Umrichter mit redundanter Schaltungstopologie Die Erfindung betrifft einen Umrichter für ein Flugzeug. Der Umrichter weist einen Zwischenkreis auf, über welchen mehrere Gleichrichter mit mehreren Wechselrichtern gekoppelt sind. Zu der Erfindung gehört auch ein Flugzeug mit dem erfindungsge ^¬ mäßen Umrichter.

Umrichter in elektrisch angetriebenen Flugzeugen benötigen ein Redundanzkonzept. Die Redundanz kann durch eine Parallel ^¬ schaltung von mehreren Wechselrichtern und aktiven Gleichrichtern erzeugt werden. In einer Parallelschaltung muss der Leistungsfluss aber über Schütze gesteuert werden. Denn im Fehlerfall wird die fehlerhafte Baugruppe über die Schütze aus dem Antriebssystem weggeschaltet. Die Schütze sind auf ^¬ grund der hohen zu schaltenden Ströme in ihrer Bauform jedoch sehr groß. Das Gewicht der Schütze ist für die Anwendung im Flugzeug unvorteilhaft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Flugzeug einen redundanten Umrichter bereitzustellen, der eine kompakte Bauform aufweist.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa ^¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin ^¬ dung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben .

Die Erfindung umfasst einen Flugzeug-Umrichter, d.h. einen Umrichter für ein Flugzeug. Der Umrichter weist einen Zwischenkreis zum Bereitstellen einer Gleichspannung zwischen einer Plusleitung und einer Minusleitung auf. Eingangsseitig sind am Zwischenkreis mindestens zwei Gleichrichter ange ^¬ schlossen, die zum Erzeugen der Gleichspannung aus Eingangs- Wechselspannungen ausgelegt sind. Die Eingangs- Wechselspannungen können aus einem mehrphasigen, beispiels- weise einem dreiphasigen, Versorgungssystem empfangen werden, beispielsweise einem Generator. Bei den Gleichrichtern kann es sich um passive oder aktive Gleichrichter handeln. Aus- gangsseitig sind am Zwischenkreis mindestens zwei Wechsel- richter angeschlossen, die zum Erzeugen von Ausgangs- Wechselspannungen aus der Gleichspannung ausgelegt sind. Die Ausgangs-Wechselspannungen eines Wechselrichters können ein mehrphasiges Spannungssystem bilden, insbesondere ein drei ^¬ phasiges Spannungssystem.

Um nun den Umrichter kompakt ausgestalten zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Gleichspannungsanschlüsse der Gleichrichter zu einer ersten Reihenschaltung verschaltet sind. Der Gleichspannungsanschluss eines Gleichrichters ist sein Gleichspannungsausgang. Des Weiteren sind Gleichspannungsanschlüsse der Wechselrichter zu einer zweiten Reihenschaltung verschaltet. Der Gleichspannungsanschluss eines Wechselrichters ist sein Gleichspannungseingang. Die Gleichrichter und die Wechselrichter sind somit jeweils nicht pa- rallel zueinander an den Zwischenkreis angeschlossen, sondern in einer Reihenschaltung. Die Plusleitung und die Minusleitung des Zwischenkreises sind eingangsseitig über die erste Reihenschaltung, d. h. über die Gleichrichter, und ausgangs- seitig über die zweite Reihenschaltung, d. h. über die Wech- selrichter, miteinander verbunden. Zumindest einer der

Gleichspannungsanschlüsse weist eine Kurzschlussschaltung zum Kurzschließen von Anschlusskontakten des Gleichspannungsanschlusses auf. Über die Anschlusskontakte ist der Gleichspan ^¬ nungsanschluss in die jeweilige Reihenschaltung geschaltet. Durch Schließen der Kurzschlussschaltung werden die Anschlusskontakte kurzgeschlossen. Mit anderen Worten ist der jeweilige Gleichrichter oder Wechselrichter dann in der Reihenschaltung wirkungslos. Durch Öffnen der Kurzschlussschal ^¬ tung wird der durch die Reihenschaltung fließende Strom über den Gleichrichter oder den Wechselrichter geführt.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass zum Zu ^¬ schalten oder Wegschalten eines Gleichrichters oder Wechsel- richters im Gleichspannungs-Zwischenkreis lediglich eine ein ^¬ fache Kurzschlussschaltung nötig ist anstelle von Schützen, die mehrphasige Wechselspannungs-Leitungen und Gleichspannungsleitungen schalten können müssen, wie es bei der Paral- lelschaltung von Gleichrichtern und Wechselrichtern der Fall ist .

