EP4038735A1 - Bidirektionaler stromrichter mit zwischenkreis - Google Patents

Bidirektionaler stromrichter mit zwischenkreis

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EP4038735A1
EP4038735A1 EP20760436.4A EP20760436A EP4038735A1 EP 4038735 A1 EP4038735 A1 EP 4038735A1 EP 20760436 A EP20760436 A EP 20760436A EP 4038735 A1 EP4038735 A1 EP 4038735A1
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EP
European Patent Office
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converter
output
input
connection
bridge
Prior art date
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Pending
Application number
EP20760436.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
André Körner
Martin Dierkes
Christian Buhlheller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hella GmbH and Co KGaA
Original Assignee
Hella GmbH and Co KGaA
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Filing date
Publication date
Application filed by Hella GmbH and Co KGaA filed Critical Hella GmbH and Co KGaA
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Definitions

  • the invention relates to a transformerless converter with a three-phase AC input and output, a first converter stage with a first input and output and a second input and output, an intermediate circuit, a second converter stage with a first input and output and a second Input and output and a direct current input and output, the first input and output of the first converter stage being electrically connected to the three-phase alternating current input and output and the second input and output of the first converter stage being electrically connected to the intermediate circuit, the The first input and output of the second converter stage is electrically connected to the intermediate circuit and the second input and output of the second converter stage is electrically connected to the DC input and output, the first converter stage being a controlled six-pulse bridge circuit made up of controllable converter valves arranged in half-bridges, with the intermediate circuit a capacitor H alb vite, ie having a first capacitor and a second capacitor, the first capacitor connected on the one hand to a first connection of the second input and output of the first converter stage and a first connection of the first input and output of the
  • the invention also relates to - A method for rectifying two-phase current from a two-phase alternating current source with the transformerless converter, the converter being connected to the two-phase alternating current source via a second outer conductor and a third outer conductor connection of the three-phase alternating current input and output, and
  • a direct voltage is generated from a one-, two- or three-phase current, which is fed to the second converter stage via the intermediate circuit.
  • the DC voltage of the intermediate circuit can be set to the voltage that is to be applied to the DC input and output of the converter.
  • Power converters are used in chargers for electric vehicles.
  • known transformerless converters for charging electric vehicles on single-phase AC networks, two-phase AC networks or three-phase AC networks require many power electronic stages, so that chargers for universal use on one, two or three-phase AC networks are expensive.
  • Equalizing currents that could flow into the vehicle due to parasitic discharge capacities of the battery or other components should be suppressed in order not to adversely affect the function of protective devices against electrical hazard.
  • Circuit parts should be used in different functions depending on the operating mode in order to minimize the effort for the charger.
  • the converter has a first half-bridge made of controlled converter valves, which is connected to the first connection and the second connection of the output of the first converter stage and the connection point between the converter valves of the first converter valve half-bridge via a first throttle with the Connection point of the capacitor half-bridge is connected.
  • this first converter valve half bridge the voltage across the first and / or second capacitor of the capacitor half bridge of the intermediate circuit can be regulated. In this way, leakage currents in the vehicle can be avoided when charging with the three-phase rectifier on a single-phase or two-phase AC network.
  • the regulation ensures that the voltage across the first capacitor and the voltage across the second capacitor are the same.
  • the circuit complexity can be reduced if the first converter valve half-bridge is formed by a first of the half-bridges of the controlled six-pulse bridge circuit. It is then not necessary to provide special converter valves only for the purpose of the invention.
  • the existing infrastructure of the controlled six-pulse bridge circuit can be used.
  • the first converter valve half-bridge is formed by a first of the half-bridges of the controlled six-pulse bridge circuit, it is advantageous if the converter has a first switch with which to switch between operation on a three-phase AC source and a source with fewer phases can be switched on.
  • the first switch in a first variant can be a changeover switch, the common center connection of which with the connection point of the first Converter valve half-bridge is connected and which, depending on the switch position, is connected either to the first choke or possibly via a further choke with a first outer conductor connection of the three-phase alternating current input and output.
  • the first switch can also be a changeover switch whose common center connection is connected to the connection point of the first converter valve half-bridge via the first throttle and which, depending on the switch position, either to the connection point of the capacitor half-bridge or to a first external conductor connection of the three-phase -AC input and output is connected.
  • the first switch can be an on / off switch that connects a first outer conductor connection of the three-phase AC input and output to the connection point of the capacitor half-bridge, the first outer conductor connection to the first one via the first choke - and output of the controlled six-pulse bridge circuit is connected.
  • the first switch should be able to establish a conductive connection from the connection point of the first converter valve half-bridge to the first outer conductor connection of the three-phase AC input and output in the event of a supply from a three-phase AC power source, in order to also connect the converter from the to supply the first external conductor connection with current, while the first switch in the case of a supply to a single-phase or two-phase AC source, there is a conductive connection from the connection point of the first converter valve half-bridge via the first choke to the connection point of the capacitor half-bridge, thus with a control of the first Converter stage the converter valves of the first converter valve half-bridge for regulating, in particular keeping a voltage across the second capacitor the capacitor half-bridge can be used.
  • a further improvement in the quality of the current at the DC input and output of the converter when charging on a single-phase AC network can be achieved if the converter has a second half-bridge made up of two controlled converter valves, which are connected to the first connection and the second connection of the second input and output Output of the first converter stage is connected and whose connection point between the two controlled converter valves is connected to the second connection of the second input and output of the first converter stage via a series connection of a second choke and a third capacitor.
  • the second converter valve half-bridge with the third capacitor as a storage capacitor is possible for the second converter valve half-bridge with the third capacitor as a storage capacitor to be operated as an active ripple filter.
  • the converter can be operated not only as a rectifier, but also as an inverter. Operation as a single-phase inverter or as a three-phase inverter is possible in particular.
  • the second converter stage can then be operated as a DC voltage converter, in particular as a step-up converter, which supplies the intermediate circuit with an electrical voltage. This electrical voltage is converted into an alternating voltage by the first converter stage, which is operated as an inverter.
  • the first converter stage that is to say the controlled six-pulse bridge circuit, can be network-controlled or, in particular in isolated operation, self-controlled and thus network-forming. Even in the case of inverter operation, it is necessary both to keep the power factor constant and to prevent leakage currents due to voltage ripples through parasitic capacitances. In single-phase operation, the voltage ripples across the capacitor half-bridge of the intermediate circuit must therefore also be avoided in inverter operation. The voltage ripples can be avoided with the same means as in rectifier operation.
  • the circuit complexity can be reduced if the second converter valve half bridge is formed by a second one of the half bridges of the controlled six-pulse bridge circuit. It is then not necessary to provide special converter valves only for the purpose of the invention.
  • the existing infrastructure of the controlled six-pulse bridge circuit can be used.
  • the second converter valve half-bridge is formed by the second of the half-bridges of the controlled six-pulse bridge circuit, it is advantageous if the converter has a second switch with which between operation on a three- or two-phase alternating current source and a source with one phase can be switched back and forth.
  • the second switch can be a changeover switch, the common center connection of which is connected to the connection point of the second converter valve half-bridge and which, depending on the switch position, either connects to the second choke or, if necessary, via a further choke to a second external conductor connection of the three-phase alternating current and output is connected.
  • the second switch can be a changeover switch, the common center connection of which is connected to the connection point of the second converter valve half-bridge via the second choke and which, depending on the switch position, is either connected to the third capacitor or to a second external conductor connection of the three-phase AC input and output output is connected.
  • the second switch is an on and off switch that connects a second outer conductor connection of the three-phase AC input and output to the third capacitor, the second outer conductor connection to the first one via the second choke - and output of the controlled six-pulse bridge circuit is connected.
  • the second switch should be able to establish a conductive connection from the connection point of the second converter valve half-bridge to the second outer conductor connection of the three-phase AC input and output in the case of a supply to a three- or two-phase AC power source, to the converter also to be supplied with power via the second external conductor connection, while the second switch, in the case of a supply from a single-phase alternating current source, creates a conductive connection from the connection point of the second converter valve half-bridge via the series connection of the second choke and the third capacitor to the second connection of the second one - And output of the first converter stage exists so that the converter valves of the second converter valve half-bridge can be used to regulate a voltage in the intermediate circuit with a control of the first converter stage.
