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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungswandlung,
mit einem Eingang zum Einspeisen der zu wandelnden Gleichspannung,
mindestens zwei Invertern und mindestens zwei separaten Ausgängen an
denen jeweils eine Wechselspannung anliegt.
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Ein
solcher Spannungswandler besteht aus einem Gerät, das eine elektrische Spannung
in eine andere übersetzt.
Je nach Spannung und Aufgabe ist ein komplett unterschiedlicher
Aufbau des Spannungswandlers vorausgesetzt. Dabei wird die Definition
bzw. der Aufbau eines solchen Spannungswandlers in Abhängigkeit
der am Spannungswandler anzuliegenden Art von Eingangs- bzw. Ausgangsspannung
aufgestellt.
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Einer
bestimmten Kategorie von Spannungswandlern gehören die Wechselrichter an.
Ein Wechselrichter, im allgemeinen oftmals als Inverter bezeichnet,
ist ein elektrisches Gerät,
das eine am Eingang angelegte Gleichspannung in eine Wechselspannung
bzw. einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umrichtet. Dabei kann
die umgerichtete Wechselspannung an den Ausgängen des Gerätes abgegriffen
werden. Wechselrichter können
je nach Schaltung sowohl für
die Erzeugung von einphasigem Wechselstrom als auch für die Erzeugung
von dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) ausgelegt sein. Das Anwendungsgebiet
der Wechselrichter bzw. Inverter wird im allgemeinen als Leistungselektronik
bezeichnet, welche die Umformung elektrischer Energie mit elektronischen
Bauelementen zur Aufgabe hat. Dabei ermöglicht die Leistungselektronik
vor allem die Umformung elektrischer Energie in Bezug auf die Spannungsform,
die Höhe
von Spannung und Strom sowie der Frequenz. Speziell in der Antriebstechnik
findet die Leistungselektronik überall
dort Anwendung, wo Steuerungsmöglichkeiten
gesucht werden, um Betriebspunkte von elektrischen Maschinen flexibel
einstellen zu können.
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Durch
das steigende Bedürfnis
nach immer kleineren, platzsparenden elektronischen Leistungsmodulen,
um kleinere Schaltungen zu verwirklichen, wird ein wachsender Integrationsgrad
einzelner Bauteile der Leistungselektronik erforderlich. Insbesondere
bei Invertern ist die Nachfrage nach einer möglichst hohen Leistungsdichte
der Schaltung vorhanden, was durch eine platzsparende bzw. eine
hohe Integrationsdichte der Module erreicht wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, dem Fachmann eine Vorrichtung
zur Spannungswandlung an die Hand zu geben, die in ihren leistungselektronischen
Eigenschaften Verbesserungen mit sich bringt, sowie einen hohen
Integrationsgrad der Schaltung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es
wird also eine Vorrichtung zur Spannungswandlung vorgeschlagen,
mit einem Eingang zum Einspeisen der zu wandelnden Gleichspannung, mindestens
zwei Invertern und mindestens zwei separaten Ausgängen, an
denen jeweils eine Wechselspannung anliegt, wobei die mindestens
zwei Inverter derart verschaltet sind, daß sich die mindestens zwei
Inverter einen gemeinsamen Gleichspannungskondensator teilen, wobei
der Eingang über
den Gleichspannungskondensator mit den mindestens zwei Invertern
mittelbar/unmittelbar verschaltet ist. Durch eine derartige Vorrichtung
kann eine anliegende Gleichspannung, das heißt eine vorhandene Gleichstromquelle
wie beispielsweise Akkumulatoren oder Supcercapskondensatoren, in
mindestens zwei voneinander unabhängige Wechselspannungen umgerichtet
werden. Nach dem Stand der Technik haben bekannte Inverter regelmäßig an ihrem
Eingang einen Gleichspannungskondensator geschaltet, der zur Glättung der
angelegten Gleichspannung dient. Dabei werden die Gleichspannungskondensatoren oftmals
so groß dimensioniert,
daß die
Spannungsschwankungen soweit wie möglich ausgleichbar sind. Erfindungsgemäß teilen
sich die mindestens zwei Inverter einen gemeinsamen Gleichspannungskondensator
zur Glättung
der am Kondensator anliegenden Gleichspannung. Dabei ist der Eingang
der Vorrichtung zur Spannungswandlung mit dem gemeinsamen Gleichspannungskondensator
verschaltet und die mindestens zwei Inverter werden durch die geglättete Gleichspannung
aus dem Gleichspannungskondensator gespeist. Insgesamt bildet die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Spannungswandlung eine hoch integrierte und platzsparende Lösung der
Leistungselektronik an, die dadurch eine hohe Leistungsdichte ermöglicht.
