Maximalstrom an den Anschlüssen geringer als bei einer Zusammenschaltung einzelner Anschlüsse. Da beispielsweise bei der Verwendung der Gleichrichteranordnung in einem Fahrzeug die Anschlüsse über einen Ladestecker mit einer Ladesäule verbunden werden, kann der Ladestecker für niedrigere Maximalströme an den einzelnen Anschlüssen ausgelegt werden. Dies verringert den technischen Aufwand und die Kosten.
Die zweite Konfiguration, die sich von der ersten Konfiguration unterscheidet, ermöglicht eine Nutzung eines Neutralleiters an allen Schaltungsanordnungen, da mindestens ein Anschluss mit allen Schaltungsanordnungen verbunden ist. Die Verbindung kann beispielsweise mit allen ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen, mit allen zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen oder mit der Hälfte der ersten und der Hälfte der zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reihenfolge zwischen dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss und dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss wie folgt:
- - erster Schaltungsanordnungsanschluss,
- - Umschaltanordnung,
- - Spule,
- - zweiter Schaltungsanordnungsanschluss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reihenfolge zwischen dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss und dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss wie folgt:
- - erster Schaltungsanordnungsanschluss,
- - Spule,
- - Umschaltanordnung,
- - zweiter Schaltungsanordnungsanschluss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschaltungsvorrichtung dazu ausgebildet, bei der zweiten Konfiguration den mindestens einen Anschluss, der mit allen Schaltungsanordnungen verbunden ist, mit mindestens einem ersten Schaltungsanordnungsanschluss einer der Schaltungsanordnungen und mit mindestens einem zweiten Schaltungsanschluss einer anderen der Schaltungsanordnungen zu verbinden. Dies ermöglicht die Nutzung des Neutralleiters für eine Schaltungsanordnung in eine erste Richtung und für eine andere Schaltungsanordnung in einer entgegengesetzten zweiten Richtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschaltungsvorrichtung dazu ausgebildet, eine dritte Konfiguration zu ermöglichen, welche dritte Konfiguration der zweiten Konfiguration entspricht, wobei mindestens zwei der Anschlüsse mit allen Schaltungsanordnungen verbunden sind. Hierdurch kann bei einem einphasigen Versorgungsnetz eine erste Phase mit allen Schaltungsanordnungen verbunden werden und eine zweite Phase oder ein Neutralleiter kann ebenfalls mit allen Schaltungsanordnungen verbunden werden. Die übrigen Anschlüsse können zu einem der erstgenannten Anschlüsse zugeschaltet werden oder nicht verbunden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschaltungsvorrichtung dazu ausgebildet, eine vierte Konfiguration zu ermöglichen, welche vierte Konfiguration der zweiten Konfiguration entspricht, wobei der vierte Anschluss mit allen Schaltungsanordnungen verbunden ist, und der erste Anschluss, der zweite Anschluss und der dritte Anschluss jeweils mit einer zugeordneten Teilmenge der Schaltungsanordnungen verbunden sind. Die Bezeichnung der vierten Konfiguration dient zur Unterscheidung von den anderen Konfigurationen und bedeutet nicht, dass es eine dritte Konfiguration geben muss. Die vierte Konfiguration ermöglicht in vorteilhafter Weise den Anschluss eines Versorgungsnetzes mit mehreren Phasen und einem Neutralleiter.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind bei der vierten Konfiguration der erste Anschluss, der zweite Anschluss und der dritte Anschluss jeweils mit mindestens einem ersten Schaltungsanordnungsanschluss und mit mindestens einem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss der zugeordneten Teilmenge der Schaltungsanordnungen verbunden. Dies ermöglicht bei jeder Phase die Verwendung zweier Schaltungsanordnungen in zueinander entgegengesetzter Richtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Schaltungsanordnungen in der ersten Gruppe ungleich der Anzahl der Schaltungsanordnungen in der zweiten