DE102022118410A1

DE102022118410A1 - Gleichrichtermodul

Info

Publication number: DE102022118410A1
Application number: DE102022118410.2A
Authority: DE
Inventors: Patrick Wieger; Markus Ramsaier; Andreas Reichenbach; Sebastian Rieder
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2022-07-22
Filing date: 2022-07-22
Publication date: 2024-01-25
Also published as: WO2024017439A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleichrichtermodul (100) zur Umwandlung einer dreiphasigen Netzeingangsspannung in eine strom- und spannungsgeregelte Ausgangsgleichspannung, wobei das Gleichrichtermodul (100) Folgendes umfasst:- einen geregelten Netzgleichrichter (112) zur Erzeugung einer Gleichspannung, insbesondere einer konstanten Zwischenkreisspannung, aus der dreiphasigen Netzeingangsspannung;- einen Wechselrichter (113) zur Umwandlung der Gleichspannung in eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung;- einen Hochfrequenztransformator (124) zur Übertragung der pulsweitenmodulierten Wechselspannung;- einen Gleichrichter (126) zur Umwandlung der pulsweitenmodulierten Wechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung;- eine Steuerungsvorrichtung (114); und- eine Kühlvorrichtung (136) zur Bereitstellung eines Kühlmedienstromes,wobei der geregelte Netzgleichrichter (112) eingangsseitig mit einem Netzanschluss (142) und ausgangsseitig mit dem Wechselrichter (113) verbunden ist,wobei der Wechselrichter (113) eingangsseitig mit dem geregelten Netzgleichrichter (112) und ausgangsseitig mit dem Hochfrequenztransformator (124) verbunden ist,wobei der Hochfrequenztransformator (124) eingangsseitig mit dem Wechselrichter (113) und ausgangsseitig mit dem Gleichrichter (126) verbunden ist,wobei der Gleichrichter (126) eingangsseitig mit dem Hochfrequenztransformator (124) verbunden und ausgangsseitig mit einer Elektrode, insbesondere einer Anode, verbindbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleichrichtermodul zur Umwandlung einer dreiphasigen Netzeingangsspannung in eine strom- und spannungsgeregelte Gleichspannung.
In der Praxis ist bekannt, dass ein Gleichrichtermodul bzw. Schaltnetzteil, welches auf einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) basiert, eine Gleichspannung für die Elektrotauchlackierung in Lackieranlagen erzeugen kann. Die interne Taktfrequenz eines IGBT beträgt ca. 20 kHz und in einem 19"-Gehäuse mit einer Höhe von 6 Höheneinheiten (HE) kann ein Strom von maximal 100 A und eine Spannung von bis zu 450 V DC erzeugt werden. Die Restwelligkeit der Ausgangsgleichspannung ist dabei kleiner als 1 %. Allerdings kommt es aufgrund der nicht-linearen Stromaufnahme zu erheblichen Oberwellenströmen und damit verbundenen Verzerrungen der Wechselstrom-Eingangsspannung. Außerdem liegt der Wirkungsgrad derartiger Schaltnetzteile lediglich im Bereich von 90 %, da Verluste durch Wärmeentwicklung entstehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichrichtermodul bereitzustellen, welches eine reduzierte Netzrückwirkung, einen erhöhten Leistungsfaktor und eine minimale Verlustleistung aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gleichrichtermodul mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das Gleichrichtermodul dient zur Umwandlung einer dreiphasigen Netzeingangsspannung in eine strom- und spannungsgeregelte Ausgangsgleichspannung.
Das Gleichrichtermodul umfasst vorzugsweise Folgendes:

- einen geregelten Netzgleichrichter zur Erzeugung einer Gleichspannung, insbesondere einer konstanten Zwischenkreisspannung, aus der dreiphasigen Netzeingangsspannung;
- einen Wechselrichter zur Umwandlung der Gleichspannung in eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung;
- einen Hochfrequenztransformator (HF-Transformator) zur Übertragung der pulsweitenmodulierten Wechselspannung;
- einen Gleichrichter zur Umwandlung der pulsweitenmodulierten Wechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung;
- eine Steuerungsvorrichtung; und
- eine Kühlvorrichtung zur Bereitstellung eines Kühlmedienstromes,

Hierbei wird insbesondere vorausgesetzt, dass das Gleichrichtermodul eine kompakte Größe bei möglichst geringem Gewicht aufweist, dass eine Aufstellhöhe von bis zu 2500 hm möglich ist, dass das Modul leerlauf- und kurzschlussfest ist, dass die Restwelligkeit gering ist und dass eine Weitbereichsnetzspannung angelegt werden kann. Ferner kann eine Ausgangsleistung von 32 kW bei einer maximalen Spannung von 450 V und einer maximalen Stromstärke von 120 A erreicht werden. Das Modul ist ferner vorzugsweise bei einer hohen Regelgenauigkeit sowohl strom- als auch spannungsgeregelt. Zudem besteht die Möglichkeit einer Underwriters-Laboratories-Zertifizierung (UL-Zertifizierung).