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.

Gemäß einer Weiterbildung ist bei mindestens einem Gleich- spannungsanschluss , der in einem Wechselrichter oder in einem Gleichrichter bereitgestellt sein kann, die Kurzschlussschal ^¬ tung durch einen die Anschlusskontakte des Gleichspannungsan- Schlusses verbindenden Halbleiterschalter Sl gebildet. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist unter einem Halbleiterschalter allgemein insbesondere ein IGBT ( Insulated-Gate Bipolar Transistor) oder ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) zu verstehen. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass ein einzelner Halbleiterschal ^¬ ter genügt, um den Gleichrichter oder Wechselrichter aus der Reihenschaltung auszukoppeln.

Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass bei mindestens ei- nem der Wechselrichter die Kurzschlussschaltung durch eine

Halbbrücke gebildet ist, die auch zum Erzeugen der Ausgangs- Wechselspannungen vorgesehen ist. Es wird also kein separater Halbleiterschalter verwendet. Die Halbbrücke ist zwischen die Anschlusskontakte des Gleichspannungsanschlusses geschaltet und kann ebenfalls zum Kurzschließen der Anschlusskontakte dienen. Hierbei ist aber zusätzlich vorgesehen, dass Wechselspannungsausgänge des Wechselrichters, über welche die Ausgangs-Wechselspannung an einen elektrischen Verbraucher übertragen werden kann ebenfalls für den Kurzschluss gerüstet sind. Hierzu ist vorgesehen, dass zusätzlich an den Wechsels ^¬ pannungsausgängen jeweils ein Halbleiterschalter zum Blockieren eines Stromes bei geschlossener Kurzschlussschaltung bereitgestellt ist. Mit anderen Worten ist bei der Halbbrücke der Kontaktpunkt zwischen den Halbleiterschaltern der Halbbrücke über einen weiteren Halbleiterschalter mit dem angeschlossenen Verbraucher gekoppelt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei geschlossener Kurzschlussschaltung, wenn also die Halbbrücke vollständig in einen elektrisch leitenden Zustand geschaltet ist und hierdurch die Anschlusskontakte kurzgeschlossen sind, kein Strom in den elektrischen Verbraucher abfließen kann. Hierdurch wird beispielsweise vermieden, dass ein elektrischer Verbraucher mit dem Wechselrichter wei- terhin elektrisch verbunden ist.

Eine Weiterbildung nutzt das gezielte oder steuerbare Zu ^¬ schalten und Abschalten eines Wechselrichters oder eines Gleichrichters über die Kurzschlussschaltung. Bei einer de- fekten Halbbrücke wird der zugehörige Gleichrichter oder

Wechselrichter im Betrieb des Umrichters vom Zwischenkreis entkoppelt. Bei dieser Weiterbildung weist mindestens einer der Gleichrichter und/oder mindestens einer der Wechselrichter jeweils mehrere Halbbrücken auf, die jeweils mindestens zwei Halbleiterschalter aufweisen. Eine Überwachungseinrichtung ist dazu ausgelegt, in den Halbbrücken einen defekten Halbleiterschalter zu detektieren, der dauerhaft in einen elektrisch leitenden Zustand geschaltet ist, d.h. in dem elektrisch leitenden Zustand verharrt. Bei einem Halbleiter- Schalter kann dies bei einer Zerstörung der Sperrschicht der Fall sein. Dies wird als Durchlegieren bezeichnet. Die Über ^¬ wachungseinrichtung ist des Weiteren dazu ausgelegt, die Kurzschlusseinrichtung desjenigen Gleichspannungsanschlusses, über welchen dieser defekte Halbleiterschalter in die Reihen- Schaltung geschaltet ist, kurz zu schließen. Dann kann aus dem Zwischenkreis kein Strom über den defekten Halbleiterschalter beispielsweise in einen angeschlossenen elektrischen Verbraucher fließen. Zum Detektieren des defekten Halbleiterschalters kann bei ^¬ spielsweise eine Treiberschaltung genutzt werden, die im Stand der Technik auch als Gate-Treiber bezeichnet wird. Mit ^¬ tels der Treiberschaltung kann eine über dem Halbleiterschal- ter abfallende elektrische Spannung erfasst werden. Ist ein Spannungswert dieser Spannung kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert, obwohl ein Schaltsignal den Halbleiterschalter in einen sperrenden Zustand schalten soll, so ist davon aus- zugehen, dass der Halbleiterschalter unkontrollierbar oder unsteuerbar dauerhaft in einem elektrisch leitenden Zustand verharrt. Alternativ dazu kann über die Schalterspannungen der nicht-defekten Halbleiterschalter ebenfalls ein dauerhaft leitender Halberleiterschalter erkannt werden, da der entste- hende Kurzschlussstrom eine Spannungserhöhung bewirkt.

