EP3427377A1 - Schaltungsanordnung für einen frequenzumrichter - Google Patents

Schaltungsanordnung für einen frequenzumrichter

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EP3427377A1
EP3427377A1 EP17708151.0A EP17708151A EP3427377A1 EP 3427377 A1 EP3427377 A1 EP 3427377A1 EP 17708151 A EP17708151 A EP 17708151A EP 3427377 A1 EP3427377 A1 EP 3427377A1
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EP
European Patent Office
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capacitors
frequency converter
circuit arrangement
housing
heat sink
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17708151.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Jelinek
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Eco-S Green Solutions KG
Original Assignee
Eco-S Green Solutions KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Eco-S Green Solutions KG filed Critical Eco-S Green Solutions KG
Publication of EP3427377A1 publication Critical patent/EP3427377A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02M1/126—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output using passive filters

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for a frequency converter consisting of a passive, network-side EMC filter and an active part.
  • the state of the art includes 3-phase, passive EMC filters, which, however, are only partially connected in parallel. Also known are active, paralleischaltbare EMC filters such as from US 2014/01843315 A1. In this case, it is a power supply unit of a voltage source inverter which can be connected in parallel.
  • CSI current source inverters
  • a CSI is 4-quadrant capable and not only drives an electric machine by motor, but feeds the resulting energy back into the supply network, for example, when lowering loads on cranes when the machine becomes a generator.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • a CSI has a massive DC reactor as an energy storage, which can be made lighter and cheaper, if the nonlinearity of the Iron core exploited and the execution is provided as a saturation or Isthmus throttle.
  • VSI Voltage Source Inverter
  • the VSI has a three-phase bridge on the mains side consisting of six bipolar, low-cost and low-loss components that support the
  • Three-phase bridge circuit that modulates the largely constant voltage of the DC link capacitor to the motor windings that there is an adjustable frequency and voltage.
  • the mains currents are also not sinusoidal and must be improved for sensitive networks by means of external EMC filters.
  • the 4-Qadrantenarra is indispensable, it usually switches instead of the bipolar three-phase bridge, a circuit with the structure of a
  • the object of the invention is to provide a circuit arrangement for a
  • the circuit arrangement according to the invention is characterized in that the active part has the functionality of a current source converter (CSI) and consists of:
  • CSI current source converter
  • Triple switches which connect the capacitors to the choke, wherein the three-way switch (S1, S2, S3, S4) are formed by a series connection of diode and reverse conducting components consists.
  • a parallel switchable circuit arrangement is thus created, which is combined in a compact arrangement.
  • the compact arrangement is surrounded by a high-frequency-tight housing, which, as usual with EMC filters, is connected to PE (Protection Earth).
  • the DC reactor a is composed of two magnetically coupled coils with four terminals and
  • Sintered metal e.g. Sendust, High Flux, MPP
  • d) is designed as a saturation or Isthmusdrossel, wherein e) the windings consist of anodised aluminum foils, which at the same time form conductors and the layer insulation.
  • a throttle ensures the economic production of the frequency converter.
  • the high switching frequency for example, 100 kHz
  • the inductor by a factor of 330 smaller and lighter than the CSI with thyristors.
  • a passive and a symmetrically active part is provided, wherein the circuit arrangement
  • this charged or feeds energy into the network depending on the polarity of the voltage source, this charged or feeds energy into the network. This further increases the savings potential.
  • the cathodes of the diodes and the drains of the J-FETs are electrically connected via their cooling surfaces by their heat sinks, and / or
  • Leitblättchen such as graphite
  • Throttle connection is cyclically connected to the AC capacitors, so that the inductor current cyclically between the
  • AC capacitors commutated, and / or G. a construction of multiple multilayer printed circuit boards, or parallel plates with insulation layers between the sheets, reduces the effective commutation inductance, and / or
  • the galvanic isolation of the power supply of the gate driver of GND is carried out by means of planar transformers whose primary winding is connected to a middle frequency generator, preferably near GND, and whose secondary winding electrically supplies the gate drivers, and / or
  • the windings of the planar transformers are generated by spiral tracks on and within the multilayer printed circuit board used and there are ferrite films attached to the top and bottom of the circuit board.
  • the main advantage is that with a 4-way multilayer printed circuit board, the windings of the transformers are free.
  • a frequency converter as Strom fundamentalnikumrichter, comprising at least one housing with therein printed circuit boards, a cooling element for cooling the components, and a control in the form of control electronics for operating the frequency converter preferably as parallelschaltbares, active,
  • regenerative, 3-phase EMC and sine-motor filter solved, in which in the housing at least two preferably two times two printed circuit boards, which are designed as 4-way multilayer printed circuit board, with control electronics, in particular Bauelmente and each with a triple switch and arranged in parallel capacitors are arranged, wherein the switching elements and the diode connected in series for cooling and current conduction are each mounted on a heat sink.
  • Frequency converter with a switching frequency higher 50kHz is possible.
  • An advantage is an embodiment in which a throttle is integrated in the housing and this is preferably arranged in the cooling flow of the fan. This in turn creates a compact design and at the same time makes optimum use of the cooling flow.
  • an up-clocked switching element and a diode connected in series are electrically conductively attached to each of the heat sinks.
  • the heat sink can simultaneously be used as a conductor, so that very high currents can flow between the two components and do not have to be conducted via the printed circuit board, as a result of which the achievable commutation inductance is further reduced.
  • An advantage is an education, in which preferably the two
  • Circuit boards are mirror images of each other in the housing, so that the heat sinks always protrude into the middle of the housing. This ensures that when opening the housing, the heat sink are arranged practically safe to touch. They are indeed at dangerous voltages, so a protection against
  • Another advantage of the internal heat sinks is that they can be operated with> 100 ° C and so the physical advantages of SiC over Si can be used.
  • An embodiment is advantageous in which a plurality of capacitors are connected in parallel and / or in series, which are connected together via the 4-fold multilayer printed circuit board with the different layers. This ensures that thereby the lowest possible Kochunalt istsindikt technically and thus acceptable switching overvoltages for such a fast-switching frequency converter is achieved.
  • a further advantage is that it allows the size can be significantly reduced.
  • an embodiment is advantageous in which on the circuit board a planar transformer is formed by superimposed spiral conductor tracks, wherein on each layer such a spiral conductor track preferably with different size and / or width and spiral revolutions, are arranged, wherein an interconnection of the individual one above the other lying
  • spiral-shaped interconnects to a primary and secondary winding through corresponding vias of the start and end points of the
  • Fig. 2a shows a circuit arrangement with the energy into the network
  • Fig. 2b shows a circuit arrangement with the energy from the network
  • Fig. 3a shows a circuit arrangement for an e-car
  • Fig. 3b shows a circuit arrangement where a motor operates in generator mode and Figure 4 is a structural arrangement.
  • FIG. 5 shows a schematic structure of a housing of the frequency converter as Strom fundamentalnikumrichter, in a simplified, schematic representation
  • Fig. 7 shows an embodiment of a 1 1 kW frequency converter, which is 4 qandrantenarea, from above with lifted housing cover and throttle, in a simplified schematic representation.
  • 1 shows a circuit arrangement which can be connected in parallel and the functions:
  • Sinusoid motor filter for sinusoidal motor voltages met and united in a compact arrangement. She is surrounded by one
  • High-frequency-tight housing which, as usual with EMC filters, is connected to PE (Protection Earth 6).
  • the passive part 1 is the network side part of a conventional EMC filter:
  • the passive part 1 consists of three capacitors C x1 , C x2 , C x3 , in
  • the capacitor C y connects to the protective conductor 6, if the neutral of the three-phase network L1, L2, L3 with the protective conductor 6 is connected.
  • the passive consists of a three-phase inductor DL.
  • the active part 2 is a symmetrical arrangement with the function of a
  • CSI Power source inverter
  • a DC intermediate circuit choke D as energy storage, through which only currents with iD> 0 A flow. It is composed of two magnetically coupled coils with a defined leakage inductance, which ensures common mode rejection between input and output. It therefore has four connections.
  • Their magnetic core consists of medium frequency suitable sintered metal (powder: for example: Sendust, High Flux, MPP) and is called saturation or
  • the winding consists of anodized aluminum foils, which also form conductors and layer insulation and make good use of the winding space of the powder core.
  • control and regulation unit 3 where the measured values of the voltages of all capacitors and that of the inductor current iD are processed and achieved by suitable switch positions of S1, S2, S3 and S4, that:
  • this invention needs faster, reverse non-conductive components that are currently difficult or unavailable in the component market.
  • SiC Silicon Carbide
  • circuit arrangement can be connected in parallel and the functions:
  • a) is constructed of two magnetically coupled coils with four terminals and
  • d) is designed as a saturation or Isthmusdrossel, wherein e) the windings consist of anodised aluminum foils, which at the same time form conductors and the layer insulation.
  • Fig. 2b shows an arrangement which is a voltage source, such as a battery of an electric car, which is loaded from the network.
  • a voltage source such as a battery of an electric car
  • the voltage source is reversed.
  • Figures 3a and 3b the 1-quadrant operation is shown, with
  • Circuit arrangement is parallel switchable and the functions:
  • FIG. 3a shows an arrangement which drives a motor, for example in an electric car, from a voltage source, for example a rechargeable battery or a fuel cell.
  • a voltage source for example a rechargeable battery or a fuel cell.
  • Fig. 3b shows an arrangement where a motor, for example, in an electric car when braking or downhill, in generator mode energy back into a reversed voltage source, such as a battery.
  • FIG. 4 shows, for example, one of the four triple switches S1, S2, S3, S4 from FIG. 1, which are all of a similar construction, with real components in their
  • the AC capacitors C1, C2, C3 are connected in star here; the neutral point is connected to the reference potential GND of the control and regulation unit 3.