  • the second converter stage can be a direct current converter, in particular a synchronous converter.
  • the second converter stage can comprise at least one converter valve half-bridge made of two converter valves, a first of the two converters on the one hand with the first connection and the second of the two converters on the one hand with the second connection of the first input and output of the second converter stage and both converters on the other hand a connection point between the two converters are connected.
  • the connection point and the second connection of the first input and output can be connected to the second input and output of the second converter stage via a low-pass filter. If the second converter stage has two such converter valve half bridges, the capacitors of the low-pass filters can be combined to form one component.
  • the converter valves used in the invention can be transistors, power transistors, thyristors, IGBTs, FETs, MOS-FETs or the like.
  • FIG. 1 each show a converter with an intermediate circuit with a capacitor half bridge and with a first converter valve half bridge for regulating the voltage at a connection point of the capacitor half bridge and with a second converter valve half bridge for regulating a voltage in the intermediate circuit. It shows:
  • 1a shows a converter in which the first converter valve half bridge and the second converter valve half bridge are formed by converter valves outside a first converter stage and in which the second converter stage is formed by a synchronous converter with a converter valve half bridge,
  • 1 b shows a variant of the converter from FIG. 1 a, in which, in contrast to the converter from FIG. 1 a, the second converter stage is formed by a synchronous converter with two converter valve half bridges
  • 2a shows a converter in which the first converter valve half bridge is formed by a converter valve half bridge of the first converter stage and the second converter valve half bridge is formed by converter valves outside a first converter stage and in which the second converter stage is formed by a synchronous converter with a converter valve half bridge is
  • FIG. 2b shows a variant of the converter from FIG. 2a, in which, in contrast to the converter from FIG. 2a, the second converter stage is formed by a synchronous converter with two converter valve half bridges
  • FIG. 3a shows a converter in which the first converter valve half bridge from Converter valves outside a first converter stage and the second converter valve half bridge are formed by a converter valve half bridge of the first converter stage and in which the second converter stage is formed by a synchronous converter with a converter valve half bridge
  • FIG. 3b shows a variant of the converter from FIG. 3a, in which, in contrast to the converter from FIG. 3a, the second converter stage is formed by a synchronous converter with two converter valve half-bridges the second converter valve half bridge are formed by a converter valve half bridge of the first converter stage and in which the second converter stage is formed by a synchronous converter with a converter valve half bridge,
  • FIG. 4b shows a variant of the converter from FIG. 4a, in which, in contrast to the converter from FIG. 4a, the second converter stage is formed by a synchronous converter with two converter valve half-bridges
  • FIG. 5a shows a variant of the converter from FIG. 4a
  • FIG. 5b shows a variant of the converter from FIG. 4b.
  • the fundamentals for a converter according to the invention will now be explained with reference to the converter from FIG. 1a.
  • the converter according to the invention according to FIG. 1a is a bidirectional three-phase AC rectifier with a three-phase AC input and output L1, L2, L3, N with external conductor connections L1, L2, L3 and a neutral conductor connection N. , a first converter stage 1, an intermediate circuit 3 comprising a capacitor bridge C1, C2, a second converter stage 2 and a direct current output 24, 25.
  • a first input and output of the first converter stage 1 of the converter from FIG. 1a is (like the inputs of the first converter stages 1 of the converter from FIG.
  • a second input and output 13, 14 of the first converter stage 1 is connected to the intermediate circuit 3 (like the outputs 13, 14 of the first converter stages 1 of the converter from FIGS. 1b to 5b).
  • the intermediate circuit of the converter is also connected to the first input and output 21, 22 of the second converter stage 2, the second input and output 23, 24 of which forms the second input and output of the converter.
  • the first converter stage 1 is controlled by a six-pulse bridge circuit in Flalb Hampshiren Q1, Q2; Q3, Q4; Q5, Q6 arranged controllable converter valves Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 formed.
  • a controller for driving the converter valves Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 is preferably provided, but is not shown.
  • Connection points between the converter valves Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 of a half bridge Q1, Q2; Q3, Q4; Q5, Q6 are connected to the outer conductor connections L1, L2, L3 via the first input and output of the first converter stage 1 and choke 11, I2, I3. External connections of the half bridges Q1, Q2; Q3, Q4; Q5, Q6 are connected to the connections 13, 14 of the first converter stage 1.
  • the capacitor half-bridge C1, C2 is on the one hand with the first connection 13 of the second input and output 13, 14 of the first converter stage 1 and the first connection 21 of the first input and output 21, 22 of the second converter stage 2 and on the other hand with the second Connection 14 of the output 13, 14 of the first converter stage 1 and the second connection 22 of the first input and output 21, 22 of the second converter stage 2 are connected.
  • a connection point 31 between the two capacitors C1, C2 is connected to the neutral conductor connection N.
  • a voltage between the connection point 31 of the capacitor half-bridge and the neutral conductor N on the one hand and the second connection 14 of the output of the first converter stage 1 and the second connection 22 of the output of the second converter stage 2 on the other hand is stabilized by the first converter valve half-bridge.
  • the first converter valve half-bridge is formed by converters Q7, Q8.
  • the connection point between the two converters Q7, Q8 is connected to the connection point 31 of the capacitor half-bridge C1, C2 and the neutral conductor connection N via a choke I4.
  • the voltage between the connection point 31 and the first connection 13 of the output 13, 14, which drops across the capacitor C2 can be adjusted.
  • the converter valves Q7, Q8 of the first converter valve half-bridge Q7, Q8 are opened and closed so that the voltage across the first capacitor C1 and the second capacitor C2 is the same, or at least the voltage across C2 is largely constant. This allows leakage currents to be avoided.
  • a voltage drop across the capacitor half-bridge C1, C2, ie at the second input and output 13, 14 of the first converter stage 1 and at the first input and output 21, 22 of the second converter stage 2, can be stabilized by means of an active filter in order to increase voltage ripples avoid.
  • the active filter is formed by the second converter valve half-bridge comprising the converter valves Q9, Q10 and the series connection of the third capacitor C3 and the choke I5.
  • External connections of the converter half-bridge are on the one hand with the first connection 13 of the second input and output 13, 14 of the first converter stage 1 and the first connection 21 of the first input and output 21, 22 of the second converter stage 2 and on the other hand with the second connection 14 of the second input and output 13,
  • a connection point between the two converter valves Q9, Q10 is via the series circuit C3,
  • the second converter stage 2 is formed by a DC voltage converter, namely by a first synchronous converter. Its converter valve half-bridge consisting of two converter valves Q11 and Q12 is connected with its external connections to the first input and output 21, 22 of the second converter stage 2. A connection point between the converter valves Q11 and Q12 and the second connection 22 of the first input and output are connected to the second input and output 23, 24 via a low-pass filter made up of a choke I6 and a capacitor C4.
  • the converter shown in FIG. 2a differs from the converter shown in FIG. 1a in that the first converter valve half-bridge is not formed by components outside the first converter stage 1, but by a first of the converter valve half-bridges Q1, Q2 controlled six-pulse bridge circuit Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, which is connected to the first outer conductor connection L1 of the three-phase AC input and output L1, L2, L3, N in the case of a three-phase supply.
  • the connection point of the converter valve half-bridge Q1, Q2 is not directly connected to the external conductor connection L1 via a choke.
  • the connection point is with a common center connection of a changeover switch S1 connected.
  • a connection to the external conductor connection L1 or, via the choke I4, a connection to the connection point 31 in the capacitor bridge circuit can be established.
  • the converter valves Q1, Q2 can be used for connection to a three-phase power source.
  • the converter valves (with a single-phase or two-phase connection to a power source) can be used to stabilize the voltage between the connection point 31 or the neutral conductor connection N and the second connection 14 of the second input and output 13, 14 of the first converter stage 1 and the second connection 22 of the first input and output 21, 22 of the second converter stage 2 can be used.
  • the converter shown in Fig. 3a differs from the converter shown in Fig. 1a in that the second converter valve bridge is not formed by components outside the first converter stage 1, but a second of the converter valve bridge Q3, Q4 of the controlled Six-pulse bridge circuit Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, which with three-phase supply with the second outer conductor connection L2 of the three-phase AC input and output L1, L2, L3, N.