Gemäß einer Weiterbildung sind in dem Zwischenkreis die Plus ^¬ leitung und die Minusleitung über eine Batterie verbunden. Mit Batterie ist hier ein elektrischer Akkumulator gemeint, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann und die

Energie Zwischenspeichern kann. Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass ein und dieselbe Batterie ohne Umschaltme ^¬ chanismen, wie beispielsweise einem Schütz, von allen Gleichrichtern und allen Wechselrichtern zum Speichern von Energie genutzt werden kann.

Die Gleichrichter und/oder die Wechselrichter weisen bevorzugt jeweils einen eigenen Glättungskondensator auf. Hierdurch wird die Spannung des Zwischenkreises auf die Gleich- richter bzw. Wechselrichter aufgeteilt und lokale Zwischenkreise gebildet.

Eine Weiterbildung verhindert, dass beim Kurzschließen der Gleichspannungsanschlüsse auch z.B. der Glättungskondensator oder Halbbrücken im Inneren des Gleichrichters oder Wechselrichters ebenfalls kurzgeschlossen werden. Diese Weiterbil ^¬ dung sieht vor, dass mindestens einer der Gleichspannungsanschlüsse eine Entkopplungsschaltung aufweist. Die Entkopp ^¬ lungsschaltung kann durch einen Halbleiterschalter S2 bereit- gestellt sein. Die Entkopplungsschaltung ist dazu ausgelegt, einen Strom zwischen dem Gleichspannungsanschluss und Halb ^¬ brücken des Gleichrichters oder Wechselrichters zumindest unidirektional zu blockieren. Unidirektional ist die Blockade bei einem Halbleiterschalter mit Diode. Die Entkopplungs ^¬ schaltung kann auch dazu ausgelegt sein, einen Strom zwischen einem Glättungskondensator und dem Gleichspannungsanschluss zumindest unidirektional zu blockieren.

Eine Weiterbildung nutzt aus, dass bei einem Gleichrichter oder bei einem Wechselrichter der Gleichspannungsanschluss sowohl eine Kurzschlussschaltung als auch eine Entkopplungsschaltung aufweisen kann. Bei dieser Weiterbildung ist eine Steuereinrichtung dazu ausgelegt, durch abwechselndes Schal ^¬ ten der Entkopplungsschaltung und der Kurzschlussschaltung einen Hochsetzstellerbetrieb oder einen

Tiefsetzstellerbetrieb des jeweiligen Gleichrichters oder Wechselrichters, der den Gleichspannungsanschluss aufweist, zu bewirken. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die von einem Gleichrichter bereitgestellte Teilspannung an die

Gleichspannung im Zwischenkreis angepasst werden. Genauso kann eine über dem Glättungskondensator abfallende Spannung unabhängig von der Gleichspannung des Zwischenkreises einge- stellt werden.

Zu der Erfindung gehört auch ein Flugzeug. Bei dem Flugzeug handelt es sich insbesondere um ein Starrflügelflugzeug. Das Flugzeug ist ein elektrisch angetriebenes Flugzeug, d. h. ein ePlane. Das Flugzeug weist einen elektrischen Antriebsmodus zum Antreiben eines Propellers des Flugzeugs auf. Der An ^¬ triebsmotor ist über einen Umrichter mit einem elektrischen Generator gekoppelt. Der Umrichter stellt eine Ausführungs ^¬ form des erfindungsgemäßen Umrichters dar. Der Generator kann beispielsweise durch eine Brennkraftmaschine, d.h. einen Ot ^¬ tomotor oder einen Dieselmotor oder eine Turbine, angetrieben sein. Für den Fall, dass das Flugzeug als Drehflügler ausge ^¬ staltet ist, stellt der Rotor des Flugzeugs den Propeller dar. Durch das erfindungsgemäße Flugzeug ergibt sich der Vor- teil, dass keine aufwendige Verschaltung der Gleichrichter und Wechselrichter des Umrichters über Schütze nötig ist, um einen redundanten Umrichter bereitzustellen. Das Flugzeug kann hierdurch besonders leicht und kompakt ausgestaltet sein .

Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Generator mindestens zwei unabhängige Mehrphasen-Spulenanordnungen, beispielsweise mindestens zwei unabhängige Dreiphasen-Spulenanordnungen, aufweist. Jede der Mehrphasen-Spulenanordnungen ist dabei an einem anderen Gleichrichter des Umrichters angeschlossen. Bei dieser Weiterbildung sind die Mehrphasen-Spulenanordnungen in demselben Generator, d. h. im selben Stator des Generators, angeordnet. Jede Spulenanordnung ist dabei dazu ausgelegt, in mehreren Wechselspannungs-Leitungen eine jeweilige Eingangs- Wechselspannung für den jeweiligen Gleichrichter bereitzustellen oder zu erzeugen. Diese Weiterbildung weist den Vor- teil auf, dass das Flugzeug auch generatorseitig redundant ausgelegt ist, ohne dass hierzu mehrere Generatoren nötig sind .

Eine Weiterbildung sieht entsprechend vor, dass der Antriebs- motor mindestens zwei unabhängige Mehrphasen- Spulenanordnungen aufweist und jede der Mehrphasen- Spulenanordnungen an einem anderen Wechselrichter des Umrichters angeschlossen ist. Mit anderen Worten weist ein Stator des Antriebsmotors mehrere unabhängige Mehrphasen- Spulenanordnungen, beispielsweise Dreiphasen- Spulenanordnungen, auf. Durch diese Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass mit nur einem einzelnen Antriebsmotors den ^¬ noch ein redundanter Antrieb für den Propeller bereitgestellt ist .

Falls eine Spulenanordnung des Generators oder des Antriebs ^¬ motors defekt ist, kann der entsprechende Gleichrichter oder Wechselrichter durch Aktivieren der Kurzschlussschaltung des Umrichters für diesen Gleichrichter oder Wechselrichter vom Umrichter entkoppelt werden.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung be ^¬ schrieben. Hierzu zeigt: FIG 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters;

FIG 2 eine schematische Darstellung einer Kurzschluss ^¬ schaltung gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters;

FIG 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters;

FIG 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichters mit passiven Gleichrichtern;

FIG 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flugzeugs.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han- delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiter- bilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

FIG 1 zeigt einen Umrichter 1 mit einer Gleichrichteranord- nung 2, einen Zwischenkreis 3 und einer Wechselrichteranord ^¬ nung 4. Über den Umrichter 1 können ein elektrischer Generator 5 und ein elektrischer Antriebsmotor 6 miteinander gekoppelt oder verschaltet sein. Die in FIG 1 gezeigte Anordnung kann beispielsweise in einem elektrisch angetriebenen Flugzeug bereitgestellt sein. Mittels des Antriebsmotors 6 kann ein Propeller des Flugzeugs angetrieben werden. Der Generator 5 kann beispielsweise durch eine (nicht dargestellte) Brenn- kraftmaschine angetrieben werden.

Die Gleichrichteranordnung 2 des Umrichters 1 weist in dem in FIG 1 gezeigten Beispiel zwei Gleichrichter 7 auf, die die gleiche Bauweise aufweisen können. Jeder Gleichrichter 7 kann mit einem Generatorspulensystem Gl, G2 des Generators 5 elektrisch über Wechselspannungsleitungen 8 gekoppelt sein. Die Generatorspulensysteme Gl, G2 sind zwei voneinander iso ^¬ lierte Wicklungssysteme zum jeweiligen Erzeugen eines Mehr ^¬ phasen-Drehstroms, beispielsweise eines Dreiphasen- Drehstroms. Die Generatorspulensysteme Gl, G2 stellen jeweils eine Mehrphasen-Spulenanordnung dar. Die beiden Generatorwicklungssysteme Gl, G2 können auch durch zwei unterschiedli ^¬ che Generatoren bereitgestellt sein. Jeder Gleichrichter 7 kann in an sich bekannter Weise Halbbrücken 9 aufweisen, um mit einer jeweiligen Halbbrücke 9 die über eine der Wechselspannungsleitungen 8 empfangene Ein- gangs-Wechselspannung in an sich bekannter Weise in eine Teilspannung 10 umzuwandeln. Die Teilspannung 10 ist eine Gleichspannung. Die Teilspannung 10 kann an einem Gleichspan- nungsanschluss 11 Anschlusskontakten 12 erzeugt oder bereit ^¬ gestellt werden. In FIG 1 sind die Gleichrichter 7 als aktive Gleichrichter ausgebildet. Die Halbbrücken 9 der aktiven Gleichrichter 7 weisen Halbleiterschalter 13 auf, von denen in FIG 1 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Jeder Gleichrichter 7 kann des Weiteren den Glättungskondensator C aufweisen, über welchem eine Teilspannung des Zwischenkreises 3 abfällt. Bei der Gleichrichteranordnung 2 sind die Gleichspannungsanschlüsse 11 zu einer Reihenschaltung 14 zusammengeschaltet. Durch die Reihenschaltung 14 sind eine Plusleitung 15 und ei- ne Minusleitung 16 des Zwischenkreises 3 miteinander verbunden .