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Grundidee, dass insbesondere zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades eines Gleichrichtermoduls, welches vorzugsweise bei der Elektrotauchlackierung von Werkstücken in einer Lackieranlage zur Anwendung kommt, die Technologie des Active Front End (AFE) zur Netzgleichrichtung verwendet wird. Diese Technologie, welche auch unter dem Namen „Three-Phase Six-Switch Boost Power Factor Correction“ bekannt ist, ermöglicht einen gesteigerten Wirkungsgrad und die Reduzierung der Netzrückwirkungen bei ähnlichen Kosten gegenüber vergleichbaren Umsetzungen des Standes der Technik. Außerdem wird durch die weiter unten beschriebene Anordnung der Komponenten des Gleichrichtermoduls sowie durch eine effektive Kühlung ausgewählter Komponenten gewährleistet, dass Verluste und Störungen reduziert werden.
Unter dem Begriff „Strom“ ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ein elektrischer Strom zu verstehen.
Unter den Begriffen „verbindbar“ und „verbunden“ ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen sowohl eine unmittelbare als auch eine mittelbare elektrische Verbindung zu verstehen. Es kann bei einer mittelbaren Verbindung vorgesehen sein, dass zwischen zwei miteinander verbundenen oder verbindbaren Elementen weitere Elemente angeordnet sind.
In dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe „Komponente“, „Element“ und „Bauteil“ synonym verwendet, sofern nicht anders angegeben.
Über den Netzanschluss ist das Gleichrichtermodul mit der Quelle für die dreiphasige Netzeingangsspannung verbunden. Die Netzspannung bzw. die Netzeingangsspannung liegt vorzugsweise im Bereich von 380 V bis 460 V bei Netzfrequenz von 50 Hz bis 60 Hz. Die Netzstromstärke beträgt vorzugsweise 50 A bei 400 V Netzspannung.
Bei einer Verwendung in der Elektrotauchlackierung von Werkstücken, insbesondere von Fahrzeugkarosserien, bildet die Elektrode die Anode und das jeweilige Werkstück die zugehörige Kathode.
Der geregelte Netzgleichrichter und der Wechselrichter können als gemeinsames Bauteil oder als einzelne Bauteile ausgebildet sein.
Der geregelte Netzgleichrichter wandelt vorzugsweise die Netzeingangsspannung, welche eine dreiphasige Wechselspannung ist, in eine Gleichspannung bzw. eine Zwischenkreisspannung U_z um.
Der Wechselrichter wandelt vorzugsweise die Zwischenkreisspannung U_z in eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung (PWM-Wechselspannung) um.
Über den HF-Transformator wird die PWM-Wechselspannung, die aus der Zwischenkreisspannung U_z erzeugt wurde, mit dem entsprechenden Übersetzungsverhältnis vom Primärkreis auf den Sekundärkreis übertragen.
Um die HF-Transformatoren möglichst kompakt und verlustarm zu bauen, werden spezielle Ferritkernen und/oder spezielle Hochfrequenzlitzen verwendet, wobei die höhere Güte der Litzen im Hochfrequenzbereich auf der Vergrößerung des effektiv am Stromfluss beteiligten Querschnitts beruht.
Gleichzeitig erfolgt über den HF-Transformator die galvanische Trennung zwischen dem Primärkreis, welcher auf der Eingangsseite des HF-Transformators anliegt und dem Sekundärkreis, welcher konsequenterweise auf der Ausgangsseite des HF-Transformators anliegt. Mit anderen Worten trennt der HF-Transformator die Quelle der Netzeingangsspannung galvanisch von der Elektrode.
Der Gleichrichter, welcher insbesondere ein Ausgangsgleichrichter ist, sorgt für eine Gleichrichtung der PWM-Wechselspannung, insbesondere durch eine Brückengleichrichtung, wobei diese Ausgangsgleichrichtung mittels Schottky-Dioden auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) erfolgt.
Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise eine zentrale Regelungskarte oder Regelungsplatine mit einer CANopen-Schnittstelle, wie z.B. eine VSQ-Karte, und umfasst einen digitalen Signalprozessor (DSP) bzw. ist als solcher ausgebildet. Der digitale Signalprozessor ist dabei vorzugsweise ein Mikroprozessor.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der geregelte Netzgleichrichter ein AFE ist oder als AFE ausgebildet ist.
Ein AFE ist grundsätzlich eine Schaltung, mit der aus einer dreiphasigen Wechselspannung eine Gleichspannung generiert wird.
Während die Gleichrichtung mit einer konventionellen Diodenbrücke den Nachteil hat, dass die Stromentnahme aus dem Netz nur pulsförmig stattfindet, was zu hohen Oberwellen und Netzrückwirkungen führt, lässt sich durch ein AFE der Leistungsfaktor einstellen und verbessern, sogar bis zum einem Leistungsfaktor von 1. Zudem ist mittels AFE die Zwischenkreisspannung U_z einstellbar und somit wird ein Weitbereichseingang für das dreiphasig versorgte Gleichrichtermodul ermöglicht.