  • the three series circuits of Schottky diodes D1, D2, D3 and J-FETs F1, F2, F3 form the 3 backward non-conducting electronic switches of S1.
  • Three galvanically isolated heat sinks KK1, KK2, KK3 made of aluminum are provided. For each of the three switches a separate heat sink KK1, KK2, KK3 is provided.
  • the cathodes of the diodes and the drains of the J-FETs are electrically connected via their cooling surfaces through their heat sinks.
  • Heat sink KK1, KK2, KK3 and the cooling surfaces of the diodes and J-FETs improves the electrical and thermal conductivity between the heat sink KK1, KK2, KK3 and diodes and J-FETs.
  • the root of the triple-throw switch S1 here form the three sources of the J-FETs, which is connected to one of the four throttle ports.
  • the three J-FETs are driven via the gate signals G1 1, G12, G13, whereby the throttle terminal is cyclically connected to C1, C2, C3.
  • the inductor current iD commutes cyclically between C1, C2, C3.
  • the control is designed so that always at least one of the 3 J-FETs is switched on, so that the inductor current iD is never interrupted.
  • control unit 3 and the gates of the 3 J-FETs are galvanically isolated. This can be done by means of available components in the gate drivers.
  • the power supply to the gate drivers must also be galvanically isolated from GND. This can be achieved by means of planar transformers whose primary winding is connected to a mid-frequency generator, near GND, and whose secondary winding electrically supplies the gate drivers.
  • the windings of the planar transformers are spiral-shaped
  • ferrite foils on the top and bottom of the board improve the efficiency of the planar transformers and reduce noise.
  • FIGS. 1 to 4 A detailed description of the invention described in FIGS. 1 to 4 is shown in FIGS. This is to achieve that
  • Fig. 5 the housing 10 is shown, in which the circuit boards 11 in the form of a 4-way multilayer printed circuit board 1 1 a to 1 1 d for the frequency converter 12 with
  • Frequency converter 12 is shown.
  • the printed circuit boards 11 are fixed electrically insulated from the housing 10.
  • the housing 10 Preferably, the housing 10
  • the housing 10 in the embodiment shown, is divided into several areas, wherein in the first area a cooling element 15 for generating a ventilation or
  • Cooling stream 16 is arranged through the housing 10.
  • the printed circuit boards 1 1 with the components arranged thereon which will be discussed in more detail later, arranged, in the third area due to the very compact design, it is possible that the throttle 17 with the 4 terminals for connection to the circuit board 11 is arranged, which thus also with the ventilation or
  • Cooling stream 16 can be cooled. As shown schematically, the air is sucked in by the cooling element 15 and generates a ventilation or
  • the two circuit boards 1 1 are positioned so that they form a cooling channel with the air and at the same time electrically form a bridge circuit.
  • the throttle 17 is arranged externally in a separate housing.
  • the prior art namely, the size of commercial frequency inverters 12, the preferably designed thyristor controlled as Strom fundamentalnikumrichter, much larger, in particular by 330 times, so that integration in the power / control part, ie in the housing 10, does not make sense.
  • a triple switch 18 (S1 to S12) is arranged on a circuit board 1, wherein in Fig. 5, only a single switching element 19, which is mounted on a heat sink 20, of three parallel juxtaposed switching elements 19th with independent mutually insulated heatsink 20 can be seen, the sum thus the
  • Three-way switch 8 (S1 to S12) form.
  • the triple-throw switch 18 (S1 to S12), in particular each of the three switching elements 19, with a frequency higher 50kHz, in particular 100kHz, driven or are controllable.
  • the frequency of the frequency converter 12 according to the invention is much higher than in the known from the prior art frequency converter with Tyristor horrung.
  • the heat sink 20 is used as a conductor and thus energized, but the heat sink 20 is secured isolated from the circuit board 11, for which purpose an insulating 21 between the circuit board 11 and heat sink 19 is arranged.
  • the insulating element is about 2mm thick and consists of the material polyamide (nylon); This ensures that a sufficient distance from the surface of the printed circuit board 11 with respect to the heat development of the heat sink 20 is created.
  • three mutually galvanically isolated heat sink 20 (KK1, KK2, KK3) made of aluminum on a circuit board 1.
  • a separate heat sink 20 is arranged, which is also used as a conductor, ie, that Switching element 19 is electrically conductive fixed to the heat sink 20 and the heat sink 20 is designed to be energized.
  • a high clocked switching element 19 and a diode 22 connected in series are electrically conductively attached to each of the heat sinks 20, the diode 22 preferably being connected through a Schottky diode 22 and the switching element 19 through a J-FET 21 (junction field effect transistor, normally-on), with a switching frequency higher than 50kHz,
  • the cathode of the diode 22 and the drain terminal of the J-FET 19 are electrically connected via the cooling surfaces through the heat sink 20.
  • Leitblättchen 23 for example made of graphite, between the heat sink 20 and diode 22 and J-FET 19 provided to improve the electrical and thermal conductivity between the heat sink 20 and diode 22 and J-FET 19.
  • the circuit boards 11 are mirror images of each other in the housing 10 so that the heat sink 20 always protrude into the middle of the housing s10, ie, that the heat sink 20 dangerous voltages for humans and dangerous temperatures, so that the Structure topologically inside and untouchable. This ensures that when opening the housing 10, a user can not just touch the heatsink 20, since usually from the prior art, every technician knows that the heat sink 20 are normally arranged and carried out electrically isolated and electrically isolated. Another advantage lies in the
  • the components to be cooled are arranged so that a defined ventilation or cooling flow 16 optimal heat dissipation can be achieved, ie, that the two circuit boards 11 built by the side by side Heat sink 20 form a narrow cooling channel, which is also mitgekühlt through the throttle arranged above 17. It can be said that the two closely juxtaposed cooling ducts with the throttle 17 above form the power section of the current source inverter of the frequency converter 12.
  • the heat sink 20 may have a heat sink temperature> 100 ° C, so that the heat sink 20 is therefore electrically and thermally isolated for humans, that is directed inward.
  • Frequency converter 12 is achieved that by appropriate
  • the component sizes, in particular for the capacitors 24, can be kept low, since several capacitors 24 are connected in parallel and / or in series, which are connected via the 4-fold ultilayer printed circuit board 1 1 with the different layers 1 1 a to 1 1 d together are, ie, that with the help of the vias now inexpensive capacitors 24 are connected in parallel for the PCB assembly between the AC terminals.
  • a capacitor 24 (as can be seen in FIG. 5) is contacted with the first layer 1 a, its further connection being contacted at the second layer 11 b.
  • a series connected further capacitor 24 is also connected to the second layer 1 1b, wherein the further Anschiuss with the third layer 1 1 c is contacted.
  • a plurality of parallel and series-connected capacitors 24 are mounted on the circuit board 1 1, which are connected to each other via the different layers 1 1 a to 1 d of the circuit board 1.
  • circuit board 11 further components 25 for the control and regulation, which may be arranged between the heat sink 20 and the parallel and series connected capacitor 24 or these are arranged on a separate connected circuit board 11.
  • These components 25 switch the switching elements 19 with a frequency greater than 50 kHz, in particular 100 kHz.
  • the arrangement or distribution of the components on the circuit board 1 1 can be made arbitrarily, so
  • the heat sink 20 in the lower area near the cooling element 15, then the capacitors 24 and then the components 25 may be formed.
  • 25 channels for the ventilation or cooling flow 16 are formed between the individual groups, that is to say the three heat sinks 20, in parallel and serially arranged condensers, in order to achieve optimum dissipation of the resulting heat and, at the same time, good performance
  • a further detail of the structure is shown schematically simplified.
  • a 4-way multilayer printed circuit board 1 1 (11 a to 1 1 d) is a novel design of a planar transformer 26 with an operating frequency greater than 500kHz, in particular 1 MHz, possible.
  • the planar transformer 26 is formed by superposed spiral-shaped conductor tracks 27, that is to say that on each layer 11a to 11d such a spiral conductor track 27 having a different size and / or width and spiral circulations are arranged.
  • These 5 spiral tracks 27 are nested in series and form the primary and secondary windings of the planar transformer 26.
  • the Caribbeanschaiten individual superimposed spiral tracks 27 takes place through
  • spiral-shaped conductor tracks 1 1 are arranged on each circuit board 1 1 for the three J-FETs, but in Fig. 6, only a single conductor 11 has been shown in plan view.
  • a slot 28 is arranged in the circuit board 1 1, around which the spiral
  • a small ferrite core 29 is used or arranged, which together with a self-adhesive ferrite 30, as shown schematically by dashed lines represented, which are attached to the top and bottom of the circuit board 1 1 in the region of the spiral-shaped conductor tracks 27, the magnetizing current lowers and reduces interference radiation.
  • Fig. 7 shows a schematic structure of a 1 1 kW frequency converter 12 is shown with Strom fundamentalnikumrichter in CSI technology, wherein two previously described housing 10, each with two mounted therein printed circuit boards 1 1 connected together and secured to each other.
  • the overall dimensions of such a small and lightweight frequency converter is for example: depth of about 300mm, a width of about 150mm and a height of about 450mm.
  • Frequency converter 12 is operated with extremely high switching frequency of greater than 50khz, in particular 100khz, which is possible due to the novel components in SiC technology.
  • 50khz in particular 100khz
  • each of the 4 triple switch 18 of FIG. 1 therefore consists of a printed circuit board 1 with 50% of the associated capacitor capacity of the capacitors 24 and 3 heat sinks 20, in addition to the cooling and the electrical Realized series connection of J-FET and Schottky diode, for this purpose, a graphite leaflet or printed circuit board 23 is interposed for better electrical and thermal conductivity. Furthermore, it can be seen from Fig. 7 that the heat sink 20 are always aligned in the direction of the interior of the housing 10, since the heat sink a
  • the frequency converter 12 is operated as Strom fundamentalnikumrichter 12 whose switching frequency is greater than 50kHz preferably 100kHz.