Bei jedem Gleichrichter 7 ist ein Halbleiterschalter Sl be- reitgestellt, über welchen der jeweilige Gleichrichter 7 in Abhängigkeit von einem Steuersignal in die Reihenschaltung 14 zugeschaltet werden kann oder in der Reihenschaltung 14 wirkungslos geschaltet werden kann. Hierzu sind die Anschluss ^¬ kontakte 12 über den Halbleiterschalter Sl verschaltet.

Der Halbleiterschalter Sl stellt eine Kurzschlussschaltung des Gleichspannungsanschlusses 11 dar. Durch Schließen des Halbleiterschalters Sl werden die Anschlusskontakte 12 des Gleichspannungsanschlusses 11 kurzgeschlossen. Damit ist der Gleichrichter 7 in der Reihenschaltung 14 wirkungslos. Durch Öffnen des Halbleiterschalters Sl kann die Teilspannung 10 zwischen den Anschlusskontakten 12 bereitgestellt werden.

Der Gleichspannungsanschluss 11 kann des Weiteren einen Halb- leiterschalter S2 aufweisen, der eine Entkopplungsschaltung darstellt. Der Halbleiterschalter S2 verbindet einen der Anschlusskontakte 12 mit den Halbbrücken 9. Des Weiteren ist über den Halbleiterschalter S2 der Glättungskondensator C mit einem der Anschlusskontakte 12 verschaltet. Durch Öffnen des Halbleiterschalters S2 wird ein Stromfluss zwischen den Halb ^¬ brücken 9 und dem Anschlusskontakt 12 blockiert bzw. bei Vor ^¬ handensein einer Diode unidirektional blockiert. Genauso ist ein Stromfluss zwischen dem Glättungskondensator C und dem Anschlusskontakt 12 blockiert. Durch Schließen des Halblei- terschalters S2 sind die Halbbrücken mit dem Anschlusskontakt 12 verbunden. Entsprechendes gilt für den Glättungskondensa ^¬ tor C.

Die Halbleiterschalter 13 und die Halbleiterschalter Sl, S2 können jeweils als IGBT oder als MOSFET ausgestaltet sein. Die Halbleiterschalter Sl, S2 müssen insbesondere keine

Schütze sein. Die Halbleiterschalter 13, Sl, S2 können als Halbleitermodule oder kurz Submodule 17 bereitgestellt sein, so beispielsweise auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat eingeordnet sein.

Durch die Reihenschaltung 14 werden die Teilspannungen 10 zu einer Gleichspannung 18 aufsummiert, die im Zwischenkreis 3 zwischen dem Plusleiter 15 und dem Minusleiter 16 bereitgestellt wird. Der Plusleiter 15 und der Minusleiter 16 können jeweils beispielsweise durch einen Draht oder eine Strom ^¬ schiene bereitgestellt sein. Zum Speichern von elektrischer Energie kann der Zwischenkreis 3 eine Batterie B, beispiels ^¬ weise einen elektrochemischen Akkumulator mit galvanischen Zellen aufweisen. Die Batterie B muss keine Spannungsglättung der Gleichspannung 18 durchführen, da die Gleichrichter 7 eigene Glättungskondensatoren C aufweisen. In dem Zwischenkreis 3 können des Weiteren Drosseln L bereitgestellt sein, beispielsweise elektrische Spulen.

Der Antriebsmotor 6 kann ebenfalls zwei voneinander getrennte Motorspulensysteme Ml, M2 aufweisen. Die Motorspulensysteme Ml, M2 stellen jeweils eine Mehrphasen-Spulenanordnung dar. Die Motorspulensysteme Ml, M2 können auch in unterschiedli ^¬ chen Antriebsmotoren bereitgestellt sein.

