DE102020126925B4 - Regulator - Google Patents
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Abstract
Regler (3), umfassend:einen Transformator (5) mit einer Primärseite (P) und einer Sekundärseite (S), wobei die Primärseite (P) drei Primärwicklungen aufweist, die so miteinander geschaltet sind, dass die miteinander geschalteten Primärwicklungen drei Primäranschlüsse (P1, P2, P3) bilden, und die Sekundärseite (S) drei Sekundärwicklungen aufweist, wobei jede Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen mit einem Außenleiter (L1, L2, L3) von drei Außenleitern (L1, L2, L3) verbindbar ist, sodass jedem Außenleiter (L1, L2, L3) der drei Außenleiter (L1, L2, L3) eine Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen zugeordnet ist und für jeden Außenleiter (L1, L2, L3) ein erster Abschnitt (A1) des Außenleiters (L1, L2, L3), die dem Außenleiter (L1, L2, L3) zugeordnete Sekundärwicklung und ein zweiter Abschnitt (A2) des Außenleiters (L1, L2, L3) in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, undeine Wechselrichtereinheit (7) mit drei wechselspannungsseitigen Anschlüssen (9a, 9b, 9c), wobei jeder wechselspannungsseitige Anschluss (9a, 9b, 9c) der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse (9a, 9b, 9c) der Wechselrichtereinheit (7) mit einem Primäranschluss (P1, P2, P3) der drei Primäranschlüsse (P1, P2, P3) verbunden ist, sodass jedem Primäranschluss (P1, P2, P3) ein wechselspannungsseitiger Anschluss (9a, 9b, 9c) zugeordnet ist,wobei ein wechselspannungsseitiger Anschluss (9a) der drei Wechselspannungsseitigen Anschlüsse (9a, 9b, 9c) der Wechselrichtereinheit (7) entweder direkt mit einem Nullleiter (N) oder direkt mit einem Außenleiter (L2) der drei Außenleiter (L1, L2, L3) verbindbar ist.wobei der Regler (3) eine Gleichrichtereinheit (11) aufweist, die über einen Energiespeicher (13) mit der Wechselrichtereinheit (7) verbunden ist und mindestens einen wechselspannungsseitigen Anschluss (17) aufweist, wobei jeder wechselspannungsseitige Anschluss (17) des mindestens einen wechselspannungsseitigen Anschlusses (17) der Gleichrichtereinheit (11) mit einem Außenleiter (L1, L2, L3) der drei Außenleiter (L1, L2, L3) verbindbar ist.wobei der Energiespeicher (13) zwei Kondensatoren (15) aufweist, die über einen Verbindungspunkt (23) miteinander verbunden sind, der dann, wenn der wechselspannungsseitige Anschluss (9a) der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse (9a, 9b, 9c) der Wechselrichtereinheit (7) direkt mit dem Nullleiter (N) verbindbar ist, direkt mit dem Nullleiter (N) verbindbar ist, und dann, wenn der wechselspannungsseitige Anschluss (9a) der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse (9a, 9b, 9c) der Wechselrichtereinheit (7) direkt mit dem Außenleiter (L2) der drei Außenleiter (L1, L2, L3) verbindbar ist, direkt mit diesem Außenleiter (L2) verbindbar ist.Regulator (3), comprising:a transformer (5) with a primary side (P) and a secondary side (S), the primary side (P) having three primary windings which are connected to one another in such a way that the primary windings connected to one another have three primary connections (P1 , P2, P3), and the secondary side (S) has three secondary windings, each secondary winding of the three secondary windings being connectable to an outer conductor (L1, L2, L3) of three outer conductors (L1, L2, L3), so that each outer conductor ( L1, L2, L3) of the three external conductors (L1, L2, L3) is assigned a secondary winding of the three secondary windings and for each external conductor (L1, L2, L3) a first section (A1) of the external conductor (L1, L2, L3), the secondary winding assigned to the outer conductor (L1, L2, L3) and a second section (A2) of the outer conductor (L1, L2, L3) are connected in series in this order, and an inverter unit (7) with three AC voltage side connections (9a, 9b, 9c), each AC-side connection (9a, 9b, 9c) of the three AC-side connections (9a, 9b, 9c) of the inverter unit (7) being connected to a primary connection (P1, P2, P3) of the three primary connections (P1, P2, P3). is connected, so that each primary connection (P1, P2, P3) is assigned an AC voltage side connection (9a, 9b, 9c), an AC voltage side connection (9a) of the three AC voltage side connections (9a, 9b, 9c) of the inverter unit (7) either can be connected directly to a neutral conductor (N) or directly to an external conductor (L2) of the three external conductors (L1, L2, L3). The controller (3) has a rectifier unit (11) which is connected via an energy storage device (13). Inverter unit (7) is connected and has at least one AC voltage side connection (17), each AC voltage side connection (17) of the at least one AC voltage side connection (17) of the rectifier unit (11) having an outer conductor (L1, L2, L3) of the three outer conductors ( L1, L2, L3) can be connected. The energy storage device (13) has two capacitors (15) which are connected to one another via a connection point (23) which, when the AC voltage side connection (9a) of the three AC voltage side connections (9a, 9b, 9c) of the inverter unit (7) can be connected directly to the neutral conductor (N), can be connected directly to the neutral conductor (N), and then when the AC voltage side connection (9a) of the three AC voltage side connections (9a, 9b, 9c) the inverter unit (7) can be connected directly to the outer conductor (L2) of the three outer conductors (L1, L2, L3), can be connected directly to this outer conductor (L2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regler, insbesondere einen Leistungsflussregler, wie beispielsweise einen UPFC-Regler, zur Leistungsflussregelung oder einen Spannungsregler, wie beispielsweise einen DVR-Regler, zur Spannungsregelung, Spannungssymmetrierung und zur Ausregelung von Spannungsverzerrungen in elektrischen Netzen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Reglersystem mit einem solchen Regler.The present invention relates to a regulator, in particular a power flow regulator, such as a UPFC regulator, for power flow control or a voltage regulator, such as a DVR regulator, for voltage regulation, voltage balancing and for regulating voltage distortions in electrical networks. A further aspect of the invention relates to a control system with such a regulator.
