Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Stromrichterschaltung und ein Stromrichterschaltungs system zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung und deren Verwendung, sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung durch eine Stromrichterschaltung.

Mobile elektrische Anwendungen, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, benötigen immer leistungsstärkere Traktionsbatterien und Akkumulatoren, um über längere Zeit ausreichend elektrische Energie geliefert zu bekommen. Für das Laden solcher leistungsstarken Traktionsbatterien mit Gleichstrom wird wegen hoher Schutzanforderungen an solche Ladestationen eine Potentialtrennung zwischen dem speisenden Wechselstromnetz und der an einer Traktionsbatterie anzulegenden Gleichspannung benötigt. Diese Potentialtrennung erfolgt im Stand der Technik entweder auf der Netzseite durch Transformatoren oder innerhalb eines Stromrichters durch den Einsatz eines hochfrequent getakteten Umrichters. Diese Umrichter in den Stromrichtern sind meist einphasig ausgeführt und werden aus einem vorgelagerten Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist. Für hohe Ladeleistungen über 100 kW sind Ladestationen mit netzseitigem Transformator oder einem Stromrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis und Umrichter sehr teuer. Ein wesentlicher Grund hierfür sind die Kosten der Wickelgüter und der Kondensatoren zur Energiezwischenspeicherung, welche für solche elektrischen Schaltungen der Ladestationen benötigt werden. Hierbei können geeignete Netztransformatoren nicht automatisiert hergestellt werden und zudem entstehen durch den hohen Materialaufwand für Eisenkerne und Wckelgüter hohe Herstellungskosten. Beim Einsatz von Umrichtern in diesem Leistungsbereich sind dabei die zu verwendenden Schaltfrequenzen vergleichsweise gering und zwingen deshalb zu einer manuellen und damit kostenintensiven Verdrahtung der Stromrichterschaltungen. Soll aber der Bereich Elektromobilität neben dem gewerblichen Umfeld auch eine breite Anwendung im privaten Einsatz finden, müssen leistungsfähige Schnellladeeinrichtungen deutlich günstiger werden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichterschaltung und ein Verfahren zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung bereitzustellen, welche geringere Kosten bei den zu verwendeten Wickelgütern und Energiespeichern verursacht und eine weitgehend automatisierte Fertigung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Stromrichterschaltung zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung, aufweisend: einen schaltbaren Eingangsstromrichter, einen schaltbaren Schwingkreisstromrichter, einen m-phasigen Transformator und eine Gleichrichterbrücke; wobei der Eingangsstromrichter konfiguriert ist, mit einem n-phasigen Stromnetz verbunden zu werden und bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo aus n Eingangsströmen einen pulsförmigen Ausgangsstrom zu erzeugen; wobei der Schwingkreisstromrichter m Phasen aufweist und konfiguriert ist, den pulsförmigen Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters in jeder der m Phasen bei einer Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz fo/m in einen Schwingkreisstrom umzuwandeln; wobei die m Schwingkreisströme in den m Phasen jeweils im Phasenwinkel zueinander verschoben sind; wobei jede der m Phasen des Schwingkreisstromrichters einen Schwingkreiskondensator aufweist und mit einer Hauptinduktivität der m-ten Phase des Transformators jeweils einen Parallelschwingkreis bildet; wobei jeweils der Schwingkreiskondensator der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters konfiguriert ist, einen Magnetisierungsstrom für die m-te Phase des Transformators bereitzustellen und der Transformator konfiguriert ist m sekundärseitige Ausgangsspannungen potentialgetrennt von der Primärseite des Transformators zu erzeugen; wobei die m Phasen des Transformators sekundärseitig mit der Gleichrichterbrücke verbunden sind und die Gleichrichterbrücke konfiguriert ist, die m sekundärseitige Ausgangsspannungen des Transformators gleichzurichten und an einem Ausgang die potentialgetrennte Gleichspannung bereitzustellen; und wobei n eine positive ganze Zahl ist und wobei m eine positive ganze Zahl größer gleich 2 ist.