  • 100kHz switching frequency gives a very small choke and makes the benefits of the power source inverter possible.
  • the losses are kept low, so that with SiC components, a switching frequency beyond 50kHz, in particular a switching frequency of 100kHz, is possible.
  • Component names can be transferred. Also, those are in the

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Frequenzumrichter bestehend aus einem passiven, netzseitigen EMV-Filter und einem aktiven Teil. Der aktive Teil weist die Funktionalität eines Stromzwischenkreisumrichters (CSI) auf und besteht aus: a) drei Wechselspannungskondensatoren (C1, C2, C3) in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren (C12, C13, C23) in Dreieckschaltung am Eingang, b) drei Wechselspannungskondensatoren (CU, CV, CW) in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren (CWV, CWU, CVU) in Dreieckschaltung am Ausgang, c) einer Gleichstromzwischenkreisdrossel (D) mit vier Anschlüssen und d) vier Dreifachumschaltern (S1, S2, S3, S4) die entsprechend die Kondensatoren mit der Drossel (D) verbinden, wobei die Dreifachumschalter (S1, S2, S3, S4) durch eine Serienschaltung aus Diode und rückwärts leitenden Bauteilen gebildet sind, besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Frequenzumrichter bestehend aus einem passiven, netzseitigen EMV-Filter und einem aktiven Teil.
Zum Stand der Technik zählen 3-phasige, passive EMV- Filter, die jedoch nur bedingt parallelschaltbar sind. Bekannt sind auch aktive, paralleischaltbare EMV- Filter wie beispielsweise aus der US 2014/01843315 A1. In diesem Fall ist es ein Netzteil eines Spannungszwischenkreisumrichters, das parallelschaltbar ist.
Weiters gibt es statische Frequenzumrichter, die eine konstante Netzfrequenz oder Netzspannung in eine variable Ausgangsfrequenz oder Ausgangsspannung umformen können. Seit langem sind Stromzwischenkreisumrichter (CSI= Current Source Inverter) in Thyristortechnik mit rechteckförmigen Netzströmen und Spannungsspitzen am Ausgang bekannt, die die Motorwicklungen belasten. Ein CSI ist prinzipiell 4- quadrantenfähig und treibt eine elektrische Maschine nicht nur motorisch an, sondern speist beispielsweise beim Absenken von Lasten bei Kränen, wenn die Maschine zum Generator wird, die entstehende Energie ins Versorgungsnetz zurück.
Aus der EP 0886371 A1 , wie auch der DE 1972616 A1 und der US 6078162 ist bekannt, dass mittels Thyristoren und Gate-tum-off Thyristoren und geeigneter Steuerung ein CSI parallelschaltbar ist.
Bekannt sind hier auch Schaltungsanordnungen aus Fachbüchern und
wissenschaftlichen Abhandlungen, die statt der Thyristoren IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistoren) vorschlagen.
Ein CSI weist eine massige Zwischenkreisdrossel als Energiespeicher auf, die leichter und preiswerter gestaltet werden kann, wenn die Nichtlinearität des Eisenkerns ausgenützt und die Ausführung als Sättigungs- oder Isthmus-Drossel vorgesehen ist.
Trotzdem ist diese Ausführung schwer und teuer und wurde nicht zuletzt deswegen durch den Spannungszwischenkreisumrichter (VSI= Voltage Source Inverter) weitgehend abgelöst. Ein VSI weist als Energiespeicher einen
Zwischenkreiskondensator auf, wobei ein leichter, billiger Elektrolytkondensator verwendet werden kann. Ein derartiger Kondensator hat aber eine begrenzte Lebensdauer. Aus der US 6 275 393 B1 ist ein VSI mit einer Ladeschaltung für den Zwischenkreiskondensator bekannt.
In seiner Standardausführung hat der VSI netzseitig eine Drehstrombrücke aus sechs bipolaren, preiswerten und verlustarmen Bauteilen, die den
Zwischenkreiskondensator aufladen. Motorseitig gibt es sechs schnellschaltende Bauteile, derzeit IGBTs, mit integrierten, parallelen Freilaufdioden in
Drehstrombrückenschaltung, die die weitgehend konstante Spannung des Zwischenkreiskondensators derart moduliert an die Motorwicklungen legen, dass dort eine einstellbare Frequenz und Spannung entsteht. Die Netzströme sind auch hier nicht sinusförmig und müssen für sensible Netze mittels externer EMV- Filter verbessert werden.
Sehr von Nachteil sind die Ausgangsspannungen: sie sind rechteckförmig, mit der Amplitude der Zwischenkreisspannung, und führen - besonders bei längeren Motorleitungen - durch Reflexionen zu Spannungsüberhöhungen, welche die Motorwicklungen zerstören können. Auch hier sind oft zusätzliche, externe Motor- Filter vonnöten. Diese sind in unterschiedlichen Ausführungen am Markt verfügbar.
Bei sehr langen Motorleitungen müssen aufwändige„Sinus- Motor- Filter" eingesetzt werden, die aus der rechteckförmigen Ausgangsspannung eine quasi sinusförmige machen. Diese erzeugen zwar zwischen den Motorphasen eine weitgehend sinusförmige Spannung, aber nicht gegen Erdpotential. In dieser Ausführung ist der VSI nicht 4-quadrantenfähig.
Ist die 4-Qadrantenfähigkeit unabdingbar, so schaltet man üblicherweise statt der bipolaren Drehstrombrücke eine Schaltung mit der Struktur eines
Motorwechselrichters zwischen Zwischenkreiskondensator und
Eingangsklemmen. Zwischen diesen und dem Netz muss ein aufwändiges, elektrisches Filter geschaltet werden, um die Rechteckspannung vom Netz fernzuhalten. Aus der US 2014/0184315 A1 ist eine derartige
Schaltungsanordnung bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für einen
Frequenzumrichter zu schaffen, die einerseits die oben dargelegten Nachteile vermeidet und die anderseits die Herstellung, mit wirtschaftlich beschaffbaren Bauteilen, eines 4-quadrantenfähigen Stromzwischenkreisumrichters in einer kompakten Einheit ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Teil die Funktionalität eines Stromzwischenkreisumrichters (CSI) aufweist und aus:
a) drei Wechselspannungskondensatoren in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren in Dreieckschaltung am Eingang,
b) drei Wechselspannungskondensatoren in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren in Dreieckschaltung am Ausgang,
c) einer kleinen und leichten Gleichstromzwischenkreisdrossel mit vier Anschlüssen und
d) vier extrem schnell, vorzugsweise mit 100kHz schaltenden
Dreifachumschaltern, die die Kondensatoren mit der Drossel verbinden, wobei die Dreifachumschalter (S1 , S2, S3,S4) durch eine Serienschaitung aus Diode und rückwärts leitenden Bauteilen gebildet sind, besteht.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, eine kompakte Schaltungsanordnung herzustellen, die insbesondere nur etwa 30 % des Platzbedarfs im Schaltschrank gegenüber äquivalenten Schaltungsanordnungen des Standes der Technik und auch nur ca. 20 % des Verdrahtungsaufwandes im Vergleich zum Stand der Technik benötigt. Zum Vergleich darf nochmals aufgezeigt werden, dass eine Lösung gemäß dem derzeitigen Stand der Technik zwei übliche Spannungszwischenkreisumrichter VSI, ein schweres Netzfilter und ein ebenso schweres Sinusmotorfilter, das zwar zwischen den Phasen aber nicht gegen Erdpotential sinusförmige Spannungen erzeugt, umfassen würde.
Mit der Erfindung wird somit eine parallelschaltbare Schaltungsanordnung geschaffen, die in einer kompakten Anordnung vereinigt ist. Die kompakte Anordnung ist umgeben von einem hochfrequenzdichten Gehäuse, das, wie bei EMV- Filtern üblich, flächig mit PE (Protection Earth= Schutzleiter) verbunden ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die
Wechselspannungskondensatoren durch Parallelschaltung mehrerer
Kondensatoren aufgebaut. Dadurch können am Markt preisgünstige, übliche Bauteile beschafft werden, die eine wirtschaftliche Herstellung gewährleisten. Auch Sonder- und Einzelausführungen sind durch deren Wirtschaftlichkeit möglich. Es besteht auch die Möglichkeit, selbstheilende Kondensatoren einzusetzen. Die derzeit üblichen zum Stand der Technik verwendeten
Kondensatoren weisen nur eine begrenzte Lebensdauer auf. Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die Gleichstromdrossel a) aus zwei magnetisch gekoppelten Spulen mit vier Anschlüssen aufgebaut und
b) weist eine definierte Streuinduktivität auf, die eine
Gleichtaktunterdrückung zwischen Eingang und Ausgang sicherstellt,
c) besteht ihr magnetischer Kern aus mittelfrequenztauglichem
Sintermetall (Pulver: z.B.: Sendust, High Flux, MPP) und
d) ist als Sättigungs- oder Isthmusdrossel ausgeführt, wobei e) die Wicklungen aus anodisierten Aluminiumfolien bestehen, die zugleich Leiter und die Lagenisolation bilden. Eine derartige Drossel gewährleistet die wirtschaftliche Herstellung des Frequenzumrichters. Weiters ist durch die hohe Schaltfrequenz, beispielsweise 100 kHz, die Drossel um einen Faktor 330 kleiner und leichter als beim CSI mit Thyristoren.
