WO2014076138A1 - Umrichter - Google Patents

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diode
energy storage
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PCT/EP2013/073743
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Adrian Zuckerberger
Jonas Fritschy
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ABB Technology AG
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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

Definitions

  • the present invention relates to the field of converters, in particular to converters according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to a method for operating an inverter according to the preamble of claim 7.
  • Such converters are well known to those skilled in the art and in particular have a DC intermediate circuit and an inverter.
  • DC capacitors or energy storage capacitors must, so that they are not damaged, are charged before the rectifier of the inverter is connected to the supply network, otherwise the capacitors could take damage in the DC intermediate circuit or must be designed for such a load.
  • the object of the invention is therefore to provide a converter which allows a gentle charging of the DC voltage intermediate circuit. Furthermore, a method for operating such a converter is to be specified.
  • the object is achieved by the converter according to claim 1 and by a method according to claim 7.
  • the converter has a DC intermediate circuit and at least one phase module electrically connected to the DC intermediate circuit with a phase conductor departing therefrom, wherein the DC intermediate circuit (14) has a positive potential terminal, a negative potential terminal and a
  • the inverter further comprises a power supply for charging the first energy store and the second energy store, which power supply is connected on the one hand to the midpoint terminal and on the other hand to the phase conductor via a switch.
  • the converter according to the invention consequently has the power supply which is for
  • Charging the first energy storage and the second energy storage is determined.
  • the power supply allows an extremely simple charging of the first energy storage as well as the second energy storage. Consequently, a rectifier is not necessary for charging the first energy store and the second energy store.
  • the power supply is formed by a transformer, wherein the transformer is formed on its secondary side single-phase and is connectable on its primary side with a supply network.
  • This preferred embodiment of the converter enables a particularly simple charging of the first energy store and the second energy store. Only the first diode and the second diode of the phase module are needed.
  • the first energy store in a first circuit is connected in series via the mid-point connection to the energy supply, this energy supply via the phase conductor to the first diode and this first diode to the positive potential connection.
  • Circuit of the second energy storage via the negative potential terminal to the second diode and this second diode are connected via the phase conductor to the power supply in series.
  • This preferred embodiment of the converter enables the particularly simple charging of the first energy store and the second energy store.
  • the first diode is formed by a bidirectional semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction
  • / or the second diode is formed by a bidirectional semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction.
  • the at least one phase module has a further energy store assigned to the phase module, which on the one hand is controlled via a second bidirectional semiconductor switch
  • unidirectional current-carrying direction with the mid-point connection and over the first Diode is connected to the phase conductor, and on the other hand connected via a first, bidirectional semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction to the center terminal and via the second diode to the phase conductor.
  • Phase module associated, further energy storage in a third circuit in series with the first, bidirectional semiconductor switch, the power supply and the first diode connected, and in a fourth circuit, the further energy storage in series with the second diode, the power supply and the second, bidirectional
  • This circuit allows efficient charging of the further energy storage by means of the power supply.
  • the converter according to the invention is operated as follows:
  • the inverter is a DC voltage intermediate circuit and one with the
  • DC intermediate circuit electrically connected phase module having a phase conductor outgoing therefrom, wherein the DC voltage intermediate circuit at least one positive potential terminal, a negative potential terminal and a
  • a first energy storage and between the center terminal and the negative potential terminal has a second energy storage
  • the phase conductor is connected via a first diode to the positive potential terminal, and via a second diode to the negative potential terminal and wherein the converter further comprises a power supply, which is connectable on the one hand to the center terminal and on the other hand to the phase conductor via a switch.
  • This inventive method allows easy loading of the first
  • the phase module to the phase module associated further energy storage which is connected on the one hand via the first diode to the phase conductor and a second semiconductor switch with controlled unidirectional current carrying direction to the center terminal and on the other hand via the second diode with the phase conductor and is connected via a first semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction to the center point terminal, the method having the following further steps
  • This preferred method allows easy charging of the other
  • the further energy accumulator belonging to the phase module is charged in parallel with the charging of the first energy accumulator and the second energy accumulator.
  • This preferred method allows a fast as well as safe charging of the other energy storage.
  • the first semiconductor switch and the second semiconductor switch is closed, and associated with the phase module further energy storage means of the positive and negative half-wave of
  • This preferred method allows efficient charging of the other
  • the at least one phase module is a first phase module and the converter (10) has a second phase module
  • Phase module wherein the second phase module has a second phase module associated, further energy storage, on the one hand via a first diode of the second phase module with a further phase conductor and a second
  • Phase module is connected to the positive potential terminal and on the other hand via a second diode of the second phase module with the further phase conductor and a first semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction of the second Phase module is connected to the negative potential terminal, the method has the following further steps
  • This method allows a simple charging of a further energy storage in a second phase module of the inverter.
  • Phase module associated further energy storage charged in parallel with the charging of the first energy storage and the second energy storage.
  • This preferred method allows a fast as well as safe charging of the further energy storage of the second phase module.
  • the method has the following further steps:
  • This method makes it possible for the further energy storage of the first phase module and the further energy storage of the second phase module by means of
  • the DC link can be charged as described above or, if the charge in the DC link is only upright, this can be achieved via the rectifier of the inverter.
  • Embodiments of the invention are non-limiting examples of the invention.
  • FIG. 1 shows a converter, which is connected on the one hand to a supply network and on the other hand to a load, wherein further a power supply is connected to the inverter;
  • FIG. 2 shows a detailed view of the converter from FIG. 1;
  • FIG. and FIG. 3 shows a phase module of the converter.
  • FIG. 1 shows a converter 10.
  • the latter has a known rectifier 12 on the network side, which is designed by way of example as a diode rectifier.
  • the rectifier 12 shown is designed as a 24-pulse rectifier. Other versions are also possible.
  • the rectifier 12 is connected via a transformer 13 and a switch with the
  • the supply network 15 connected.
  • the supply network can, for example, a
  • Medium voltage supply network has, for example, a voltage between 1 kV and 30 kV, preferably between 5 kV and 10 kV and is designed in three phases.
  • the rectifier 12 On the DC voltage side, the rectifier 12 is connected to a DC voltage intermediate circuit 14.
  • the DC intermediate circuit 14 has a positive potential terminal + V DC and a negative potential terminal -V DC .
  • a first energy store 16 and a second energy store 18 are arranged in series between the positive potential terminal + V DC and the negative potential terminal -V DC .
  • the center between the first energy store 16 and the second energy store 18 forms a mid-point connection NP.
  • the first energy storage 16 and the second energy storage 18 are each formed by a capacitor or by a plurality of capacitors.
  • an inverter 22 is connected, which is fed by the DC voltage intermediate circuit 14.
  • the inverter 22 shown is three-phase, but could also be formed in two-phase or more than three-phase.
  • the inverter 22 has a phase module 24, 26, 28, which is connected on the input side to the DC voltage intermediate circuit 14 and the output side has a phase conductor Lu, Lv, Lw, the switchable at least with the positive potential connection + V DC , the center point connection NP or the negative potential connection -V DC can be connected.
  • each phase module 24, 26, 28 has six series-connected bidirectional semiconductor switches 31, 32, 33, 34, 35, 36 with controlled unidirectional current-carrying direction, which consequently has five Star points 41, 42, 43, 44, 45 are interconnected.
  • the third semiconductor switch 33 is connected on the one hand to the positive voltage potential + V DC and the fourth neutral point 44.
  • the second semiconductor switch 32 is connected on the one hand to the fourth neutral point 44 and on the other hand to the second neutral point 42.
  • the fifth semiconductor switch 35 is connected on the one hand to the second neutral point 42 and on the other hand to the first neutral point 41.
  • the sixth semiconductor switch 36 is connected on the one hand to the first neutral point 41 and on the other hand to the fifth neutral point 45.