Die Wechselrichteranordnung 4 weist in dem in FIG 1 gezeigten Beispiel zwei Wechselrichter 19 auf, von denen jeder jeweils über Wechselspannungsleitungen 20 mit einem anderen der Motorspulensysteme Ml, M2 verschaltet ist. Die Wechselrichter 19 können baugleich zu den Gleichrichtern 7 sein. Die Wechselrichter 19 können als Pulswechselrichter betrieben werden. Sie weisen dazu Halbbrücken 9 mit Halbleiterschaltern 13 auf. Von den Halbleiterschaltern 13 der Wechselrichter 9 sind der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Jeder Wechselrichter 19 kann einen Glättungskonden- sator C aufweisen.

Die Wechselrichter 19 sind über einen jeweiligen Gleichspan- nungsanschluss 11 mit dem Zwischenkreis 13 verschaltet, wobei Anschlusskontakte 12 der Gleichspannungsanschlüsse 11 zu ei- ner Reihenschaltung 21 verschaltet sind. Zwischen den Anschlusskontakten 12 der Wechselrichter 19 fällt jeweils eine Teilspannung 24 der Gleichspannung 18 ab. Die Gleichspannungsanschlüsse 11 der Wechselrichter 19 können jeweils einen Halbleiterschalter Sl aufweisen, durch welchen eine Kurzschlussschaltung für die Anschlusskontakte 12 gebil ^¬ det ist. Des Weiteren kann ein Halbleiterschalter S2 bereitgestellt sein, durch welchen eine Entkopplungschaltung be- reitgestellt ist, durch welche ein Stromfluss zwischen einen der Anschlusskontakte 12 und den Halbbrücken 13 und/oder der Glättungskondensator C durch Schließen des Halbleiterschalters S2 bewirkt werden kann. Hierzu sind der Anschlusskontakt 12 und die Halbbrücken 13 und/oder der Glättungskondensator C über den Halbleiterschalter S2 verschaltet.

Die Glättungskondensatoren C stellen jeweils einen lokalen Zwischenkreiskondensator dar. Der Umrichter 1 kann eine Steuereinrichtung 22 aufweisen, durch welche Halbleiterschalter 13, Sl, S2 geschaltet werden können, sodass sie zwischen einem elektrisch leitenden Zustand und einem elektrisch sperrenden Zustand wechseln. Die Halbleiterschalter 13, Sl, S2 der Wechselrichter 19 können jeweils in einem Wechselrichter 19 durch ein Submodul 23 bereitgestellt sein, das beispielsweise auf der Grundlage eines gemeinsamen Halbleitersubstrats gebildet sein kann. Die Steu ^¬ ereinrichtung 22 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikroprozessors oder MikroControllers gebildet sein. Die Steuereinrichtung 22 kann zumindest teilweise auf die Halb ^¬ brücken 9 verteilt sein. Beispielsweise kann sie Treiber ^¬ schaltungen der Halbleiterschalter 13 der Halbbrücken 9 umfassen . Durch die Reihenschaltung 14 sind die Gleichrichter 7 in Reihe geschaltet. Über die aktiven Gleichrichter 7 werden die Glättungskondensatoren C geladen. Die Teilspannung 10 eines Glättungskondensators C kann über die Generatorwicklungen der Generatorspulensysteme Gl, G2 und entsprechendes Takten der aktiven Gleichrichter 7 eingestellt werden. Über die Schalter Sl, S2 können die Gleichrichter 7 parallel zur Batterie ge ^¬ schaltet werden. Damit lässt sich die Batterie laden. Hierbei ergeben sich folgende Schaltkombinationen:

Bei jedem Wechselrichter 7 kann durch Öffnen von Sl und

Schließen von S2 das jeweilige Generatorspulensystem Gl oder G2 mit der Batterie B verbunden werden. Durch Schließen von Sl und Öffnen von S2 kann das jeweilige Generatorspulensystem Gl, G2 von der Batterie B getrennt werden. Die Teilspannungen 10 in den Gleichrichtern 7 können in der Summe größer sein als die Batteriespannung der Batterie B. Ohne

Tiefsetzstellerbetrieb müssen sie jedoch in der Summe mindes- tens der Batteriespannung entsprechen. Sollten beide Gleichrichter 7 in Betrieb sein, so ist die Teilspannung 10 der beiden Gleichrichter vorzugsweise gleich groß.

Auch bei den Wechselrichtern 19 ergeben sich mehrere Schalt- möglichkeiten auf der Grundlage der Halbleiterschalter Sl, S2 der Gleichspannungsanschlüsse 11 der Wechselrichter 19. Die Motorspulensysteme Ml, M2 werden jeweils über einen der Wechselrichter 19 angetrieben. Jeder Wechselrichter 19 stellt dabei einen Pulswechselrichter dar. Über die Halbleiterschalter Sl, S2 können die Wechselrichter 19 mit der Batterie B verbunden oder von dieser getrennt werden. Die Batteriespannung entspricht der Gleichspannung 18.