Die variable Einstellung der Stromflussrichtung, des Leistungsfaktors und der Zwischenkreisspannung U_z erfolgt durch eine Vektorregelung der Schalttransistoren. Das Grundprinzip dieser Verschaltung stellt ein Hochsetzsteller bzw. Boost-Wandler dar (als Kombination der AFE-Drosseln und der nachgeschalteten Transistoren), wodurch die Zwischenkreisspannung U_z immer höher als der maximale Scheitelwert bei Weitbereichseingang sein muss.
Der Einsatz der AFE-Technik ermöglicht es die interne Zwischenkreisspannung (DC link voltage) konstant zu halten, welche bei herkömmlichen Gleichrichtermodulen schwankt in Abhängigkeit der jeweiligen Netzspannung und deren Toleranzen schwankt. Dadurch können der entsprechende HF-Transformator und die Netzverdrahtung mit weniger Reserven dimensioniert werden, was zu geringeren Verlusten im HF-Transformator und zu einer höheren Packungsdichte und damit einhergehend geringeren Abmessungen des Gleichrichtermoduls führt.
Im Weiteren werden durch den Einsatz der AFE-Technik die Netzblindströme, wie sie bei herkömmlichen Gleichrichtern erzeugt werden, weitestgehend eliminiert und die Netzrückwirkungen bzw. gesamte harmonische Stromverzerrung (THDi) deutlich auf unter 3 % reduziert.
Über den Wechselrichter wird dann die konstante Zwischenkreisspannung U_z in eine pulsweitenmodulierten (PWM) Wechselspannung umgewandelt.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Kühlvorrichtung ein Ventilator zur Bereitstellung eines Kühlluftstromes ist und dass der Ventilator zur Luftkühlung den Hochfrequenztransformator und/oder den Gleichrichter anströmt.
Durch eine entsprechende Anordnung in Strömungsrichtung des Ventilators werden der HF-Transformator und/oder der Gleichrichter mit einem Kühlluftstrom an- bzw. umströmt, wodurch eine effektive Kühlung erreicht wird. Durch die Kühlung einer oder beider Komponenten werden wärmebedingte Verluste und Störungen reduziert und infolgedessen der Wirkungsgrad des Gleichrichtermoduls erhöht.
Der Ventilator bewirkt vorzugsweise zudem, dass Wärmeenergie, welche beispielsweise am geregelten Netzgleichrichter und/oder dem Wechselrichter entsteht und vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Kühlkörper in den Kühlluftstrom übertragen wird, von eben diesem Kühlluftstrom über die Rückseite des Gehäuses aus dem Gleichrichtermodul hinausgefördert wird,
Vorstellbar ist auch, dass anstelle eines Ventilators eine Wasserkühlung verwendet wird, deren Kühlmedium Wasser durch entsprechende Installation die Wärme des HF-Transformators und/oder Gleichrichters aufnimmt und abführt.
Der HF-Transformator und/oder der Gleichrichter können zur Kühlung direkt angeströmt werden. Vorstellbar ist aber auch, dass diese Komponenten auf einem Kühlkörper montiert sind, welcher im Wesentlichen angeströmt wird und die entsprechende Kühlung fördert.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn der HF-Transformator mindestens gegenüber dem geregelten Netzgleichrichter, dem Wechselrichter und der Steuerungsvorrichtung abgeschirmt ist.
Eine Abschirmung des HF-Transformators gegenüber den zuvor genannten Elementen verhindert, dass es aufgrund von elektromagnetischen Interferenzen zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades des Gleichrichtermoduls kommt.
Vorzugsweise ist die Leitungs- bzw. Verbindungslänge zwischen dem Wechselrichter und dem eingangsseitigen bzw. primärseitigen Anschluss des HF-Transformators möglichst gering, wodurch insbesondere Verluste und Störungen vermieden bzw. zumindest reduziert werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Gleichrichtermodul eine Eingangsfiltervorrichtung umfasst, welche eingangsseitig mit dem Netzanschluss verbindbar und ausgangsseitig mit dem geregelten Netzgleichrichter verbunden ist und welche so eingerichtet ist, dass sie Strom- und/oder Spannungsmesswerte der dreiphasigen Netzeingangsspannung an die Steuerungsvorrichtung überträgt.
Die Eingangsfiltervorrichtung ist ausgebildet als oder umfasst einen LCL-Filter, durch welchen zum einen hochfrequente Störsignale der Schalttransistoren des geregelten Netzgleichrichters und/oder des Wechselrichters gefiltert werden, damit diese nicht auf das Versorgungsnetz gelangen bzw. die Eingangsnetzleitung erreichen. Zum anderen wird durch die Eingangsfiltervorrichtung verhindert, dass Hochfrequenzsignale aus dem Wechselstromverteilernetz, d.h. dem Versorgungsnetz, als Störung in das Gleichrichtermodul eindringen.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn das Gleichrichtermodul eine Ausgangsfiltervorrichtung umfasst, welche eingangsseitig mit dem Gleichrichter verbunden und ausgangsseitig mit der Elektrode verbindbar ist und welche so eingerichtet ist, dass sie Strom- und/oder Spannungsmesswerte der Ausgangsgleichspannung an die Steuerungsvorrichtung überträgt.