Gruppe. Diese Maßnahme führt zu einer Verringerung der für die Verschaltungsvorrichtung erforderlichen Schalter. Eine Verringerung der Anzahl der Schalter verringert zum einen den elektrischen Widerstand, und zum anderen werden die Kosten für die Schalter gesenkt. Zudem ist diese Ausführungsform vorteilhaft, wenn zwei der Anschlüsse für höhere Ströme ausgelegt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Schaltungsanordnungen in der ersten Gruppe gleich der Anzahl der Schaltungsanordnungen in der zweiten Gruppe. Hierdurch kann der Strom gleichmäßiger über die Anschlüsse verteilt werden als bei einer ungleichen Anzahl.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleichrichteranordnung eine gerade Anzahl von Schaltungsanordnungen auf, und bei der zweiten Konfiguration ist der mindestens eine Anschluss, der mit allen Schaltungsanordnungen verbunden ist, bei der Hälfte der Schaltungsanordnungen mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss und bei der anderen Hälfte der Schaltungsanordnungen mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss verbunden. Dies ermöglicht eine Nutzung einer Hälfte der Schaltungsanordnungen in normaler Richtung und einer anderen Hälfte der Schaltungsanordnungen in Inversrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Schaltungsanordnungen mindestens zwei erste Schaltungsanordnungen und mindestens zwei zweite Schaltungsanordnungen auf, welche mindestens zwei ersten Schaltungsanordnungen jeweils über den ersten Schaltungsanordnungsanschluss oder über den zweiten Schaltungsanordnungsanschluss mit einem ersten Punkt elektrisch verbunden sind, welche mindestens zwei zweiten Schaltungsanordnungen jeweils über den ersten Schaltungsanordnungsanschluss oder über den zweiten Schaltungsanordnungsanschluss mit einem zweiten Punkt elektrisch verbunden sind, und die Verschaltungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, wahlweise eine elektrische Verbindung des ersten Punkts und des zweiten Punkts oder eine Trennung dieser elektrischen Verbindung zu ermöglichen. Diese Ausbildung der Verschaltungsvorrichtung verringert die Anzahl der für die unterschiedlichen Konfigurationen erforderlichen Schalter.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleichrichteranordnung mindestens sechs Schaltungsanordnungen auf. Mit sechs Schaltungsanordnungen lassen sich die meisten Konfigurationen für einphasige und dreiphasige Versorgungsnetze realisieren. Es sind natürlich zusätzliche Schaltungsanordnungen möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder erste Schaltungsanordnungsanschluss einer Schaltungsanordnung fest mit mindestens einem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss einer anderen Schaltungsanordnung verbunden, und jeder zweite Schaltungsanordnungsanschluss einer Schaltungsanordnung ist fest mit mindestens einem ersten Schaltungsanordnungsanschluss einer anderen Schaltungsanordnung verbunden. Hierdurch wird die Anzahl der für die Verschaltungsvorrichtung erforderlichen Schalter verringert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Umschaltvorrichtung einen ersten Umschaltvorrichtungsanschluss und einen zweiten Umschaltvorrichtungsanschluss und ist dazu ausgebildet,
- - einen Strom vom ersten Umschaltvorrichtungsanschluss oder vom zweiten Umschaltvorrichtungsanschluss zur ersten Leitung zu ermöglichen,
- - einen Strom von der zweiten Leitung zum ersten Umschaltvorrichtungsanschluss oder zum zweiten Umschaltvorrichtungsanschluss zu ermöglichen,
- - in einem ersten Umschaltvorrichtungszustand einen Strom zwischen dem ersten Umschaltvorrichtungsanschluss und dem zweiten Umschaltvorrichtungsanschluss zu verhindern, und
- - in einem zweiten Umschaltvorrichtungszustand einen Strom zwischen dem Umschaltvorrichtungsanschluss und dem Umschaltvorrichtungsanschluss zu ermöglichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist den Umschaltvorrichtungen jeweils ein Stromregler zum Regeln des durch die Umschaltvorrichtung fließenden Stroms zugeordnet. Hierdurch kann der maximale Strom an den Anschlüssen begrenzt werden.