Die Teilspannungen 24 der Rettungskondensatoren C in den Wechselrichtern 19 können in Summe größer sein als die Batteriespannung. Sie müssen jedoch in der Summe mindestens der Batteriespannung entsprechen, wenn kein Hochsetzsteller im Betrieb vorgesehen ist. Sollten beide Wechselrichter 19 in Betrieb sein, dann ist die jeweilige Teilspannung 24 der beiden Wechselrichter vorzugsweise gleich groß. Mit den beschriebenen Schaltmöglichkeiten ergeben sich folgende Betriebsweisen des Umrichters, die beispielsweise durch die Steuereinrichtung 22 eingestellt werden können. In einer Betriebsweise ist ein Betrieb nur eines Gleichrich ^¬ ters 7 und nur eines Wechselrichter 19 möglich. Die anderen Gleichrichter 7 und Wechselrichter 19 sind von den Stromkreisen durch Schließen der Halbleiterschalter Sl getrennt. Dies ergibt eine kalte Redundanz im Umrichter 1. Das heißt im Feh- lerfall wird der Schalter Sl geöffnet und S2 geschlossen, wo ^¬ mit die bis dahin nicht versorgten Rettungskondensatoren C geladen werden. Mit anderen Worten werden die übrigen Gleichrichter oder Wechselrichter in die Reihenschaltung 14, 21 geschaltet .

Bei einer weiteren Betriebsweise sind alle Gleichrichter 7 und alle Wechselrichter 19 über offene Halbleiterschalter Sl und geschlossene Halbleiterschalter S2 in den Stromkreis ge ^¬ schaltet, das heißt in die jeweilige Reihenschaltung 14, 21 (heiße Redundanz) .

Zwischen der kalten Redundanz und der heißen Redundanz sind bei mehr als zwei Gleichrichtern/Wechselrichtern auch Zwischenformen möglich.

Bei einer weiteren Betriebsweise sind alle Gleichrichter 7 und alle Wechselrichter 19 in Betrieb, wobei eine Taktung der Halbleiterschalter Sl, S2 durchgeführt wird. Alle Gleichrichter und Wechselrichter sind über jeweils geöffneter Halblei- terschalter Sl und geschlossene Halbleiterschalter S2 mit einer abwechselnden Taktung von Sl und S2 in einem

Hochsetzstellerbetrieb oder einen Tiefsetzstellerbetrieb in den Stromkreis geschaltet. Die einzelnen Gleichrichter 7 werden vorzugsweise in ihren Halbbrücken 9 versetzt getaktet, um einen Stromrippel in den Drossel L zu reduzieren.

Im Fehlerfall eines der Gleichrichter 7 oder Wechselrichter 19 kann beispielsweise durch die Steuereinrichtung folgendes Verfahren durchgeführt werden. Im Fehlerfall eines Gleich ^¬ richters oder eines Wechselrichters kann dessen Halbleiter ^¬ schalter Sl geschlossen werden, womit der fehlerhafte Schaltungsteil vom Versorgungsstromkreis, d. h. dem Zwischenkreis 3, getrennt ist. Des Weiteren können im Falle eines defekten Wechselrichters 19 nach dem Entladen des Glättungskondensa- tors C die Halbleiterschalter 13 der Halbbrücken 9 geöffnet werden. Der Versorgungsstromkreis ist bei ihrem Verfahren für die anderen Gleichrichter und Wechselrichter nicht unterbro- chen.

Alternativ zum Halbleiterschalter Sl kann auch der Halbleiterschalter S2 zusammen mit einer Halbbrücke 9 eines Wechsel ^¬ richters 19 diesen Wechselrichter eingangsseitig kurzschlie- ßen, d. h. die Anschlusskontakte 12 kurzschließen. Dann stellt die geschlossene Halbbrücke 9 die Kurzschlussschaltung dieses Wechselrichters dar.