  • the connection point of the converter valve bridge Q1, Q2 is unlike the converter from FIG. 1a, it is not directly connected to the external conductor connection L2 via a choke.
  • the connection point is connected to a common center connection of a changeover switch S2.
  • the converter valves Q1, Q2 can be used for connection to a three-phase or two-phase power source.
  • C3 When connecting to the series connection 15, C3 the converter valves (with a single-phase connection to a power source) to stabilize the voltage between the first connection 13 of the second input and output 13, 14 of the first converter stage 1 and the first connection 21 of the first input and output Output 21, 22 of the second converter stage 2 and on the other hand the second connection 14 of the second input and output 13, 14 of the first converter stage 1 and the second connection 21 of the first input and output 21, 22 of the second converter stage 2 can be used.
  • both the first converter valve half-bridge Q1, Q2 and the second converter valve half-bridge Q3, Q4 are used to increase the voltage across the capacitor C2 or the Stabilize voltage in intermediate circuit 3.
  • the first converter valve half-bridge Q1, Q2 and the second converter valve half-bridge Q3, Q4 can be connected to the external conductor connections L1, L2 on the one hand or to the choke I4 or the series connection of the choke I5 and the capacitor C3 on the other hand can be connected, as is possible with the converter from FIG. 2a or from FIG. 3a.
  • the converter shown in FIG. 5a differs from the converter shown in FIG. 4a in that the number of components used is further reduced. This is possible because the changeover switches S1, S2 have been replaced by on and off switches S1, S2 and the connection of the switches S1, S2 to the connection points between the converter valves Q1, Q2 or Q3, Q4 has been changed. In the converter from FIG. 5a, these connection points are connected to the switches S1, S2 via the chokes 11, I2.
  • connection point between the converter valves Q1, Q2 via the throttle 11 Neutral conductor connection N or to connection point 31 established.
  • the choke 11 assumes the function of the choke I4 of the converters from FIGS. 1a, 2a, 3a and 4a.
  • the converter valves Q1, Q2 are switched in one- or two-phase alternating current operation in such a way that the voltages on the capacitor C2 of the capacitor bridge C1, C2 are largely constant. This is the case when the current through the inductor 11 is the inverse of the current through the inductor I3.
  • the converter from FIG. 1b differs from the converter from FIG. 1a in that the second converter stage 2 is connected in parallel to the first synchronous converter, which is already provided in the second converter stage of the converter according to FIG. 1a Has synchronous converter.
  • This second synchronous converter has two converter valves Q13, Q14 in a flat bridge arrangement and a choke I6 which is connected to the connection point between the converter valves Q13, Q14 and the capacitor C4, which is used by both synchronous rectifiers.
  • the converters according to FIGS. 2b, 3b, 4b and 5b differ in the same way from the converters shown in FIGS. 2a, 3a, 4a and 5a. List of reference symbols

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einem Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgang (L1, L2, L3, N), einer ersten Stromrichterstufe (1) mit einem ersten Ein- und Ausgang und einem zweiten Ein- und Ausgang (13, 14), einem Zwischenkreis (3), einer zweiten Stromrichterstufe (2) mit einem ersten Ein- und Ausgang (21, 22) und einem zweiten Ein- und Ausgang (23, 24) und einem Gleichstromausgang (A), wobei der erste Ein- und Ausgang der ersten Stromrichterstufe (1) mit dem Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgang (L1, L2, L3, N) und der zweite Ein- und Ausgang (13, 14) der ersten Stromrichterstufe (1) mit dem Zwischenkreis (3) elektrisch verbunden ist. Stromrichter werden in Ladegeräten für Elektrofahrzeugen eingesetzt. Derzeit erfordern bekannte transformatorlose Stromrichter für das Laden von Elektrofahrzeugen an einphasigen Wechselstromnetzen, zweiphasigen Wechselstromnetzen bzw. dreiphasigen Wechselstromnetzen viele leistungselektronische Stufen, so dass Ladegeräten für universelle Verwendung an ein-, zwei- oder dreiphasigen Wechselstromnetzen aufwendig sind. Es besteht daher der Bedarf nach einem kostengünstigen und kompakten Ladegerät für Elektrofahrzeuge. Ausgleichströme, die durch parasitäre Ableitkapazitäten der Batterie oder andere Bauteile in das Fahrzeug fließen könnten, sollen unterdrückt werden, um die Funktion von Schutzeinrichtungen gegen elektrische Personengefährdung nicht nachteilig zu beeinflussen. Für ein- bzw. mehrphasigen Betrieb erforderliche Schaltungsteile sollen je nach Betriebsart in unterschiedlichen Funktionen verwendet werden, um den Aufwand für das Ladegerät zu minimieren.

Description

Bidirektionaler Stromrichter mit Zwischenkreis
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen transformatorlosen Stromrichter mit einem Dreiphasen- Wechselstromein- und -ausgang, einer ersten Stromrichterstufe mit einem ersten Ein- und Ausgang und einem zweiten Ein- und Ausgang, einem Zwischenkreis, einer zweiten Stromrichterstufe mit einem ersten Ein- und Ausgang und einem zweiten Ein- und Ausgang und einem Gleichstromein- und -ausgang, wobei der ersten Ein- und Ausgang der ersten Stromrichterstufe mit dem Dreiphasen-Wechselstromein- und - ausgang und der zweiten Ein- und Ausgang der ersten Stromrichterstufe mit dem Zwischenkreis elektrisch verbunden ist, wobei der erste Ein- und Ausgang der zweiten Stromrichterstufe mit dem Zwischenkreis und der zweite Ein- und Ausgang der zweiten Stromrichterstufe mit dem Gleichstromein- und -ausgang elektrisch verbunden ist, wobei die erste Stromrichterstufe eine gesteuerte Sechspuls- Brückenschaltung aus in Halbbrücken angeordneten steuerbaren Stromrichterventilen ist, wobei der Zwischenkreis eine Kondensator-Halbbrücke, d.h. einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator aufweist, wobei der erste Kondensator einerseits mit einem ersten Anschluss des zweiten Ein- und Ausgangs der ersten Stromrichterstufe und einem ersten Anschluss des ersten Ein- und Ausgangs der zweiten Stromrichterstufe und andererseits mit dem zweiten Kondensator verbunden ist, wobei der zweite Kondensator einerseits mit einem zweiten Anschluss des zweiten Ein- und Ausgangs der ersten Stromrichterstufe und einem zweiten Anschluss des ersten Ein- und Ausgangs der zweiten Stromrichterstufe und andererseits mit dem ersten Kondensator verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator mit einem Neutralleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs verbunden ist.
Die Erfindung betrifft ferner - ein Verfahren zum Gleichrichten von zweiphasigem Strom aus einer Zweiphasen-Wechselstromquelle mit dem transformatorlosen Stromrichter, wobei der Stromrichter über einen zweiten Außenleiter und einen dritten Außenleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs mit der Zweiphasen-Wechselstromquelle verbunden ist und
- ein Verfahren zum Gleichrichten von einphasigem Strom aus einer Einphasen- Wechselstromquelle mit dem transformatorlosen Stromrichter, wobei der Stromrichter über einen dritten Außenleiteranschluss des Dreiphasen- Wechselstromein- und -ausgangs mit der Einphasen-Wechselstromquelle verbunden ist.
Mit der ersten Stromrichterstufe des transformatorlosen Stromrichters wird aus einem ein-, einem zwei- oder einem dreiphasigen Strom eine Gleichspannung erzeugt, die über den Zwischenkreis der zweiten Stromrichterstufe zugeführt wird. Mit der zweiten Stromrichterstufe kann die Gleichspannung des Zwischenkreises an die Spannung eingestellt werden, die am Gleichstromein- und -ausgang des Stromrichters anliegen soll.