UPFC steht für „Unified Power Flow Controller“, zu deutsch: Vereinheitlichter Leistungsflussregler, und bezeichnet in der elektrischen Energietechnik eine Komponente, die dazu dient, in überregionalen und vermaschten Stromnetzen die übertragene elektrische Leistung in einzelnen Leitungen, wie Freileitungen, gezielt steuern und beeinflussen zu können. Mit UPFC-Reglern können so in vermaschten Netzen gezielt bestimmte, vertraglich vereinbarte Leistungsdurchleitungen erfüllt werden als auch Leitungen gemäß Ihren technischen Fähigkeiten kontrolliert maximal genutzt werden.UPFC stands for “Unified Power Flow Controller”, and in electrical energy technology it refers to a component that is used to specifically control and influence the transmitted electrical power in individual lines, such as overhead lines, in supra-regional and meshed power networks can. With UPFC controllers, specific, contractually agreed power transmissions can be specifically fulfilled in meshed networks and lines can also be used to the maximum in a controlled manner in accordance with their technical capabilities.
DVR steht für „Dynamic Voltage Restorer“, zu deutsch: Dynamischer Spannungswiederhersteller, und bezeichnet eine Komponente, die beispielsweise empfindliche Lasten in elektrischen Versorgungsnetzen vor kurzzeitigen Spannungseinbrüchen schützt. Durch die vermehrte Integration sensibler Lasten (z.B. Halbleiterfabriken) in die Versorgungsnetze, sind die Anforderungen an die Spannungsstabilität deutlich gestiegen. Besonders kurzzeitige Spannungseinbrüche - z.B. durch Kurzschlüsse im Netz - sind extrem kritisch für derartige Verbraucher. Eine Möglichkeit empfindliche Lasten zu schützen sind DVR-Regler. Diese Systeme sind in der Lage komplette Fabriken gegen Spannungseinbrüche zu schützen. DVRs sind heute in der Lage Spannungseinbrüche an Lasten mit mehr als 20 MW für mehrere 100 ms zu kompensieren.DVR stands for “Dynamic Voltage Restorer” and describes a component that, for example, protects sensitive loads in electrical supply networks from short-term voltage drops. Due to the increased integration of sensitive loads (e.g. semiconductor factories) into the supply networks, the requirements for voltage stability have increased significantly. Particularly short-term voltage drops - e.g. due to short circuits in the network - are extremely critical for such consumers. One way to protect sensitive loads is with DVR controllers. These systems are able to protect entire factories against voltage drops. DVRs are now able to compensate for voltage drops on loads of more than 20 MW for several 100 ms.
UPFC- und DVR-Topologien beruhen auf einer Längseinkopplung einer Spannungsquelle. Soll diese Spannungsquelle stufenlos regelbar sein, so kommt im Stand der Technik ein Koppeltransformator mit einem dreiphasigen Wechselrichter zum Einsatz, mit dem auf der Sekundärseite des dreiphasigen Koppeltransformators eine dreiphasige Spannungsquelle realisiert wird.UPFC and DVR topologies rely on longitudinal coupling of a voltage source. If this voltage source is to be infinitely variable, the prior art uses a coupling transformer with a three-phase inverter, with which a three-phase voltage source is implemented on the secondary side of the three-phase coupling transformer.
In einer spannungsunidirektionalen Variante wird im Stand der Technik eine DC-Zwischenkreisspannung mit einem Dioden-basierten Wechselrichter bereitgestellt. In dieser Variante kann die Topologie die Netzspannung nur in Richtung der Wirkleistungsrichtung anheben. Ferner wird in dieser Topologie in dem Netz ein verzerrter und Blindleistungsbehafteter Strom verursacht, sofern nicht zusätzliche technische Einrichtungen zur Minderung dieser Auswirkungen eingebaut werden, die jedoch wiederum Komplexität und Bauraum des Reglers erhöhen.In a voltage-unidirectional variant, in the prior art a DC intermediate circuit voltage is provided with a diode-based inverter. In this variant, the topology can only increase the grid voltage in the direction of the active power direction. Furthermore, in this topology, a distorted current with reactive power is caused in the network unless additional technical devices are installed to reduce these effects, which in turn increase the complexity and installation space of the controller.