Nach einem weiteren, alternativen Merkmal der Erfindung ist ein passiver und ein symmetrisch aktiver Teil vorgesehen, wobei die Schaltungsanordnung
parallelschaltbar ist und die Funktionen:
a) EMV- Filter für sinusförmige Netzströme,
b) 4-Quadranten-Frequenzumrichter und
c) Sinus- Motor-Filter für sinusförmige Motorspannungen zwischen den Phasen und auch gegen Erdpotential erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist, die von einem hochfrequenzdichten Gehäuse umgeben ist. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit der Parallelschaltbarkeit ist der immense Vorteil gegeben, dass mit nur zwei Baugrößen, beispielsweise 1 1 kW und 22 kW eine Umrichterreihe bis 110 kW dargestellt werden kann. Das Potential der Einsparung an Entwicklungs-, Validierungs- und Zertifizierungskosten ist dadurch enorm hoch. Gemäß einem besonderen, alternativen Merkmal der Erfindung ist ein passiver und ein asymmetrischer aktiver Teil vorgesehen, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen:
a) EMV- Filter für sinusförmige Netzströme und
b) 1 -Quadranten-Frequenzumrichter mit einer Spannungsquelle am
Ausgang erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist, die von einem hochfrequenzdichten Gehäuse umgeben ist. Durch diese erfindungsgemäße Merkmalskombination ist es möglich, den kompaktesten Solarumrichter am Markt anzubieten. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein asymmetrischen aktiver Teil vorgesehen, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die
Funktionen: a) 1 -Quadranten-Frequenzumrichter mit einer Spannungsquelle am
Eingang und
b) Sinus- Motor-Filter- Funktion für sinusförmige Motorspannungen zwischen den Phasen aber auch gegen Erdpotential erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist. Wie ja bekannt, benötigen Tiefbohrpumpen
Motorleitungen von einigen Kilometer Länge und ein„echtes" Sinusmotorfilter. Mit der vorliegenden Erfindung ist dies möglich.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird, abhängig von der Polung der Spannungsquelle, diese geladen oder speist Energie ins Netz. Dadurch wird das Einsparungspotential noch weiter erhöht.
Nach einem ganz besonderen Merkmal der Erfindung weist der
Dreifachumschalter nachstehende konstruktive Anordnung auf:
a.) bei den in Stern geschalteten Wechselspannungskondensatoren ist der
Sternpunkt mit dem Bezugspotential der Steuer- und Regeleinheit verbunden und die Messung der Spannung erfolgt mittels Spannungsteilern aus Widerständen, wobei diese auch zur Entladung der Kondensatoren dienen, und/oder
b. ) die drei Serienschaltungen aus Schottky- Dioden und J-FETs in„Wide bandgap" Technologie wie beispielsweise: Silicon Carbide (SiC) bilden die die drei rückwärts nicht leitenden elektronischen Schalter, und/oder
c. ) drei voneinander galvanisch getrennte Kühlkörper aus Aluminium sind für jeden der drei Schalter vorgesehen, und/oder
d. ) die Kathoden der Dioden und die Drains der J-FETs sind über deren Kühlflächen elektrisch durch ihre Kühlkörper verbunden, und/oder
e. ) die Beilage von Leitblättchen, beispielsweise aus Graphit, ist zwischen Kühlkörper und Dioden und J-FETs vorgesehen, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zwischen Kühlkörper und Dioden und J-FETs zu verbessern, und/oder
f.) die drei J-FETs werden über die Gatesignale angesteuert, wodurch der
Drosselanschluss zyklisch mit den Wechselspannungskondensatoren verbunden wird, so dass der Drosselstrom zyklisch zwischen den
Wechselspannungskondensatoren kommutiert, und/oder g. ) ein Aufbau aus Mehrfachmultilayer Leiterplatten, oder bei größeren Leistungen parallelen Blechen mit Isolationslagen zwischen den Blechen, verringert die wirksame Kommutierungsinduktivität, und/oder
h. ) die galvanische Trennung der Stromversorgung der Gate- Treiber von GND wird mittels Planartransformatoren ausgeführt, deren Primärwicklung mit einem Mittelfrequenzgenerator, vorzugsweise nahe GND, verbunden ist und deren Sekundärwicklung die Gate- Treiber elektrisch versorgt, und/oder
i. ) die Wicklungen der Planartransformatoren werden durch spiralförmige Leiterbahnen auf und innerhalb der verwendeten Multilayerleiterplatte erzeugt und dort sind Ferritfolien an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte angebracht. Der Vorteil liegt vor allem darin, dass bei einer 4-fach-Multilayer-Leiterplatte die Wicklungen der Transformatoren gratis sind.
Weiters wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Frequenzumrichter als Stromzwischenkreisumrichter, umfassend zumindest ein Gehäuse mit darin angeordneten Leiterplatten, einem Kühlelement zur Kühlung der Bauelemente, sowie eine Regelung bzw. Steuerung in Form von Steuerelektronik zum Betreiben des Frequenzumrichter vorzugsweise als parallelschaltbares, aktives,
rückspeisefähiges, 3-Phasen EMV- und Sinus-Motor- Filter, gelöst, bei dem im Gehäuse zumindest zwei vorzugsweise zwei mal zwei Leiterplatten, die als 4 fach- Multilayer-Leiterplatte ausgebildet sind, mit Steuerelektronik, insbesondere Bauelmente und jeweils mit einem Dreifachumschalter und parallel geschaltete Kondensatoren angeordnet sind wobei die Schaltelemente und die in Serie geschaltete Diode zur Kühlung und Stromführung jeweils an einem Kühlkörper montiert sind.
Vorteilhaft ist dabei, dass durch einen derartigen Aufbau ein sehr kompaktes Gehäuse verwendet werden kann. Durch den Einsatz einer 4 fach- Multilayer-Leiterplatte und geeignete Verschaltung der vielen parallel geschalteten Kondensatoren, die in ihrer Gesamtheit die Eingangskondensatoren C1 , C2, C3 und die Ausgangskondensatoren CU, CV, CW bilden, können die
Schaltüberspannungen und Verlustleistungen der Leistungsbauelemente verringert werden, sodass ein entsprechender Aufbau mit sehr hohen
Schaltfrequenzen und somit geringen Baugrößen der Energiespeicher (Zwischenkreisdrossei und Eingangs- und Ausgangskondensatoren) geschaffen werden kann. Durch den speziellen Aufbau werden die Verlustleistungen stark reduziert, sodass ein sicherer Dauerbetrieb bei einem derartigen
Frequenzumrichter mit einer Schaltfrequenz höher 50kHz möglich ist.
Von Vorteil ist eine Ausbildung, bei der eine Drossel im Gehäuse integriert ist und diese vorzugsweise im Kühlstrom des Lüfters angeordnet ist. Damit wird wiederum ein kompakter Aufbau geschaffen und gleichzeitig der Kühlungsstrom optimal genützt.
Bei einer Ausbildung ist von Vorteil, dass auf jeden der Kühlkörper ein hoch- getaktetes Schaltelement und eine in Serie geschaltete Diode elektrisch leitend befestigt ist. Dadurch kann der Kühlkörper gleichzeitig als Leiter verwendet werden, sodass sehr hohe Ströme zwischen den beiden Bauelemente fließen können und nicht über die Leiterplatte geführt werden müssen, wodurch die erreichbare Kommutierungsinduktivität weiter verkleinert wird.
Von Vorteil ist eine Ausbildung, bei der vorzugsweise die beiden
Leiterplatten spiegelbildlich zueinander im Gehäuse angeordnet sind, sodass die Kühlkörper immer in die Mitte des Gehäuses ragen. Dadurch wird erreicht, dass beim Öffnen des Gehäuses die Kühlkörper praktisch berührungssicher angeordnet sind. Sie liegen ja an gefährlichen Spannungen, sodass ein Schutz vor
ungewollten Berührungen vorgesehen sein muss . Gleichzeitig kann dadurch ein optimaler Kühlungskanal geschaffen werden, um die entstehende Wärme abführen zu können, sodass ein sicherer Langzeitbetrieb eines derartigen
Frequenzumrichters mit einer Taktfrequenz größer 50kHz, insbesondere 100kHz, möglich ist.
Vorteilhaft an den innenliegenden Kühlkörpern ist auch, dass sie mit >100°C betrieben werden dürfen und so die physikalischen Vorteile von SiC gegenüber Si genützt werden können. Vorteilhaft ist eine Ausbildung, bei der mehrere Kondensatoren parallel und/oder seriell geschaltet sind, die über die 4-fach Multilayer Leiterplater mit den unterschiedlichen Layern zusammen geschaltet sind. Dadurch wird erreicht, dass dadurch die die kleinstmögliche Kommuntierungsindiktivität und damit akzeptable Schaltüberspannungen für einen derart schnell schaltenden Frequenzumrichter erreicht wird. Vorteilhaft ist weiters, dass damit die Baugröße wesentlich verringert werden kann kann.
Schließlich ist eine Ausbildung von Vorteil, bei der auf der Leiterplatte ein Planartrafo durch übereinander liegende spiralförmige Leiterbahnen gebildet ist, wobei auf jeden Layer eine derartige spiralförmige Leiterbahn vorzugsweise mit unterschiedlicher Größe und/oder Breite und Spiralumläufe, angeordnet sind, wobei ein Zusammenschalten der einzelnen übereinander liegenden
spiralförmigen Leiterbahnen zu einer Primär- und Sekundärwicklung durch entsprechende Durchkontaktierungen der Anfangs- und Endpunkte der
Leiterbahnen auf den verschiedensten Layer erfolgt. Dadurch wird erreicht, dass die kompakte Baugröße ermöglicht wird und gleichzeitig die Herstellkosten möglichst gering gehalten werden. Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für einen Frequenzumrichter,
Fig. 2a eine Schaltungsanordnung mit der Energie ins Netz und
Fig. 2b eine Schaltungsanordnung mit der Energie aus dem Netz eine
Spannungsquelle geladen wird;
Fig. 3a eine Schaltungsanordnung für ein E-Auto und
Fig. 3b eine Schaltungsanordnung wo ein Motor im Generatorbetrieb arbeitet und Fig. 4 eine konstruktive Anordnung;
Fig. 5 eine schematischer Aufbau eines Gehäuses des Frequenzumrichters als Stromzwischenkreisumrichter, in vereinfachter, schematischer Darstellung;
Fig. 6 eine Ausschnitt einer Draufsicht auf eine Leiterplatte des
Frequenzumrichters, in vereinfachter, schematischer Darstellung; Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel für einen 1 1 kW Frequenzumrichter, der 4- qandrantenfähig ist, von Oben mit abgehobener Gehäusedeckel und Drossel, in vereinfachter schematischer Darstellung. Gemäß der Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, die parallelschaltbar ist und die Funktionen:
EMV- Filter für sinusförmige Netzströme,
4-Quadranten-Frequenzumrichter mit der Funktionalität eines CSI und
Sinus- Motorfilter für sinusförmige Motorspannungen erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist. Sie ist umgeben von einem
hochfrequenzdichten Gehäuse, das, wie bei EMV- Filtern üblich, flächig mit PE (Protection Earth= Schutzleiter 6) verbunden ist.