  • the first semiconductor switch 31 is connected on the one hand to the fifth neutral point 45 and on the other hand to the third neutral point 43.
  • the fourth semiconductor switch 34 is connected on the one hand to the third neutral point 43 and on the other hand to the negative potential terminal -V DC .
  • the fifth bidirectional semiconductor switch 35 with controlled unidirectional current carrying direction has a first diode 35 '. This can for example be executed antiparallel to an IGBT or be formed by a diode integrated in a semiconductor switch.
  • the sixth bidirectional semiconductor switch 36 with controlled unidirectional current carrying direction has a second diode 36 '. This can for example be executed antiparallel to an IGBT or be formed by a diode integrated in a semiconductor switch.
  • each phase module 24, 26, 28 has a further energy store 50 between the second star point 42 and the fifth star point 45.
  • the fourth star point 44 is connected to the center terminal NP via a seventh bi-directional semiconductor switch 37 having a controlled unidirectional current-carrying direction toward the center terminal NP.
  • the mid-point connection NP is connected to the third neutral point 43 via an eighth bidirectional semiconductor switch 38 with a controlled unidirectional current-carrying direction in the direction of the third neutral point 43.
  • first star point 41 of the phase module 24 to the phase u with the associated phase conductor Lu the first star point 41 of the phase module 26 to the phase v with the associated phase conductor Lv and the first neutral point 41 of the phase module 28 to the phase w connected to the phase conductor Lw.
  • the inverter 10 has a power supply 60 which is arranged between the mid-point terminal NP and one of the phase conductors Lu, Lv, Lw, for example the phase conductor Lu.
  • a switch 62 is arranged, which could, however, also be between the power supply 60 and the phase conductor Lu.
  • the switch 62 may be formed by a high voltage relay.
  • the power supply 60 is formed by a transformer formed on the primary side three-phase, the secondary side is single-phase.
  • any AC voltage source may be used, such as a low voltage converter.
  • the power source 60 may be powered, for example, by a low voltage network which typically has a voltage of up to 1000 V, in particular between 380 V and 690 V.
  • a known filter 64 may be present at the output of the inverter 22.
  • an electrical load 66 in particular an electrical machine, is connected to the inverter 22 or, if a filter 64 is present, to the filter 64.
  • bi-directional semiconductor switches with controlled unidirectional current-carrying direction are each implemented by an IGBT with antiparallel diode.
  • a bidirectional semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction may also be formed as follows, for example an IGCT with an antiparallel diode.
  • the forward direction of the diodes of the first semiconductor switch 31, the second semiconductor switch 32, the third semiconductor switch 33, the fourth semiconductor switch 34, the fifth semiconductor switch 35 and the sixth semiconductor switch 36 of each phase module 24, 26, 28 is in each case towards the positive voltage potential + V DC , the forward direction of the diode of the seventh semiconductor switch 37 is toward the fourth neutral point 44 and the forward direction of the diode of the eighth semiconductor switch 38 is directed away from the third neutral point 43.
  • the converter 10 according to the invention is operated as follows.
  • phase module In order to charge the initially discharged first energy store 16 and also the first initially discharged second energy store 18, in principle only that phase module is required which is connected directly to the power supply 60 via the phase conductor.
  • the power supply 60 could be connected to the phase conductor Lu, the phase conductor Lv or the phase conductor Lw be connected.
  • the phase conductor Lu and the phase module 24 has been selected.
  • only this phase module 24 is required to charge the further energy storage 50.
  • the following statements relate, unless otherwise stated, only to the phase module 24, which has the phase conductor Lu and is directly connected to the power supply 60.
  • the further phase modules 26, 28 are therefore initially optional.
  • first all semiconductor switches 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 are opened, so that no current can flow in the phase module 24. Further, the switch 62 is closed. Consequently, a current can flow from the power supply 60 via the phase conductor Lu to the first neutral point 41 and via the fifth semiconductor switch 35, the second semiconductor switch 32 and the third semiconductor switch 33 to the first energy store 16. Further, the current flows through the first energy store 16 back to the power supply 60, whereby the first energy storage 16 is charged.
  • a current can flow from the power supply 60 through the second energy store 18, the fourth semiconductor switch 34, the first semiconductor switch 31 and the sixth semiconductor switch 36 to the first star point 41 and from there via the phase conductor Lu back to the power supply 60, whereby the second energy store 18 is loaded. Consequently, the first energy storage 16 and the second energy storage 18 can be efficiently charged by means of the power supply 60 connected between the midway terminal NP and the phase conductor Lu. It proves advantageous that an alternating voltage is applied by the power supply 60 between the midpoint terminal NP and the phase conductor Lu.
  • Substantially essential to the invention in the above circuit are therefore the diodes contained in the semiconductor switches, in particular it is essential that at least a first diode 35 'is arranged between the phase conductor Lu and the positive potential terminal + V DC such that a current flows from the phase conductor Lu via the first Diode 35 'to the positive potential terminal + V DC can flow. Furthermore, it is essential that at least one second diode 36 'is arranged between the negative potential connection -V DC and the phase conductor Lu such that a current can flow from the negative potential connection -V DC to the phase conductor Lu.
  • the first diode 35 'or its functionality can be provided, for example, by the fifth semiconductor switch 35 and the second diode 36' or their functionality can be provided, for example, by the sixth semiconductor switch 36.
  • a diode a plurality of diodes can be arranged in series with each other and in the same passage direction to each other.
  • the first semiconductor switch 31 and / or the second semiconductor switch 32 is closed.
  • the first semiconductor switch 31 and / or the second semiconductor switch 32 is closed before the switch 62 is closed, so that upon charging of the first energy storage 16, the second energy storage 18 and the further energy storage 50, the respective voltages increase with each other.
  • the first semiconductor switch 31 and the second semiconductor switch 32 are opened. If desired, which is typically the case, the voltage in the first energy store 16 and in the second energy store 18 can be further increased as described above.
  • a current can flow from the power supply 60 via the first star point 41 to the second star point 42. From the second neutral point 42, the current flows via the further energy store 50 and the first semiconductor switch 31 to the third neutral point 43 and back via the midpoint terminal NP to the power supply 60. Between the third neutral point 43 and the midpoint terminal NP, a third diode 38 'is arranged, for example can be realized by the eighth semiconductor switch 38. The forward direction of the third diode 38 'is chosen such that the current from the third neutral point 43 to the center terminal NP can flow.
  • a current can flow from the power supply 60 via the fourth star point 44 and through the closed second semiconductor switch 32 to the second star point 42. Furthermore, the current flows from the second neutral point 42 via the further energy store 50 back to the fifth star point 45 and further back to the energy supply 60 via the first star point 41.
  • a fourth diode 37 ' is arranged, which may be realized, for example, by the seven semiconductor switch 37. The forward direction of the fourth diode 37 'is chosen such that the current from the center terminal NP to the fourth star point 44 can flow.
  • the first semiconductor switch 31 and the second semiconductor switch 32 are opened as soon as the further energy store 50 has reached the desired voltage.
  • the switch 62 is opened as soon as the first energy store 16 and the second energy store 18 have reached the desired voltages.
  • the inverter has other phase modules 26, 28 for the phases v, w, which are formed equal to the phase u phase module 24 described above, and thus in particular have further energy storage 50.
  • the other energy storage 50 of the other phase modules 26, 28 are at the same time as the other energy storage 50 of the Phase module 24 loaded. The charging of the further energy storage 50 of the phase modules 24, 26, 28 takes place simultaneously.
  • the further energy storage 50 of the phase module 26 to the phase v is charged as follows.