Die Elektrode ist dabei über den Gleichspannungsausgang des Gleichrichtermoduls verbindbar, mit welchem die Ausgangsfiltervorrichtung ausgangsseitig verbunden ist und welcher insbesondere vier Plusleitungen und eine Minusleitung aufweist.
Durch die Ausgangsfiltervorrichtung lässt sich vorzugsweise die interne Schaltfrequenz des AFE und/oder des Wechselrichters unterdrücken oder zumindest filtern bzw. glätten.
Vorzugsweise ist zwischen der Ausgangsseite des Gleichrichters und der Eingangsseite der Ausgangsfiltervorrichtung in der Minusleitung des Ausgangskreises bzw. des Sekundärkreises eine Sperrdiode bzw. Blockdiode angeordnet bzw. mit diesen verbunden, um aufgrund der Vielzahl an parallel geschalteten Gleichrichtermodulen bei kathodischen Tauchlackieranlagen Gegenströme zu unterdrücken.
Zur Bereitstellung und Übertragung von Strom- und/oder Spannungsmesswerten der Ausgangsgleichspannung an die Steuerungsvorrichtung umfasst die Ausgangsfiltervorrichtung vorzugsweise eine Ausgangsmesskarte mit je einem Shunt pro Plusleitung des Ausgangskreises, an welchen die entsprechenden Messwerte abgegriffen werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Gleichrichtermodul eine Datenschnittstelle aufweist, mittels welcher Daten zwischen der Steuerungsvorrichtung des Gleichrichtermoduls und einem externen Netzwerk austauschbar sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Datenschnittstelle ein Profinet/CANopen-Gateway umfasst oder als Profinet/CANopen-Gateway ausgebildet ist.
Vorstellbar ist aber auch, dass die Datenschnittstelle eine Ethernet-IP-Schnittstelle umfasst oder als solche ausgebildet ist.
Die Datenschnittstelle ermöglicht u.a. eine externe Ansteuerung des Gleichrichtermoduls und dient zugleich zu dessen Überwachung, um es z.B. vor Überlastungen zu schützen, wobei Überlastungen dann auftreten können, wenn aufgrund besonderer Vorkommnisse ein Betrieb des Gleichrichtermoduls außerhalb der zulässigen Grenzwerte zu erwarten ist.
Es ist zum Schutz des Gleichrichtermoduls dabei wichtig, dass auf mögliche äußere Störeinflüsse, wie beispielsweise Netzeinbrüche oder Netzschwankungen, entsprechend schnell reagiert wird, um einen sicheren und konstanten Betrieb unter Einhaltung aller technischen Eigenschaften zu gewährleisten.
Mittels des Profinet/CANopen-Gateways können ferner Informationen über das Gleichrichtermodul der übergeordneten Steuerung zur Verfügung gestellt werden.
Das Profinet/CANopen-Gateway ist insbesondere zuständig für eine Umwandlung zwischen der Profinet-Echtzeit-Schnittstelle der Datenschnittstelle und der internen CANopen-Kommunikation bzw. dem entsprechenden Protokoll des Gleichrichtermoduls bzw. dessen Steuerungsvorrichtung.
Zudem ist mit dieser Datenschnittstelle das Gleichrichtermodul auch im Hinblick auf einen Einsatz im Rahmen der Industrie 4.0 vorbereitet.
Vorstellbar ist auch, dass die Steuerungsvorrichtung den geregelten Netzgleichrichter und/oder den Wechselrichter und/oder die Kühlvorrichtung steuert und/oder regelt, insbesondere mittels Pulsweitenmodulation.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Steuerungsvorrichtung dazu auslegt ist, die Temperatur an einer oder mehreren Stellen des Gleichrichtermoduls zu überwachen, insbesondere die Temperatur der Kühlvorrichtung, des geregelten Netzgleichrichters, des Wechselrichters und des Hochfrequenztransformators.
Günstig kann es sein, wenn die Steuerungsvorrichtung und/oder die Datenschnittstelle mit einem Gleichstrom-Versorgungsanschluss verbunden sind.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der geregelte Netzgleichrichter und/oder der Wechselrichter einen oder mehrere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) auf Basis von SiC umfassen.
Dadurch werden die Schaltverluste gegenüber herkömmlichen MOSFET sowie gegenüber Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT Technik) reduziert und in Verbindung mit weiteren Maßnahmen ist ein Wirkungsgrad von bis zu 97 % möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schaltfrequenz des geregelten Netzgleichrichters und/oder des Wechselrichters mindestens 40 kHz beträgt.
Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz auf 40 kHz zur PWM-Ansteuerung über Steuerungsvorrichtung werden die Verluste weiter reduziert, was zum Erreichen des erhöhten Gesamtwirkungsgrades beiträgt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gleichrichtermodul eine interne Versorgungseinheit zur Erzeugung und Bereitstellung einer internen Hilfsspannung für die Steuerungsvorrichtung umfasst, welche eingangsseitig mit dem Netzanschluss verbunden und ausgangsseitig mit der Steuerungsvorrichtung verbunden ist.