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Vorteilhafterweise
umfassen die mindestens zwei Inverter Halbleiter-Module zur Umrichtung
einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, welche nach dem Stand
der Technik dem Fachmann bekannt sind. Die Halbleiter-Module stellen
dabei einen IC (Integrated Circuit) dar, der die Schaltstruktur
eines wunschgemäßen Inverters
beinhaltet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Art des ICs, d. h. die Schaltstruktur
frei wählbar
ist.
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Um
der bei der Umrichtung der Gleichspannung in eine Wechselspannung
entstehenden Hitzeentwicklung entgegenzuwirken, ist es denkbar,
daß die
mindestens zwei Inverter auf einer Kühlplatte angeordnet sind. Dadurch
ist eine stetige Kühlung
der einzelnen Inverter möglich,
wodurch eine vorzeitige Zerstörung
der Bauteile durch besagte Hitzeentwicklung vorgebeugt wird. Die
Kühlplatte
arbeitet dabei nach dem Prinzip einer Passivkühlung, wobei andere Vorgehensweisen
zur Kühlung
ebenfalls möglich sind.
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Eine
Vorteilhafte Anordnung der mindestens zwei Inverter auf der Kühlplatte
ergibt sich dadurch, daß die
mindestens zwei Inverter auf gegenüberliegenden Oberflächen der
Kühlplatte
angeordnet sind, wodurch eine platzsparende und besonders kompakte
Bauweise erreicht wird. Ebenfalls lassen sich durch diese spezielle
Bauweise ungewollt auftretende Effekte von parasitären Induktivitäten weitestgehend
verhindern bzw. minimieren. Solche parasitären Induktivitäten, die
meist im Zusammenspiel mit parasitären Kapazitäten auftreten, führen zu
hohen Spannungsspitzen an den Ausgängen der Inverter, woraus Probleme
an oder gar Schädigungen
der angeschlossenen elektrischen Verbraucher entstehen können.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn sich die Kühlplatte
und die daran angeordneten Inverter auf einer vertikalen Ebene orientiert.
Durch die vertikale Anordnung der Inverter und der Kühlplatte
verbessert sich die Wasserbeständigkeit
einer solchen Vorrichtung, da das Wasser auf seinen natürlichen
Bahnen nach unten hin entlang der vertikal ausgerichteten Kühlplatte
und Inverter abfließen
bzw. abtropfen kann.
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In
einer Ausführungsvariante
ist es vorgesehen, daß der
gemeinsame Gleichspannungskondensator mit der Kühlplatte derart angeordnet
ist, daß sich
ein rechter Winkel ergibt. Dabei kann die genannte Kühlplatte
mittig auf oder unterhalb des gemeinsamen Gleichspannungskondensators
in einem rechten Winkel zum Gleichspannungskondensator angeordnet
sein.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Spannungswandlung ist dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame
Gleichspannungskondensator auf einer horizontalen Ebene ausgerichtet
ist. In einer möglichen
Variante ist dabei die Kühlplatte
unterhalb des Gleichspannungskondensators mittig in einem rechten
Winkel angeordnet, wodurch der Gleichspannungskondensator als eine
Art Dach zum Schutz der Inverter und der Kühlplatte fungiert.
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Um
eine problemlose Versorgung der Inverter mit der Gleichspannung
aus dem Gleichspannungskondensator zu gewährleisten, ist es von Vorteil,
daß der
gemeinsame Gleichspannungskondensator über Stromschienen mit den mindestens
zwei Invertern elektrisch verbunden ist. Die Stromschienen bieten
dabei eine unbewegliche, feste elektrische Leitung vom Gleichspannungskondensator
zu den mindestens zwei Invertern.