Soll die längseingekoppelte Spannung die Netzspannung unabhängig von der Wirkleistungsrichtung verändern können, so ist an diesem Umrichter nach Stand der Technik zusätzlich ein sogenanntes „Active Frontend“, d.h. ein zweiter Wechselrichter, nötig, der Energie aus dem Zwischenkreis des spannungsstellenden Umrichters in das Netz zurückspeisen kann. Ein solcher zweiter Wechselrichter erhöht ebenfalls die Komplexität und den Bauraum des Reglers.If the longitudinally coupled voltage is to be able to change the mains voltage independently of the active power direction, then according to the state of the art, a so-called “active front end”, i.e. a second inverter, is also required on this converter, which can feed energy back into the network from the intermediate circuit of the voltage-adjusting converter . Such a second inverter also increases the complexity and installation space of the controller.
Die Veröffentlichung QUINT, I. et. Al.: Schlussbericht zum Verbundvorhaben Flexibler Ortsnetz Spannungs- und Wirkleistungs-Regler, Jülich: März 2018 zeigt in diesem Zusammenhang einen elektronischen Spannungsregler zum Schutz von sensiblen Lasten vor Kurzzeitunterbrechungen und anderen Spannungsschwankungen. Der Spannungsregler umfasst einen Transformator, eine Wechselrichtereinheit, einen Leistungsschalter, sowie eine Bypasseinheit.The publication QUINT, I. et. Al.: Final report on the joint project for a flexible local network voltage and active power regulator, Jülich: March 2018 shows in this context an electronic voltage regulator to protect sensitive loads from short-term interruptions and other voltage fluctuations. The voltage regulator includes a transformer, an inverter unit, a circuit breaker and a bypass unit.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Regler bereitzustellen, der besonders einfach und platzsparend aufgebaut ist und der gleichzeitig bidirektional betrieben werden kann und keine Eingangsstromverzerrung sowie keinen Blindleistungsbezug verursacht. The object of the present invention is to provide a controller that has a particularly simple and space-saving design and that can be operated bidirectionally at the same time and does not cause any input current distortion or reactive power consumption.
Diese Aufgabe wird mit einem Regler gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is solved with a controller according to
Insbesondere wird die Aufgabe mit einem Regler gelöst, der einen Transformator und eine Wechselrichtereinheit umfasst. Der Transformator, auch als Koppeltransformator bezeichnet, hat eine Primärseite und eine Sekundärseite, wobei die Primärseite auch als Oberspannungsseite und die Sekundärseite als Unterspannungsseite bezeichnet werden kann. Die Primärseite weist drei Primärwicklungen auf, die so miteinander geschaltet sind, dass die miteinander geschalteten Primärwicklungen drei Primäranschlüsse bilden. Die Sekundärseite weist drei Sekundärwicklungen auf, wobei jede Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen mit einem Außenleiter von drei Außenleitern verbindbar ist, sodass jedem Außenleiter der drei Außenleiter eine Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen zugeordnet ist und für jeden Außenleiter ein erster Abschnitt des Außenleiters, die dem Außenleiter zugeordnete Sekundärwicklung und ein zweiter Abschnitt des Außenleiters in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind. Die Wechselrichtereinheit hat drei wechselspannungsseitige Anschlüsse, wobei jeder wechselspannungsseitige Anschluss der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse der Wechselrichtereinheit mit einem Primäranschluss der drei Primäranschlüsse verbunden ist, sodass jedem Primäranschluss ein wechselspannungsseitiger Anschluss zugeordnet ist. Ein wechselspannungsseitiger Anschluss der drei Wechselspannungsseitigen Anschlüsse der Wechselrichtereinheit ist entweder mit einem Nullleiter oder mit einem Außenleiter der drei Außenleiter verbindbar. Dabei ist der wechselspannungsseitige Anschluss vorzugsweise direkt über einen Umgehungsleiter mit dem Nullleiter bzw. dem Außenleiter verbunden, der die Wechselrichtereinheit umgeht und somit keine Schaltelemente der Wechselrichtereinheit passiert bzw. aufweist.In particular, the task is solved with a controller that includes a transformer and an inverter unit. The transformer, Also known as a coupling transformer, has a primary side and a secondary side, whereby the primary side can also be referred to as the high-voltage side and the secondary side as the low-voltage side. The primary side has three primary windings which are connected to one another in such a way that the primary windings connected to one another form three primary connections. The secondary side has three secondary windings, each secondary winding of the three secondary windings being connectable to an outer conductor of three outer conductors, so that each outer conductor of the three outer conductors is assigned a secondary winding of the three secondary windings and for each outer conductor a first section of the outer conductor, the secondary winding assigned to the outer conductor and a second section of the external conductor are connected in series in this order. The inverter unit has three AC-side connections, each AC-side connection of the three AC-side connections of the inverter unit being connected to a primary connection of the three primary connections, so that each primary connection is assigned an AC-side connection. An AC voltage side connection of the three AC voltage side connections of the inverter unit can be connected either to a neutral conductor or to an external conductor of the three external conductors. The AC voltage side connection is preferably connected directly to the neutral conductor or the external conductor via a bypass conductor, which bypasses the inverter unit and therefore does not pass through or have any switching elements of the inverter unit.