Der passive Teil 1 ist der netzseitige Teil eines herkömmlichen EMV- Filters:
Der passive Teil 1 besteht aus drei Kondensatoren Cx1, Cx2, Cx3, in
Sternschaltung und einem Kondensator Cy, verbunden mit dem Sternpunkt der Kondensatoren Cxi, Cx2, Cx3, und einem Schalter Sy, der den Kondensator Cy mit dem Schutzleiter 6 verbindet, falls der Nullleiter des Drehstromnetzes L1 , L2, L3 mit dem Schutzleiter 6 verbunden ist. Wie ja bekannt, ist bei ungeerdeten Netzen offen. Weiters besteht der passive aus einer dreiphasigen Drosselspule DL.
Der aktive Teil 2 ist eine symmetrische Anordnung mit der Funktion eines
Stromzwischenkreisumrichters (CSI) bestehend aus:
1.) Drei Eingangskondensatoren C3, C2, C1 in Sternschaltung oder C12, C 3, C23 in Dreieckschaltung, wobei jene auch durch Parallelschaltung mehrerer Wechselspannungskondensatoren aufgebaut sein können. 2.) Einer Gleichstromzwischenkreisdrossel D, als Energiespeicher, durch die immer nur Ströme mit iD> 0 A fließen. Aufgebaut ist sie aus zwei magnetisch gekoppelten Spulen mit einer definierten Streuinduktivität, die eine Gleichtaktunterdrückung zwischen Eingang und Ausgang sicherstellt. Sie hat daher vier Anschlüsse.
- Ihr magnetischer Kern besteht aus mittelfrequenztauglichem Sintermetall (Pulver: z.B.: Sendust, High Flux, MPP) und ist als Sättigungs- oder
Isthmusdrossel ausgeführt.
- die Wicklung besteht aus anodisierten Aluminiumfolien, die zugleich Leiter und Lagenisolation bilden und den Wickelraum des Pulverkerns gut ausnützen.
3.) 3 Ausgangskondensatoren CW, CV, CU in Sternschaltung oder CWV, CWU, CVU in Dreieckschaltung, wobei jene auch durch Parallelschaltung mehrerer Wechselspannungskondensatoren aufgebaut sein können. 4.) Einer Matrix aus vier Dreifachumschaltern S1 , S2, S3 und S4 zwischen den Kondensatoren und der Zwischenkreisdrossel.
5.) einer Steuer- und Regeleinheit 3, wo die Messwerte der Spannungen aller Kondensatoren und die des Drosselstroms iD verarbeitet und durch geeignete Schalterstellungen von S1 , S2, S3 und S4 erreicht wird, dass:
a. ) sinusförmige Eingangsströme iL1 , iL2 und iL3 entstehen,
b. ) ein definierter, beispielsweise der Durchgangsleistung proportionaler Strom iD fließt, wodurch die Parallelschaltbarkeit von Geräten auch unterschiedlicher Nennleistung sichergestellt ist und
c.) sinusförmige Ausgangsspannungen einstellbarer Frequenz und Amplitude zwischen U,V und W erzeugt werden.
Wie beim CSI mit Thyristoren, kann auch hier Energie ins Netz rückgespeist werden, wenn der Motor zum Generator wird. Die beschriebene Anordnung ist daher
d.) 4-quadrantenfähig. Da durch die Gleichstromzwischenkreisdrossel D nur in einer Richtung Strom fließen soll, sind für die Schalter S 1 bis S4 rückwärts nichtleitende Bauelemente ideal. Thyristoren hatten diese Eigenschaft und wurden im herkömmlichen CSI eingesetzt.
Diese Erfindung braucht aber schnellere, rückwärts nichtleitende Bauteile, die derzeit am Bauteilmarkt schwer oder nicht verfügbar sind.
Derzeit muss man sich mit einer Serienschaltung aus Diode und rückwärts leitenden Bauteilen behelfen. Das sind beispielsweise Schottkydioden und J-FETs (Junction Field Effect Tansistors, normally-on) beide in„Wide bandgap"
Technologie wie z.B.: SiC (Silicon Carbide). Dies, weil die Schaltfrequenz relativ hoch sein soll, beispielsweise 100kHz, um die Kapazitätswerte der Kondensatoren und die notwendige Induktivität der Stromzwischenkreisdrossel möglichst klein zu halten.
Gemäß der Fig. 2a und 2b ist der 1 -Quadrantenbetrieb gezeigt, wobei
ein passiver und ein asymmetrischer aktiver Teil vorgesehen ist, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen:
a) EMV- Filter für sinusförmige Netzströme,
b) 1 -Quadranten-Frequenzumrichter und
in einer kompakten Anordnung vereinigt ist, die von einem hochfrequenzdichten Gehäuse umgeben ist und die Gleichstromdrossel (D)
a) aus zwei magnetisch gekoppelten Spulen mit vier Anschlüssen aufgebaut ist und
b) eine definierte Streuinduktivität aufweist, die eine
Gleichtaktunterdrückung zwischen Eingang und Ausgang sicherstellt,
c) ihr magnetischer Kern aus mittelfrequenztauglichem Sintermetall
(Pulver: z.B.: Sendust, High Flux, MPP) besteht und
d) als Sättigungs- oder Isthmusdrossel ausgeführt ist, wobei e) die Wicklungen aus anodisierten Aluminiumfolien bestehen, die zugleich Leiter und die Lagenisolation bilden.
Die Schaltungsanordnung ist selbsterklärend und die Bezugszeichen
entsprechend den Bauteilen in Fig. 1.
Wenn nur aus einer Spannungsquelle, beispielsweise einem Akku oder einer Solarzelle Energie ins Netz gespeist werden soll, ist dies im 1 -Quadrantenbetrieb möglich.
Die Fig. 2b zeigt eine Anordnung, die eine Spannungsquelle, beispielsweise einen Akku eines E-Autos, der aus dem Netz geladen wird. Dazu ist im Gegensatz zu Fig. 2a die Spannungsquelle umgepolt. Gemäß der Fig. 3a und 3b ist der 1 -Quadrantenbetrieb gezeigt, wobei
nur ein asymmetrischer aktiver Teil vorgesehen ist, wobei die
Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen:
a) 1 -Quadranten-Frequenzumrichter mit einer Spannungsquelle am
Eingang und
b) einer Sinus- Motor-Filter- Funktion für sinusförmige Motorspannungen zwischen den Phasen aber auch gegen Erdpotential erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist.
Die Fig. 3a zeigt eine Anordnung, die von einer Spannungsquelle, beispielsweise einem Akku oder einer Brennstoffzelle, einen Motor, beispielsweise in einem E- Auto antreibt.
Die Fig. 3b zeigt eine Anordnung, wo ein Motor, beispielsweise in einem E-Auto beim Bremsen oder Bergabfahren, im Generatorbetrieb Energie in eine umgepolte Spannungsquelle, beispielsweise einen Akku zurückspeist.
Jede Schaltungsanordnung ist selbsterklärend und die Bezugszeichen
entsprechend den Bauteilen in Fig. 1. Gemäß der Fig. 4 ist die konstruktive Anordnung dargelegt:
Die Fig.4 zeigt beispielsweise einen der 4 Dreifachumschalter S1 , S2, S3, S4 aus Fig.1 , die alle gleichartig aufgebaut sind, mit realen Bauteilen in deren
erfindungsgemäßer, konstruktiver Anordnung:
Die Wechselspannungskondensatoren C1 , C2, C3 sind hier in Stern geschaltet; der Sternpunkt ist mit dem Bezugspotential GND der Steuer- und Regeleinheit 3 verbunden.
Die Messung von uC1 , uC2 und uC3 erfolgt mittels Spannungsteilern aus
Widerständen. Diese dienen auch zur Entladung der Kondensatoren. Die Messung des Stromes durch die Gleichstromzwischenkreisdrossel D erfolgt mittels eines Stromwandlers außerhalb von S1.
Die drei Serienschaltungen aus Schottky- Dioden D1 , D2, D3 und J-FETs F1 , F2, F3 bilden die 3 rückwärts nicht leitenden, elektronischen Schalter von S1.
Vorgesehen sind drei voneinander galvanisch getrennte Kühlkörper KK1 , KK2, KK3 aus Aluminium. Für jeden der drei Schalter ist ein eigener Kühlkörper KK1 , KK2, KK3 vorgesehen. Die Kathoden der Dioden und die Drains der J-FETs sind über deren Kühlflächen elektrisch durch ihre Kühlkörper verbunden.