Dabei bietet die Stromrichterschaltung den Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Stromrichtern mit Gleichspannungs-Zwischenkreis und Umrichter höhere Schaltfrequenzen möglich sind. Damit einhergehend ist eine Reduktion der Baugröße der eingesetzten Wickelgüter bei Eingangsinduktivitäten und Transformatoren möglich. Auf den Einsatz von großen und damit teuren Kondensatoren wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren zur Energiezwischenspeicherung im Gleichspannungs-Zwischenkreis kann dabei ganz verzichtet werden. Die für die Stromrichterschaltung einsetzbaren kleineren Wickelgüter und Kondensatoren können zudem leichter in einem automatisierten Herstellungsprozess der Stromrichterschaltung integriert werden und verbilligen neben den geringeren Materialkosten auch den Herstellungsprozess.

Die Stromrichterschaltung benötigt hierbei keinen Gleichspannungs-Zwischenkreis, sondern weist von der Eingangsseite in Richtung zum Ausgang betrachtet, einen Eingangsstromrichter, einen m-phasigen Schwingkreisstromrichter, einen m- phasigen Transformator und eine Gleichrichterbrücke auf und die Stromrichterschaltung ist eingangsseitig an ein n-phasiges Stromnetz und ausgangsseitig an einen aufzuladenden Akkumulator anschließbar und/oder verbindbar. Insbesondere weist die Stromrichterschaltung zwischen einem Eingangsstromrichterausgang und einem Schwingkreisstromrichtereingang keinen Zwischenkreiskondensator auf. Hierbei ist der Eingangsstromrichterausgang vorzugsweise direkt über mindestens eine elektrische Leitung mit dem Schwingkreisstromrichtereingang verbunden, ohne dass zwischen dem Eingangsstromrichterausgang und dem Schwingkreisstromrichter-eingang eine weitere elektronische Komponente konfiguriert ist.

Dabei sind der Eingangsstromrichter und der m-phasige Schwingkreisstromrichter jeweils schaltbar konfiguriert. Das heißt der Eingangsstromrichter und der m- phasige Schwingkreisstromrichter weisen jeweils mindestens eine Schaltreinrichtung auf, welche ein Eingangssignal in einem eingeschalteten Zustand für einen Einschaltzeitraum TEI _P an ihrem Ausgang bereitstellen und welche das Eingangssignal in einem ausgeschalteten Zustand für einen Zeitraum TAUS an ihrem Ausgang nicht verfügbar machen. Die Schalteinrichtungen der Eingangsstromrichter und der m-phasige Schwingkreisstromrichter können dabei jeweils durch Anlegen eines Steuersignals an einen Steuereingang ein- und ausgeschalten werden. Das Steuersignal kann dabei ausgelegt sein, bei einer Steuerspannung ungleich 0V die Schalteinrichtung in einen eingeschalteten Zustand zu versetzen und bei einer davon abweichenden Steuerspannung die Schalteinrichtung in einen ausgeschalteten Zustand zu versetzen. Vorzugsweise kann die Steuerspannung zum Einschalten der Schalteinrichtung eine positive Spannung sein und zum Ausschalten der Schalteinrichtung eine Spannung von etwa 0V. Ein Einschalten der Schalteinrichtung mit einer Steuerspannung von etwa OV und ein Ausschalten der Schalteinrichtung mit einer positiven Steuerspannung ist ebenso möglich.

Durch ein periodisches, hartes Ein- und Ausschalten der mindestens einen Schalteinrichtung mit einer vorgegebenen Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo kann aus einem kontinuierlichen Eingangssignal ein Ausgangssignal mit pulsförmigem Verlauf erzeugt werden. Ein hartes Schalten bedeutet hierbei ein sehr schnelles Schalten der Schalteinrichtung, um ein Ausgangssignal mit sehr steilem Flankenverlauf während des Schaltvorgangs zu erhalten. Die Schaltfrequenz fo der Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters kann vorzugsweise konstant sein und kann insbesondere nach den verwendeten Komponenten in der Stromrichterschaltung ausgelegt werden. Die Regelung der Eingangsströme kann über eine Pulsweitenmodulation (P WM) des Eingangsstromrichters erfolgen. Begrenzt wird die Auswahl der Schaltfrequenz fo nur durch die Schaltverluste des Eingangsstromrichters.