Weitere Schaltelemente können zusätzlichen Schutz im Fehler- fall bieten. FIG 2 zeigt hierzu eine Lösung für das Problem, dass aufgrund der neben einem IGBT parallel geschalteten Dioden (in FIG 2 nicht dargestellt) bei einem dauerhaften Kurz- schluss eines IGBTs die unmittelbar angeschlossene Wicklung eines Motorspulensystems kurzgeschlossen ist. Hierdurch ent- stehen Verluste in dem Antriebsmotor. Das Gleiche gilt für einen Generator. In FIG 2 ist lediglich für einen Wechselrichter 19 die Lösung gezeigt. Analog kann dieses auch bei einem Gleichrichter 7 erfolgen. Falls der dauerhafte Kurzschluss über einen der Halbleiter ^¬ schalter 13 unerwünscht ist, kann das Motorspulensystem Ml über zwei zusätzliche Halbleiterschalter S3 pro Wechselrichter oder Gleichrichter durch Schalten im Strom Nulldurchgang vom Wechselrichter 19 bzw. aktiven Gleichrichter 7 getrennt werden. Die zusätzlichen Halbleiterschalter S3 sind im Betrieb des Umrichters 1 geschlossen („normally on" genannt) . Die Halbleiterschalter S3 dienen zur Verhinderung einer kurz geschlossenen Wicklung im Fehlerfall einer der Halbbrücken 9, wenn einer der Halbleiterschalter 13 durchgehend im elektrisch leitenden Zustand ist.

Durch den Umrichter 1 ergibt sich insgesamt eine Schaltungs- topologie für einen modularen hochfrequenten Umrichter zur Erfüllung von Redundanzanforderungen in einem elektrisch angetriebenen Flugzeug. Es können baugleiche Submodule 17, 23 für die Anbindung des Generators und des Motors an die Batte ^¬ rie B verwendet werden. In FIG 1 ist gezeigt, wie eine zwei- fache Redundanz ohne Schütze bereitgestellt werden kann.

FIG 3 zeigt hierzu, wie die Topologie auf eine beliebige An ^¬ zahl von Submodulen erweitert werden kann, indem die Gleichrichteranordnung 2 und die Wechselrichteranordnung 4 insge- samt N Gleichrichter 7 bzw. N Wechselrichter 19 aufweisen. N ist hierbei eine ganze Zahl größer 1.

FIG 4 veranschaulicht, wie durch Abwandeln des Umrichters 1 die Gleichrichter 7 auf jeweils einen passiven Gleichrichter reduziert werden können, bei welchem anstelle der Halbleiterschalter 13 in den Halbbrücken 9 Dioden 25 bereitgestellt sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in FIG 4 nur einige Dioden 25 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Halbbrücken 9 selbst stellen hierbei jeweils eine Kurzschlussschaltung zum Überbrücken der jeweiligen Generatorspulensysteme Gl, G2, GN dar. Die Generatorspulensysteme Gl, G2, GN können hierbei je ^¬ weils, wie in FIG 2 veranschaulicht, über Schalter S3 mit den Diodengleichrichtern verschaltet sein. FIG 5 veranschaulicht, wie der Umrichter 1 beispielhaft in einem Flugzeug 26 bereitgestellt sein kann. FIG 4 zeigt ein Starrflügelflugzeug 26, bei welchem ein Propeller 27 durch den Antriebsmotor 6 angetrieben werden kann. Der Propeller 27 wird über eine Welle 28 durch den Antriebsmotor 6 rotiert. Der Antriebsmotor 6 ist in dem Beispiel eine elektrische Ma ^¬ schine, die im Motorbetrieb betrieben wird. Die Energie für den Antrieb des Propellers 27 kann durch eine Brennkraftma ^¬ schine 29 gewonnen werden, bei der es sich beispielsweise um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor oder eine Turbine handeln kann. Die Brennkraftmaschine 29 kann über eine Welle 30 den Generator 5 antreiben. Als elektrischer Generator kann eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb bereitgestellt sein. Eine Drehzahl der Welle 30 ist dabei unabhängig von einer Drehzahl der Welle 28. Hierzu wird die von dem Generator 5 erzeugte Wechselspannung in der beschriebenen Weise über den Umrichter 1 in Wechselspannung umgewandelt, die über die Wechselspannungs-Phasenleiter 9 in den Antriebsmotor 6 einge- speist werden kann. Eine Schaltfrequenz der Wechselrichter 7 wird hierbei durch die Steuereinrichtung 22 in Abhängigkeit von einer Solldrehzahl des Propellers 27 eingestellt. Die Solldrehzahl kann hierbei beispielsweise durch einen Piloten mittels eines (nicht dargestellten) Bedienelements einge- stellt oder vorgegeben werden.

Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine redundante Schaltungstopologie für einen ePlane-Umrichter oh ^¬ ne Schütze bereitgestellt werden kann.