Die Beilage von Leitblättchen, beispielsweise aus Graphit zwischen dem
Kühlkörper KK1 , KK2, KK3 und den Kühlflächen der Dioden und J-FETs verbessert die elektrische und thermische Leitfähigkeit zwischen dem Kühlkörper KK1 , KK2, KK3 und Dioden und J-FETs. Die Wurzel des Dreifachumschalters S1 bilden hier die drei Sourcen der J-FETs, wobei jene mit einem der vier Drosselanschlüsse verbunden ist.
Die drei J-FETs werden über die Gatesignale G1 1 , G12, G13 angesteuert, wodurch der Drosselanschluss zyklisch mit C1 , C2, C3 verbunden wird.
Dadurch kommutiert der Drosselstrom iD zyklisch zwischen C1 , C2, C3.
Die Steuerung ist so ausgeführt, dass immer mindestens einer der 3 J-FETs eingeschaltet ist, damit der Drosselstrom iD niemals unterbrochen wird. Ein Aufbau als Mehrfachmultilayer-Leiterplatte oder bei größeren Leistungen parallelen Blechen mit Isolationslagen zwischen den Blechen, verringert die wirksame Kommutierungsinduktivität, was höhere Schaltfrequenzen ermöglicht.
Die Steuer- und Regeleinheit 3 und die Gates der 3 J-FETs sind galvanisch getrennt. Das kann mittels verfügbarer Bauelemente in den Gate-Treibern erfolgen.
Die Stromversorgung der Gate-Treiber muss ebenfalls galvanisch von GND getrennt sein. Das kann mittels Planartransformatoren erreicht werden, deren Primärwicklung mit einem Mittelfrequenzgenerator, nahe GND, verbunden ist und deren Sekundärwicklung die Gate- Treiber elektrisch versorgt.
Die Wicklungen der Planartransformatoren werden durch spiralförmige
Leiterbahnen in und auf der verwendeten Multilayerleiterplatte realisiert.
Über und unter den spiralförmigen Leiterbahnen verbessern Ferritfolien an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte die Effizienz der Planartransformatoren und verringern Störstrahlungen.
In den Fig. 5 bis 7 ist eine detaillierte Beschreibung der in den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Erfindung dargestellt. Damit soll erreicht werden, dass ein
Ausführungsbeispiel für den Aufbau der erfindungsgemäßen Merkmale der prioritätsbezogenen Ausführungen gegeben ist. Hierbei werden dieselben Begriffe und Bezugszeichen gemäß der zuvor beschriebenen Ausführung verwendet.
In Fig. 5 ist das Gehäuse 10 dargestellt, in dem die Leiterplatten 11 in Form eines 4-fach Multilayer-Leiterplatte 1 1 a bis 1 1 d für den Frequenzumrichter 12 mit
Stromzwischenkreisumrichter über Befestigungsmittel 13, die beispielsweise durch Abstandshalter und/oder Führungs- bzw. Klemmnutten gebildet sind, angeordnet. Wie ersichtlich, sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Leiterplatten 1 1 in einem Gehäuse 10 angeordnet, wobei eine derartiger Aufbau aus zwei Leiterplatten 1 1 der Frequenzumrichter 12 1 -Quadrantenfähig ausgebildet ist und in Fig. 7 eine Zusammenschaltung zu eine 4-Quadrantenfähigen
Frequenzumrichter 12 dargestellt ist. Die Leiterplatten 11 sind dabei elektrisch isoliert zum Gehäuse 10 befestigt. Vorzugsweise ist das Gehäuse 10
hochfrequenzdicht, wie bei EMV- Filtern üblich, möglichst flächig mit dem PE - Schutzleiter (Protection Earth= Schutzleiter) 14 verbunden. Das Gehäuse 10, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel, ist in mehrere Bereiche aufgeteilt, wobei im ersten Bereich ein Kühlelement 15 zum Erzeugen eines Lüftungs- bzw.
Kühlungsstrom 16, wie schematisch mit Pfeilen angedeutet, durch das Gehäuse 10 angeordnet ist. Im zweiten Bereich sind die Leiterplatten 1 1 mit den darauf angeordneten Bauelemente, auf die später noch näher eingegangen wird, angeordnet, wobei im dritten Bereich aufgrund der sehr kompakten Bauweise es möglich ist, dass die Drossel 17 mit den 4 Anschlüssen zum Verbinden mit der Leiterplatte 11 angeordnet ist, die somit mit ebenfalls mit den Lüftungs- bzw.
Kühlungsstrom 16 gekühlt werden kann. Wie schematisch eingezeichnet, wird vom Kühlelement 15 die Luft angesaugt und erzeugt einen Lüftungs- bzw.
Kühlungsstrom 16 von unten nach oben durch das Gehäuse 10. Dabei sind die beiden Leiterplatten 1 1 derart positioniert, dass diese einen Kühlkanal mit der Luft und gleichzeitig eine elektrisch gesehen eine Brückenschaltung bilden. Selbstverständlich ist es möglich, dass der Aufbau auch anderwärtig erfolgen kann, wobei beispielsweise, wie aus dem Stand der Technik bekannt, die Drossel 17 extern in einem eigenen Gehäuse angeordnet ist. Im Stand der Technik ist nämlich die Baugröße bei handelsüblichen Frequenzumrichtern 12, die vorzugsweise Thyristorgesteuert als Stromzwischenkreisumrichter ausgeführt sind, wesentlich größer, insbesondere um das 330-fache, sodass eine Integration im Leistungs-/Steuerteil, also im Gehäuse 10, nicht sinnvoll ist. Ein wesentliches Detail des Aufbaus liegt darin, dass auf einer Leiterplatte 1 ein Dreifachumschaltern 18 (S1 bis S12) angeordnet ist, wobei in Fig. 5 nur ein einzelnes Schaltelement 19, welches an einem Kühlkörper 20 montiert ist, von drei parallel nebeneinander angeordneten Schaltelementen 19 mit eigenständig zueinander isolierten Kühlkörper 20 ersichtlich ist, die in Summe somit den
Dreifachumschalter 8 (S1 bis S12) bilden. Die Dreifachumschalter 18 (S1 bis S12), insbesondere jedes der drei Schaltelemente 19, werden mit einer Frequenz höher 50kHz, insbesondere 100kHz, angesteuert bzw. sind ansteuerbar. Damit liegt die Frequenz des erfindungsgemäßen Frequenzumrichters 12 wesentlich höher als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Frequenzumrichter mit Tyristorsteuerung.
Ein wesentliches Detail zur Funktionalität liegt darin, dass der Kühlkörper 20 als Leiter und somit stromführend eingesetzt wird, wobei jedoch der Kühlkörper 20 gegenüber der Leiterplatte 11 isoliert befestigt ist, wozu ein Isolierelement 21 zwischen Leiterplatte 11 und Kühlkörper 19 angeordnet ist. Das Isolierelement ist ca. 2mm dick und besteht aus dem Material Polyamid (Nylon); damit wird erreicht, dass ein ausreichender Abstand zur Oberfläche der Leiterplatte 11 in Bezug auf die Wärmeentwicklung des Kühlkörpers 20 geschaffen wird. Vorgesehen sind drei voneinander galvanisch getrennte Kühlkörper 20 (KK1 , KK2, KK3) aus Aluminium auf einer Leiterplatte 1. Für jeden der drei Schaltelemente 19 des Dreifachschalters 18 ist somit ein eigener Kühlkörper 20 angeordnet, der gleichzeitig als Leiter eingesetzt wird, d.h., dass das Schaltelement 19 elektrisch leitende an dem Kühlkörper 20 befestigt ist und der Kühlkörper 20 damit stromführend ausgebildet ist. Auf jeden der Kühlkörper 20 ist somit ein hoch- getaktetes Schaltelement 19 und eine in Serie geschaltete Diode 22 elektrisch leitend befestigt, wobei vorzugsweise die Diode 22 durch eine Schottkydioden 22 und das Schaltelement 19 durch einen J-FET 21 (Junction Field Effect Tansistors, normally-on) gebildet sind, die mit einer Schaltfrequenz höher 50kHz,
vorzugsweise 100khz angesteuert sind. Dabei ist die Kathode der Diode 22 und der Drain-Anschluss des J-FET 19 über deren Kühlflächen elektrisch durch den Kühlkörper 20 verbunden. Wie bereits beschrieben, ist die Beilage von
Leitblättchen 23, beispielsweise aus Graphit, zwischen Kühlkörper 20 und Diode 22 und J-FET 19 vorgesehen, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zwischen Kühlkörper 20 und Diode 22 und J-FET 19 zu verbessern.
Da nunmehr die Kühlkörper 20 stromführend sind, sind die Leiterplatten 11 spiegelbildlich zueinander im Gehäuse 10 angeordnet, sodass die Kühlkörper 20 immer in die Mitte des Gehäuse s10 ragen, d.h., dass die Kühlkörper 20 gefährliche Spannungen für den Menschen und gefährliche Temperaturen führen, sodass der Aufbau topologisch innen und unberührbar ist. Damit wird erreicht, dass beim Öffnen des Gehäuses 10 ein User nicht einfach die Kühlkörper 20 berühren kann, da üblicherweise aus dem Stand der Technik jeder Techniker weiß, dass die Kühlkörper 20 normalerweise stromlos und elektrisch isoliert angeordnet und ausgeführt sind. Ein weiterer Vorteil liegt durch die
spiegelbildliche Montage der beiden Leiterplatten 11 darin, dass im Zentrum des Gehäuses 10 die zu kühlenden Bauteile angeordnet sind, sodass ein definierte Lüftungs- bzw. Kühlungsstrom 16 eine optimale Abfuhr der Wärme erreicht werden kann, d.h., dass die beiden Leiterplatten 11 durch die nebeneinander gebauten Kühlkörper 20 einen engen Kühlkanal bilden, wobei durch die darüber angeordnete Drossel 17 diese ebenfalls mitgekühlt wird. Man kann sagen, dass die beiden eng nebeneinander gebauten Kühlkanäle mit der Drossel 17 darüber den Leistungsteil des Stromzwischenkreisumrichters des Frequenzumrichters 12 bilden.