Auf diese Weise wird ein Regler bereitgestellt, der bidirektional betrieben werden kann, der keine Eingangsstromverzerrung und keinen Blindleistungsbezug verursacht bzw. keine Zusatzmaßnahmen zur Vermeidung dieser erforderlich macht, der besonders einfach und platzsparend aufgebaut ist und geringe Kosten verursacht. Insbesondere kann die Hardwarekomplexität der Wechselrichtereinheit deutlich reduziert werden, im besten Fall bis zu 75%.In this way, a controller is provided which can be operated bidirectionally, which does not cause any input current distortion or reactive power consumption or does not require any additional measures to avoid this, which is constructed in a particularly simple and space-saving manner and which incurs low costs. In particular, the hardware complexity of the inverter unit can be significantly reduced, in the best case up to 75%.
Gemäß der erfinderischen Lösung weist der Regler eine Gleichrichtereinheit auf, die über einen Energiespeicher mit der Wechselrichtereinheit verbunden ist und mindestens einen wechselspannungsseitigen Anschluss aufweist, wobei jeder wechselspannungsseitige Anschluss des mindestens einen wechselspannungsseitigen Anschlusses der Gleichrichtereinheit mit einem Außenleiter der drei Außenleiter verbindbar ist. Der Energiespeicher ist dann in einem sogenannten Zwischenkreis vorgesehen bzw. bildet einen solchen Zwischenkreis und kann einen oder mehrere Kondensatoren umfassen, insbesondere Zwischenkreiskondensatoren. Auf diese Weise können mit der Spannung aus dem Energiespeicher beispielsweise kritische Spannungseinbrüche in Versorgungsnetzen ausgeglichen werden.According to the inventive solution, the regulator has a rectifier unit which is connected to the inverter unit via an energy storage device and has at least one AC voltage-side connection, wherein each AC voltage-side connection of the at least one AC voltage-side connection of the rectifier unit can be connected to an outer conductor of the three outer conductors. The energy storage is then provided in a so-called intermediate circuit or forms such an intermediate circuit and can include one or more capacitors, in particular intermediate circuit capacitors. In this way, the voltage from the energy storage can be used to compensate for critical voltage drops in supply networks, for example.
Vorzugsweise umgeht der Umgehungsleiter auch die Gleichrichtereinheit sowie den Energiespeicher bzw. den Zwischenkreis, in welchem der Energiespeicher vorgesehen ist, so dass der Umgehungsleiter auch keine Schaltelemente der Gleichrichtereinheit und des Zwischenkreises passiert bzw. aufweist.Preferably, the bypass conductor also bypasses the rectifier unit and the energy storage or the intermediate circuit in which the energy storage is provided, so that the bypass conductor does not pass through or have any switching elements of the rectifier unit and the intermediate circuit.
Gemäß der erfinderischen Lösung weist der Energiespeicher weiterhinzudem zwei Kondensatoren, insbesondere Zwischenkreiskondensatoren, auf, die über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Der Verbindungspunkt ist dann, wenn der wechselspannungsseitige Anschluss der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse der Wechselrichtereinheit mit dem Nullleiter verbindbar ist, mit dem Nullleiter verbindbar, und dann, wenn der wechselspannungsseitige Anschluss der drei Wechselspannungsseitigen Anschlüsse der Wechselrichtereinheit mit dem Außenleiter der drei Außenleiter verbindbar ist, mit diesem Außenleiter verbindbar. Durch eine solche Verbindung des Verbindungspunkts mit dem Nullleiter bzw. mit dem Außenleiter kann die Spannung des Energiespeichers, insbesondere der Zwischenkreiskondensatoren, stabilisiert werden, indem Wirkleistung aus dem entsprechenden Leiter des Netzes aufgenommen oder in das Netz eingespeist wird.According to the inventive solution, the energy storage device also has two capacitors, in particular intermediate circuit capacitors, which are connected to one another via a connection point. The connection point can be connected to the neutral conductor when the AC voltage side connection of the three AC voltage side connections of the inverter unit can be connected to the neutral conductor, and when the AC voltage side connection of the three AC voltage side connections of the inverter unit can be connected to the outer conductor of the three outer conductors, to this External conductor connectable. Through such a connection of the connection point to the neutral conductor or to the external conductor, the voltage of the energy storage, in particular of the intermediate circuit capacitors, can be stabilized by absorbing active power from the corresponding conductor of the network or feeding it into the network.