Stromrichter werden in Ladegeräten für Elektrofahrzeugen eingesetzt. Derzeit erfordern bekannte transformatorlose Stromrichter für das Laden von Elektrofahrzeugen an einphasigen Wechselstromnetzen, zweiphasigen Wechselstromnetzen bzw. dreiphasigen Wechselstromnetzen viele leistungselektronische Stufen, so dass Ladegeräten für universelle Verwendung an ein-, zwei- oder dreiphasigen Wechselstromnetzen aufwendig sind. Es besteht daher der Bedarf nach einem kostengünstigen und kompakten Ladegerät für Elektrofahrzeuge. Ausgleichströme, die durch parasitäre Ableitkapazitäten der Batterie oder andere Bauteile in das Fahrzeug fließen könnten, sollen unterdrückt werden, um die Funktion von Schutzeinrichtungen gegen elektrische Personengefährdung nicht nachteilig zu beeinflussen. Für ein- bzw. mehrphasigen Betrieb erforderliche Schaltungsteile sollen je nach Betriebsart in unterschiedlichen Funktionen verwendet werden, um den Aufwand für das Ladegerät zu minimieren.
Die Erfinder schlagen daher vor, dass der Stromrichter eine erste Halbbrücke aus gesteuerten Stromrichterventilen aufweist, die mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Ausgangs der ersten Stromrichterstufe verbunden ist und der Verbindungspunkt zwischen den Stromrichterventilen der ersten Stromrichterventil- Halbbrücke über eine erste Drossel mit dem Verbindungspunkt der Kondensator- Halbbrücke verbunden ist. Mit dieser ersten Stromrichterventil-Halbbrücke kann die Spannung über dem ersten und/oder zweiten Kondensator der Kondensator- Halbbrücke des Zwischenkreises geregelt werden. Dadurch können Ableitströme im Fahrzeug vermieden werden, wenn mit dem Dreiphasengleichrichter an einem Ein oder Zweiphasen-Wechselstromnetz geladen wird. Die Regelung sorgt dafür, dass die Spannung über dem ersten Kondensator und die Spannung über dem zweiten Kondensator gleich sind.
Der Schaltungsaufwand kann reduziert werden, wenn die erste Stromrichterventil- Halbbrücke durch eine erste der Halbbrücken der gesteuerten Sechspuls- Brückenschaltung gebildet ist. Es ist dann nicht notwendig, nur für den Zweck der Erfindung besondere Stromrichterventile vorzusehen. Es kann die vorhandene Infrastruktur der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung genutzt werden.
Wird die erste Stromrichterventil-Halbbrücke durch eine erste der Halbbrücken der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung gebildet, ist es von Vorteil, wenn der Stromrichter einen ersten Schalter aufweist, mit dem zwischen einem Betrieb an einer Dreiphasenwechselstrom-Quelle und einer Quelle mit weniger Phasen hin- und hergeschaltet werden kann.
Der erste Schalter in einer ersten Variante kann ein Umschalter sein, dessen gemeinsamer Mittelanschluss mit dem Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke verbunden ist und der je nach Schalterstellung entweder mit der ersten Drossel oder ggf. über eine weitere Drossel mit einem ersten Außenleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs verbunden ist.
Auch in einer zweiten Variante kann der erste Schalter ein Umschalter sein, dessen gemeinsamer Mittelanschluss über die erste Drossel mit dem Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke verbunden ist und der je nach Schalterstellung entweder mit dem Verbindungspunkt der Kondensator-Halbbrücke oder mit einem ersten Außenleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs verbunden ist.
In einer dritten Variante kann der erste Schalter ein Ein-/Aus-Schalter sein, der einen ersten Außenleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs mit dem Verbindungspunkt der Kondensator-Halbbrücke verbindet, wobei der erste Außenleiteranschluss über die erste Drossel mit dem ersten Ein- und Ausgang der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung verbunden ist.
Weitere Varianten sind möglich. Bei jeder Variante sollte durch den ersten Schalter im Falle einer Versorgung an einer dreiphasigen Wechselstromquelle eine leitende Verbindung vom Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke zum dem ersten Außenleiter-Anschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs hergestellt werden können, um den Stromrichter auch aus dem ersten Außenleiteranschluss mit Strom zu versorgen, während durch den ersten Schalter im Falle einer Versorgung an einer einphasigen oder zweiphasigen Wechselstromquelle eine leitende Verbindung vom Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil- Halbbrücke über die erste Drossel zum Verbindungspunkt der Kondensator- Halbbrücke besteht, damit mit einer Steuerung der ersten Stromrichterstufe die Stromrichterventile der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke zum Regeln, insbesondere einer Konstanthaltung, einer Spannung über dem zweiten Kondensator der Kondensator-Halbbrücke benutzt werden können. Durch eine konstante Spannung über dem zweiten Kondensator liegt an dem Verbindungspunkt der Kondensator-Halbbrücke, der mit dem Neutralleiter verbunden ist, eine konstante Spannung an. Dadurch ist es möglich, Ausgangsrippelströme zu vermeiden. Da der Neutralleiter auf der Seite des Wechselstromein- und Ausgangs mit dem PE- Anschluss des Fahrzeugs und einer Ladestation oder Ladesäule verbunden sein kann, können so unzulässige Blindströme durch parasitäre Kapazitäten des Fahrzeugs vermieden werden.
Eine weitere Verbesserung der Qualität des Stroms am Gleichstromein- und -ausgang des Stromrichters beim Laden an einem Einphasenwechselstromnetz kann erreicht werden, wenn der Stromrichter eine zweite Halbbrücke aus zwei gesteuerten Stromrichterventilen aufweist, die mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des zweiten Ein- und Ausgangs der ersten Stromrichterstufe verbunden ist und deren Verbindungspunkt zwischen den beiden gesteuerten Stromrichterventilen über eine Reihenschaltung aus einer zweiten Drossel und einem dritten Kondensator mit dem zweiten Anschluss des zweiten Ein- und Ausgangs der ersten Stromrichterstufe verbunden ist. Mit dieser zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke kann die Spannung über der Kondensator-Halbbrücke des Zwischenkreises geregelt, insbesondere konstant gehalten werden. Dadurch können Ripple auf dem Strom am Gleichstromausgang des Stromrichters vermieden werden, wenn mit dem Dreiphasengleichrichter an einem Einphasen-Wechselstromnetz geladen wird.
Es ist möglich, dass die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke mit dem dritten Kondensator als Speicherkondensator als aktives Rippelfilter betrieben werden.
Der Stromrichter kann nicht nur als Gleichrichter, sondern auch als Wechselrichter betrieben werden. Dabei ist insbesondere ein Betrieb als Einphasenwechselrichter oder als Dreiphasenwechselrichter möglich. Die zweite Stromrichterstufe kann dann als Gleichspannungswandler, insbesondere als Aufwärtswandler betrieben werden, die den Zwischenkreis mit einer elektrischen Spannung versorgt. Diese elektrische Spannung wird von der als Wechselrichter betriebenen ersten Stromrichterstufe in eine Wechselspannung umgewandelt. Die erste Stromrichterstufe, d.h. die gesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung kann dabei netzgeführt oder, insbesondere im Inselbetrieb, selbstgeführt und damit netzbildend sein. Auch im Fall eines Wechselrichterbetriebs ist es erforderlich, sowohl den Leistungsfaktor konstant zu halten als auch Ableitströme durch Spannungsrippel über parasitären Kapazitäten zu verhindern. Auch im Wechselrichterbetrieb müssen daher im einphasigen Betrieb die Spannungsrippel über der Kondensator-Halbbrücke des Zwischenkreises vermieden werden. Die Spannungsrippel können dabei mit den gleichen Mitteln vermieden werden, wie im Gleichrichterbetrieb.
Der Schaltungsaufwand kann reduziert werden, wenn die zweite Stromrichterventil- Halbbrücke durch eine zweite der Halbbrücken der gesteuerten Sechspuls- Brückenschaltung gebildet ist. Es ist dann nicht notwendig, nur für den Zweck der Erfindung besondere Stromrichterventile vorzusehen. Es kann die vorhandene Infrastruktur der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung genutzt werden.
Wird die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke durch die zweite der Halbbrücken der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung gebildet, ist es von Vorteil, wenn der Stromrichter einen zweiten Schalter aufweist, mit dem zwischen einem Betrieb an einer Drei- oder Zweiphasenwechselstrom-Quelle und einer Quelle mit einer Phase hin- und hergeschaltet werden kann.