  • the third semiconductor switch 33, the second semiconductor switch 32, the first semiconductor switch 31 and the fourth semiconductor switch 34 are closed in the phase module 26. Consequently, in the phase module 26, a current path from the positive potential terminal + V DC through the third semiconductor switch 33, the second semiconductor switch 32, the further energy storage 50, the first semiconductor switch 31 and the fourth semiconductor switch 34 is formed and the further energy storage 50 is charged in parallel to the DC intermediate circuit 14 , As soon as the further energy store 50 is loaded, at least one and preferably all semiconductor switches 31, 32, 33, 34, which were closed earlier, are reopened.
  • the further energy store 50 is charged in the respective phase module analogously and simultaneously to the further energy store 50 in phase module 26 for phase v.
  • the charge of the first energy storage 16 and the second energy storage 18 of the DC intermediate circuit 14 is typically maintained by means of the rectifier 12, but could also be charged or maintained with the power supply 60 as described above. It is again assumed that all semiconductor switches are initially open.
  • phase conductor Lu is connected to the phase conductor Lv, for example via an inductance of an electric machine 66 or by a suitable current path in a possibly existing filter 64.
  • the further energy stores 50 of the phase module 26 can be charged to the phase v and the phase module 28 to the phase w.
  • the other energy storage 50 of the phase module 28 to the phase w and the phase module 24 can be charged to the phase u.
  • the rectifier is formed by an active rectifier instead of the diode rectifier described above.
  • This has, for example, a phase module for each phase, as shown in Fig. 3.
  • the phase conductors of the phase modules are connected to the transformer 13 shown in FIG. DC side, the phase modules are connected to the DC voltage intermediate circuit 14.
  • the charging process for the charging of the further energy storage 50 in the phase modules of the active rectifier is analogous to the charging of the further energy storage 50 in the phase module 26 for the phase v.

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Abstract

Es wird ein Umrichter (10) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (14) und zumindest einem mit dem Gleichspannungszwischenkreis (14) elektrisch verbundenen Phasenmodul (24) mit einem davon abgehenden Phasenleiter (Lu) beschrieben. Der Gleichspannungszwischenkreis (14) weist einen positiven Potentialanschluss (+VDC), einen negativen Potentialanschluss (-VDC) und einen Mittelpunktanschluss (NP) auf. Zwischen dem positiven Potentialanschluss (+VDC) und dem Mittelpunktanschluss (NP) ist ein erster Energiespeicher (16) und zwischen dem Mittelpunktanschluss (NP) und dem negativen Potentialanschluss (-VDC) ein zweiten Energiespeicher (18) angeschlossen. Der Phasenleiter (Lu) ist über eine erste Diode (35') mit dem positiven Potentialanschluss (+VDC), und über ein zweite Diode (36') mit dem negativen Potentialanschluss (-VDC) verbunden. Erfindungsgemäss weisst der Umrichter weiter eine Energieversorgung (60) zum Aufladen des ersten Energiespeichers (16) und des zweiten Energiespeichers (18) auf. Die Energieversorgung (60) ist einerseits mit dem Mittelpunktanschluss (NP) und andererseits mit dem Phasenleiter (Lu) über einen Schalter (62) verbunden.

Description

Umrichter
Die vorliegende Erfindung bezieht dich auf das Gebiet der Umrichter, insbesondere auf Umrichter gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Umrichters gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 7.
Derartig Umrichter sind dem Fachmann bestens bekannt und weisen insbesondere einen Gleichspannungszwischenkreis und einen Wechselrichter auf. Die im
Gleichspannungszwischenkreis enthaltenen Kondensatoren bzw. Energiespeicher müssen, damit diese nicht beschädigt werden, aufgeladen werden, bevor der Gleichrichter des Umrichters mit dem Versorgungsnetz verbunden wird, da ansonsten die Kondensatoren im Gleichspannungszwischenkreis Schaden nehmen könnten beziehungsweise für eine derartige Belastung ausgelegt sein müssen.
Ebenso hat sich gezeigt, dass die Kondensatoren in den jeweiligen Phasenmodulen des Wechselrichters aus ihrem zunächst komplett entladenen Zustand behutsam aufgeladen werden müssen, damit diese im Betrieb keinen Schaden nehmen beziehungsweise nicht für grosse anfängliche Belastungen ausgelegt sein müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es folglich einen Umrichter anzugeben, der ein behutsames Aufladen des Gelichspannungszwischenkreises ermöglicht. Weiter soll ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Umrichters angegeben werden.
Erfindungsgemäss wird auf Aufgabe durch den Umrichter gemäss Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäss Anspruch 7 gelöst.
Erfindungsgemäss weist der Umrichter einen Gleichspannungszwischenkreis und zumindest ein mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbundenes Phasenmodul mit einem davon abgehenden Phasenleiter auf, wobei der Gleichspannungszwischenkreis (14) einen positiven Potentialanschluss, einen negativen Potentialanschluss und einen
Mittelpunktanschluss aufweist und zwischen dem positiven Potentialanschluss und dem Mittelpunktanschluss ein erster Energiespeicher und zwischen dem Mittelpunktanschluss und dem negativen Potentialanschluss ein zweiten Energiespeicher angeschlossen ist, wobei der Phasenleiter über eine erste Diode mit dem positiven Potentialanschluss, und über ein zweite Diode mit dem negativen Potentialanschluss verbunden ist, und wobei der Umrichter weiter eine Energieversorgung zum Aufladen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers aufweist, welche Energieversorgung einerseits mit dem Mittelpunktanschluss und andererseits mit dem Phasenleiter über einen Schalter verbunden ist. Der erfindungsgemässe Umrichter weist folglich die Energieversorgung auf, die zum
Aufladen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers bestimmt ist. Die Energieversorgung ermöglicht ein äusserst einfaches Aufladen des ersten Energiespeichers wie auch des zweiten Energiespeichers. Zum Aufladen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers ist folglich ein Gleichrichter nicht notwendig.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Umrichters ist die Energieversorgung durch einen Transformator ausgebildet, wobei der Transformator auf seiner sekundären Seite einphasig ausgebildet ist und auf seiner primären Seite mit einem Versorgungsnetz verbindbar ist.
Diese bevorzugte Ausführungsform des Umrichters ermöglicht ein besonders einfaches Aufladen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers. Es wird lediglich die erste Diode und die zweite Diode des Phasenmoduls benötigt.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Umrichters sind in einem ersten Stromkreis der erste Energiespeicher über den Mittelpunktanschluss mit der Energieversorgung, diese Energieversorgung über den Phasenleiter mit der erste Diode und diese erste Diode mit dem positiven Potentialanschluss in Serie verbunden sind. Weiter sind in einem zweiten
Stromkreis der zweite Energiespeicher über den negative Potentialanschluss mit der zweiten Diode und diese zweite Diode über den Phasenleiter mit der Energieversorgung in Serie verbunden sind.
Diese bevorzugte Ausführungsform des Umrichters ermöglicht das besonders einfache Aufladen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers.
Gemäss einer bevorzugen Ausführungsform des Umrichters ist die erste Diode durch einen bidirektionalen Halbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung ausgebildet, und/oder ist die zweite Diode durch einen bidirektionalen Halbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung ausgebildet ist.
Diese bevorzugte Ausführungsform des Umrichters ermöglicht im Vergleich zu
herkömmlichen Umrichtern, welche typischerweise bidirektionalen Halbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung aufweisen, eine besonders einfache Ausgestaltung der Erfindung, da ausser der Energieversorgung keine wesentlichen neuen Elemente für den erfindungsgemässen Umrichter notwendig sind.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Umrichters weist das zumindest eine Phasenmodul einen dem Phasenmodul zugeordnete, weiteren Energiespeicher auf, welcher einerseits über einen zweiten, bidirektionalen Halbleiterschalter mit gesteuerter
unidirektionaler Stromführungsrichtung mit dem Mittelpunktanschluss und über die erste Diode mit dem Phasenleiter verbunden ist, und andererseits über einen ersten, bidirektionalen Halbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung mit dem Mittelpunktanschluss und über die zweite Diode mit dem Phasenleiter verbunden ist.