Mit einem m-phasigen Transformator ist im Weiteren stets eine Transformator- Konfiguration beschrieben, bei der eine Primärseite des Transformators m Phasen mit je einer Primärwicklung und eine Sekundärseite des Transformators m Phasen mit je einer Sekundärwicklung aufweist. Dabei ist die Primärwicklung der m-ten Phase der Primärseite stets mit der Sekundärwicklung der m-ten Phase der Sekundärseite magnetisch gekoppelt. In anderen Worten weist der Transformator m Primärwicklungen und m Sekundärwicklungen auf. Der m-phasige Transformator kann hierbei vorzugsweise einen gemeinsamen Kern für alle m Phasen aufweisen, um effektiver genutzt zu werden und der Kern kann vorzugsweise aus Ferrit oder amorphen Metallen bestehen. Der m-phasige Transformator kann aber auch durch das Zusammenschalten von m Einphasentransformatoren konfiguriert sein. Der Transformatorkern kann auch aus einem beliebigen weichmagnetischen Werkstoff gefertigt sein. Die Primärseite ist dabei von der Sekundärseite des m-phasigen Transformators potentialgetrennt. Der Einsatz des m-phasigen Transformators in der Stromrichterschaltung bewirkt somit eine Potentialtrennung zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Stromrichterschaltung.

Das Stromnetz, an welches die Stromrichterschaltung anschließbar ist und/oder mit dem die Stromrichterschaltung verbindbar ist, kann ein 1-phasiges Stromnetz oder ein mehrphasiges Stromnetz mit beliebiger Anzahl n an Phasen sein. Hierbei kann die Stromrichterschaltung eingangsseitig vorzugsweise an ein n-phasiges Wechselstromnetz angeschlossen werden, wobei die n Netzströme vorzugsweise sinusförmig sind. Eine andere Wechselstromform wie beispielsweise eine Dreiecksform, ist ebenso möglich. Die Stromrichterschaltung kann aber auch an ein n-phasiges Gleichstromnetz und/oder an n Batterien anschließbar sein.

Die Stromrichterschaltung für ein mehrphasiges Wechselstromnetz ist vorzugsweise mit einem symmetrischen Wechselstromnetz verbindbar, da der Eingangsstromrichter dann ebenfalls symmetrisch aufgebaut werden kann und das Schaltungsdesign vereinfacht wird. Der Eingangsstromrichter kann n Eingangsphasen aufweisen, wobei jede Eingangsphase eine eigene Anschlussklemme aufweisen kann. Insbesondere kann die Anzahl der Eingangsphasen des Eingangsstromrichters und die Anzahl der Phasen des Wechselstromnetzes identisch sein. Die Anzahl n der Eingangsphasen des Eingangsstromrichters kann aber auch größer oder kleiner als die Anzahl der Phasen des Stromnetzes sein, wobei dann bei einer kleineren Anzahl an Eingangsphasen nicht alle Phasen des Stromnetzes anschließbar sind oder bei einer größeren Anzahl an Eingangsphasen nicht alle Eingangsphasen mit einer Phase des Stromnetzes anschließbar sind. In einer solchen Konfiguration werden dann nur die tatsächlich angeschlossenen Phasen des Eingangsstromrichters weiterverarbeitet. Die Flexibilität im Design der Stromrichterschaltung ermöglicht deren Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, die nicht auf einen bestimmten Typ von Stromnetzen beschränkt sind. Beim Anschluss der Stromrichterschaltung an das Stromnetz ist zu beachten, dass zwischen jeder Phase des Stromnetzes und jedem Eingang, d.h. an jeder Eingangsphase des Eingangsstromrichters eine Eingangsinduktivität (zwischen-) geschaltet sein kann oder ist. Die Größe der Eingangsinduktivitäten richtet sich dabei nach einer Eingangsstromrichter- Schaltfrequenz fo der in dem Eingangsstromrichter genutzten Schalteinrichtungen. Hierbei können die Eingangsstromrichter-Schaltfrequenzen für einen Eingangsstromrichter ohne anschließenden Gleichspannungs-Zwischenkreis höher konfiguriert sein als für einen Eingangsstromrichter mit anschließenden Gleichspannungs-Zwischenkreis, da ein Laden und Entladen einer großen Kapazität im Gleichspannungs-Zwischenkreis entfallen kann. Somit können für Eingangsstromrichter ohne anschließenden Gleichspannungs-Zwischenkreis auch kleinere und kostengünstigere Eingangsinduktivitäten gewählt werden.