Vorzugsweise ist dabei ein Stabilisierungsleiter vorgesehen, der einerseits mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren und andererseits mit dem Umgehungsleiter verbunden ist.A stabilization conductor is preferably provided, which is connected on the one hand to the connection point between the two capacitors and on the other hand to the bypass conductor.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der wechselspannungsseitige Anschluss der Wechselrichtereinheit, der entweder mit dem Nullleiter oder mit dem Außenleiter verbindbar ist, mit dem Nullleiter verbindbar. Hierdurch ergibt sich ein relativ niedriger Spannungshub an den beiden einzuprägenden Spannungen des Transformators im Vergleich dazu, wenn der wechselspannungsseitige Anschluss der Wechselrichtereinheit mit dem Außenleiter verbindbar ist.In a preferred embodiment, the AC voltage side connection of the inverter unit, which can be connected either to the neutral conductor or to the outer conductor, can be connected to the neutral conductor. This results in a relatively low voltage swing at the two transformer voltages to be impressed compared to when the AC voltage side connection of the inverter unit can be connected to the outer conductor.
In einer alternativen Ausführungsform ist der wechselspannungsseitige Anschluss der Wechselrichtereinheit, der entweder mit dem Nullleiter oder mit dem Außenleiter verbindbar ist, mit dem Außenleiter verbindbar. Hierdurch ergibt sich ein deutlich höherer Spannungshub an den beiden einzuprägenden Spannungen des Transformators im Vergleich dazu, wenn der wechselspannungsseitige Anschluss der Wechselrichtereinheit mit dem Nullleiter verbindbar ist. Dies kann jedoch beispielsweise durch ein angepasstes Transformatordesign ausgeglichen werden.In an alternative embodiment, the AC voltage side connection of the inverter unit, which can be connected either to the neutral conductor or to the outer conductor, can be connected to the outer conductor. This results in a significantly higher voltage swing at the two transformer voltages to be impressed compared to when the AC voltage side connection of the inverter unit can be connected to the neutral conductor. However, this can be done, for example, by adjusted transformer design can be compensated.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei wechselspannungsseitige Anschlüsse der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse der Wechselrichtereinheit über eine 2-Level-Schaltung der Wechselrichtereinheit mit dem Energiespeicher verbunden. Dies stellt eine besonders einfache, kompakte, und kostengünstige Variante dar.In a preferred embodiment, two AC-side connections of the three AC-side connections of the inverter unit are connected to the energy storage device via a 2-level circuit of the inverter unit. This represents a particularly simple, compact and cost-effective variant.
In einer alternativen Ausführungsform sind zwei wechselspannungsseitige Anschlüsse der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse der Wechselrichtereinheit über eine 3-Level-Schaltung der Wechselrichtereinheit mit dem Energiespeicher verbunden. Dies stellt eine etwas kompliziertere Variante der Wechselrichtereinheit dar, die jedoch eine bessere Annäherung der Sinus-Wellenform der Wechselspannung leisten kann und damit präziser und wirkungsvoller ist sowie ferner den Einsatz von aktiven Schaltelementen mit halber Sperrspannung und niedrigeren Schaltverlusten im Vergleich zur 2-Level-Schaltung erlaubt und somit eine kompakteren Aufbau der wechselspannungsseitigen Filterelemente sowie des Kühlsystems erlaubt.In an alternative embodiment, two AC-side connections of the three AC-side connections of the inverter unit are connected to the energy storage device via a 3-level circuit of the inverter unit. This represents a slightly more complicated variant of the inverter unit, but it can provide a better approximation of the sine waveform of the AC voltage and is therefore more precise and effective, as well as the use of active switching elements with half the reverse voltage and lower switching losses compared to the 2-level circuit allowed and thus allows a more compact design of the AC voltage side filter elements and the cooling system.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gleichrichtereinheit eine steuerbare Gleichrichtereinheit. Die steuerbare Gleichrichtereinheit kann unter Verschaltung mehrerer aktiver Schaltelemente, wie beispielsweise Transistoren, gebildet werden. Zusätzlich kann die steuerbare Gleichrichtereinheit jedoch auch passive Schaltelemente, wie Dioden, aufweisen. Mit einer steuerbaren Gleichrichtereinheit kann die Gleichrichtereinheit auch als Wechselrichtereinheit betrieben werden, so dass ein bidirektionaler Betrieb des Reglers realisiert werden kann.In a preferred embodiment, the rectifier unit is a controllable rectifier unit. The controllable rectifier unit can be formed by interconnecting several active switching elements, such as transistors. In addition, however, the controllable rectifier unit can also have passive switching elements, such as diodes. With a controllable rectifier unit, the rectifier unit can also be operated as an inverter unit, so that bidirectional operation of the controller can be realized.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Gleichrichtereinheit eine nicht-steuerbare Gleichrichtereinheit. Die nicht-steuerbare Gleichrichtereinheit kann unter Verschaltung mehrerer passiver Schaltelemente, wie beispielsweise Dioden, gebildet werden. Eine nicht-steuerbare Gleichrichtereinheit erlaubt eine besonders einfache Bauweise, ist jedoch auf einen unidirektionalen Betrieb des Reglers beschränkt.In an alternative embodiment, the rectifier unit is a non-controllable rectifier unit. The non-controllable rectifier unit can be formed by connecting several passive switching elements, such as diodes. A non-controllable rectifier unit allows a particularly simple design, but is limited to unidirectional operation of the controller.