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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 und einer Verschaltungsvorrichtung,
- 2 eine erste Ausführungsform für eine Schaltungsanordnung der Gleichrichteranordnung von 1 mit einer Umschaltanordnung,
- 3 eine zweite Ausführungsform für eine Schaltungsanordnung der Gleichrichteranordnung von 1 mit einer Umschaltanordnung,
- 4 eine erste Konfiguration der Verschaltungsvorrichtung von 1,
- 5 eine zweite Konfiguration der Verschaltungsvorrichtung von 1,
- 6 eine dritte Konfiguration der Verschaltungsvorrichtung von 1,
- 7 eine erste Ausführungsform für die Umschaltanordnung von 2 oder 3,
- 8 eine zweite Ausführungsform für die Umschaltanordnung von 2 oder 3, und
- 9 eine weitere Ausführungsform der Gleichrichteranordnung mit einer Verschaltungsmatrix.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen die gleichen Elemente, und diese werden üblicherweise nur einmal beschrieben.
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1 zeigt eine Gleichrichteranordnung 20 zur Gleichrichtung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung. Die Gleichrichteranordnung 20 hat Anschlüsse 21, 22, 23, 24 und 25, über welche sie mit einem Versorgungsnetz 10 verbindbar ist. Die Gleichrichteranordnung 20 hat im Ausführungsbeispiel sechs Schaltungsanordnungen 31, 32, 33, 34, 35 und 36, welche jeweils einen ersten Schaltungsanordnungsanschluss A und einen zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B aufweisen. Die Gleichrichteranordnung 20 hat einen Gleichstromzwischenkreis 50, welcher eine erste Leitung 51 (DC+), eine zweite Leitung 52 (DC-) und mindestens einen Kondensator 61, 62 zwischen der ersten Leitung 51 und der zweiten Leitung 52 aufweist. Die erste Leitung 51 und die zweite Leitung 52 sind jeweils mit den Schaltungsanordnungen 31 bis 36 verschaltet, und dies ist durch die Bezeichnung DC+ und DC- in den Schaltungsanordnungen angedeutet.
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Der Anschluss 21 ist über eine Entstördrossel 211 und einen Schalter 221 mit einem Punkt 131 verbunden. Der Anschluss 22 ist über eine Entstördrossel 212 und einen Schalter 222 mit einem Punkt 132 verbunden. Der Anschluss 23 ist über eine Entstördrossel 213 und einen Schalter 223 mit einem Punkt 133 verbunden. Der Anschluss 24 ist über eine Entstördrossel 214 und einen Schalter 224 mit einem Punkt 134 verbunden. Die Entstördrosseln 211, 212, 213 und 214 dienen als Filter für hochfrequente Störsignale. Die Schalter 221, 222, 223 und 224 ermöglichen eine Trennung der Gleichrichteranordnung 20 vom Versorgungsnetz 10. Sowohl die Entstördrosseln 211, 212, 213, 214 als auch die Schalter 221, 222, 223 und 224 sind nicht zwingend erforderlich.
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Über den Anschluss 25 kann der Schutzleiter PE verbunden werden.
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Eine Verschaltungsvorrichtung 26 hat Schalter 251, 252, 253, 254 und 255.
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Die Funktion des Schalters 223 kann durch die Schalter 251, 252 gemeinsam übernommen werden.
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Der Punkt 131 ist mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A der Schaltungsanordnung 31 und mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B der Schaltungsanordnung 32 verbunden. Zudem ist der Punkt 131 über den Schalter 253 mit dem Punkt 132 und über einen Schalter 254 mit einem Punkt 257 verbunden.
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Der Punkt 132 ist mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A der Schaltungsanordnung 33 und mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B der Schaltungsanordnung 34 verbunden.
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Der Punkt 133 ist über den Schalter 251 mit dem Punkt 257 und über den Schalter 252 mit einem Punkt 258 verbunden.
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Der Punkt 257 ist mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A der Schaltungsanordnung 35 und mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B der Schaltungsanordnung 36 verbunden.
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Der Punkt 134 ist mit den ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen A der Schaltungsanordnungen 32 und 36 verbunden und mit den zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen B der Schaltungsanordnungen 31 und 35 verbunden. Zudem ist der Punkt 134 über den Schalter 255 mit dem Punkt 258 verbunden.