Bei dieser bevorzugte Ausführungsform des Umrichters ermöglicht wiederum die
Energieversorgung ein besonders einfaches Aufladen des weiteren Energiespeichers des Phasenmoduls.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Umrichters ist der dem
Phasenmodul zugeordnete, weitere Energiespeicher in einem dritten Stromkreis in Serie mit dem ersten, bidirektionalen Halbleiterschalter, der Energieversorgung und der ersten Diode angeschlossen, und in einem vierten Stromkreis ist der weitere Energiespeicher in Serie mit der zweiten Diode, der Energieversorgung und dem zweiten, bidirektionalen
Halbleiterschalter angeschlossen.
Diese Schaltung ermöglicht ein effizientes Aufladen des weiteren Energiespeichers mittels der Energieversorgung.
Erfindungsgemäss wird der erfindungsgemässe Umrichter wie folgt betrieben:
- Beaufschlagen der Energieversorgung mit einer Wechselspannung,
- Schliessen des Schalters,
- Aufladen des ersten Energiespeichers mit einer ersten Halbwelle des Stroms der
Energieversorgung und
- Aufladen des zweiten Energiespeichers mit einer zweiten Halbwelle des Stroms der Energieversorgung,
wobei der Umrichter einen Gleichspannungszwischenkreis und ein mit dem
Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbundenes Phasenmodul mit einem davon abgehenden Phasenleiter aufweist, wobei der Gleichspannungszwischenkreis zumindest einen positiven Potentialanschluss, einen negative Potentialanschluss und einen
Mittelpunktanschluss aufweist und zwischen dem positiven Potentialanschluss und dem Mittelpunktanschluss ein ersten Energiespeicher und zwischen dem Mittelpunktanschluss und dem negativen Potentialanschluss einen zweiten Energiespeicher aufweist, wobei der Phasenleiter über eine erste Diode mit dem positiven Potentialanschluss, und über eine zweite Diode mit dem negativen Potentialanschluss verbunden ist, und wobei der Umrichter weiter eine Energieversorgung aufweist, welche einerseits mit dem Mittelpunktanschluss und andererseits mit dem Phasenleiter über einen Schalter verbindbar ist.
Dieses erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht ein einfaches Laden des ersten
Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers mittels der Energieversorgung. Gemäss einer bevorzugen Ausführungsform der Erfindung weist das Phasenmodul ein dem Phasenmodul zugehörigen weiteren Energiespeicher auf, der einerseits über die erste Diode mit dem Phasenleiter und über einen zweiten Halbleiterschalter mit gesteuert unidirektionaler Stromführungsrichtung mit dem Mittelpunktanschluss verbunden ist und andererseits über die zweite Diode mit dem Phasenleiter und über einen ersten Halbleiterschalter mit gesteuert unidirektionaler Stromführungsrichtung mit dem Mittelpunkanschluss verbunden ist, wobei das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist
- Schliessen zumindest eines des ersten Halbleiterschalters und des zweiten
Halbleiterschalters
- Aufladen des zum Phasenmodul zugehörigen weiteren Energiespeichers mittels der Energieversorgung.
Dieses bevorzugte Verfahren ermöglicht ein einfaches Aufladen des weiteren
Energiespeichers des Phasenmoduls.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zum Phasenmodul zugehörigen weiteren Energiespeicher parallel zum Aufladen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers aufgeladen.
Dieses bevorzugte Verfahren ermöglicht ein schnelles wie auch sicheres Aufladen des weiteren Energiespeichers.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der erste Halbleiterschalters und der zweite Halbleiterschalter geschlossen, und der zum Phasenmodul zugehörige weiteren Energiespeichers mittels der positive und negativen Halbwelle der
Energieversorgung aufgeladen.
Diese bevorzuge Verfahren ermöglicht ein effizientes Aufladen des weiteren
Energiespeichers mittels einer Wechselspannungsquelle, beispielsweise einem
Transformator, der an ein Niederspannungsversorgungsnetz angeschossen ist.
Gemäss einem weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zumindest eine Phasenmodul ein erstes Phasenmodul und der Umrichter (10) weist ein zweites
Phasenmodul auf, wobei das zweite Phasenmodul einen dem zweiten Phasenmodul zugehörigen, weiteren Energiespeicher aufweist, der einerseits über eine erste Diode des zweiten Phasenmoduls mit einem weiteren Phasenleiter und über einen zweiten
Halbleiterschalter mit gesteuert unidirektionaler Stromführungsrichtung des zweiten
Phasenmoduls mit dem positiven Potentialanschluss verbunden ist und andererseits über eine zweite Diode des zweiten Phasenmoduls mit dem weiteren Phasenleiter und über einen ersten Halbleiterschalter mit gesteuert unidirektionaler Stromführungsrichtung des zweiten Phasenmoduls mit dem negativen Potentialanschluss verbunden ist, wobei das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist
- Schliessen des ersten Halbleiterschalters des zweiten Phasenmoduls und des zweiten Halbleiterschalters des zweiten Phasenmoduls
- Aufladen des zum zweiten Phasenmodul zugehörigen weiteren Energiespeichers mittels des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers des
Gleichspannungszwischenkreises.
Dieses Verfahren ermöglicht ein einfaches Laden eines weiteren Energiespeichers in einem zweiten Phasenmodul des Umrichters.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zum zweiten
Phasenmodul zugehörigen weiteren Energiespeichers parallel zum Aufladen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers aufgeladen.
Dieses bevorzugte Verfahren ermöglicht ein schnelles wie auch sicheres Aufladen des weiteren Energiespeichers des zweiten Phasenmoduls.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist des Verfahren folgende weitere Schritte auf:
- Verbinden des ersten Phasenleiters mit dem zweiten Phasenleiter,
- Öffnen des ersten Halbleiterschalters des ersten Phasenmoduls,
- Öffnen des zweiten Halbleiterschalters des zweiten Phasenmoduls,
- Schlissen des zweiten Halbeiterschalters des ersten Phasenmoduls ,
- Schlissen des ersten Halbeiterschalters des zweiten Phasenmoduls,
- Aufladen des weiteren Energiespeichers des ersten Phasenmoduls und des weiteren Energiespeichers des zweiten Phasenmoduls.
Dieses Verfahren ermöglicht es den weiteren Energiespeicher des ersten Phasenmoduls und den weiteren Energiespeicher des zweiten Phasenmoduls mittels des
Gleichspannungszwischenkreises zu Laden beziehungsweise die Ladung im weiteren Energiespeicher des ersten Phasenmoduls und des weiteren Energiespeichers des zweiten Phasenmoduls zu erhalten. Beispielsweise kann der Gleichspannungszwischenkreis wie oben beschrieben geladen werden oder, falls die Ladung im Gleichspannungszwischenkreis nur aufrecht zu halten ist, kann dies über den Gleichrichter des Umrichters erzielt werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren abhängigen Patentansprüche angegeben und ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugten
Ausführungsformen. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Diese bevorzugten
Ausführungsformen der Erfindung stellen nicht einschränkende Beispiele der Erfindung dar.
Die Zeichnung zeigt rein schematisch
Fig. 1 einen Umrichter, welcher einerseits an ein Versorgungsnetz angeschlossen ist und andererseits an eine Last, wobei weiter eine Energieversorgung an den Umrichter angeschlossen ist;
Fig. 2 eine Detailansicht des Umrichters aus Fig 1 ; und Fig. 3 ein Phasenmodul des Umrichters.