Eingangsseitig ist die interne Versorgungseinheit vorzugsweise über die Eingangsfiltervorrichtung mit dem Netzanschluss verbunden. Die Eingangsfiltervorrichtung speist dementsprechend die Netzspannung in die interne Versorgungseinheit ein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wirkungsgrad des Gleichrichtermoduls bis zu 97 % beträgt und/oder im Bereich von 20 % bis 100 % Ausgangsleistung der Leistungsfaktor des Gleichrichtermoduls 0,99 bis 1,0 beträgt.
Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichrichtermoduls;
2 eine schematische Draufsicht auf die Frontseite des erfindungsgemäßen Gleichrichtermoduls aus 1; und
3 eine schematische Schaltdarstellung der Komponenten des erfindungsgemäßen Gleichrichtermoduls aus 1.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 dargestellte Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten Gleichrichtermoduls dient der Umwandlung einer dreiphasigen Netzeingangsspannung in eine strom- und spannungsgeregelte Gleichspannung.
In 3 ist ergänzend eine schematische Schaltdarstellung der Komponenten des Gleichrichtermoduls 100 dargestellt, welche insbesondere die Verbindungen zwischen den Komponenten hervorhebt.
Das Gleichrichtermodul 100 umfasst ein Gehäuse 102, in welchem die weiteren Komponenten aufgenommen sind, wobei das Gehäuse 102 vorzugsweise eine Breite von 445 mm, eine Höhe von 177 mm und eine Tiefe von 540 aufweist.
Das Gleichrichtermodul 100 wiegt vorzugsweise insgesamt maximal 27 kg.
Das Gehäuse 102 ist durch eine Abschirmung 104 in einen ersten Teilbereiche 106 und einen zweiten Teilbereich 108 aufgeteilt. Zudem weist eine Frontseite 109 des Gehäuses, welche näher in 2 dargestellt ist, in 1 nach unten.
Die Abschirmung 104 umfasst vorzugsweise mindestens einen Kühlkörper, über welchen Wärmeenergie von einem Teilbereich in den anderen übertragen werden kann, insbesondere vom ersten Teilbereich 106 in den zweiten Teilbereich 108.
Das Gleichrichtermodul 100 umfasst weiter eine Eingangsfiltervorrichtung 110, einen Active-Front-End-Umrichter (AFE-Umrichter) 111, eine Steuerungsvorrichtung 114, eine interne Versorgungseinheit 116 und eine Datenschnittstelle 118, wobei diese Komponenten in dem ersten Teilbereich 106 des Gehäuses 102 angeordnet sind.
Der AFE-Umrichter 111 in 1 ist als ein Bauteil dargestellt, in welchem ein als AFE ausgebildeter, geregelter Netzgleichrichter 112 und ein Wechselrichter 113 kombiniert sind, wohingegen die Darstellung in 3 beide Komponenten funktional getrennt zeigt.
Der AFE-Umrichter 111 umfasst einen oder mehrere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) auf Basis von Siliziumcarbid (SiC). Diese SiC-MOSFETs sind vorzugsweise so an dem mindestens einen Kühlkörper der Abschirmung 104 angeordnet oder auf diesem installiert, dass die Wärmeenergie, welche beim Betrieb des Gleichrichtermoduls 100 am AFE-Umrichter 111 erzeugt wird, von dem ersten Teilbereich 106 in den zweiten Teilbereich 108 übertragen wird.
Die Datenschnittstelle 118 ist ausgebildet als ein Profinet/CANopen-Gateway 120 oder umfasst ein Profinet/CANopen-Gateway 120.
Die Steuerungsvorrichtung 114 ist ausgebildet als eine VSQ-Karte 122 oder umfasst eine VSQ-Karte 122.
Im zweiten Teilbereich 108 des Gehäuses 102 sind des Weiteren ein Hochfrequenztransformator (HF-Transformator) 124, ein oder mehrere AFE-Chokes 125, ein Gleichrichter 126, eine Ausgangsfiltervorrichtung 128, eine Blockdiode 130 und eine Ausgangsmesskarte 132 angeordnet, wobei der HF-Transformator 124 von den übrigen Komponenten des zweiten Teilbereichs 108 durch eine Einhausung 134 abgetrennt sein kann.
Frontseitig ist ferner am zweiten Teilbereich 108 eine Kühlvorrichtung 136 angeordnet, welche insbesondere ein Ventilator 138 ist, welcher einen Kühlluftstrom 140 erzeugt und innerhalb des Gehäuses 102 bereitstellt bzw. diesen in das Gehäuse 102 hineinfördert.
Der Kühlluftstrom 140 umströmt zur Luftkühlung im Wesentlichen den HF-Transformator 124 sowie den Gleichrichter 126 bzw. strömt diese an.
Dementsprechend erstreckt sich die Einhausung 134 zumindest auf der Seite, welche der Frontseite 109 des Gehäuses 102 gegenüberliegt nicht über die komplette Höhe des Gehäuses 102, so dass der Kühlluftstrom auch den Gleichrichter 126 um- bzw. anströmen kann.
Bevor nachfolgend auf die einzelnen Verbindungen der Komponenten näher eingegangen wird, soll verstanden werden, dass in 1 diejenigen Leitungen bzw. Verbindungen, welche anscheinend aus dem Gehäuse 102 geführt sind bzw. außen entlang des Gehäuses 102 geführt sind, nur aus Darstellungsgründen zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses 102 angetragen wurden, d.h. alle Verbindungen sollen tatsächlich innerhalb des Gehäuses 102 verlaufen.