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Die erste Leitung 51 ist über den Kondensator 61 mit einem Punkt 260 verbunden, und der Punkt 260 ist über den Kondensator 62 mit der Leitung 52 verbunden. Die Kondensatoren 61, 62 werden auch als Zwischenkreiskondensatoren bezeichnet. Der Punkt 260 ist über einen Schalter 261 mit dem Punkt 258 verbunden.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel 31A der Schaltungsanordnung 31. Zwischen dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A und dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B sind eine Spule 91 und eine Umschaltanordnung 92 in Reihe geschaltet. Die Reihenfolge zwischen dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A und dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B ist wie folgt:
- - Erster Schaltungsanordnungsanschluss A
- - Spule 91
- - Umschaltanordnung 92
- - Zweiter Schaltungsanordnungsanschluss B.
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Die Umschaltanordnung 92 hat einen Anschluss 102, einen Anschluss 103, einen Anschluss 96 und einen Anschluss 97. Der Anschluss 102 ist mit der Spule 91 verbunden, der Anschluss 103 ist mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B verbunden, der Anschluss 96 ist mit der Leitung 51 verbunden und der Anschluss 97 ist mit der Leitung 52 verbunden.
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Die Umschaltanordnung 92 hat - schematisch angedeutet - einen Schalter 110, der unterschiedliche Verschaltungen zwischen den Anschlüssen 102, 103, 96 und 97 ermöglicht.
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Eine Steuervorrichtung 99 ist zur Kommutierung der Schaltungsanordnung 31A bzw. 31 vorgesehen, und sie ermöglicht - schematisch angedeutet die Zuführung eines beispielsweise getakteten Signals 98.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform 31B der Schaltungsanordnung 31, bei der die Reihenfolge der Spule 91 und der Umschaltanordnung 92 vertauscht ist. Die Reihenfolge ist somit wie folgt:
- - Erster Schaltungsanordnungsanschluss A
- - Umschaltanordnung 92
- - Spule 91
- - Zweiter Schaltungsanordnungsanschluss B
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Bevorzugt sind entweder alle Schaltungsanordnungen 31 bis 36 wie die Schaltungsanordnung 31A ausgebildet oder aber alle Schaltungsanordnungen 31 bis 36 wie die Schaltungsanordnung 31B ausgebildet.
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Die Steuervorrichtung 99 von 2 und 3 hat bevorzugt einen Stromregler integriert. Hierdurch kann der Strom in den Schaltungsanordnungen 31 bis 36 geregelt werden, und der über die jeweiligen Anschlüsse 21, 22, 23, 24 von 1 wird hierdurch auch auf die Summe der geregelten Ströme begrenzt.
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4 zeigt beispielhaft einen möglichen Anschluss eines europäischen Drehstrom-Versorgungsnetzes, bei dem die aktiven Leiter des Versorgungsnetzes die Phasen L1, L2, L3 und einen Neutralleiter N aufweisen. Die Phase L1 ist mit dem Anschluss 21 verbunden, die Phase L2 mit dem Anschluss 22 und die Phase L3 mit dem Anschluss 23. Der Neutralleiter N ist mit dem Anschluss 24 verbunden.
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Die Verschaltungsvorrichtung 26 ist wie folgt verschaltet:
- Der Schalter 251 und der Schalter 255 sind leitend geschaltet, und die Schalter 252, 253 und 254 sind nicht leitend geschaltet.
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Durch diese Konfiguration ergibt sich folgende Verschaltung der Anschlüsse 21 bis 24:
- Der Anschluss 21 ist mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A der Schaltungsanordnungen 31 und mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B der Schaltungsanordnung 32 verbunden. Der Anschluss 22 ist mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A der Schaltungsanordnungen 33 und mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B der Schaltungsanordnung 34 verbunden. Der Anschluss 23 ist mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A der Schaltungsanordnungen 35 und mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B der Schaltungsanordnung 36 verbunden. Der Anschluss 24 ist mit den ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen A der Schaltungsanordnungen 32, 34 und 36 und mit den zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen B der Schaltungsanordnungen 31, 33 und 35 verbunden.