FIG. 1 zeigt einen Umrichter 10. Dieser weist netzseitig einen bekannten Gleichrichter 12 auf, der beispielhaft als Diodengleichrichter ausgebildet ist. Der gezeigte Gleichrichter 12 ist als 24-Puls-Gleichrichter ausgeführt. Andere Ausführungen sind ebenfalls möglich. Der Gleichrichter 12 ist über einen Transformator 13 und einen Schalter mit dem
Versorgungsnetz 15 verbunden. Das Versorgungsnetz kann beispielsweise ein
Mittelspannungsversorgungsnetz sein und weist beispielsweise eine Spannung zwischen 1 kV und 30 kV, bevorzugt zwischen 5 kV und 10 kV auf und ist dreiphasig ausgeführt.
Gleichspannungsseitig ist der Gleichrichter 12 mit einem Gleichspannungszwischenkreis 14 verbunden.
Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, weist der Gleichspanungszwischenkreis 14 einen positiven Potentialanschluss +VDC und einen negative Potentialanschluss -VDC auf. Im
Gleichspannungszwischenkreis 14 sind zwischen dem positiven Potentialanschluss +VDC und dem negativen Potentialanschluss -VDC ein erster Energiespeicher 16 und ein zweiter Energiespeicher 18 in Serie zueinander angeordnet. Der Mittelpunk zwischen dem ersten Energiespeicher 16 und dem zweiten Energiespeicher 18 bildet einen Mittelpunktanschluss NP.
Typischerweise sind der erste Energiespeicher 16 und der zweite Energiespeicher 18 je durch einen Kondensator oder durch mehrere Kondensatoren ausgebildet.
An den Gleichspannungszwischenkreis 14 ist ein Wechselrichter 22 angeschlossen, welcher durch den Gleichspannungszwischenkreis 14 gespeist wird. Der gezeigte Wechselrichter 22 ist dreiphasig ausgebildet, könnte jedoch auch zweiphasig oder mehr als dreiphasig ausgebildet sein. Für jede Phase u,v,w weist der Wechselrichter 22 ein Phasenmodul 24, 26, 28 auf, welches eingangsseitig mit dem Gleichspannungszwischenkreis 14 verbunden ist und ausgangsseitig einen Phasenleiter Lu, Lv, Lw aufweist, der schaltbar zumindest mit dem positiven Potentialanschluss +VDC, dem Mittelpunkanschluss NP oder dem negativen Potentialanschluss -VDC verbindbar ist.
Wie Fig. 3 im Detail zeigt und auch aus Fig. 2 hervorgeht, weist jedes Phasenmodul 24, 26, 28 sechs in Serie geschaltete bidirektionale Halbleiterschalter 31 , 32, 33, 34, 35, 36 mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung auf, welche folglich an fünf Sternpunkten 41 , 42, 43, 44, 45 miteinander verbunden sind.
Der dritte Halbleiterschalter 33 ist einerseits mit dem positiven Spannungspotential +VDC und dem vierten Sternpunkt 44 verbunden. Der zweite Halbleiterschalter 32 ist einerseits mit dem vierten Sternpunkt 44 und andererseits mit dem zweiten Sternpunkt 42 verbunden. Der fünfte Halbleiterschalter 35 ist einerseits mit dem zweiten Sternpunkt 42 und andererseits mit dem ersten Sternpunkt 41 verbunden. Der sechste Halbleiterschalter 36 ist einerseits mit dem ersten Sternpunkt 41 und andererseits mit dem fünften Sternpunkt 45 verbunden. Der erste Halbleiterschalter 31 ist einerseits mit dem fünften Sternpunkt 45 und andererseits mit dem dritten Sternpunkt 43 verbunden. Der vierte Halbleiterschalter 34 ist einerseits mit dem dritten Sternpunkt 43 und andererseits mit dem negativen Potentialanschluss -VDC verbunden.
Der fünfte bidirektionale Halbleiterschalter 35 mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung weist eine erste Diode 35' auf. Diese kann beispielsweise antiparallel zu einem IGBT ausgeführt oder durch eine in einen Halbleiterschalter integrierte Diode ausgebildet sein.
Der sechste bidirektionale Halbleiterschalter 36 mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung weist eine zweite Diode 36' auf. Diese kann beispielsweise antiparallel zu einem IGBT ausgeführt oder durch eine in einen Halbleiterschalter integrierte Diode ausgebildet sein.
Weiter weist jedes Phasenmodul 24, 26, 28 zwischen dem zweiten Sternpunkt 42 und dem fünften Sternpunkt 45 einen weiteren Energiespeicher 50 auf. Weiter ist der vierte Sternpunkt 44 über einen siebten bidirektionale Halbleiterschalter 37 mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung in Richtung zum Mittelpunktanschlusses NP hin mit dem Mittelpunktanschluss NP verbunden. Der Mittelpunktanschluss NP ist über einen achten bidirektionale Halbleiterschalter 38 mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung in Richtung zum dritten Sternpunktes 43 hin mit dem dritten Sternpunkt 43 verbunden.
Weiter ist der erste Sternpunkt 41 des Phasenmoduls 24 zur Phase u mit dem zugehörigen Phasenleiter Lu, der erste Sternpunkt 41 des Phasenmoduls 26 zur Phase v mit dem zugehörigen Phasenleiter Lv und der erste Sternpunkt 41 des Phasenmoduls 28 zur Phase w mit dem Phasenleiter Lw verbunden.
Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, weist der Umrichter 10 erfindungsgemäss eine Energieversorgung 60 auf, welche zwischen dem Mittelpunktanschluss NP und einem der Phasenleiter Lu, Lv, Lw angeordet ist, beispielsweise dem Phasenleiter Lu. Im Verbindungsleiter zwischen dem Mittelpunktanschluss NP und der Energieversorgung 60 ist ein Schalter 62 angeordnet, welcher jedoch auch zwischen der Energieversorgung 60 und dem Phasenleiter Lu sein könnte. Beispielsweise kann der Schalter 62 durch ein Hochspannungsrelais ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel ist die Energieversorgung 60 durch einen auf der Primärseite dreiphasig ausgebildeten Transformator ausgebildet, der sekundärseitig einphasig ist. Alternativ kann jede beliebige Wechselspannungsquelle verwendet werden, wie zum Beispiel ein Niederspannungsumrichter. Die Energiequelle 60 kann beispielsweise durch ein Niederspannungsnetz gespeist werden, welches typischerweise eine Spannung bis zu 1000 V aufweist, insbesondere zwischen 380 V und 690 V.
Wie in Fig. 1 gezeigt, kann am Ausgang des Wechselrichters 22 ein bekanntes Filter 64 vorhanden sein. Ausgangsseitig ist am Wechselrichter 22 beziehungsweise, falls ein Filter 64 vorhanden ist, am Filter 64 eine elektrische Last 66, insbesondre eine elektrische Maschine angeschlossen.
Die genannten bidirektionalen Halbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung sind jeweils durch einen IGBT mit antiparalleler Diode ausgeführt. Anstelle dieser Ausführung kann ein bidirektionaler Halbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung auch wie folgt ausgebildet sein, beispielsweise ein IGCT mit antiparalleler Diode.
Die Durchlassrichtung der Dioden des ersten Halbleiterschalters 31 , des zweiten Halbleiterschalters 32, des dritten Halbleiterschalters 33, des vierten Halbleiterschalters 34, des fünften Halbleiterschalters 35 und des sechsten Halbleiterschalters 36 jedes Phasenmoduls 24, 26, 28 ist jeweils zum positiven Spannungspotential +VDC hin, die Durchlassrichtung der Diode des siebten Halbleiterschalters 37 ist zum vierten Sternpunkt 44 hin und die Durchlassrichtung der Diode des achten Halbleiterschalters 38 ist vom dritten Sternpunkt 43 weg gerichtet.
Der erfindungsgemässe Umrichter 10 wird wie folgt betrieben.