Im Betrieb schaltet der Eingangsstromrichter seine Schalteinrichtungen hart bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo und einer Periodendauer von To = 1/ fo mit To = TEIP + TAUS für einen Schaltzyklus und erzeugt pro Eingangsphase n jeweils einen Eingangsstrom, wobei die Eingangsströme am Ausgang des Eingangsstromrichters zu einem pulsförmigen Ausgangsstrom zusammengeführt und/oder addiert werden. Beim Anschluss an ein n-phasiges Wechselstromnetz mit n sinus-förmigen Netzströmen werden entsprechend pro Eingangsphase jeweils ein sinus-förmiger Eingangsstrom erzeugt. Der pulsförmige Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters wird dabei nicht wie bei den gängigen Stromrichtern in einen Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist und geglättet, sondern wird durch den m- phasigen Schwingkreisstromrichter direkt in seinen m Phasen in m Schwingkreisströme umgewandelt. Dabei sind die Phasenwinkel der m Schwingkreisströme in den m Phasen des Schwingkreisstromrichters zueinander verschoben. Hierzu werden alle Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters mit einer Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz fo/m bei einer Periodendauer von mTo = m / fo für einen Schaltzyklus geschalten, wobei die Schalteinrichtungen einer m-ten Phase derart geschalten sind, dass ein Schwingen der Schwingkreisströme im Schwingkreis der m-ten Phase bewirkt wird. Vorzugsweise weist jede m-te Phase des Schwingkreisstromrichters mindestens eine Schalteinrichtung für einen positiven Ast des Schwingkreisstromrichters und mindestens eine Schalteinrichtung für einen negativen Ast des Schwingkreisstromrichters auf, wobei die Schalteinrichtungen des positiven Asts zeitlich versetzt und bevorzugt zu den Zeitpunkten geschalten werden, in denen der Strom im Zwischenkreis den Wert Null annimmt. Die Schaltzeitpunkte zum Ein- und Ausschalten der m Phasen unterscheiden sich und sind um einen Phasenwinkel verschoben. Dabei ist die Anzahl der Phasen m des Schwingkreisstromrichters mindestens zwei und vorzugsweise eine ungerade Anzahl an Phasen. Das Ausgangssignal des Eingangsstromrichters wird am Eingang jeder der m Phasen durch alle Schalteinrichtungen der jeweiligen Phase während der Periodendauer mTo für einen Einschaltzeitraum kleiner oder gleich To als Eingangssignal in einem eingeschalteten Zustand bereitgestellt beziehungsweise eingeschaltet und für einen Ausschaltzeitraum größer oder gleich (m-1) To in einem ausgeschalteten Zustand der jeweiligen Phase nicht verfügbar gemacht beziehungsweise ausgeschaltet. Der Schwingkreisstromrichter ist dabei vorzugsweise derart konfiguriert, dass das Ausgangssignal des Eingangsstromrichters stets genau an einer der m Phasen für einen Einschaltzeitraum kleiner oder gleich To bereitgestellt wird beziehungsweise eingeschaltet ist, während an den anderen m-1 Phasen das Ausgangssignal des Eingangsstromrichters nicht verfügbar gemacht wird beziehungsweise ausgeschaltet ist. Auf diese Weise überlappen die Einschaltzeiträume der m Phasen nicht. Zudem sind alle Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters derart konfiguriert, dass sie vorzugsweise zu einem Zeitpunkt ein- und/oder ausgeschalten werden, wenn sich die Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters in einem ausgeschalteten Zustand während des Zeitraums TAUS befindet. Auf diese Weise wird eine Überlastung der Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters während der Schaltvorgänge verhindert. Dabei kann das Ein- und Ausschalten der Schalteinrichtungen des E ingangsstrom richters und/oder des m-phasige Schwingkreisstromrichters durch eine Regelungsschaltung gesteuert und/oder geregelt werden. Diese Regelungsschaltung kann als eine eigenständige Regelungsschaltung für das Schalten der Schalteinrichtungen ausgeführt sein, oder in einer Gesamtregelungsschaltung integriert sein.