Der zweite Schalter kann in einer ersten Variante ein Umschalter sein, dessen gemeinsamer Mittelanschluss mit dem Verbindungspunkt der zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke verbunden ist und der je nach Schalterstellung entweder mit der zweiten Drossel oder ggf. über eine weitere Drossel mit einem zweiten Außenleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs verbunden ist. In einer zweiten Variante kann der zweite Schalter ein Umschalter sein, dessen gemeinsamer Mittelanschluss über die zweite Drossel mit dem Verbindungspunkt der zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke verbunden ist und der je nach Schalterstellung entweder mit dem dritten Kondensator oder mit einem zweiten Außenleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs verbunden ist.
Ferner ist es möglich, dass in einer dritten Variante der zweite Schalter ein Ein- und Ausschalter ist, der einen zweiten Außenleiteranschluss des Dreiphasen- Wechselstromein- und -ausgangs mit dem dritten Kondensator verbindet, wobei der zweite Außenleiteranschluss über die zweite Drossel mit dem ersten Ein- und Ausgang der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung verbunden ist.
Auch für die Ausführung des zweiten Schalters und die Einbindung in den Stromrichter gibt es weitere Varianten. Bei jeder Variante sollte durch den zweiten Schalter im Falle einer Versorgung an einer drei- oder zweiphasigen Wechselstromquelle eine leitende Verbindung vom Verbindungspunkt der zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke zu dem zweiten Außenleiter-Anschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs hergestellt werden können, um den Stromrichter auch über den zweiten Außenleiteranschluss mit Strom zu versorgen, während durch den zweiten Schalter im Falle einer Versorgung an einer einphasigen Wechselstromquelle eine leitende Verbindung vom Verbindungspunkt der zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke über die Reihenschaltung aus der zweiten Drossel und dem dritten Kondensator zum zweiten Anschluss des zweiten Ein- und Ausgangs der ersten Stromrichterstufe besteht, damit mit einer Steuerung der ersten Stromrichterstufe die Stromrichterventile der zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke zum Regeln einer Spannung im Zwischenkreis benutzt werden können.
Die zweite Stromrichterstufe kann ein Gleichstromwandler, insbesondere ein Synchronwandler sein. Die zweite Stromrichterstufe kann wenigstens eine Stromrichterventil-Halbbrücke aus zwei Stromrichterventilen umfassen, wobei ein erster der beiden Stromrichter einerseits mit dem ersten Anschluss und der zweite der beiden Stromrichter einerseits mit dem zweiten Anschluss des ersten Ein- und Ausgangs der zweiten Stromrichtestufe und beide Stromrichter andererseits mit einem Verbindungspunkt zwischen den beiden Stromrichtern verbunden sind. Der Verbindungspunkt und der zweite Anschluss des ersten Ein- und Ausgangs können über einen Tiefpass mit dem zweiten Ein- und Ausgang der zweiten Stromrichtestufe verbunden sein. Weist die zweite Stromrichterstufe zwei derartige Stromrichterventil-Halbbrücken auf, können die Kondensatoren der Tiefpassfilter zu einem Bauelement zusammengefasst sein.
Die in der Erfindung verwendeten Stromrichterventile können Transistoren, Leistungstransistoren, Thyristoren, IGBTs, FETs, MOS-FETs o.ä. sein.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen jeweils einen Stromrichter mit einem Zwischenkreis mit einer Kondensator-Halbbrücke und mit einer ersten Stromrichterventil-Halbbrücke zur Regelung der Spannung an einem Verbindungspunkt der Kondensator-Halbbrücke und mit einer zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke zur Regelung einer Spannung im Zwischenkreis. Dabei zeigt:
Fig. 1 a einen Stromrichter, bei dem die erste Stromrichterventil-Halbbrücke und die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke von Stromrichterventilen außerhalb einer ersten Stromrichterstufe gebildet sind und bei dem die zweite Stromrichterstufe durch einen Synchronwandler mit einer Stromrichterventil-Halbbrücke ausgebildet ist,
Fig. 1 b eine Variante des Stromrichters aus Fig. 1 a, bei dem im Unterschied zum Stromrichter aus Fig. 1 a die zweite Stromrichterstufe durch einen Synchronwandler mit zwei Stromrichterventil-Halbbrücken ausgebildet ist, Fig. 2a einen Stromrichter, bei dem die erste Stromrichterventil-Halbbrücke durch eine Stromrichterventil-Halbbrücke der ersten Stromrichterstufe und die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke von Stromrichterventilen außerhalb einer ersten Stromrichterstufe gebildet sind und bei dem die zweite Stromrichterstufe durch einen Synchronwandler mit einer Stromrichterventil-Halbbrücke ausgebildet ist,
Fig. 2b eine Variante des Stromrichters aus Fig. 2a, bei dem im Unterschied zum Stromrichter aus Fig. 2a die zweite Stromrichterstufe durch einen Synchronwandler mit zwei Stromrichterventil-Halbbrücken ausgebildet ist, Fig. 3a einen Stromrichter, bei dem die erste Stromrichterventil-Halbbrücke von Stromrichterventilen außerhalb einer ersten Stromrichterstufe und die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke durch eine Stromrichterventil- Halbbrücke der ersten Stromrichterstufe gebildet sind und bei dem die zweite Stromrichterstufe durch einen Synchronwandler mit einer Stromrichterventil-Halbbrücke ausgebildet ist,
Fig. 3b eine Variante des Stromrichters aus Fig. 3a, bei dem im Unterschied zum Stromrichter aus Fig. 3a die zweite Stromrichterstufe durch einen Synchronwandler mit zwei Stromrichterventil-Halbbrücken ausgebildet ist, Fig. 4a einen Stromrichter, bei dem die erste Stromrichterventil-Halbbrücke und die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke durch eine Stromrichterventil- Halbbrücke der ersten Stromrichterstufe gebildet sind und bei dem die zweite Stromrichterstufe durch einen Synchronwandler mit einer Stromrichterventil-Halbbrücke ausgebildet ist,
Fig. 4b eine Variante des Stromrichters aus Fig. 4a, bei dem im Unterschied zum Stromrichter aus Fig. 4a die zweite Stromrichterstufe durch einen Synchronwandler mit zwei Stromrichterventil-Halbbrücken ausgebildet ist, Fig. 5a eine Variante des Stromrichters aus Fig. 4a und Fig. 5b eine Variante des Stromrichters aus Fig. 4b. Die Grundlagen für einen erfindungsgemäßen Stromrichter werden nun anhand des Stromrichters aus Fig. 1a erläutert. Der erfindungsgemäße Stromrichter nach Fig. 1a ist, wie die Stromrichter aus den anderen Figuren auch, ein bidirektionaler Dreiphasen-Wechselstromgleichrichter mit einem Dreiphasen-Wechselstromein- und - ausgang L1 , L2, L3, N mit Außenleiteranschlüssen L1 , L2, L3 und einem Neutralleiteranschluss N, einer ersten Stromrichterstufe 1, einem Zwischenkreis 3 umfassend eine Kondensator-Flalbbrücke C1 , C2, eine zweite Stromrichterstufe 2 und einen Gleichstromausgang 24, 25.
Ein ersten Ein- und Ausgang der ersten Stromrichterstufe 1 des Stromrichters aus Fig. 1a ist (wie die Eingänge der ersten Stromrichterstufen 1 der Stromrichter aus den Fig.
1 b bis 4b) über je eine Drossel 11 , I2, I3 mit den Außenleiteranschlüssen L1 , L2, L3 des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs L1 , L2, L3, N verbunden. Dieser Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgang L1 , L2, L3, N kann nicht nur an ein Dreiphasen-Wechselstromnetz angeschlossen werden. Der Stromrichter kann mit dem Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgang L1 , L2, L3, N auch an eine Zweiphasen-Wechselstromnetz oder an eine Einphasen-Wechselstromnetz angeschlossen und an diesen Netzen betrieben werden.