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Nach
einer erfindungsgemäßen Realisierungsvariante
der Vorrichtung zur Spannungswandlung ist durch die Wandlung mindestens
eine einphasige Wechselspannung an mindestens einem Ausgang der
Vorrichtung erzeugbar. Die Spannungshöhe, die Frequenz der Wechselspannung
und weitere Parameter sind von der Art der gewählten Inverter und deren Bauteildimensionierung
abhängig.
Es besteht die Möglichkeit,
daß an
allen Ausgängen
der Vorrichtung durch die Verwendung von baugleichen Invertern dieselbe
Wechselspannung anliegt, sowie durch die Verwendung unterschiedlicher
Invertertypen verschiedene einphasige Wechselspannungen an den Ausgängen bereitzustellen.
Die Ausgänge bestehen
dabei aus mindestens einem Pol, der die gewünschte Phase der Wechselspannung
führt und optional
aus einem zweiten Pol, der entweder ein vordefiniertes Spannungspotential
zur Verfügung
stellt oder beispielsweise das Erdpotential darstellt.
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Vorteilhafterweise
ist durch die Wandlung der Vorrichtung zur Spannungswandlung mindestens eine
dreiphasige Wechselspannung an mindestens einem Ausgang der Vorrichtung
erzeugbar. Hierbei gilt ebenfalls, daß an mindestens einem, mehreren oder
allen Ausgängen
der Vorrichtung dreiphasige Wechselspannungen bereitstellbar sind.
Dabei besteht mindestens ein Ausgang der Vorrichtung zur Spannungswandlung
aus mindestens drei Polen, die jeweils eine Phase der dreiphasigen
Wechselspannung zur Verfügung
stellen. Optional kann noch ein weiterer Pol vorhanden sein, um
das Erdpotential oder ein vordefiniertes Referenzpotential zur Verfügung zu
stellen.
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Durch
die Erzeugung einer dreiphasigen Wechselspannung an den Ausgängen der
Vorrichtung ist ein Wechselstrom bzw. Drehstrommotor betreibbar.
Dabei ist es möglich,
daß an
den wenigstens zwei Ausgängen
der Vorrichtung ein Wechselstrom bzw. Drehstrommotor angeschaltet
ist, wobei der Motor mehrere Windungen aufweist, die mit jeweils
einem Ausgang eines Inverters der Vorrichtung verschaltet sind und
dadurch jeweils mit einer 3-phasigen Wechselspannung speisbar sind.
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Die
an den Ausgängen
anliegenden Wechselspannungen können
dabei identische oder verschiedene Wechselspannungs-Parameter aufweisen.
Die jeweiligen Wechselspannungsparameter hängen dabei von der entsprechenden
Bauteildimensionierung der verwendeten Inverter ab. Dabei bleibt zu
erwähnen,
daß die
Möglichkeit
geboten ist, entweder gleichartige oder verschiedene Inverter zur
Realisierung der Vorrichtung zur Spannungswandlung zu verwenden.
Dadurch sind an den Ausgängen
der Vorrichtung zur Spannungswandlung verschiedene, voneinander
unabhängige
Wechselspannungen an den jeweiligen Ausgängen der Vorrichtung erzeugbar.
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Die
vorliegende Erfindung soll nun anhand von Ausgestaltungsbeispielen
und Zeichnungen näher
erläutert
werden. Dabei zeigen:
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1:
den mechanischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung
in einer dreidimensionalen Darstellung,
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2:
den mechanischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung
in einer Draufsicht und
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3:
ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungswandlung
für ein
mögliches
Anwendungsgebiet.
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In 1 ist
der mechanische Aufbau einer möglichen
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Spannungswandlung 1 dargestellt. Die Vorrichtung zur
Spannungswandlung 1 weist dabei einen Gleichspannungskondensator 2 in
Form eines Quaders auf, wobei die Flächen mit größtem Flächenanteil 2a, 2b des
Gleichspannungskondensators 2 auf einer horizontalen Ebene
im Raum liegen.
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Des
weiteren ist eine ebenfalls quaderförmige Kühlplatte 4 an der
Unterseite des Gleichspannungskondensators 2 in einem rechten
Winkel angeordnet. Die Kühlplatte 4 erstreckt
sich dabei mit ihren zwei größten Seitenflächen 4a, 4b entlang
einer vertikalen Ebene senkrechte zur horizontalen Ebene des Gleichspannungskondensators 2.