Ferner wird im Weiteren unter dem Begriff „Verbindung“ eine elektrisch leitende Verbindung verstanden, durch welche ein elektrischer Strom fließt bzw. mittels welcher eine Spannung angelegt werden kann, wobei eine Verbindung eine oder mehrere Leiter bzw. Leitungen umfasst.
Über einen Netzanschluss 142 ist das Gleichrichtermodul 100 mit der Quelle für die dreiphasige Netzeingangsspannung verbunden.
Der Netzanschluss 142, welcher an der Frontseite 109 des Gehäuses 102 angeordnet ist, ist über eine Verbindung 144 mit der Eingangsfiltervorrichtung 110 verbunden, so dass zunächst die HF-Anteile der Eingangsspannung reduziert werden können, um die Anforderungen an zulässigen Störungen zu erfüllen.
Die Eingangsfiltervorrichtung 110 verhindert, dass im Gleichrichtermodul 100 erzeugte HF-Signale die Eingangsleitung erreichen und dass HF-Anteile der Netzeingangsspannung als Störungen in die Kreise des Gleichrichtermoduls 100 gelangen.
Von der Eingangsfiltervorrichtung 110 wird zum einen die interne Versorgungseinheit 116 über eine Verbindung 146 gespeist, welche wiederum die Steuervorrichtung 114 über eine Verbindung 148 mit einer internen Hilfsspannung versorgt.
Zum anderen wird über eine Verbindung 150 der AFE-Umrichter 111 von der Eingangsfiltervorrichtung 110 mit der gefilterten Netzeingangsspannung versorgt.
Ferner stellt die Eingangsfiltervorrichtung 110 der Steuervorrichtung 114 über eine Verbindung 152 Strommesswerte und über eine Verbindung 154 Spannungsmesswerte bereit.
Des Weiteren versorgt ein Gleichstrom-Versorgungsanschluss 156, welcher ebenfalls an der Frontseite 109 des Gehäuses 102 angeordnet ist, die Steuervorrichtung 114 über ein Verbindung 155 und die Datenschnittstelle 118 über eine Verbindung 157 mit einer Gleichspannung.
Die Datenschnittstelle 118 weist ferner einen Anschluss 158 auf, welcher ebenfalls an der Frontseite 109 des Gehäuses 102 angeordnet ist und über welchen die Datenschnittstelle 118 beispielsweise mit einem Profinet-Netzwerk zum Datenaustausch verbunden werden kann.
Der AFE-Umrichter 111 ist über eine Verbindung 160 mit dem HF-Transformator 124 verbunden, welcher selbst wiederum über eine Verbindung 162 mit dem Gleichrichter 126 ist.
Von einer Verbindung 164 zwischen dem Gleichrichter 126 und der Ausgangsfiltervorrichtung 128 ist in einer Minusleitung 166 eine Blockdiode 130 angeordnet bzw. in dieser zwischengeschaltet, welche einen negativen Gegenstrom durch die Gleichrichterdioden bei einer extern auftretenden Gegenspannung unterdrückt.
Die Ausgangsfiltervorrichtung 128 ist ferner mit einer Ausgangsmesskarte 132, welche vier Shunts aufweist, über eine Verbindung 168 und außerdem über eine Verbindung 170 mit einem Gleichspannungsausgang 172 verbunden, welcher vier Plusleitungen und eine Minusleitung aufweist und an welchen eine oder mehrere Elektroden, insbesondere eine oder mehrere Anoden, angeschlossen sind.
Der Gleichspannungsausgang 172 ist ebenfalls an der Frontseite 109 des Gehäuses 102 angeordnet.
Die Ausgangsmesskarte 132 stellt über eine Verbindung 174 Strommesswerte und über eine Verbindung 176 Spannungswerte an die Steuerungsvorrichtung bereit bzw. überträgt diese über die Verbindungen 174, 176.
An der Frontseite 109 des Gehäuses 102 ist weiter ein Kühlvorrichtungsanschluss 178 angeordnet, welcher über eine Verbindung 180 die Kühlvorrichtung 136 mit Strom versorgt.
Über eine oder mehrere Verbindungen 182 werden außerdem Temperaturmesswerte von einer oder mehreren Messstellen im Gleichrichtermodul 100 an die Steuervorrichtung 114 übertragen bzw. weitergeleitet. Die Messstellen befinden sich vorzugsweise unter anderem am AFE-Umrichter 111, am HF-Transformator 124 und an der Kühlvorrichtung 136.
Die Steuerungsvorrichtung 114 steuert und/oder regelt mittels PWM-Signalen über eine Steuer- und/oder Regelverbindung 184 den AFE-Umrichter 111 und über eine Steuer- und/oder Regelverbindung 186 die Kühlvorrichtung 136.
Außerdem erfolgt der Datenaustausch über einen CAN-Bus 188 zwischen der Steuerungsvorrichtung 114 und der Datenschnittstelle 118.