In einer bevorzugte Ausführungsform weist der mindestens eine wechselspannungsseitige Anschluss der Gleichrichtereinheit einen wechselspannungsseitigen Anschluss auf. Dies stellt eine besonders einfache, kompakte und kostengünstige Bauweise dar.In a preferred embodiment, the at least one AC voltage side connection of the rectifier unit has an AC voltage side connection. This represents a particularly simple, compact and cost-effective design.
In einer alternativen Ausführungsform weist der mindestens eine wechselspannungsseitige Anschluss der Gleichrichtereinheit zwei wechselspannungsseitige Anschlüsse auf. Dies stellt eine etwas größere und kompliziertere Bauweise dar, die Bezugsleistung kann jedoch auf zwei Außenleiter verteilt werden, wodurch die Effektivität und Zuverlässigkeit des Reglers erhöht werden kann.In an alternative embodiment, the at least one AC voltage side connection of the rectifier unit has two AC voltage side connections. This represents a slightly larger and more complicated design, but the reference power can be distributed over two external conductors, which can increase the effectiveness and reliability of the controller.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform weist der mindestens eine wechselspannungsseitige Anschluss der Gleichrichtereinheit drei wechselspannungsseitige Anschlüsse auf. Dies stellt eine noch etwas größere und kompliziertere Bauweise dar, die Bezugsleistung kann jedoch auf drei Außenleiter verteilt werden, wodurch die Effektivität und Zuverlässigkeit des Reglers weiter erhöht werden kann und die drei Außenleiter symmetrisch mit gleichem Strom belastet werden können.In a further alternative embodiment, the at least one AC voltage side connection of the rectifier unit has three AC voltage side connections. This represents a somewhat larger and more complicated design, but the reference power can be distributed over three external conductors, which further increases the effectiveness and reliability of the controller and allows the three external conductors to be loaded symmetrically with the same current.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Regler einen Kurzschließer auf, der mit den drei Primäranschlüssen verbunden ist und angepasst ist, die drei Primäranschlüsse miteinander kurzzuschließen und zu erden. Auf diese Weise können Überlastungen des Reglers schnell beendet werden.In a preferred embodiment, the regulator has a short-circuiting device which is connected to the three primary connections and is adapted to short-circuit the three primary connections to one another and to ground them. In this way, controller overloads can be stopped quickly.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die drei Primärwicklungen so miteinander geschaltet, dass die miteinander geschalteten Primärwicklungen eine Dreieckschaltung bilden, sodass die in der Dreieckschaltung miteinander geschalteten Primärwicklungen die drei Primäranschlüsse bilden. Dies stellt eine besonders einfache und wirksame Verschaltung dar.In a preferred embodiment, the three primary windings are connected to one another in such a way that the primary windings connected to one another form a delta connection, so that the primary windings connected to one another in the delta connection form the three primary connections. This represents a particularly simple and effective connection.
In einer alternativen Ausführungsform sind die drei Primärwicklungen so miteinander geschaltet, dass die miteinander geschalteten Primärwicklungen eine Sternschaltung bilden, sodass die in der Sternschaltung miteinander geschalteten Primärwicklungen die drei Primäranschlüsse bilden. Eine Sternschaltung kann in bestimmten Fällen vorteilhaft bzw. erforderlich sein.In an alternative embodiment, the three primary windings are connected to one another in such a way that the primary windings connected to one another form a star connection, so that the primary windings connected to one another in the star connection form the three primary connections. A star connection can be advantageous or necessary in certain cases.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Reglersystem mit drei Außenleitern, einem Nullleiter und einem Regler nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Jede Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen ist mit einem Außenleiter der drei Außenleiter verbunden und der wechselspannungsseitige Anschluss der drei Wechselspannungsseitigen Anschlüsse der Wechselrichtereinheit ist entweder mit dem Nullleiter oder mit einem Außenleiter der drei Außenleiter verbunden. Die im Zusammenhang mit dem Regler beschriebenen Merkmale und Wirkungen gelten vis-a-vis ebenfalls für das Reglersystem.A further aspect of the present invention relates to a regulator system with three external conductors, a neutral conductor and a regulator according to one of the previously described embodiments. Each secondary winding of the three secondary windings is connected to an outer conductor of the three outer conductors and the AC side connection of the three AC side connections of the inverter unit is connected either to the neutral conductor or to an outer conductor of the three outer conductors. The features and effects described in connection with the controller also apply vis-a-vis to the controller system.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
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1 Schaltbilder zweier Varianten eines aus dem Stand der Technik bekannten Reglersystems mit einem Dioden-basierten Gleichrichter, -
2 Schaltbilder zweier weiterer Varianten eines aus dem Stand der Technik bekannten Reglersystems mit einem Transistoren-basierten Gleichrichter, -
3 Schaltbilder zweier Varianten eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reglersystems mit einem Transistoren-basierten Gleichrichter, -
4 Schaltbilder zweier Varianten eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reglersystems mit einem Dioden-basierten Gleichrichter, -
5 Schaltbilder zweier Varianten eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reglersystems mit einem Transistoren-basierten Gleichrichter mit mehreren wechselspannungsseitigen Anschlüssen, -
6 Schaltbilder zweier Varianten eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reglersystems mit einem Transistoren-basierten Gleichrichter und einem aktiven Nullleiter und -
7 Schaltbilder zweier Varianten eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reglersystems mit einem Transistoren-basierten Gleichrichter und ohne Nullleiteranschluss.