Ein zweiten Ein- und Ausgang13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 ist (wie die Ausgänge 13, 14 der ersten Stromrichterstufen 1 der Stromrichter aus den Fig. 1b bis 5b) mit dem Zwischenkreis 3 verbunden. Der Zwischenkreis des Stromrichters ist ebenfalls mit dem ersten Ein- und Ausgang 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 verbunden, deren zweiten Ein- und Ausgang 23, 24 den zweiten Ein- und Ausgang des Stromrichters bildet.
Die erste Stromrichterstufe 1 wird durch eine gesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung aus in Flalbbrücken Q1, Q2; Q3, Q4; Q5, Q6 angeordneten steuerbaren Stromrichterventilen Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 gebildet. Eine Steuerung zum Ansteuern der Stromrichterventile Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 ist vorzugweise vorgesehen, aber ist nicht dargestellt. Verbindungspunkte zwischen den Stromrichterventilen Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 einer Halbbrücke Q1 , Q2; Q3, Q4; Q5, Q6 sind über den ersten Ein- und Ausgang der ersten Stromrichterstufe 1 und Drossel 11 , I2, I3 mit den Außenleiteranschlüssen L1, L2, L3 verbunden. Außenliegende Anschlüsse der Halbbrücken Q1 , Q2; Q3, Q4; Q5, Q6 sind mit den Anschlüssen 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 verbunden.
Die Kondensator-Halbbrücke C1 , C2 ist einerseits mit dem ersten Anschluss 13 des zweiten Ein- und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem ersten Anschluss 21 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 und andererseits mit dem zweiten Anschluss 14 des Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem zweiten Anschluss 22 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 verbunden. Ein Verbindungspunkt 31 zwischen den beiden Kondensatoren C1 , C2 ist mit dem Neutralleiteranschluss N verbunden.
Bei einem Betrieb des Stromrichters an einer Einphasen-Wechselstromquelle oder an einer Zweiphasen-Wechselstromquelle kann es zu unerwünschten Ableitströmen in einem an den Stromrichter angeschlossenen Gerät kommen, wenn die Spannung über dem ersten Kondensator C1 und die Spannung über dem zweiten Kondensator C2 nicht gleich sind.
Eine zwischen dem Verbindungspunkt 31 der Kondensator-Halbbrücke und dem Neutralleiter N einerseits und dem zweiten Anschluss 14 des Ausgangs der ersten Stromrichterstufe 1 und dem zweiten Anschluss 22 des Ausgangs der zweiten Stromrichterstufe 2 andererseits anliegende Spannung wird durch die erste Stromrichterventil-Halbbrücke stabilisiert. Beim Stromrichter aus der Fig. 1a wird die erste Stromrichterventil-Halbbrücke durch Stromrichter Q7, Q8 gebildet. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Stromrichtern Q7, Q8 ist über einer Drossel I4 mit dem Verbindungspunkt 31 der Kondensator-Halbbrücke C1 , C2 und dem Neutralleiteranschluss N verbunden. Außenliegenden Anschlüsse der Stromrichterventil-Halbbrücke Q7, Q8 sind einerseits mit dem ersten Anschluss 13 des zweiten Ein und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem ersten Anschluss 21 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 und andererseits mit dem zweiten Anschluss 14 des zweiten Ein- und Ausgangs 13,
14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem zweiten Anschluss 22 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 verbunden.
Durch das wechselseitige Schließen und Öffnen der Stromrichterventile Q7, Q8 der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke Q7, Q8 mit variablem Tastverhältnis kann die Spannung zwischen dem Verbindungspunkt 31 und dem ersten Anschluss 13 des Ausgangs 13, 14, die über dem Kondensator C2 abfällt, eingestellt werden. Die Stromrichterventile Q7, Q8 der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke Q7, Q8 werden so geöffnet und geschlossen, dass die Spannung über dem ersten Kondensator C1 und dem zweiten Kondensator C2 gleich ist, oder zumindest die Spannung über C2 weitestgehend konstant ist. Dadurch können Ableitströme vermieden werden.
Eine über der Kondensator-Halbbrücke C1 , C2, d.h. am zweiten Ein- und Ausgang13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und am Ersten Ein- und Ausgang 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 abfallende Spannung kann mittels eines aktiven Filters stabilisiert werden, um Spannungsripple zu vermeiden. Das aktive Filter wird durch die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke umfassend die Stromrichterventile Q9, Q10 und die Reihenschaltung aus dem dritten Kondensator C3 und der Drossel I5 gebildet. Äußere Anschlüsse der Stromrichter-Halbbrücke sind einerseits mit dem ersten Anschluss 13 des zweiten Ein- und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem ersten Anschluss 21 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 und andererseits mit dem zweiten Anschluss 14 des zweiten Ein- und Ausgangs 13,
14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem zweiten Anschluss 22 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 verbunden. Ein Verbindungspunkt zwischen den beiden Stromrichterventilen Q9, Q10 ist über die Reihenschaltung C3,
15 mit dem zweiten Anschluss 14 des zweiten Ein- und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem zweiten Anschluss 22 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 verbunden. Durch ein Schließen und Öffnen der Stromrichterventile Q9, Q10 kann die Spannung über der zweiten Stromrichterventil- Halbbrücke und damit die Spannung über dem zweiten Ein- und Ausgang 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und über dem ersten Ein- und Ausgang 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 eingestellt werden. Dazu können bei geöffnetem Stromrichterventil Q9 und geschlossenem Stromrichterventil Q10 der Kondensator C3 und die Drossel I5 aufgeladen und bei geschossenem Stromrichterventil Q9 und geöffnetem Stromrichterventil Q10 entladen werden. Dadurch können Spannungsripple verhindert oder zumindest vermindert werden.
Die zweite Stromrichterstufe 2 wird durch einen Gleichspannungswandler, nämlich durch einen ersten Synchronwandler gebildet. Dessen Stromrichterventil-Halbbrücke aus zwei Stromrichterventilen Q11 und Q12 ist mit ihren außenliegenden Anschlüssen mit dem ersten Ein- und Ausgang 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 verbunden. Ein Verbindungspunkt zwischen den Stromrichterventilen Q11 und Q12 und der zweite Anschluss 22 des ersten Ein- und Ausgangs sind über einen Tiefpass aus einer Drossel I6 und einem Kondensator C4 mit dem zweiten Ein- und Ausgang 23, 24 verbunden.
Der in der Fig. 2a dargestellte Stromrichter unterscheidet sich von dem in der Fig. 1a dargestellten Stromrichter dadurch, dass die erste Stromrichterventil-Halbbrücke nicht durch Bauelemente außerhalb der ersten Stromrichterstufe 1 gebildet ist, sondern durch eine erste der Stromrichterventil-Halbbrücken Q1 , Q2 der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, die bei dreiphasiger Versorgung mit dem ersten Außenleiteranschluss L1 des Dreiphasen- Wechselstromein- und -ausgangs L1 , L2, L3, N verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Stromrichterventil-Halbbrücke Q1 , Q2 ist anders als bei dem Stromrichter aus Fig. 1a nicht unmittelbar über eine Drossel mit dem Außenleiteranschluss L1 verbunden. Der Verbindungspunkt ist mit einem gemeinsamen Mittelanschluss eines Umschalters S1 verbunden. Von diesem Mittelanschluss kann je nach Steuerung des Umschalters S1 eine Verbindung zum Außenleiteranschluss L1 oder über die Drossel I4 eine Verbindung zum Verbindungspunkt 31 in der Kondensator-Brückenschaltung hergestellt werden. Bei einer Verbindung zum Außenleiteranschluss L1 können die Stromrichterventile Q1 , Q2 für den Anschluss an eine dreiphasige Stromquelle genutzt werden. Bei der Verbindung zur Drossel I4 können die Stromrichterventile (bei einem einphasigen oder zweiphasigen Anschluss an eine Stromquelle) zur Stabilisierung der Spannung zwischen dem Verbindungspunkt 31 bzw. dem Neutraleiteranschluss N und dem zweiten Anschluss 14 des zweiten Ein- und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem zweiten Anschluss 22 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 genutzt werden.