In dem Schwingkreisstromrichter ist pro Phase ein Schwingkreis aus jeweils einem Schwingkreiskondensator und einer Hauptinduktivität des Transformators konfiguriert, wobei die Hauptinduktivität zumindest ein Teil einer primärseitigen Wicklung in einer Phase des m-phasigen Transformators ist. Dabei werden die parallelen Schwingkreise vorzugsweise bei einer Resonanzfrequenz oder nahe der Resonanzfrequenz betrieben. Die Schwingkreiskondensatoren als auch die Hauptinduktivitäten können zudem je nach Anforderungen an die Stromrichterschaltung unterschiedlich zueinander konfiguriert sein. Generell können Schwingkreiskondensatoren primärseitig und auch sekundärseitig konfiguriert werden. Dabei können die Schwingkreiskondensatoren zentral an der Primärseite oder verteilt auf der Primärseite und der Sekundärseite verteilt sein. Die Gesamtkapazität der Schwingkreise ergibt sich dabei aus der Gesamtheit der Schwingkreiskondensatoren. Für die Übertragung von der Primärseite des Transformators auf seine Sekundärseite wird pro Phase ein Magnetisierungsstrom von dem jeweiligen Schwingkreiskondensator in die primärseitig übertragende Wcklung geliefert. Die auf die Sekundärseite des Transformators potentialgetrennt übertragenen Ausgangsspannungen des m-phasigen Transformators werden dann durch die Gleichrichterbrücke gleichgerichtet und zu einer gemeinsamen potentialgetrennten Gleichspannung zusammengeführt. An diese Gleichspannung ist dann ein zu ladender Akkumulator anschließbar und/oder verbindbar, um aufgeladen zu werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung ist die Stromrichterschaltung mit einem 3-phasigen Wechselstromnetz verbindbar und/oder weisen der Schwingkreisstromrichter und der Transformator drei Phasen auf. Optional sind die Hauptinduktivitäten des Transformators sternförmig oder in einer Dreiecks-Anordnung konfiguriert.

Hierbei kann das 3-phasige Wechselstromnetz, an welches die Stromrichterschaltung anschließbar ist, vorzugsweise ein symmetrisches Drehstromnetz mit einer Netzfrequenz von 50Hz oder 60Hz sein, welches sowohl im gewerblichen als auch im privaten Umfeld nahezu flächendeckend verfügbar ist. Dabei unterscheiden sich die Phasenwinkel der drei alternierenden Spannungen und Ströme des Drehstromnetzes jeweils um 120°. Eine Konfiguration des Schwingkreisstromrichters und des Transformators mit drei Phasen vereinfacht zudem das Schaltungsdesign der Stromrichterschaltung. Hierbei können die primärseitigen Wicklungen der 3-phasige Transformator in einer Dreiecks- oder Delta Anordnung, in einer Sternanordnung oder in einer Zickzack-Anordnung konfiguriert sein. Zudem können die sekundärseitigen Wicklungen des 3-phasigen Transformators in einer Dreiecks- oder Delta Anordnung oder in einer Sternanordnung konfiguriert sein. Vorzugsweise sind sowohl die primärseitigen als auch die sekundärseitigen Wicklungen des 3-phasige Transformators gleich konfiguriert und beide Seiten des Transformators weisen die Dreiecks- oder Delta Anordnung auf oder beide Seiten des Transformators weisen die Sternanordnung auf. Gemischte Anordnungen auf der Primärseite und der Sekundärseite des 3- phasigen Transformators sind aber auch möglich. Hierbei können die Hauptinduktivitäten der drei Phasen jeweils die gesamte Wicklung oder nur einen Teil davon ausmachen.