Wie der 2 weiter zu entnehmen ist, ist an der Frontseite 109 des Gehäuses 102 eine Status-LED 190 angeordnet, welche vorzugsweise von der Steuerungsvorrichtung 114 angesteuert wird und Nutzer optisch über den Status bzw. den Betriebszustand des Gleichrichtermoduls 100 informiert, wobei insbesondere unterschiedliche Leuchtfarben eine Unterscheidung der unterschiedlichen Betriebszustände ermöglichen.
In Ergänzung zu 1 und 2 sollen nachfolgend anhand von 3 insbesondere die Umwandlungsschritte der Spannung vom Netzanschluss 142 bis zum Gleichspannungsausgang 172 beschrieben werden.
Über den Netzanschluss 142 wird die dreiphasige Netzeingangsspannung in das Gleichrichtermodul 100 eingespeist, d.h. es wird ein dreiphasiger Dreh- bzw. Wechselstrom am Netzanschluss 142 angelegt.
Dieser wird dann zunächst in der Eingangsfiltervorrichtung 110, welche eingangsseitig mit dem Netzanschluss 142 und ausgangsseitig mit dem AFE-Umrichter 111 bzw. dem geregelten Netzgleichrichter 112 verbunden ist, gefiltert, um insbesondere die HF-Anteile der Netzeingangsspannung herauszufiltern.
Im als AFE ausgebildeten, geregelten Netzgleichrichter 112, welcher eingangsseitig mit der Eingangsfiltervorrichtung 110 und ausgangsseitig mit dem Wechselrichter 113 verbunden ist, erfolgt dann eine aktive Gleichrichtung der gefilterten Netzeingangsspannung bei sinusförmiger Netzstromaufnahme, wodurch eine konstante Zwischenkreisspannung bereitgestellt wird.
Die Zwischenkreisspannung wird anschließend im Wechselrichter 113, welcher eingangsseitig mit dem geregelten Netzgleichrichter 112 und ausgangsseitig mit HF-Transformator 124 verbunden ist, in eine PWM-Wechselspannung umgewandelt, welche daraufhin im HF-Transformator 124, welcher eingangsseitig mit dem Wechselrichter 113 und ausgangsseitig mit dem Gleichrichter 126 verbunden ist, gemäß dem gewählten Übertragungsverhältnis vom Primärkreis, welcher an der Eingangsseite des HF-Transformators 124 anliegt, auf den Sekundärkreis, d.h. den Ausgangskreis übertragen wird.
Der HF-Transformator trennt also die Quelle der Netzeingangsspannung galvanisch von der Elektrode.
Die übertragene PWM-Wechselspannung wird weiter im Gleichrichter 126, welcher eingangsseitig mit dem HF-Transformator 124 und ausgangsseitig mit der Ausgangsfiltervorrichtung 128 verbunden ist, gleichgerichtet, so dass nach einer Filterung bzw. Glättung in der Ausgangsfiltervorrichtung 128, welche eingangsseitig mit dem Gleichrichter 126 und ausgangsseitig mit dem Gleichspannungsausgang 172 verbunden ist, eine Gleichspannung am Gleichspannungsausgang 172 abgegriffen werden kann.
Hinsichtlich einer umfassenderen Steuerung und/oder Regelung kann die Steuerungsvorrichtung 114 über eine Verbindung 192 ferner mit Messwerten in Bezug auf die Zwischenkreisspannung versorgt werden, welche ausgangsseitig des geregelten Netzgleichrichters 112 abgeleitet bzw. abgegriffen werden. Zudem können über eine Verbindung 194 ausgangsseitig des Wechselrichters 113 bzw. eingangsseitig des HF-Transformators 124 Strommesswerte der PWM-Wechselspannung im Primärkreis abgegriffen werden und der Steuerungsvorrichtung 114 bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

100: Gleichrichtermodul
102: Gehäuse
104: Abschirmung
106: erster Teilbereich
108: zweiter Teilbereich
109: Frontseite
110: Eingangsfiltervorrichtung
111: AFE-Umrichter
112: geregelter Netzgleichrichter
113: Wechselrichter
114: Steuerungsvorrichtung
116: interne Versorgungseinheit
118: Datenschnittstelle
120: Profinet/CANopen-Gateway
122: VSQ-Karte
124: Hochfrequenztransformator (HF-Transformator)
125: AFE-Chokes
126: Gleichrichter
128: Ausgangsfiltervorrichtung
130: Blockdiode
132: Ausgangsmesskarte
134: Einhausung
136: Kühlvorrichtung
138: Ventilator
140: Kühlluftstrom
142: Netzanschluss
144: Verbindung
146: Verbindung
148: Verbindung
150: Verbindung
152: Verbindung
154: Verbindung
155: Verbindung
156: Gleichstrom-Versorgungsanschluss
157: Verbindung
158: Anschluss
160: Verbindung
162: Verbindung
164: Verbindung
166: Minusleitung
168: Verbindung
170: Verbindung
172: Gleichspannungsausgang
174: Verbindung
176: Verbindung
178: Kühlvorrichtungsanschluss
180: Verbindung
182: Verbindung
184: Steuer- und/oder Regelverbindung
186: Steuer- und/oder Regelverbindung
188: CAN-Bus
190: Status-LED
192: Verbindung
194: Verbindung

Claims