Durch die Verwendung spezieller Schaltelemente 19, insbesondere
Schaltelemente 19 mit SiC-Technologie, ermöglicht es das der Kühlkörper 20 eine Kühlkörpertemperatur >100°C aufweisen kann, sodass der Kühlkörper 20 daher elektrisch und thermisch isoliert für den Menschen, also nach innen gerichtet, angeordnet ist. Durch die Verwendung einer 4-fach Multilayer-Leiterplatte 1 1 a bis d im
Frequenzumrichter 12 wird erreicht, dass durch entsprechende
Durchkontaktierungen die Bauteilgrößen, insbesondere für die Kondensatoren 24, gering gehalten werden kann, da hierzu mehrere Kondensatoren 24 parallel und/oder seriell geschaltet sind, die über die 4-fach ultilayer Leiterplater 1 1 mit den unterschiedlichen Layern1 1 a bis 1 1 d zusammen geschaltet sind, d.h., dass mit Hilfe der Durchkontaktierungen nunmehr preiswerte Kondensatoren 24 für die Leiterplattenmontage zwischen den Wechselstromanschlüssen parallel geschaltet werden. Beispielsweise wird ein Kondensator 24 (wie in Fig. 5 ersichtlich) mit dem ersten Layer 1 a kontaktiert, wobei sein weiterer Anschiuss am zweiten Layer 11 b kontaktiert ist. Ein in Serie geschalteter weiter Kondensator 24 ist ebenfalls mit dem zweiten Layer 1 1b verbunden, wobei dessen weiterer Anschiuss mit dem dritten Layer 1 1 c kontaktiert ist. Wie zuvor schematisch beschrieben, werden eine Vielzahl parallel und seriell geschalteter Kondensatoren 24 auf der Leiterplatte 1 1 montiert, die über die unterschiedlichen Layer 1 1 a bis 1 d der Leiterplatte 1 entsprechend miteinander verbunden sind.
Der wesentliche Vorteil durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau bei einem Frequenzumrichter 12 liegt darin, dass damit die kleinstmögliche
Kommuntierungsindiktivität und damit akzeptable Schaltüberspannungen für einen derart schnell schaltenden Frequenzumrichter 12 erreicht wird. Ohne eine derartige Lösung des Zusammenschaltens der Kondensatoren 24 über
unterschiedliche Layer der Leiterplatte 11 ist kein sicherer und Langzeit-Betrieb mit so hohen Schaltfrequenzen möglich.
Weiters können auf der Leiterplatte 11 noch weitere Bauelemente 25 für die Steuerung und Regelung, die vorzugsweise zwischen dem Kühlkörpern 20 und den parallel und seriell geschaltet Kondensator 24 angeordnet sein oder diese auf einer eigenständigen verbundenen Leiterplatte 11 angeordnet werden. Diese Bauelemente 25 schalten die Schaltelemente 19 mit einer Frequenz größer 50kHz, insbesondere 100kHz. Selbstverständlich kann die Anordnung oder Verteilung der Bauteile auf der Leiterplatte 1 1 beliebig erfolgen, sodass
beispielsweise die Kühlkörper 20 im unteren Bereich nahe des Kühlelementes 15, anschließend die Kondensatoren 24 und dann die Bauelemente 25 gebildet sein. Vorteilhaft ist jedoch, wenn zwischen den einzelnen Gruppen, sprich den drei Kühlkörpern 20 den parallel und seriell angeordneten Kondensatoren 25 Kanäle für den Lüftungs- bzw. Kühlungsstrom 16 gebildet werden, um eine optimale abfuhr der entstehenden Wärme zu erreichen und gleichzeitig einen gute
Zirkulation des Lüftungs- bzw. Kühlungsstromes 16 zu ermöglichen.
In Fig. 6 ist ein weiters Detail des Aufbaus schematisch vereinfacht dargestellt. Durch die Verwendung einer 4-fach Multilayer Leiterplatte 1 1 (11 a bis 1 1 d) ist ein neuartiger Aufbau eines Planartrafos 26 mit einer Betriebsfrequenz größer 500kHz, insbesondere 1 MHz, möglich. Dabei ist der Planartrafo 26 durch übereinander liegende spiralförmige Leiterbahnen 27 gebildet, d.h., dass auf jeden Layer 1 1 a bis 1 1 d eine derartige spiralförmige Leiterbahn 27 mit unterschiedlicher Größe und/oder Breite und Spiralumläufe angeordnet sind. Diese 5 spiralförmige Leiterbahnen 27 sind verschachtelt in Serie geschaltet und bilden die Primär- und Sekundärwicklungen des Planartrafos 26 aus. Das Zusammenschaiten einzelnen übereinander liegenden spiralförmigen Leiterbahnen 27 erfolgt durch
entsprechende Durchkontaktierungen der Anfangs- und Endpunkte der
Leiterbahnen 27 auf die verschiedensten Layer 11 a bis 1 1 d.
Dabei sind auf jeder Leiterplatte 1 1 für die drei J-FETs derartige spiralförmige Leiterbahnen 1 1 angeordnet, wobei jedoch in Fig. 6 nur ein einzige Leiterbahn 11 in Draufsicht gezeigt wurde. Durch die Verschachtelung der Wicklungen in Form der spiralförmigen
Leiterbahnen 27 auf den unterschiedlichsten Layern 1 1 a bis 1 1 b hat der damit gebildete Planartrafo 26 eine sehr geringe Streuung, was für derart hohe
Betriebsfrequenzen jenseits von 500khz vorzugsweise 1 MHz notwendig ist. Um die Streuung und den Magnetisierungsstrom noch weiter zu reduzieren, ist in der Leiterplatte 1 1 ein Schlitz 28 angeordnet, um den sich die spiralförmigen
Leiterbahnen 27 ausbilden. In dem Schlitz 28 in der Mitte der spiralförmigen Leiterbahnen 27 ist ein kleiner Ferritkern 29 eingesetzt bzw. angeordnet, der zusammen mit einer selbstklebenden Ferritfolie 30, wie schematisch strichliert dargestellt, die an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte 1 1 im Bereich der spiralförmigen Leiterbahnen 27 angebracht sind, den Magnetisierungsstrom senkt und Störstrahlungen verringert. In Fig. 7 ist ein schematischer Aufbau eines 1 1 kW Frequenzumrichter 12 mit Stromzwischenkreisumrichter in CSI-Technologie gezeigt, wobei zwei zuvor beschriebene Gehäuse 10 mit jeweils zwei darin montierten Leiterplatten 1 1 zusammen geschaltet und zueinander befestigt sind. Die Gesamtabmessungen eines derartigen kleinen und leichten Frequenzumrichter beträgt beispielsweise: Tiefe von ca. 300mm, eine Breite von ca.150mm und eine Höhe von ca. 450mm .
Bei dem erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichter 12, insbesondere in einem Ausführungsbeispiel als 1 1 kW Frequenzumrichter, ist eine derart kleine und deshalb leichten und preiswerten Zwischenkretsdrossel bzw. Drossel 17, nicht in Fig. 7 dargestellt, als Energiespeicher mit Baugröße 1= 140mm, b=120mm und h= 90mm und einer Induktivität von 0.5mH einsetzbar, sodass diese einfach im Gehäuse 10, insbesondere oberhalb der Leiterplatten 1 1 , integriert werden kann. Die kleine Bauform wurde deshalb möglich, weil der erfindungsgemäße
Frequenzumrichter 12 mit extrem hohe Schaltfrequenz von größer 50khz, insbesondere 100khz betrieben wird, was aufgrund der neuartige Bauelemente in SiC-Technologie möglich ist. Selbstverständlich können auch andere
Bauelemente in anderer Technologie eingesetzt werden, wobei diese einen sicheren Betrieb bei derart hohen Schaltfrequenzen erlauben müssen. Den weitgehend konstanten Drosselstrom zyklisch zwischen den 3 Kondensatoren 24 (für jede Phase einer, die in Stern- oder Dreieck geschaltet sind) so schnell umher zu schalten, ist eine technische Herausforderung. Diese Herausforderung ist durch eine 4-fach Multilayer-Leiterplatte 1 , bei der der äußere Layer 1 a mit dem Drosselanschluß (wie schematisch in Fig. 5 gezeigt) und 3 weitere mit den 3 Wechselstromanschlüssen verbunden sind, möglich.
Wie gezeigt, besteht jeder der 4 Dreifachumschalter 18 aus Fig. 1 daher aus einer Leiterplatte 1 mit 50% der zugehörigen Kondensatorkapazität der Kondensatoren 24 und 3 Kühlkörpern 20, die neben der Kühlung auch die elektrische Serienschaltung von J-FET und Schottkydiode realisiert, wobei hierzu zur besseren elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ein Grafitblättchen bzw. Leiterblättchen 23 zwischengelegt wird. Weiters ist aus Fig. 7 zu entnehmen, dass die Kühlkörper 20 immer in Richtung des Inneren des Gehäuses 10 ausgerichtet sind, da die Kühlkörper eine
Temperatur größer 100°C durch die Verwendung des Kühlkörpers 20 als Leiter zwischen einem Schaltelement 19 des Dreifachumschalters 18 und der Diode 22 erreichen können. Damit wird auch ein optimaler Kühlkanal 33 geschaffen, sodass die entstehende Wärme einfach abgeführt wird und gleichzeitig auch noch die Drossel 17, die oberhalb der Kühlkörper 20 angeordnet sind, mitgekühlt wird.