In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung weist die Stromrichterschaltung zwischen dem Eingangsstromrichter und den m Phasen des Schwingkreisstromrichters jeweils eine Schutzdiode auf und/oder ist der pulsförmige Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters konfiguriert, eine Stromstärke von 0 A aufzuweisen, wenn die m Phasen des Schwingkreisstromrichters jeweils geschaltet werden. Dabei weist der Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters eine Stromstärke von 0 A auf, wenn sich die Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters in einem ausgeschalteten Zustand während des Zeitraums TAUS befinden. Für Konfigurationen, bei der beim Schalten der m Phasen des Schwingkreisstromrichters die Stromstärke von 0A abweichen kann, ist zum Schutz der Stromrichterschaltung vorzugsweise eine Konfiguration mit Schutzdioden zu verwenden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung sind die m Hauptinduktivitäten des m phasigen Transformators jeweils über einen Luftspalt einstellbar. Dabei werden die m Hauptinduktivitäten mit dem Luftspalt bei der Herstellung eingestellt. Auf diese Weise lassen sich die sekundärseitigen Ausgangsspannungen des m-phasigen Transformators und die potentialgetrennte Gleichspannung am Ausgang der Stromrichterschaltung einfach einstellen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung ist die Gleichrichterbrücke als Mittelpunkt-Schaltung oder als B6-Gleichrichterbrücke konfiguriert. Hierbei kann am Ausgang der Gleichrichterbrücke die Welligkeit der Gleichspannung noch durch einen Glättungskondensator verringert werden. Bei einer Konfiguration der Stromrichterschaltung als Mittelpunkt-Schaltung ergibt sich im Betrieb nur eine Diode im Strom pfad, wodurch die Verluste an den Dioden verringert werden können. Daher wird die Mittelpunktschaltung für kleinere Ausgangsspannungen, wie beispielsweise 48V, bevorzugt. Die Dioden die Mittelpunkt-Schaltung weisen gegenüber den Dioden der B6-Gleichrichterbrücke eine doppelte Sperrspannung auf.

In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung weist der Eingangsstromrichter eine Regelungsschaltung auf und die Regelungsschaltung ist konfiguriert, Pulsmuster zum Schalten des Eingangsstromrichters zu erzeugen, wobei die Pulsmuster den Eingangsstromrichter derart regeln, dass die Blindleistung des E ingangsstrom richters minimiert wird. Durch den Einsatz einer blindleistungsoptimierten Regelungsschaltung kann somit auch der Wirkungsgrad der Stromrichterschaltung erhöht werden. Vorzugsweise ist die Regelungsschaltung ebenfalls konfiguriert, Pulsmuster zum Schalten der Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters zu erzeugen. Die Regelungsschaltung kann als eine eigenständige Regelungsschaltung für das Regeln der Blindleistung ausgeführt sein, oder in einer Gesamtregelungsschaltung integriert sein.

In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromrichterschaltung kann die Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo der Stromrichterschaltung zur Optimierung von Überspannungen und Wirkungsgrad oder zum Ausgleich von Parameter abweichungen vor oder während des Betriebes angepasst werden. Hierbei kann die Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo vorzugsweise über die Regelungsschaltung angepasst werden.

Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Stromrichterschaltungssystem zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung, aufweisend: eine Mehrzahl j von Stromrichterschaltungen wie zuvor beschrieben, wobei die Mehrzahl j von Strom richterschaltungen parallel zueinander angeordnet sind, und wobei j eine positive ganze Zahl größer 1 ist. Auf der Eingangsseite können die einzelnen Stromrichterschaltungen parallelgeschaltet werden. In einer netzseitig einphasigen Einspeisung können die Stromrichterschaltungen auch in einer Reihenschaltung zur Verringerung der Spannungsbeanspruchung der Halbleiter und/oder Reduktion der Verzerrungen angeordnet werden. Auf der Sekundärseite der Stromrichterschaltungen besteht immer die Möglichkeit der Parallelschaltung, einer Reihenschaltung oder eine Kombination beider Varianten, um die Verzerrungen des Ausgangsstrom zu minimieren. Bei einer Parallelschaltung der Stromrichterschaltungen erfolgt keine Leistungsübertragung über die Schwingkreiskondensatoren und die Leistungsübertragung erfolgt ebenfalls parallel, wobei die einzelnen Stromrichterschaltungen eine geringere Leistung als ohne die Parallelschaltung übertragen brauchen. Deshalb können wiederum die Bauteile der einzelnen Stromrichterschaltungen kleiner dimensioniert werden. Dadurch wird wiederum eine automatisierte Herstellung des gesamten Stromrichterschaltungssystems erleichtert. Bei einer seriellen Schaltung einer Mehrzahl von Stromrichterschaltungen ist die Leistungsübertragung über jede der Stromrichterschaltungen viel höher als bei einer Parallelschaltung der Stromrichterschaltungen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Stromrichterschaltungssystems sind die Mehrzahl j von Stromrichterschaltungen derart konfiguriert, dass die Pulsmusterder Eingangsstromrichter der parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen bei gleicher Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo jeweils bezüglich ihrer Periodendauer To um einen Phasenwinkel 2 tt/j zueinander verschoben sind. Dabei ist eine Verschiebung des Phasenwinkels nicht auf 2 tt/j beschränkt, sondern kann auch einen anderen Phasenwinkel aufweisen, der vorzugsweise das Übersetzungsverhältnis an den Transformatoren verbessert und/oder optimiert. Mit dieser Konfiguration wird die Welligkeit des Eingangsstroms und des Ausgangsstroms des Stromrichterschaltungssystems reduziert. Die zulässige Welligkeit oder auch der Strom -Rippel des Ausgangsstroms ist hierbei genormt. Dabei kann durch eine genügend hohe Anzahl an parallel angeordneten, phasenverschobenen Stromrichterschaltungen die Welligkeit unterhalb des genormten Wertes gehalten werden. Durch eine genügend hohe Anzahl an parallel angeordneten, phasenverschobenen Stromrichterschaltungen können auch die Eingangsinduktivitäten weiter verkleinert und die Herstellung des Stromrichterschaltungssystems wiederum leichter automatisiert werden. Eine derartige Parallelschaltung ist dabei nur durch die Potentialtrennung in der Ausgangsstufe möglich.

Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Verwendung einer Stromrichterschaltung oder eines Stromrichterschaltungssystems wie zuvor beschrieben zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung.

Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung durch eine Stromrichterschaltung, wobei die Stromrichterschaltung einen m-phasigen Schwingkreisstromrichter mit einem Schwingkreiskondensator pro Phase und einen m-phasigen Transformator aufweist, wobei der Schwingkreiskondensator der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters mit einer Hauptinduktivität der m-ten Phase des Transformators jeweils einem Parallelschwingkreis bildet, und wobei das Verfahren aufweist: Empfangen von n Eingangsströmen; Erzeugen eines pulsförmigen Stroms bei einer Schaltfrequenz fo aus den n Eingangsströmen; Umwandeln des pulsförmigen Stroms in m Schwingkreisströme bei jeweils einer Schaltfrequenz fo/m, wobei die Schwingkreisströme in ihrem Phasenwinkel zueinander verschoben sind; Bereitstellen jeweils eines Magnetisierungsstroms für die m-te Phase des Transformators durch den Schwingkreiskondensator der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters; Erzeugen von m sekundärseitigen Ausgangsspannungen, welche potentialgetrennt zur Primärseite des Transformators sind; Gleichrichten der m sekundärseitigen Ausgangsspannungen des Transformators und Erzeugen der potentialgetrennte Gleichspannung; und wobei n eine positive ganze Zahl ist und wobei m eine positive ganze Zahl größer gleich 2 ist.