Um den zunächst entladenen ersten Energiespeicher 16 und den ebenfalls zunächst entladenen zweiten Energiespeicher 18 zu laden, wird prinzipiell nur dasjenige Phasenmodul benötigt, welches über den Phasenleiter direkt mit der Energieversorgung 60 verbunden ist. Prinzipiell könnte die Energieversorgung 60 mit dem Phasenleiter Lu, dem Phasenleiter Lv oder dem Phasenleiter Lw verbunden sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Phasenleiter Lu und das Phasenmodul 24 gewählt. Ebenso wird nur dieses Phasenmodul 24 benötigt, um den weiteren Energiespeicher 50 zu laden. Die folgenden Ausführungen beziehen sich, sofern nichts anderes gesagt, nur auf das Phasenmodul 24, welches den Phasenleiter Lu aufweist und mit der Energieversorgung 60 direkt verbunden ist. Die weiteren Phasenmodule 26, 28 sind folglich zunächst optional.
Um den ersten Energiespeicher 16 und den zweiten Energiespeicher 18 zu laden werden zunächst alle Halbleiterschalter 31 , 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 geöffnet, sodass im Phasenmodul 24 kein Strom fliessen kann. Weiter wird der Schalter 62 geschlossen. Folglich kann ein Strom von der Energieversorgung 60 über den Phasenleiter Lu zum ersten Sternpunkt 41 fliessen und über den fünften Halbleiterschalter 35, den zweiten Halbleiterschalter 32 und den dritten Halbleiterschalter 33 zum ersten Energiespeicher 16. Weiter fliesst der Strom durch den ersten Energiespeicher 16 zurück zur Energieversorgung 60, wodurch der erste Energiespeicher 16 geladen wird. Weiter kann ein Strom von der Energieversorgung 60 durch den zweiten Energiespeicher 18, den vierten Halbleiterschalter 34, den ersten Halbleiterschalter 31 und den sechsten Halbleiterschalter 36 zum ersten Sternpunkt 41 und von dort über den Phasenleiter Lu zurück zur Energieversorgung 60 fliessen, wodurch der zweite Energiespeicher 18 geladen wird. Folglich kann der erste Energiespeicher 16 und der zweite Energiespeicher 18 effizient mittels der zwischen dem Mittelpunktanschluss NP und dem Phasenleiter Lu angeschlossenen Energieversorgung 60 geladen werden. Vorteilhaft erweist sich, dass durch die Energieversorgung 60 zwischen dem Mittelpunktanschluss NP und dem Phasenleiter Lu eine Wechselspannung anliegt.
Erfindungswesentlich bei der obigen Schaltung sind folglich die in den Halbleiterschaltern enthaltenen Dioden, insbesondere ist es wesentlich, dass zumindest eine erste Diode 35' zwischen dem Phasenleiter Lu und dem positiven Potentialanschluss +VDC derart angeordnet ist, dass ein Strom vom Phasenleiter Lu über die erste Diode 35' zum positiven Potentialanschluss +VDC fliessen kann. Weiter ist es wesentlich, dass zumindest eine zweite Diode 36' zwischen dem negativen Potentialanschluss -VDC und dem Phasenleiter Lu derart angeordnet ist, dass ein Strom vom negativen Potentialanschluss -VDC zum Phasenleiter Lu fliessen kann. Die erste Diode 35' beziehungsweise deren Funktionalität kann beispielsweise durch den fünften Halbleiterschalter 35 und die zweite Diode 36' beziehungsweise deren Funktionalität kann beispielsweise durch den sechsten Halbleiterschalter 36 bereitgestellt werden. Anstelle einer Diode können auch mehrere Dioden in Serie zueinander und in derselben Durchgangsrichtung zueinander angeordnet werden.
Um den weiteren Energiespeicher 50 mittels der Energieversorgung 60 zu laden, wird der erste Halbeiterschalter 31 und/oder der zweite Halbleiterschalter 32 geschlossen. Bevorzugt wird der erste Halbleiterschalter 31 und/oder der zweite Halbleiterschalter 32 geschlossen bevor der Schalter 62 geschlossen wird, sodass beim Aufladen des ersten Energiespeichers 16, des zweiten Energiespeichers 18 und des weiteren Energiespeichers 50 die jeweiligen Spannungen miteinander ansteigen. Sobald die gewünschte Spannung im weiteren Energiespeicher 50 erreicht ist, wird der erste Halbleiterschalter 31 und der zweiten Halbleiterschalter 32 geöffnet. Falls gewünscht, was typischerweise der Fall ist, kann die Spannung im ersten Energiespeicher 16 und im zweiten Energiespeicher 18 wie oben beschrieben weiter erhöht werden.
Falls der erste Halbeiterschalter 31 geschlossen ist, kann ein Strom von der Energieversorgung 60 über den ersten Sternpunkt 41 zum zweiten Sternpunkt 42 fliessen. Vom zweiten Sternpunkt 42 fliesst der Strom über den weiteren Energiespeicher 50 und den ersten Halbleiterschalter 31 zum dritten Sternpunkt 43 und zurück über den Mittelpunktanschluss NP zur Energieversorgung 60. Zwischen dem dritten Sternpunkt 43 und dem Mittelpunktanschluss NP ist eine dritte Diode 38' angeordnet, die beispielsweise durch den achten Halbleiterschalter 38 realisiert sein kann. Die Durchlassrichtung der dritten Diode 38' ist derart gewählt, dass der Strom vom dritten Sternpunkt 43 zum Mittelpunktanschluss NP fliessen kann.
Falls der zweite Halbeiterschalter 32 geschlossen ist, kann ein Strom von der Energieversorgung 60 über den vierten Sternpunkt 44 und durch den geschlossenen zweiten Halbleiterschalter 32 zum zweiten Sternpunkt 42 fliessen. Weiter fliesst der Strom vom zweiten Sternpunkt 42 über den weiteren Energiespeicher 50 zum fünften Sternpunkt 45 und weiter über den ersten Sternpunkt 41 zur Energieversorgung 60 zurück. Zwischen dem vierten Sternpunkt 44 und dem Mittelpunktanschluss NP ist eine vierte Diode 37' angeordnet, die beispielsweise durch den sieben Halbleiterschalter 37 realisiert sein kann. Die Durchlassrichtung der vierten Diode 37' ist derart gewählt, dass der Strom vom Mittelpunktanschluss NP zum vierten Sternpunkt 44 fliessen kann.
Folglich wird der weitere Energiespeicher 50 geladen.
Der erste Halbleiterschalter 31 und der zweite Halbleiterschalter 32 werden geöffnet sobald der weitere Energiespeicher 50 die gewünschte Spannung erreicht hat. Weiter wird der Schalter 62 geöffnet, sobald der erste Energiespeicher 16 und der zweite Energiespeicher 18 die gewünschten Spannungen erreicht haben.
Typischerweise weist, wie in Fig. 2 gezeigt, der Umrichter neben dem Phasenmodul 24 für die Phase u weitere Phasenmodule 26, 28 für die Phasen v, w auf, wobei diese gleich zum oben beschriebenen Phasenmodul 24 für die Phase u ausgebildet sind und somit insbesondere weitere Energiespeicher 50 aufweisen. Die weiteren Energiespeicher 50 der weiteren Phasenmodule 26, 28 werden gleichzeitig wie der weitere Energiespeicher 50 des Phasenmoduls 24 geladen. Der Ladevorgang der weiteren Energiespeicher 50 der Phasenmodule 24, 26, 28 findet gleichzeitig statt.
Der weitere Energiespeicher 50 des Phasenmoduls 26 zur Phase v wird wie folgt geladen.