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1 Circuit diagrams of two variants of a regulator system known from the prior art with a diode-based rectifier, -
2 Circuit diagrams of two further variants of a regulator system known from the prior art with a transistor-based rectifier, -
3 Circuit diagrams of two variants of a first exemplary embodiment of the regulator system according to the invention with a transistor-based rectifier, -
4 Circuit diagrams of two variants of a second exemplary embodiment of the regulator system according to the invention with a diode-based rectifier, -
5 Circuit diagrams of two variants of a third exemplary embodiment of the regulator system according to the invention with a transistor-based rectifier with several AC voltage side connections, -
6 Circuit diagrams of two variants of a fourth exemplary embodiment of the regulator system according to the invention with a transistor-based rectifier and an active neutral conductor and -
7 Circuit diagrams of two variants of a fifth exemplary embodiment of the regulator system according to the invention with a transistor-based rectifier and without a neutral conductor connection.
Das Reglersystem 1' umfasst drei Außenleiter L1', L2', L3', einen Nullleiter N' und einen Regler 3'. Der Regler 3' weist einen Transformator 5' und eine Wechselrichtereinheit 7' auf. Der Transformator 5' hat eine Primärseite P' und eine Sekundärseite S'. Die Primärseite P' weist drei Primärwicklungen auf, die so miteinander geschaltet sind, dass die miteinander geschalteten Primärwicklungen drei Primäranschlüsse P1', P2', P3' bilden. Die Sekundärseite S' weist drei Sekundärwicklungen auf, wobei jede Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen mit einem Außenleiter L1', L2`, L3' der drei Außenleitern L1', L2`, L3' verbunden ist, sodass jedem Außenleiter L1', L2`, L3' der drei Außenleiter L1', L2`, L3' eine Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen zugeordnet ist und für jeden Außenleiter L1', L2', L3' ein erster Abschnitt A1' des Außenleiters L1', L2', L3', die dem Außenleiter L1', L2', L3' zugeordnete Sekundärwicklung und ein zweiter Abschnitt A2' des Außenleiters L1', L2`, L3' in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind. Die Wechselrichtereinheit 7' hat ferner drei wechselspannungsseitige Anschlüsse 9a', 9b', 9c', wobei jeder wechselspannungsseitige Anschluss 9' der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse 9' der Wechselrichtereinheit 7' mit einem Primäranschluss P1', P2', P3' der drei Primäranschlüsse P1', P2', P3' verbunden ist, sodass jedem Primäranschluss P1', P2', P3' ein wechselspannungsseitiger Anschluss 9a', 9b', 9c' zugeordnet ist. Zur Wechselrichtereinheit gehört ferner ein Filterkreis 10' mit drei Filterkondensatoren, die gemeinsam mit einer Drossel aus Induktivitäten 35' die Filterung eines schaltfrequenten Störstromes bewirken. Außerdem weist der Regler eine Gleichrichtereinheit 11' auf, die über einen Energiespeicher 13' in Form eines Zwischenkreiskondensators 15' mit der Wechselrichtereinheit 7' verbunden ist und mehrere wechselspannungsseitige Anschlüsse 17' aufweist, die entweder mit dem Nullleiter N' oder mit einem Außenleiter L1', L2`, L3' verbunden sind.The control system 1' includes three external conductors L1', L2', L3', a neutral conductor N' and a regulator 3'. The controller 3' has a
Dabei weist die Gleichrichtereinheit 11' in den Varianten der
Die Varianten der
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Varianten von Reglersystemen 1' haben den Nachteil, dass sie relativ viele Schaltelemente und somit viel Bauraum benötigen, einen verzerrten und blindleistungsbehafteten Strom im Netz verursacht sowie in den Varianten der
In den
Der Transformator 5 hat eine Primärseite P und eine Sekundärseite S. Die Primärseite P weist drei Primärwicklungen auf, die so miteinander geschaltet sind, dass die miteinander geschalteten Primärwicklungen drei Primäranschlüsse P1, P2, P3 bilden. Insbesondere sind die drei Primärwicklungen so miteinander geschaltet, dass die miteinander geschalteten Primärwicklungen eine Dreieckschaltung D bilden, sodass die in der Dreieckschaltung D miteinander geschalteten Primärwicklungen die drei Primäranschlüsse P1, P2, P3 bilden. Es ist jedoch auch möglich, dass die drei Primärwicklungen so miteinander geschaltet sind, dass diese anstatt einer Dreieckschaltung D eine Sternschaltung Y bilden. Die Sekundärseite S weist drei Sekundärwicklungen auf, wobei jede Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen mit einem Außenleiter L1, L2, L3 der drei Außenleitern L1, L2, L3 verbunden ist, sodass jedem Außenleiter L1, L2, L3 der drei Außenleiter L1, L2, L3 eine Sekundärwicklung der drei Sekundärwicklungen zugeordnet ist und für jeden Außenleiter L1, L2, L3 ein erster Abschnitt A1 des Außenleiters L1, L2, L3, die dem Außenleiter L1, L2, L3 zugeordnete Sekundärwicklung und ein zweiter Abschnitt A2 des Außenleiters L1, L2, L3 in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet sind.The