Vereinfacht bilden der Gleichspannungskondensator 2 und
die Kühlgatte 4 ein
dreidimensionales T-förmiges
Gebilde. Auf den beiden größten, entlang
der vertikalen Ebene liegenden Seitenflächen 4a, 4b der
Kühlplatte 4 werden
die beiden Inverter 3 und 5 angeordnet. Dabei
sind die beiden Inverter 3 und 5 als Halbleiterbausteine
ausgebildet, die ebenfalls mit einer quaderförmigen Ausformung beschrieben
werden können.
Die beiden Inverter 3, 5 werden auf den gegenüberliegenden
Flächen 4a, 4b der
Kühlplatte 4 befestigt
und sind dadurch zusätzlich
durch den Gleichspannungskondensator 2, der als eine Art
Dach für
die beiden Inverter 3, 5 dient, vor äußeren, von
oben kommenden Einflüssen
geschützt.
Durch den derartigen Aufbau der Vorrichtung zur Spannungswandlung
können ebenfalls
Effekte wie parasitäre
Induktivitäten,
die ungewollte Spannungsspitzen in der ausgehenden Spannung hervorrufen,
weitestgehend minimiert werden.
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In 2 ist
zur weiteren Erläuterung
der Vorrichtung zur Spannungswandlung 1 eine Draufsicht auf
diese abgebildet. Dabei ist deutlich zu erkennen, daß die beiden
Inverter 3 und 5 auf den gegenüberliegenden Flächen der
Kühlplatte 4 angeordnet
werden. Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Gleichspannungskondensator 2 und
Inverter 3, 5 dienen sogenannte Stromschienen 6,
welche als elektrische, unbewegliche Leiter zwischen Gleichspannungskondensator 2 und
Inverter 3 und 5 vorgesehen sind.
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Durch
die vertikale Anordnung der beiden Inverter 3 und 5 kann
die Wasserbeständigkeit
der Vorrichtung zur Spannungswandlung 1 weiter verbessert werden,
da eintropfendes oder einfließendes
Kondenswasser in die Vorrichtung 1 auf natürlichem
Weg entlang der Inverter 3 und 5 nach unten ablaufen bzw.
abtropfen kann. Ebenfalls wird die T-förmige Struktur der Vorrichtung
zur Spannungswandlung 1 nochmals in 2 verdeutlicht
und der positive Nebeneffekt der horizontalen Anordnung des Gleichspannungskondensators 2 als
eine Art Dach zum Schutz der Kühlplatte 4 und
der beiden Inverter 3, 5 vor äußeren Einflüssen zur wirken, klar ersichtlich.
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3 zeigt
ein schematisches Schaltbild der Ausgestaltung der Vorrichtung zur
Spannungswandlung 1 aus den 1 und 2.
Dabei besteht die Vorrichtung 1 aus einem zweipoligen Eingang 9 an dem
die zu wandelnde Gleichspannung eingespeist wird. Die beiden Eingänge 9 sind
dabei mit den beiden Kontakten des Gleichspannungskondensators 2 verschaltet.
Die beiden Inverter 3 und 5 werden ebenfalls mit
den beiden Kontakten des Gleichspannungskondensators 2 verbunden.
Die Anordnung der beiden Inverter 3 und 5 kann
deshalb durch zwei jeweilige Parallelschaltungen der einzelnen Inverter zum
Gleichspannungskondensator 2 beschrieben werden. Die an
den beiden Invertern 3 und 5 anliegende Gleichspannung
wird von den beiden Halbleiterbausteinen jeweils in eine dreiphasige
Wechselspannung umgerichtet. Aus diesem Grund sind an den beiden
Invertern 3 und 5 jeweils drei Pole 3a, 3b, 3c und 5a, 5b, 5c als
Ausgänge
ausgebildet, die jeweils eine Phase der dreiphasigen Wechselspannung
führen.
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Die
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Spannungswandlung 1 aus 3 dient
zum Betrieb eines Drehstrommotors 7, dessen zwei Windungen 8 mit
Energie zum Betrieb versorgt werden müssen. Dabei ist jeweils eine
Windung 8 mit den jeweils drei Polen 3a, 3b, 3c oder 5a, 5b, 5c einer
der beiden Inverter 3 oder 5 verschaltet und mit Drehstrom
versorgt.