Um den weiteren Energiespeicher 50 des Phasenmoduls 26 zur Phase v zu laden, werden im Phasenmodul 26 der dritte Halbeiterschalter 33, der zweite Halbleiterschalter 32, der erste Halbleiterschalter 31 und der vierte Halbeiterschalter 34 geschlossen. Folglich ist im Phasenmodul 26 ein Strompfad vom positiven Potentialanschluss +VDC durch den dritten Halbleiterschalter 33, den zweiten Halbeiterschalter 32, den weiteren Energiespeicher 50, den ersten Halbleiterschalter 31 und den vierten Halbleiterschalter 34 ausgebildet und der weitere Energiespeicher 50 wird parallel zum Gleichspannungszwischenkreis 14 geladen. Sobald der weitere Energiespeicher 50 geladen ist, wird zumindest einer und bevorzugt alle Halbeiterschalter 31 , 32, 33, 34, die vorhin geschlossen wurden, wieder geöffnet.
Falls der Umrichter weitere Phasenmodule, insbesondere das Phasenmodul 28 zur Phase w aufweist, wird der weitere Energiespeicher 50 in dem bzw. den jeweiligen Phasenmodulen analog und gleichzeitig zum weiteren Energiespeicher 50 im Phasenmodul 26 zur Phase v aufgeladen.
Im Weiteren wird beschrieben, wie eine Ladungserhaltung des ersten Energiespeichers 16 und des zweiten Energiespeichers 18 des Gleichspannungszwischenkreises 14 wie auch der weiteren Energiespeicher 50 in den Phasenmodulen 24, 26, 28 erfolgt.
Die Ladung des ersten Energiespeichers 16 und des zweiten Energiespeichers 18 des Gleichspannungszwischenkreises 14 wird typischerweise mittels des Gleichrichters 12 aufrecht erhalten, könnte aber auch wie oben beschreiben mit der Energieversorgung 60 aufgeladen beziehungsweise aufrecht erhalten werden. Es wird wiederum davon ausgegangen, dass alle Halbleiterschalter zunächst geöffnet sind.
Bei geöffnetem Schalter 62, werden in einem ersten Phasenmodul 24' und einem zweiten Phasenmodul 26' der Phasenmodule 24, 26, 28 des Umrichters 10 folgende Halbeiterschalter geschlossen. Im ersten Phasenmodul 24', beispielsweise im Phasenmodul 24 zur Phase u, wird der dritte Halbeiterschalter 33 und der zweite Halbeiterschalter 32 geschlossen, wobei die weitern Halbleiterschalter des ersten Phasenmoduls 24' geöffnet bleiben. Im zweiten Phasenmodul 26', beispielsweise im Phasenmodul 26 zur Phase v, wird der erste Halbleiterschalter 31 und der vierte Halbeiterschalter 34 geschlossen, wobei die weiteren Halbleiterschalter des zweiten Phasenmoduls 26' geöffnet bleiben. Weiter wird im Folgenden davon ausgegangen, dass der Phasenleiter Lu mit dem Phasenleiter Lv verbunden ist, beispielsweise über eine Induktivität einer elektrischen Maschine 66 oder auch durch einen geeigneten Strompfad in einem allenfalls vorhandenen Filter 64. Folglich ist der folgende Strompfad ausgebildet. Vom positiven Potentialanschluss +VDC führt der Strompfad im ersten Phasenmodul 24' über den dritten Halbleiterschalter 33 und den zweiten Halbleiterschalter 32 über den weiteren Energiespeicher 50 zum fünften Sternpunkt 45 und über die zweite Diode 36' zum Phasenleiter Lu. Über den Phasenleiter Lu und den Phasenleiter Lv führt der Strompfad zum zweiten Phasenmodul 26'. Im zweiten Phasenmodul 26' führt der Strompfad vom ersten Sternpunkt 41 über die erste Diode 35' zum zweiten Sternpunkt 42 und von diesem über den weiteren Energiespeicher 50, den ersten Halbleiterschalter 31 und den vierten Halbleiterschalter 34 zum negativen Potentialanschluss -VDC. Folglich kann durch den beschriebenen Strompfad ein Strom durch den weiteren Energiespeicher 50 des ersten Phasenmoduls 24' wie auch durch den weiteren Energiespeicher 50 des zweiten Phasenmoduls 26' fliessen, wodurch diese geladen werden. Sobald die weiteren Energiespeicher 50 des ersten Phasenmoduls 24' und des zweiten Phasenmoduls 26' die gewünschte Spannung erreicht haben, wird der Strompfad geöffnet.
Auf analoge Weise können auch die weiteren Energiespeicher 50 des Phasenmoduls 26 zur Phase v und des Phasenmoduls 28 zur Phase w aufgeladen werden. Ebenso können die weiteren Energiespeicher 50 des Phasenmoduls 28 zur Phase w und des Phasenmoduls 24 zur Phase u aufgeladen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gleichrichter anstelle durch den oben beschriebenen Diodengleichrichter durch einen aktiven Gleichrichter ausgebildet. Dieser weist beispielsweise für jede Phase ein Phasenmodul auf, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die Phasenleiter der Phasenmodule werden mit an den in Fig. 1 gezeigten Transformator 13 angeschlossen. Gleichspannungsseitig, werden die Phasenmodule an den Gleichspannungszwischenkreis 14 angeschlossen. Der Ladevorgang für das Aufladen der weiteren Energiespeicher 50 in den Phasenmodulen des aktiven Gleichrichters erfolgt analog zum Aufladen des weiteren Energiespeichers 50 im Phasenmodul 26 für die Phase v.
Bezugszeichenliste
10 Umrichter
12 Gleichrichter
13 Transformator
14 Gleichspannungszwischenkreis
15 Versorgungsnetz
16 erster Energiespeicher 18 zweiter Energiespeicher 22 Wechselrichter
24 Phasenmodul für die Phase u
24' erstes Phasenmodul
26 Phasenmodul für die Phase v
26' zweites Phasenmodul
28 Phasenmodul für die Phase w
31 erster Halbleiterschalter
32 zweiter Halbleiterschalter
33 dritter Halbleiterschalter
34 vierter Halbleiterschalter
35 fünfter Halbleiterschalter 35' erste Diode
36 sechster Halbleiterschalter 36' zweite Diode
37 siebter Halbleiterschalter 37' vierte Diode
38 achte Halbleiterschalter 38' dritte Diode
41 erster Sternpunkt
42 zweiter Sternpunkt
43 dritter Sternpunkt
44 vierter Sternpunkt
45 fünfter Sternpunkt
50 weiterer Energiespeicher
60 Energieversorgung
62 Schalter
64 Filter
66 Last
+VDC positiver Potentialanschluss
-VDC negativer Potentialanschluss
NP Mittelpunktanschluss u, v, w Phasen
Lu Phasenleiter zur Phase u
Lv Phasenleiter zur Phase v
Lw Phasenleiter zur Phase w

Claims

WO 2014/076138 " 1 ° " PCT/EP2013/073743 Patentansprüche
1 . Umrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis (14) und zumindest einem mit dem Gleichspannungszwischenkreis (14) elektrisch verbundenen Phasenmodul (24) mit einem davon abgehenden Phasenleiter (Lu),
wobei der Gleichspannungszwischenkreis (14) einen positiven Potentialanschluss (+VDc), einen negativen Potentialanschluss (-VDC) und einen Mittelpunktanschluss (NP) aufweist und zwischen dem positiven Potentialanschluss (+VDC) und dem Mittelpunktanschluss (NP) ein erster Energiespeicher (16) und zwischen dem Mittelpunktanschluss (NP) und dem negativen Potentialanschluss (-VDC) ein zweiten Energiespeicher (18) angeschlossen ist,
wobei der Phasenleiter (Lu) über eine erste Diode (35') mit dem positiven
Potentialanschluss (+VDC), und über ein zweite Diode (36') mit dem negativen Potentialanschluss (-VDC) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Umrichter weiter eine Energieversorgung (60) zum Aufladen des ersten
Energiespeichers (16) und des zweiten Energiespeichers (18) aufweist, welche Energieversorgung (60) einerseits mit dem Mittelpunktanschluss (NP) und andererseits mit dem Phasenleiter (Lu) über einen Schalter (62) verbunden ist.
2. Umrichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung (60) ein Transformator ist, auf seiner sekundären Seite einphasig ausgebildet ist und auf seiner primären Seite mit einem Versorgungsnetz verbindbar ist.
3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Stromkreis der erste Energiespeicher (16) über den Mittelpunktanschluss (NP) mit der Energieversorgung (60), diese über den Phasenleiter (Lu) mit der erste Diode (35') und diese erste Diode (35') mit dem positiven Potentialanschluss (+VDC) in Serie verbunden sind, und dass in einem zweiten Stromkreis der zweite Energiespeicher (18) über den negative Potentialanschluss (-VDC) mit der zweiten Diode (36') und diese zweite Diode (36') über den Phasenleiter (Lu) mit der Energieversorgung (60) in Serie verbunden sind.
4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diode (35') durch einen bidirektionalen Halbleiterschalter (35) mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung ausgebildet ist, und/oder die zweite Diode (36') durch einen bidirektionalen Halbleiterschalter (36) mit gesteuerter
unidirektionaler Stromführungsrichtung ausgebildet ist.
5. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Phasenmodul (24) einen dem Phasenmodul (24) zugeordnete, weiteren Energiespeicher (50) aufweist, welcher einerseits über einen zweiten, bidirektionalen Halbleiterschalter (32) mit gesteuerter unidirektionaler
Stromführungsrichtung mit dem Mittelpunktanschluss (NP) und über die erste Diode (35') mit dem Phasenleiter (Lu) verbunden ist und andererseits über einen ersten, bidirektionalen Halbleiterschalter (31 ) mit gesteuerter unidirektionaler
Stromführungsrichtung mit dem Mittelpunktanschluss (NP) und über die zweite Diode (36') mit dem Phasenleiter (Lu) verbunden ist.
6. Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Phasenmodul (24) zugeordnete, weitere Energiespeicher (50) in einem dritten Stromkreis in Serie mit dem ersten, bidirektionalen Halbleiterschalter (31 ), der Energieversorgung (60) und der ersten Diode (35') angeschlossen ist, und dass in einem vierten Stromkreis der weitere Energiespeicher (50) in Serie mit der zweiten Diode (36'), der
Energieversorgung (60) und dem zweiten, bidirektionalen Halbleiterschalter (32) angeschlossen ist.
7. Verfahren zum Betreiben eines Umrichters, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Gleichspannungszwischenkreis (14) und einem mit dem
Gleichspannungszwischenkreis (14) elektrisch verbundenen Phasenmodul (24) mit einem davon abgehenden Phasenleiter (Lu),
wobei der Gleichspannungszwischenkreis (14) zumindest einen positiven Potentialanschluss (+VDC), einen negative Potentialanschluss (-VDC) und einen
Mittelpunktanschluss (NP) aufweist und zwischen dem positiven Potentialanschluss
(+VDc) und dem Mittelpunktanschluss (NP) ein ersten Energiespeicher (14) und zwischen dem Mittelpunktanschluss (NP) und dem negativen Potentialanschluss (-
VDC) einen zweiten Energiespeicher (18) aufweist,
wobei der Phasenleiter (Lu) über eine erste Diode (35') mit dem positiven
Potentialanschluss (+VDC), und über eine zweite Diode (36') mit dem negativen
Potentialanschluss (-VDC) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Umrichter weiter eine Energieversorgung (60) aufweist, welche einerseits mit dem
Mittelpunktanschluss (NP) und andererseits mit dem Phasenleiter (Lu) über einen
Schalter (62) verbindbar ist, und dass das Verfahren folgende Schritte umfasst
- Beaufschlagen der Energieversorgung (60) mit einer Wechselspannung,
- Schliessen des Schalters (62),
- Aufladen des ersten Energiespeichers (16) mit einer ersten Halbwelle des Stroms der Energieversorgung (60) und
- Aufladen des zweiten Energiespeichers (18) mit einer zweiten Halbwelle des Stroms der Energieversorgung (60).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Phasenmodul (24) einen dem Phasenmodul (24) zugehörigen weiteren
Energiespeicher (50) aufweist, der einerseits über die erste Diode (35') mit dem Phasenleiter (Lu) und über einen zweiten Halbleiterschalter (32) mit gesteuert unidirektionaler Stromführungsrichtung mit dem Mittelpunktanschluss (NP) verbunden ist und andererseits über die zweite Diode (36') mit dem Phasenleiter (Lu) und über einen ersten Halbleiterschalter (31 ) mit gesteuert unidirektionaler
Stromführungsrichtung mit dem Mittelpunkanschluss (NP) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist
- Schliessen zumindest eines des ersten Halbleiterschalters (31 ) und des zweiten Halbleiterschalters (32) - Aufladen des zum Phasenmodul (24) zugehörigen weiteren Energiespeichers (50) mittels der Energieversorgung (60).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufladen des zum Phasenmodul (24) zugehörigen weiteren Energiespeichers (50) parallel zum
Aufladen des ersten Energiespeichers (16) und des zweiten Energiespeichers (18) erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch
- Schliessen des ersten Halbleiterschalters (31 ) und des zweiten Halbleiterschalters (32), und
- Aufladen des zum Phasenmodul (24) zugehörigen weiteren Energiespeichers (50) mittels der positive und negativen Halbwelle der Energieversorgung (60).
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Phasenmodul (24) ein erstes Phasenmodul (24') ist und der
Umrichter (10) ein zweites Phasenmodul (26') aufweist, wobei das zweite
Phasenmodul (26') einen dem zweiten Phasenmodul (26') zugehörigen, weiteren Energiespeicher (50) aufweist, der einerseits über eine erste Diode (35') des zweiten Phasenmoduls (26') mit einem weiteren Phasenleiter (Lv) und über einen zweiten Halbleiterschalter (32) mit gesteuert unidirektionaler Stromführungsrichtung des zweiten Phasenmoduls (26') mit dem positiven Potentialanschluss (+VDC) verbunden ist und andererseits über eine zweite Diode (36') des zweiten Phasenmoduls (26') mit dem weiteren Phasenleiter (Lv) und über einen ersten Halbleiterschalter (31 ) mit gesteuert unidirektionaler Stromführungsrichtung des zweiten Phasenmoduls (26') mit dem negativen Potentialanschluss (-VDC) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist
- Schliessen des ersten Halbleiterschalters (31 ) des zweiten Phasenmoduls (26') und des zweiten Halbleiterschalters (32) des zweiten Phasenmoduls (26')
- Aufladen des zum zweiten Phasenmodul (26') zugehörigen weiteren
Energiespeichers (50).
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aufladen des zum zweiten Phasenmodul (26') zugehörigen weiteren Energiespeichers (50) parallel zum Aufladen des ersten Energiespeichers (16) und des zweiten Energiespeichers (18) erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12 gekennzeichnet durch,
- Verbinden des ersten Phasenleiters (Lu) mit dem zweiten Phasenleiter (Lv, Lw),
- Öffnen des ersten Halbleiterschalters (31 ) des ersten Phasenmoduls (24'),
- Öffnen des zweiten Halbleiterschalters (32) des zweiten Phasenmoduls (26'),
- Schlissen des zweiten Halbeiterschalters (32) des ersten Phasenmoduls (24'),
- Schlissen des ersten Halbeiterschalters (31 ) des zweiten Phasenmoduls (26'),
- Aufladen des weiteren Energiespeichers (50) des ersten Phasenmoduls (24') und des weiteren Energiespeichers (50) des zweiten Phasenmoduls (26').
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch
Verbinden des ersten Phasenleiters (Lu) mit dem zweiten Phasenleiter (Lv) über eine Induktion.
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