Die Wechselrichtereinheit 7 weist drei wechselspannungsseitige Anschlüsse 9a, 9b, 9c auf, wobei jeder wechselspannungsseitige Anschluss 9a, 9b, 9c der drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse 9a, 9b, 9c der Wechselrichtereinheit 7 mit einem Primäranschluss P1, P2, P3 der drei Primäranschlüsse P1, P2, P3 verbunden ist, sodass jedem Primäranschluss P1, P2, P3 ein wechselspannungsseitiger Anschluss 9a, 9b, 9c zugeordnet ist.The
Die Gleichrichtereinheit 11 ist über einen Energiespeicher 13 mit der Wechselrichtereinheit 7 verbunden und weist einen wechselspannungsseitigen Anschluss 17 auf, der mit einem Außenleiter L1, L2, L3 der drei Außenleiter L1, L2, L3 verbunden ist. Der Energiespeicher 13 ist in einem Zwischenkreis 19 zwischen der Gleichrichtereinheit 11 und der Wechselrichtereinheit 7 vorgesehen und umfasst zwei in dem Zwischenkreis 19 in Reihe zueinander geschaltete Kondensatoren 15, sprich Zwischenkreiskondensatoren.The
Anders als im oben beschriebenen Stand der Technik der
Die zwei Kondensatoren 15 des Energiespeichers 13 sind über einen Verbindungspunkt 23 miteinander verbunden, der zur Stabilisierung der Kondensatorspannung mit dem Nullleiter N verbunden ist, und zwar über einen Stabilisierungsleiter 25, der einerseits mit dem Verbindungspunkt 23 zwischen den beiden Kondensatoren 15 und andererseits mit dem Umgehungsleiter 21 verbunden ist.The two
Ferner weist der Regler einen Kurzschließer 27 auf, der mit den drei Primäranschlüssen P1, P2, P3 verbunden ist und angepasst ist, die drei Primäranschlüsse P1, P2, P3 miteinander kurzzuschließen und zu erden, um den Regler 3 vor Überlastungen zu schützen. Außerdem weist der Regler einen Filterkreis 10 mit drei Filterkondensatoren zur Filterung des schaltfrequenten Störstroms zusammen mit den Induktivitäten 35 auf.Furthermore, the controller has a short-
In den Ausführungsformen der
In der in Fig, 3a gezeigten Ausführungsform mit 2-Level-Topologie weist die Gleichrichtereinheit 11 einen wechselspannungsseitigen Anschluss 17 und zwei gleichspannungsseitige Anschlüsse 31 auf, die über einen Leiter 33 miteinander und mit dem wechselspannungsseitigen Anschluss 17 verbunden sind. Beidseitig zwischen dem wechselspannungsseitigen Anschluss 17 und jeweils einem der gleichspannungsseitigen Anschlüsse 31 weist der Leiter 33 jeweils einen Transistor 29 auf. Der wechselspannungsseitige Anschluss 17 der Gleichrichtereinheit ist über eine Induktivität 35 mit dem Außenleiter L1 verbunden. Die gleichspannungsseitigen Anschlüsse 31 der Gleichrichtereinheit 11 sind einerseits mit dem Zwischenkreis 19 verbunden, der zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 15 aufweist, und andererseits mit zwei gleichspannungsseitigen Anschlüssen 37 der Wechselrichtereinheit 7 verbunden. Die Wechselrichtereinheit 7 weist zwei zueinander parallel geschaltete Leiter 39 auf, die beide sowohl mit dem einen als auch mit dem anderen gleichspannungsseitigen Anschluss 37 der Wechselrichtereinheit 7 verbunden sind. Jeder der beiden Leiter 39 weist zwei Transistoren 29 auf, wobei zwischen jedem Paar von Transistoren 29 ein wechselspannungsseitiger Anschluss 9b, 9c der Wechselrichtereinheit 7 vorgesehen ist, der wiederum über eine Induktivität 35 mit einem der Primäranschlüsse P2, P3 des Transformators verbunden ist. Der Filterkreis 10 mit seinen Filterkondensatoren ist mit dem Verbindungspunkt 23 des Zwischenkreises 19 sowie mit zwei wechselspannungsseitigen Anschlüssen 9b, 9c an der Primäranschlussseite der Induktivitäten 35 und dem wechselspannungsseitigen Anschluss 17 der Gleichrichtereinheit 11 verbunden.In the embodiment with 2-level topology shown in Fig. 3a, the
Die in der Fig, 3b gezeigte Ausführungsform mit 3-Level-Topologie unterscheidet sich von der Ausführungsform aus
Die in den
Die in den
Die in den
Die in den
Ein erfindungsgemäßes Reglersystem 1 gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen kann bidirektional betrieben werden, ist in der Lage keine Eingangsstromverzerrung und keinen Blindleistungsbezug zu verursachen bzw. macht keine Zusatzmaßnahmen zur Vermeidung dieser erforderlich, kann besonders einfach und platzsparend aufgebaut sein und geringe Kosten verursachen.A
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