Der in der Fig. 3a dargestellte Stromrichter unterscheidet sich von dem in der Fig. 1a dargestellten Stromrichter dadurch, dass die zweite Stromrichterventil-Flalbbrücke nicht durch Bauelemente außerhalb der ersten Stromrichterstufe 1 gebildet ist, sondern eine zweite der Stromrichterventil-Flalbbrücken Q3, Q4 der gesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, die bei dreiphasiger Versorgung mit dem zweiten Außenleiteranschluss L2 des Dreiphasen- Wechselstromein- und -ausgangs L1 , L2, L3, N. Der Verbindungspunkt der Stromrichterventil-Flalbbrücke Q1 , Q2 ist anders als bei dem Stromrichter aus Fig. 1a nicht unmittelbar über eine Drossel mit dem Außenleiteranschluss L2 verbunden. Der Verbindungspunkt ist mit einem gemeinsamen Mittelanschluss eines Umschalters S2 verbunden. Von diesem Mittelanschluss kann je nach Steuerung des Umschalters S2 eine Verbindung zum Außenleiteranschluss L2 oder über die Reihenschaltung der Drossel I5 und des Kondensators C3 eine Verbindung zu dem zweiten Anschluss 14 des zweiten Ein- und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem zweiten Anschluss 22 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 hergestellt werden. Bei einer Verbindung zum Außenleiteranschluss L2 können die Stromrichterventile Q1, Q2 für den Anschluss an eine dreiphasige oder zweiphasige Stromquelle genutzt werden. Bei der Verbindung zur Reihenschaltung 15, C3 können die Stromrichterventile (bei einem einphasigen Anschluss an eine Stromquelle) zur Stabilisierung der Spannung zwischen einerseits dem ersten Anschluss 13 des zweiten Ein- und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem ersten Anschluss 21 des Ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 und andererseits dem zweiten Anschluss 14 des zweiten Ein- und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und dem zweiten Anschluss 21 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 genutzt werden.
Bei dem in der Fig. 4a dargestellten Stromrichter werden sowohl die erste Stromrichterventil-Halbbrücke Q1 , Q2 als auch die zweite Stromrichterventil- Halbbrücke Q3, Q4 genutzt, um bei einer ein- oder zweiphasigen Versorgung des Stromrichters die Spannung über dem Kondensator C2 bzw. die Spannung im Zwischenkreis 3 zu stabilisieren. Die erste Stromrichterventil-Halbbrücke Q1 , Q2 und die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke Q3, Q4 können dazu über die Umschalter S1 und S2 entweder mit den Außenleiteranschlüssen L1 , L2 einerseits oder mit der Drossel I4 oder der Reihenschaltung aus der Drossel I5 und dem Kondensator C3 andererseits verbunden werden, wie es bei dem Stromrichter aus Fig. 2a bzw. aus Fig. 3a möglich ist.
Der in der Fig. 5a dargestellte Stromrichter unterscheidet sich von dem in der Fig. 4a dargestellten Stromrichter dadurch, dass die Anzahl der verwendeten Bauelemente weiter reduziert ist. Das ist dadurch möglich, dass die Umschalter S1 , S2 durch Ein- und Ausschalter S1 , S2 ersetzt wurden und die Verbindung der Schalter S1 , S2 zu den Verbindungspunkten zwischen den Stromrichterventilen Q1 , Q2 bzw. Q3, Q4 verändert wurde. Diese Verbindungspunkte sind bei dem Stromrichter aus der Fig. 5a über die Drosseln 11 , I2 mit den Schaltern S1 , S2 verbunden.
Bei geschlossenem Schalter S1 ist dann vom Verbindungspunkt zwischen den Stromrichterventilen Q1 , Q2 über die Drossel 11 eine Verbindung zum Neutralleiteranschluss N bzw. zum Verbindungspunkt 31 hergestellt. Die Drossel 11 übernimmt dabei die Funktion der Drossel I4 der Stromrichter aus den Figuren 1a, 2a, 3a und 4a. Die Stromrichterventile Q1 , Q2 werden im Ein- oder Zweiphasen- Wechselstrombetrieb so geschaltet, dass die Spannungen am Kondensator C2 der Kondensator-Flalbbrücke C1 , C2 weitestgehend konstant ist. Das ist dann der Fall, wenn der Strom durch die Drossel 11 das Inverse des Stroms durch die Drossel I3 ist.
Bei geschlossenem Schalter S2 ist eine Verbindung zum Kondensator C3 hergestellt, so dass dann vom Verbindungspunkt zwischen den Stromrichterventilen Q3, Q4 über die Drossel I2 und den Kondensator eine Verbindung zum zweiten Anschluss 14 des zweiten Ein- und Ausgangs 13, 14 der ersten Stromrichterstufe 1 und zum zweiten Anschluss 22 des ersten Ein- und Ausgangs 21 , 22 der zweiten Stromrichterstufe 2 besteht. Die Drossel I2 übernimmt dabei die Funktion der Drossel I5 der Stromrichter aus den Figuren 1a, 2a, 3a und 4a.
Der Stromrichter aus der Fig. 1b unterscheidet sich vom Stromrichter aus der Fig. 1a dadurch, dass die zweite Stromrichterstufe 2 neben dem ersten Synchronwandler, der schon in der zweiten Stromrichterstufe des Stromrichters nach Fig. 1a vorgesehen ist, einen zweiten, zum ersten parallel geschalteten Synchronwandler hat. Dieser zweite Synchronwandler hat zwei Stromrichterventile Q13, Q14 in Flalbbrückenanordnung und eine Drossel I6, die mit dem Verbindungspunkt zwischen den Stromrichterventilen Q13, Q14 und dem Kondensator C4 verbunden ist, der von beiden Synchrongleichrichtern benutzt wird. In gleicher weise unterscheiden sich die Stromrichter nach den Figuren 2b, 3b, 4b und 5b von den in den Figuren 2a, 3a, 4a und 5a dargestellten Stromrichtern. Bezugszeichenliste
L1 , L2, L3, N Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgang
11, I2, I3 Drosseln
1 erste Umrichterstufe
13, 14 zweiter Ein- und Ausgang der ersten Umrichterstufe
Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 Stromrichterventile der ersten Umrichterstufe
2 zweite Stromrichterstufe
21 , 22 erster Ein- und Ausgang der zweiten Stromrichterstufe 23, 24 zweiter Ein- und Ausgang der zweiten Stromrichterstufe
Q11 , Q12 erste Stromrichterventile der zweiten Stromrichterstufe Q13, Q14 zwei Stromrichterventile der zweiten Stromrichterstufe
3 Zwischenkreis
C1 erster Kondensator der Kondensator-Halbbrücke
C2 zweiter Kondensator der Kondensator-Halbbrücke
31 Verbindungspunkt
51 erster Schalter
Q7, Q8 Stromrichter-Halbbrücke
14 Drossel
52 zweiter Schalter
Q9, Q10 Stromrichter-Halbbrücke
15 Drossel Kondensator Drossel Drossel Kondensator

Claims

Patentansprüche
1. Bidirektionaler Stromrichter mit Zwischenkreis mit einem Dreiphasen-
Wechselstromeingang und Dreiphasen-Wechselstromausgang (L1 , L2, L3, N), einer ersten Stromrichterstufe (1) mit einem ersten Ein- und Ausgang und einem zweiten Ein- und Ausgang (13, 14), einem Zwischenkreis (3), einer zweiten Stromrichterstufe (2) mit einem ersten Ein- und Ausgang (21, 22) und einem zweiten Ein- und Ausgang (23, 24) und einem Gleichstromein- und -ausgang (A), wobei der erste Ein und Ausgang der ersten Stromrichterstufe (1) mit dem Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgang (L1 , L2, L3, N) und der zweite Ein- und Ausgang (13, 14) der ersten Stromrichterstufe (1) mit dem Zwischenkreis (3) elektrisch verbunden ist, wobei der erste Ein- und Ausgang (21 , 22) der zweiten Stromrichterstufe (2) mit dem Zwischenkreis (3) und der zweite Ein- und Ausgang (23, 24) der zweiten Stromrichterstufe (2) mit dem Gleichstromausgang elektrisch verbunden ist, wobei die erste Stromrichterstufe (1) eine gesteuerte Sechspuls- Brückenschaltung aus in Halbbrücken angeordneten steuerbaren Stromrichterventilen (Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) mit Drosseln (11 , I2, I3) zwischen den Dreiphasen-Wechselstromeingängen (L1 , L2, L3) und den Brückenmittelpunkten der Halbbrücken ist, wobei der Zwischenkreis (3) eine Kondensator-Halbbrücke aus einem ersten Kondensator (C1) und einem zweiten Kondensator (C2) aufweist, wobei der erste Kondensator (C1) einerseits mit einem ersten Anschluss (13) des zweiten Ein- und Ausgangs (13, 14) der ersten Stromrichterstufe (1) und einem ersten Anschluss (21) des ersten Ein- und Ausgangs (21 , 22) der zweiten Stromrichterstufe (2) und andererseits mit dem zweiten Kondensator (2) verbunden ist, wobei der zweite Kondensator (C2) einerseits mit einem zweiten Anschluss (14) des zweiten Ein- und Ausgangs (13, 14) der ersten Stromrichterstufe (1) und einem zweiten Anschluss (22) des ersten Ein- und Ausgangs (21 , 22) der zweiten Stromrichterstufe (2) und andererseits mit dem ersten Kondensator (C1) verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt (31) zwischen dem ersten Kondensator (C1) und dem zweiten Kondensator (C2) mit einem Neutralleiteranschluss (N) des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs (L1 , L2, L3, N) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter eine erste Halbbrücke aus zwei gesteuerten Stromrichterventilen aufweist, die mit dem ersten Anschluss (13) und dem zweiten Anschluss (14) des zweiten Ein- und Ausgangs (13, 14) der ersten Stromrichterstufe (1) verbunden ist und deren Verbindungspunkt zwischen den Stromrichterventilen der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke über eine erste Drossel (I4) mit dem Verbindungspunkt (31) der Kondensator- Halbbrücke (C1 , C2) verbunden ist.
2. Stromrichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromrichterventil-Halbbrücke durch eine erste der Halbbrücken (Q1, Q2) der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung (Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) gebildet ist.
3. Stromrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter einen ersten Schalter (S1) aufweist.
4. Stromrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S1) ein Umschalter ist, dessen gemeinsamer Mittelanschluss mit dem Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q1 , Q2) verbunden ist und der je nach Schalterstellung entweder mit der ersten Drossel (I4) oder ggf. über eine Drossel (11) mit einem ersten Außenleiteranschluss (L1) des Dreiphasen-Wechselstromein- und - ausgangs (L1 , L2, L3, N) verbunden ist.
5. Stromrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S1) ein Umschalter ist, dessen gemeinsamer Mittelanschluss über die erste Drossel (I4) mit dem Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q1, Q2) verbunden ist und der je nach Schalterstellung entweder mit dem Verbindungspunkt (31) der Kondensator-Halbbrücke (C1 , C2) oder mit einem ersten Außenleiteranschluss (L1) des Dreiphasen-Wechselstromein- und - ausgangs (L1 , L2, L3, N) verbunden ist.
6. Stromrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S1) ein Ein-/Aus-Schalter ist, der einen ersten Außenleiteranschluss (L1) des Dreiphasen-Wechselstromein- und - ausgangs (L1 , L2, L3, N) mit dem Verbindungspunkt (31) der Kondensator- Halbbrücke (C1 , C2) verbindet, wobei der erste Außenleiteranschluss (L1) über die erste Drossel (11) mit dem Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q1, Q2) der gesteuerten Sechspuls- Brückenschaltung (Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) verbunden ist.
7. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter eine zweite Halbbrücke aus zwei gesteuerten Stromrichterventilen aufweist, die mit dem ersten Anschluss (13) und dem zweiten Anschluss (14) des zweiten Ein- und Ausgangs (13, 14) der ersten Stromrichterstufe (1) verbunden ist und deren Verbindungspunkt zwischen den beiden gesteuerten Stromrichterventilen über eine Reihenschaltung aus einer zweiten Drossel (15) und einem dritten Kondensator (C3) mit dem zweiten Anschluss (14) des zweiten Ein- und Ausgangs (13, 14) der ersten Stromrichterstufe (1) verbunden ist.
8. Stromrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke durch eine zweite der Halbbrücken (Q3, Q4) der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung (Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) gebildet ist.
9. Stromrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter einen zweiten Schalter (S2) aufweist.
10. Stromrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (S2) ein Umschalter ist, dessen gemeinsamer Mittelanschluss mit dem Verbindungspunkt der zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q3, Q4) verbunden ist und der je nach Schalterstellung entweder mit der zweiten Drossel (I5) oder ggf. über eine Drossel (I2) mit einem zweiten Außenleiteranschluss (L2) des Dreiphasen-Wechselstromein- und - ausgangs (L1 , L2, L3, N) verbunden ist.
11. Stromrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S2) ein Umschalter ist, dessen gemeinsamer Mittelanschluss über die zweite Drossel (I5) mit dem Verbindungspunkt der zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q3, Q4) verbunden ist und der je nach Schalterstellung entweder mit dem dritten Kondensator (C3) oder mit einem zweiten Außenleiteranschluss (L2) des Dreiphasen-Wechselstromein- und - ausgangs (L1 , L2, L3, N) verbunden ist.
12. Stromrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (S2) ein Ein-/Aus-Schalter ist, der einen zweiten Außenleiteranschluss (L2) des Dreiphasen-Wechselstromein- und ausgangs (L1 , L2, L3, N) mit dem dritten Kondensator (C3) verbindet, wobei der zweite Außenleiteranschluss (L2) über die zweite Drossel (I2) mit dem Ersten Ein- und Ausgang der gesteuerten Sechspuls-Brückenschaltung (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) verbunden ist.
13. Verfahren zum Gleichrichten von zweiphasigem Strom aus einer Zweiphasen-Wechselstromquelle mit einem Stromrichter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Stromrichter über einen zweiten Außenleiter und einen dritten Außenleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und -ausgangs (L1 , L2, L3, N) mit der Zweiphasen-Wechselstromquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter in der Schalterstellung ist, dass eine leitende Verbindung vom Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q1, Q2) über die erste Drossel zum Verbindungspunkt der Kondensator-Halbbrücke (C1 , C2) besteht und dass mit einer Steuerung der ersten Stromrichterstufe die Stromrichterventile der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q1 , Q2) eine Spannung über dem ersten und/oder zweiten Kondensator der Kondensator-Halbbrücke geregelt wird.
14. Verfahren zum Gleichrichten von einphasigem Strom aus einem Einphasen- Wechselstromnetz oder zum Wechselrichten von Gleichstrom aus einem Gleichstromnetz mit einem Stromrichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6 und 9 bis 12, wobei der Stromrichter über einen dritten Außenleiteranschluss des Dreiphasen-Wechselstromein- und ausgangs (L1 , L2, L3, N) mit dem Einphasen-Wechselstromnetz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S1) in der Schalterstellung ist, dass eine leitende Verbindung vom Verbindungspunkt der ersten Stromrichterventil- Halbbrücke (Q1 , Q2) über die erste Drossel (I4) zum Verbindungspunkt der Kondensator-Halbbrücke (C1 , C2) besteht und dass mit einer Steuerung der ersten Stromrichterstufe die Stromrichterventile der ersten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q1, Q2) eine Spannung über dem ersten und/oder zweiten Kondensator (C2) der Kondensator-Halbbrücke (C1 , C2) geregelt wird, und dass der zweite Schalter (S2) in der Schalterstellung ist, dass eine leitende Verbindung vom Verbindungspunkt der zweiten Stromrichterventil- Halbbrücke (Q3, Q4) über die Reihenschaltung aus der zweiten Drossel (I5) und dem dritten Kondensator (C3) zum zweiten Anschluss (14) des zweiten Ein- und Ausgangs (13, 14) der ersten Stromrichterstufe (1) besteht und dass mit der Steuerung der ersten Stromrichterstufe (1) die Stromrichterventile der zweiten Stromrichterventil-Halbbrücke (Q3, Q4) eine Spannung über der Kondensator-Halbbrücke (C1 , C2) geregelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stromrichterventil-Halbbrücke (Q3, Q4) mit dem dritten Kondensator (C3) als Speicherkondensator als aktives Rippelfilter betrieben werden
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