Bei dem Aufbau gemäß Fig. 7 ist auch zu ersehen, dass noch weitere zusätzliche Platinen 34, 35, 36, die ebenfalls als 4-fach Multilayer Leiterplatte ausgebildet sein können, eingesetzt werden. Dabei ist auf der Platine 34 beispielsweise die Spannungsmessung CU, CV, CW und die Steuer- und Regeleinheit Motor M angeordnet. Die Platine 35 dient als isolierende Trennplatte, wobei diese somit auch durch eine einfache Kunststoffplatte ersetzt werden kann. Auf der Platine 36 ist das passive netzseitige EMV-Filter, die Spannungsmessung von C1 , C2, C3, die Strommessung von iD (Drosselstrom) und die Steuer und Regeleinheit Netz L angeordnet.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Frequenzumrichter 12 als Stromzwischenkreisumrichter 12 betrieben wird, dessen Schaltfrequenz größer 50kHz bevorzugt 100kHz, beträgt. 100kHz Schaltfrequenz gibt eine sehr kleine Drossel und macht die Vorteile des Stromzwischenkreisumrichters möglich. Durch die Verwendung eines 4-fach Multilayer Leiterplatte 1 1 werden die Verluste kleingehalten, sodass mit SiC-Bauteilen eine Schaltfrequenz jenseits der 50kHz, insbesondere eine Schaltfrequenz von 100kHz, möglich wird. Gleichzeitig wird durch den speziellen Aufbau im Gehäuse 10 für ausreichende Kühlung des
Stromrichters gesorgt, sodass ein sicherer Langzeiteinsatz gewährleistet werden kann. Es sei festgehalten, dass in den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 7 gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen
Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der
Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die beschriebene Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Frequenzumrichters 12 und deren Komponenten bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert und vor allem nur schematisch dargestellt wurden. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen bilden.
Weiters wird der Ordnung halber darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsvarianten beschränkt ist, sondern auch weitere äquivalente Ausbildungen beinhalten.

Claims

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung für einen Frequenzumrichter bestehend aus einem passiven, netzseitigen EMV-Filter und einem aktiven Teil, wobei dass der aktive Teil die Funktionalität eines Stromzwischenkreisumrichters (CSI) aufweist und aus: a) drei Wechselspannungskondensatoren (C1 , C2, C3) in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren (C12, C13, C23) in Dreieckschaltung am Eingang, b) drei Wechselspannungskondensatoren (CU, CV, CW) in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren (CWV, CWU, CVU) in Dreieckschaltung am Ausgang, c) einer kleinen und leichten Gleichstromzwischenkreisdrossel (D) mit vier Anschlüssen und d) vier extrem schnell, vorzugsweise mit 100kHz schaltenden
Dreifachumschaltern (S1 , S2, S3,S4), die die Kondensatoren mit der Drossel (D) verbinden, wobei die Dreifachumschalter (S1 , S2, S3,S4) durch eine Serienschaltung aus Diode und rückwärts leitenden Bauteilen gebildet sind, besteht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass die Wechselspannungskondensatoren durch Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren aufgebaut sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromdrossel (D)
a) aus zwei magnetisch gekoppelten Spulen mit vier Anschlüssen aufgebaut ist und b) eine definierte Streuinduktivität aufweist, die eine Gleichtaktunterdrückung zwischen Eingang und Ausgang sicherstellt, c) ihr magnetischer Kern aus mittelfrequenztauglichem Sintermetall (Pulver: z.B.: Sendust, High Flux, MPP) besteht und d) als Sättigungs- oder Isthmusdrossel ausgeführt ist, wobei e) die Wicklungen aus anodisierten Aluminiumfolien bestehen, die zugleich Leiter und die Lagenisolation bilden.
4. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein passiver und ein symmetrisch aktiver Teil vorgesehen ist, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen: a) EMV- Filter für sinusförmige Netzströme, b) 4-Quadranten-Frequenzumrichter und c) Sinus- Motor- Filter für sinusförmige Motorspannungen zwischen den
Phasen und auch gegen Erdpotential erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist, die von einem hochfrequenzdichten Gehäuse umgeben ist.
5. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein passiver und ein asymmetrischer aktiver Teil vorgesehen ist, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen: a) EMV- Filter für sinusförmige Netzströme und b) 1 -Quadranten-Frequenzumrichter mit einer Spannungsquelle am Ausgang erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist, die von einem
hochfrequenzdichten Gehäuse umgeben ist.
6. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein asymmetrischen aktiver Teil vorgesehen ist, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen: a) 1 -Quadranten-Frequenzumrichter mit einer Spannungsquelle am Eingang und b) Sinus- Motor-Filter- Funktion für sinusförmige Motorspannungen zwischen den Phasen aber auch gegen Erdpotential erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist.
7. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Polung der Spannungsquelle, diese geladen wird oder Energie ins Netz speist.
8. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreifachumschalter (S1 , S2, S3, S4) nachstehende konstruktive Anordnung aufweist: a. ) bei den in Stern geschalteten Wechselspannungskondensatoren (C1 , C2, C3) der Sternpunkt mit dem Bezugspotential (GND) der Steuer- und Regeleinheit verbunden ist und die Messung der Spannung (uC1 , uC2 und uC3) mittels
Spannungsteilern aus Widerständen erfolgt, wobei diese auch zur Entladung der Kondensatoren dienen, und/oder b. ) die drei Serienschaltungen aus Schottky- Dioden (D1 , D2, D3 und J-FETs F1 , F2, F3) in„Wide bandgap" Technologie wie beispielsweise: Silicon Carbide (SiC) die die drei rückwärts nicht leitenden elektronischen Schalter bilden, und/oder c. ) drei voneinander galvanisch getrennte Kühlkörper aus Aluminium (KK1 , KK2, KK3) für jeden der drei Schalter vorgesehen sind, und/oder d. ) die Kathoden der Dioden und die Drains der J-FETs über deren
Kühlflächen elektrisch durch ihre Kühlkörper verbunden sind, und/oder e. ) die Beilage von Leitblättchen, beispielsweise aus Graphit, zwischen Kühlkörper und Dioden und J-FETs vorgesehen ist, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zwischen Kühlkörper und Dioden und J-FETs zu verbessern, und/oder f. ) die drei J-FETs über die Gatesignale (G1 1 , G12, G13) angesteuert werden, wodurch der Drosselanschluss zyklisch mit den
Wechselspannungskondensatoren (C1 , C2, C3) verbunden wird, so dass der Drosselstrom (iD) zyklisch zwischen den Wechselspannungskondensatoren (C1 , C2, C3) kommutiert, und/oder g. ) ein Aufbau aus Mehrfachmultilayer Leiterplatten, oder bei größeren Leistungen parallelen Blechen mit Isolationslagen zwischen den Blechen, die wirksame Kommutierungsinduktivität verringert, und/oder h. ) die galvanische Trennung der Stromversorgung der Gate- Treiber von GND mittels Planartransformatoren ausgeführt wird, deren Primärwicklung mit einem Mittelfrequenzgenerator, vorzugsweise nahe GND, verbunden ist und deren
Sekundärwicklung die Gate- Treiber elektrisch versorgt, und/oder i.) die Wicklungen der Planartransformatoren durch spiralförmige Leiterbahnen auf und innerhalb der verwendeten Multilayerleiterplatte erzeugt werden und dort Ferritfolien an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte angebracht sind.
9. Frequenzumrichter (12) als Stromzwischenkreisumrichter, umfassend zumindest ein Gehäuse (10) mit darin angeordneten Leiterplatten (1 1 ), einem Kühlelement (15) zur Kühlung der Bauelemente, sowie eine Regelung bzw. Steuerung in Form von Steuerelektronik zum Betreiben des Frequenzumrichter vorzugsweise als
parallelschaltbares, aktives, rückspeisefähiges, 3-Phasen E V- und Sinus-Motor- Filter, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (10) zumindest zwei,
vorzugsweise zwei mal zwei Leiterplatten (1 1 ), die als 4 fach- Multilayer-Leiterplatte (1 1 a bis 1 1d) ausgebildet sind, mit Steuerelektronik, insbesondere Bauelemente (25), und jeweils einem Dreifachumschalter (18) und parallel geschaltete
Kondensatoren (24) angeordnet ist, wobei die Schaltelemente (19) und die in Serie geschalteten Dioden (24) zur Kühlung und Stromführung jeweils an einem
Kühlkörper (20) montiert sind.
10. Frequenzumrichter (12) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drossel im Gehäuse integriert ist und diese vorzugsweise im Kühlstrom des Lüfters angeordnet ist.
11. Frequenzumrichter (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeden der Kühlkörper (20) ein hoch-getaktetes Schaltelement (19) und eine in Serie geschaltete Diode (22) elektrisch leitend befestigt ist.
12. Frequenzumrichter (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise die beiden Leiterplatten (1 1 ) spiegelbildlich zueinander im Gehäuse (10) angeordnet sind, sodass die Kühlkörper (20) immer in die Mitte des Gehäuse s10 ragen.
13. Frequenzumrichter (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kondensatoren (24) parallel und/oder seriell geschaltet sind, die über die 4-fach Multilayer LeiterplateH mit den unterschiedlichen Layern (1 1 a bis 1 1 d) zusammen geschaltet sind.
14. Frequenzumrichter (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (1 1 ) ein Planartrafo (26) durch übereinander liegende spiralförmige Leiterbahnen (27) gebildet ist, wobei auf jeden Layer (1 1 a bis 1 1 d) eine derartige spiralförmige Leiterbahn (27) vorzugsweise mit unterschiedlicher Größe und/oder Breite und Spiralumläufe, angeordnet sind, wobei ein Zusammenschalten der einzelnen übereinander liegenden spiralförmigen Leiterbahnen 27 zu einer Primär- und Sekundärwicklung durch entsprechende Durchkontaktierungen der Anfangs- und Endpunkte der Leiterbahnen (27) auf den verschiedensten Layer 1 1 a bis 11 d erfolgt.
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