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Der Schalter 261 ist nicht Bestandteil der Verschaltungsvorrichtung 26. Über den leitend geschalteten Schalter 261 wird der Punkt 260 des Zwischenkreises 50 mit dem Anschluss 24 und damit mit dem Neutralleiter N verbunden. Dies führt zu einer geringeren Schwankung des Potenzials am Punkt 260. Der Punkt 260 wird hierdurch auf das Potenzial des Neutralleiters N gesetzt, und die Spannung an den Kondensatoren 61, 62, die beispielsweise zwischen den Leitungen 51 und 52 800 V beträgt, wird gegenüber dem Potenzial am Neutralleiter N auf +/-400 V gehalten. Hierdurch wird bei einem Isolationsdefekt die maximale Spannung gegenüber dem Potenzial am Neutralleiter N vergleichsweise niedrig gehalten, und dies erhöhte die Sicherheit. Die Gleichrichteranordnung 20 würde auch ohne den Schalter 261 funktionieren. Die geringeren Rippelströme und damit auch die geringeren Schwankungen wirken sich positiv auf die Lebensdauer des Zwischenkreises aus.
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Bei der Gleichrichtung fließt der Strom hauptsächlich zwischen den Phasen L1, L2 und L3 an den Anschlüssen 21 bis 23. Über den Neutralleiter N am Anschluss 24 fließt dagegen kein oder nur ein geringer Strom. Bei einem Drehstrom-Versorgungsnetz mit 22 kW Maximalleistung kann bspw. über die Anschlüsse 21, 22 und 23 jeweils ein Strom von maximal 32 A fließen.
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5 zeigt beispielhaft den Anschluss eines europäischen einphasigen Netzes mit einer Phase L1 und einem Neutralleiter N. Die Phase L1 ist an den Anschluss 21 angeschlossen, und der Neutralleiter N an den Anschluss 24. Die gewählte Konfiguration ist wie folgt:
- Die Schalter 253, 254 und 255 sind leitend geschaltet, und die Schalter 251 und 252 sind nicht leitend geschaltet.
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Die ergibt folgende Verschaltung:
- Der Anschluss 21 ist mit den ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen A der Schaltungsanordnungen 31, 33 und 35 und mit den zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen B der Schaltungsanordnungen 32, 34 und 36 verbunden.
- Der Anschluss 24 ist mit den ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen A der Schaltungsanordnungen 32, 34 und 36und mit den zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen B der Schaltungsanordnungen 31, 33 und 35 verbunden.
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Im Ergebnis können alle Schaltungsanordnungen 31 bis 36 für die Gleichrichtung verwendet werden, und hierdurch werden die einzelnen Schaltungsanordnungen 31 bis 36 weniger beansprucht und gleichmäßiger belastet, und dies führt zu einer Erhöhung der Lebensdauer.
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Der Schalter 261 ist leitend geschaltet, um den Neutralleiter N mit dem Punkt 260 zu verbinden.
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Bei einem einphasigen Versorgungsnetz mit einer Maximalleistung von 11 kW fließt sowohl über den Anschluss 21 als auch über den Anschluss 24 jeweils ein maximaler Strom von 48 A.
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6 zeigt den Anschluss eines Versorgungsnetzes vom Typ US split phase, welches ein einphasiges Netz mit drei Leitern ist, von denen eine erste Phase als HOT1 bezeichnet wird, eine zweite Phase als HOT2 bezeichnet wird und der Schutzleiter als PE bezeichnet wird. Die Phase HOT2 hat gegenüber der Phase HOT1 eine Phasenverschiebung von 180°. Es handelt sich also nicht um ein Drehstromnetz.
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In diesem Fall ist die Verschaltungsvorrichtung 26 wie folgt konfiguriert:
- Die Schalter 252 und 254 sind leitend geschaltet, und die Schalter 251, 253 und 255 sind nicht leitend geschaltet.
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Der Anschluss 21 ist mit den ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen A der Schaltungsanordnungen 31 und 35 und mit den zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen B der Schaltungsanordnungen 32 und 36 verbunden.
Der Anschluss 22 ist mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A der Schaltungsanordnung 33 und mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B der Schaltungsanordnung 34 verbunden.
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Der Anschluss 23 ist mit dem ersten Schaltungsanordnungsanschluss A der Schaltungsanordnung 34 und mit dem zweiten Schaltungsanordnungsanschluss B der Schaltungsanordnung 33 verbunden.