Gleichrichtermodul (100) zur Umwandlung einer dreiphasigen Netzeingangsspannung in eine strom- und spannungsgeregelte Ausgangsgleichspannung, wobei das Gleichrichtermodul (100) Folgendes umfasst: - einen geregelten Netzgleichrichter (112) zur Erzeugung einer Gleichspannung, insbesondere einer konstanten Zwischenkreisspannung, aus der dreiphasigen Netzeingangsspannung; - einen Wechselrichter (113) zur Umwandlung der Gleichspannung in eine pulsweitenmodulierte Wechselspannung; - einen Hochfrequenztransformator (124) zur Übertragung der pulsweitenmodulierten Wechselspannung; - einen Gleichrichter (126) zur Umwandlung der pulsweitenmodulierten Wechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung; - eine Steuerungsvorrichtung (114); und - eine Kühlvorrichtung (136) zur Bereitstellung eines Kühlmedienstromes, wobei der geregelte Netzgleichrichter (112) eingangsseitig mit einem Netzanschluss (142) und ausgangsseitig mit dem Wechselrichter (113) verbunden ist, wobei der Wechselrichter (113) eingangsseitig mit dem geregelten Netzgleichrichter (112) und ausgangsseitig mit dem Hochfrequenztransformator (124) verbunden ist, wobei der Hochfrequenztransformator (124) eingangsseitig mit dem Wechselrichter (113) und ausgangsseitig mit dem Gleichrichter (126) verbunden ist, wobei der Gleichrichter (126) eingangsseitig mit dem Hochfrequenztransformator (124) verbunden und ausgangsseitig mit einer Elektrode, insbesondere einer Anode, verbindbar ist.
Gleichrichtermodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geregelte Netzgleichrichter (112) ein Active Front End ist oder als Active Front End ausgebildet ist.
Gleichrichtermodul (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (136) ein Ventilator (138) zur Bereitstellung eines Kühlluftstromes (140) ist und dass der Ventilator (138) zur Luftkühlung den Hochfrequenztransformator (124) und/oder den Gleichrichter (126) anströmt.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenztransformator (124) mindestens gegenüber dem geregelten Netzgleichrichter (112), dem Wechselrichter (113) und der Steuerungsvorrichtung (114) abgeschirmt ist.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichtermodul (100) eine Eingangsfiltervorrichtung (110), insbesondere eine LCL-Filtervorrichtung, umfasst, welche eingangsseitig mit dem Netzanschluss (142) verbindbar und ausgangsseitig mit dem geregelten Netzgleichrichter (112) verbunden ist und welche so eingerichtet ist, dass sie Strom- und/oder Spannungsmesswerte der dreiphasigen Netzeingangsspannung an die Steuerungsvorrichtung (114) überträgt.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichtermodul (100) eine Ausgangsfiltervorrichtung (128) umfasst, welche eingangsseitig mit dem Gleichrichter verbunden und ausgangsseitig mit der Elektrode verbindbar ist und welche so eingerichtet ist, dass sie Strom- und/oder Spannungsmesswerte der Ausgangsgleichspannung an die Steuerungsvorrichtung (114) überträgt.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichtermodul (100) eine Datenschnittstelle (118) aufweist, mittels welcher Daten zwischen der Steuerungsvorrichtung (114) des Gleichrichtermoduls (100) und einem externen Netzwerk austauschbar sind.
Gleichrichtermodul (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenschnittstelle (118) ein Profinet/CANopen-Gateway (120) umfasst oder als Profinet/CANopen-Gateway (120) ausgebildet ist.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (114) den geregelten Netzgleichrichter (112) und/oder den Wechselrichter (113) und/oder der Kühlvorrichtung (136) steuert und/oder regelt, insbesondere mittels Pulsweitenmodulation (PWM).
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (114) dazu auslegt ist, die Temperatur an einer oder mehreren Stellen des Gleichrichtermoduls (100) zu überwachen, insbesondere die Temperatur der Kühlvorrichtung (136), des geregelten Netzgleichrichters (112), des Wechselrichters (113) und des Hochfrequenztransformators (124).
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (114) und/oder die Datenschnittstelle (118) mit einem Gleichstrom-Versorgungsanschluss (156) verbunden sind.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der geregelte Netzgleichrichter (112) und/oder der Wechselrichter (113) einen oder mehrere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) umfassen.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz des geregelten Netzgleichrichters (112) und/oder des Wechselrichters (113) mindestens 40 kHz beträgt.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichtermodul (100) eine interne Versorgungseinheit (116) zur Erzeugung und Bereitstellung einer internen Hilfsspannung für die Steuerungsvorrichtung (114) umfasst, welche eingangsseitig mit dem Netzanschluss verbunden und ausgangsseitig mit der Steuerungsvorrichtung (114) verbunden ist.
Gleichrichtermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad des Gleichrichtermoduls (100) bis zu 97 % beträgt und/oder im Bereich von 20 % bis 100 % Ausgangsleistung der Leistungsfaktor des Gleichrichtermoduls (100) 0,99 bis 1,0 beträgt.