Der Anschluss 24 ist mit den ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen A der Schaltungsanordnungen 32 und 36 und mit den zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen B der Schaltungsanordnungen 31 und 35 verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel kann die Phase HOT1 an die Anschlüsse 21 und 22 angelegt werden, und die Phase HOT2 kann an die Anschlüsse 23 und 24 angelegt werden.
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Im Ergebnis ergeben sich zwei Strompfade für den Strom zwischen den Phasen HOT1 und HOT2. Ein Strompfad verläuft zwischen dem Anschluss 21 und dem Anschluss 24 über die Schaltungsanordnungen 31, 32, 35 und 36. Der andere Strompfad verläuft zwischen dem Anschluss 22 und dem Anschluss 23 über die Schaltungsanordnungen 33 und 34.
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Die Schaltungsanordnungen 31, 33 und 35 werden also in entgegen gesetzter Richtung genutzt wie die Schaltungsanordnungen 32, 34 und 36. Dies kann auch als inverse Nutzung eines Teils der Schaltungsanordnungen bezeichnet werden. Diese Ansteuerung ergibt neue Möglichkeiten gegenüber einem Vienna-Gleichrichter, da auf Grund der unterschiedlichen Position der Spulen 91 bspw. bei einer positiven Halbwelle der Phase HOT1 über einen Teil der Schaltungsanordnungen in die erste Leitung 51 eingespeist werden kann und über die anderen Schaltungsanordnungen in die Leitung 52 eingespeist werden kann. Hierdurch kann eine deutliche Reduzierung der Rippelströme im Gleichstromzwischenkreis 50 erzielt werden. Eine solche Konfiguration der Schaltungsanordnungen und der Anschlüsse durch die Verschaltungsvorrichtung ergibt einen so genannten Weissach-Gleichrichter.
In Versuchen wurde ermittelt, dass die Spannungswelligkeit des Gleichrichters 20 im Gleichstromzwischenkreis 50 beim US split phase-Versorgungsnetz in der Konfiguration der 6 etwa 27 % der Spannungswelligkeit eines entsprechenden Vienna-Gleichrichters ohne Umkehr eines Teils der Schaltungsanordnungen 31 bis 36 beträgt.
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Der Schalter 261 ist nicht leitend geschaltet, da kein Neutralleiter N zur Verfügung steht.
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Bei einem Einphasen-Dreileiter-Versorgungsnetz, beispielsweise vom Typ US split phase, mit einer Maximalleistung von 19,2 kW ergibt sich ein Maximalstrom von 48 A an den Anschlüssen 21 und 24 und ein Maximalstrom von 32 A an den Anschlüssen 22 und 23.
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Dies ist insbesondere vorteilhaft gegenüber einer alternativen Zusammenschaltung des Anschlusses 21 mit dem Anschluss 22 und einer Zusammenschaltung des Anschlusses 23 mit dem Anschluss 24. Bei einer solchen Zusammenschaltung wäre der Maximalstrom bei den Anschlüssen 21 und 22 zusammen 80 A und bei den Anschlüssen 23 und 24 zusammen ebenfalls 80 A. Es wäre aber nicht eindeutig, wie sich der Gesamtstrom auf die einzelnen Anschlüsse aufteilt, und dies hängt beispielsweise vom Widerstand der Anschlüsse 21, 22, 23, 24 zueinander und vom Widerstand und der Anzahl der Schalter ab. Daher könnte es beispielsweise vorkommen, dass über den Anschluss 21 ein Strom von 70 A und über den Anschluss 22 ein Strom von 10 A fließt. Die Anschlüsse 21, 22, 23, 24 müssten daher für höhere Maximalströme ausgelegt werden, und dies ist technisch aufwendiger und teurer. Durch die Auftrennung der Strompfade gemäß dem Ausführungsbeispiel der 6 ist dagegen der Maximalstrom garantiert niedriger als 80 A.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse 21 und 24 über jeweils vier Schaltungsanordnungen 31, 32, 35, 36 miteinander verbunden und die Anschlüsse 22 und 23 über jeweils zwei Schaltungsanordnungen 33, 34. Es ist auch möglich, die Verbindung jeweils über drei Schaltungsanordnungen herzustellen, und hierdurch wird der Maximalstrom an den Anschlüssen 21 und 22 weiter gesenkt. Die Ausbildung mit jeweils drei Schaltungsanordnungen erfordert jedoch eine Verschaltungsvorrichtung 26 mit zusätzlichen Schaltern.
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7 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der Umschaltanordnung 92. Die Umschaltanordnung 92 ist wie bei einem Vienna-Gleichrichter ausgebildet.
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Die Umschaltanordnung 92 hat den ersten Umschaltanordnungsanschluss 102, den zweiten Umschaltanordnungsanschluss 113, den ersten Ausgang 96 und den zweiten Ausgang 97. Die Umschaltanordnungsanschlüsse 102, 113 können auch als Brückengleichrichteranschlüsse bezeichnet werden.
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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 in einem 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 in einem 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 angeordnet sind, können die Dioden 111, 112 schwächer ausgebildet werden als die Dioden 103, 104, da sie weniger belastet werden.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 92. 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 7 versehen sind. Der Schalter 110 von 7 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 parallel geschaltete Diode mit bevorzugt geringer Flussspannung, beispielsweise einer Schottky-Diode. Bevorzugt wird die Spule 91 jeweils auf der Seite des Brückengleichrichteranschlusses 102 geschaltet, so dass die Dioden 103, 106 auf der Seite der Spule 91 sind. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Stroms durch die Schalter 110A, 11 OB 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 11 OB 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 7. 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 11 OB und die Diode 106 zum Umschaltvorrichtungsanschluss 102. Im Gegensatz zur Ausführungsform von 7 hat diese Schaltung geringere Leitverluste, da nicht wie in 7 bei leitendem Schalter 110 zwei Dioden in Serie geschaltet sind.
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Im Gegensatz zur Umschaltvorrichtung 92 von 7 ist die Umschaltvorrichtung 92 von 8 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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Die Eigenschaft der Umschaltvorrichtungen 92 von 7 und 8 kann wie folgt zusammengefasst werden:
- Die Umschaltvorrichtung 92 ist dazu ausgebildet,
- - einen Strom vom Umschaltvorrichtungsanschluss 102 oder vom Umschaltvorrichtungsanschluss 113 zur Leitung 51 zu ermöglichen,
- - einen Strom von der Leitung 52 zum Umschaltvorrichtungsanschluss 102 oder zum Umschaltvorrichtungsanschluss 113 zu ermöglichen,
- - in einem ersten Umschaltvorrichtungszustand Z1 einen Strom zwischen dem Umschaltvorrichtungsanschluss 102 und dem Umschaltvorrichtungsanschluss 113 zu verhindern, und
- - in einem zweiten Umschaltvorrichtungszustand Z2 einen Strom zwischen dem Umschaltvorrichtungsanschluss 102 und dem Umschaltvorrichtungsanschluss 113 zu ermöglichen.
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Bevorzugt weist die Umschaltvorrichtung 92 einen Brückengleichrichter 103, 106, 111, 112 und mindestens einen Schalter 110 bzw. 110A, 110B auf, es sind aber auch aufwendigere Schaltungen mit Logikbausteinen möglich.
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9 zeigt eine Variante der Gleichrichteranordnung 20, bei der die Verschaltungsvorrichtung 26 eine Verschaltmatrix aufweist, die eine weitgehend freie Verschaltung der Anschlüsse 21, 22, 23, 24 mit den ersten Schaltungsanordnungsanschlüssen A und zweiten Schaltungsanordnungsanschlüssen B der Schaltungsanordnungen 31 bis 36 aufweist. Eine solche Verschaltungsvorrichtung 20 ermöglicht jede der bereits gezeigten Konfigurationen und weitere Konfigurationen. Die gezeigte Konfiguration entspricht der Konfiguration von 6, wobei die leitend geschalteten Schalter der Verschaltmatrix als Punkte dargestellt sind. Wie zu sehen ist, sind für alle möglichen Kombinationen 48 Schalter erforderlich. Dem gegenüber benötigt die Verschaltungsvorrichtung 26 von 1 nur fünf Schalter 251, 253, 253, 254 und 255.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
Den Schaltungsanordnungen 31 bis 36 kann jeweils ein - nicht dargestellter - Kondensator parallel geschaltet werden, der als X-Kondensator als Teil eines Entstörfilters wirken kann.