Ein weiterer Aspekt betrifft eine Schaltung für eine Stromrichterschaltung zum Erzeugen einer potentialgetrennten Gleichspannung, wobei die Schaltung elektrisch mit einem m-phasigen Transformator verbindbar ist, wobei der m-phasige Transformator konfiguriert ist, m sekundärseitige Ausgangsspannungen potentialgetrennt von der Primärseite des Transformators zu erzeugen, wobei die m Phasen des m-phasigen Transformators sekundärseitig mit einer Gleichrichterbrücke verbunden bzw. verbindbar sind und die Gleichrichterbrücke konfiguriert ist, die m sekundärseitigen Ausgangsspannungen des Transformators gleichzurichten und an einem Ausgang die potentialgetrennte Gleichspannung zu erzeugen, wobei die Schaltung aufweist: einen schaltbaren Eingangsstromrichter; und einen schaltbaren Schwingkreisstromrichter; wobei der Eingangsstromrichter konfiguriert ist, mit einem n-phasigen Stromnetz verbunden zu werden und bei einer Eingangsstromrichter- Schaltfrequenz fO aus n Eingangsströmen einen pulsförmigen Ausgangsstrom zu erzeugen; wobei der Schwingkreisstromrichter m Phasen aufweist und konfiguriert ist, den pulsförmigen Ausgangsstrom des Eingangsstromrichters in jeder der m Phasen bei einer Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz fO/m in einen Schwingkreisstrom umzuwandeln; wobei die m Schwingkreisströme in den m Phasen jeweils im Phasenwinkel zueinander verschoben sind; wobei jede der m Phasen des Schwingkreisstromrichters einen Schwingkreiskondensator aufweist und, wenn verbunden mit dem m-phasige Transformator, mit einer Hauptinduktivität der m-ten Phase des Transformators jeweils einen Parallelschwingkreis bildet; wobei jeweils der Schwingkreiskondensator der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters konfiguriert ist, wenn verbunden mit dem m-phasige Transformator, einen Magnetisierungsstrom für die m-te Phase des Transformators bereitzustellen; und wobei n eine positive ganze Zahl ist und wobei m eine positive ganze Zahl größer gleich 2 ist.

Für die oben genannten Aspekte und insbesondere für diesbezüglich bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen Aspekte.

Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungs-fällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer

Stromrichterschaltung gemäß einer bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden.

Figur 3 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen, einem Ausgangsstrom sowie einer Ausgangsspannung in einem Eingangsstromrichter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 4 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Ausgangsstroms in einem Eingangsstromrichter sowie von Schwingkreisströmen in einem Schwingkreisstromrichter gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Figur 5 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf von Schaltsignalen und eines Ausgangsstroms in einem Eingangsstromrichter sowie von Schaltsignalen und Schwingkreisströmen in einem Schwingkreis-Stromrichter gemäß bevorzugter

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Figur 6 zeigt einen zeitlich gestreckten Zeitverlauf der Signale aus Figur 5 mit einem Vergleich der Schaltsignale zu Schaltzeitpunkten im Schwingkreisstromrichter gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Figur 7 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Schwingkreisstroms und dazugehörige Spannungen eines

Schwingkreisstromrichters gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus Figur 1.

Figur 8 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Schwingkreisstroms und dazugehörige Spannungen eines

Schwingkreisstromrichters gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne

Schutzdioden aus Figur 2.

Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne

Schutzdioden und einer alternativen primärseitiger Transformatorschaltung. Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung einer

Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne

Schutzdioden und einer alternativen T ransformatorschaltung in Dreiecks-Anordnung.

Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung einer

Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne

Schutzdioden und einer alternativen

Gleichrichterbrückenschaltung.

Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung einer

Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne

Schutzdioden und einer alternativen Gleichrichterbrücke mit Mittelpunktschaltung.

Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung einer

Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen Transformator- und Gleichrichterbrückenschaltung.

Figur 14 zeigt eine schematische Darstellung einer

Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen T ransformator-schaltung und einer alternativen Gleichrichterbrücke mit Mittelpunktschaltung.

Figur 15 zeigt eine schematische Darstellung einer

Stromrichterschaltung gemäß einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen Transformator-schaltung. Figur 16 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf von Netzströmen des Wechselstromnetzes, eines Ausgangsstroms des Eingangs stromrichters, eines Schwingkreisstroms des Schwingkreis stromrichters, von verketteten T ransformatorspannungen des Transformators und eines Modulausgangsstroms gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus Figur 15.

Figur 17 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelungsschaltung eines Eingangsstromrichters gemäß einer bevorzugten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung.

Figur 18 zeigt einen Zeitverlauf der Eingangsspannungen und der Eingangsströme, sowie der aufgenommenen Wirk- und Blindleistung bei einem Sollwertsprung des Netzstromes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 19 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichter schaltungssystems mit einer Mehrzahl von parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen gemäß einer bevorzugten Ausführungs-form der vorliegenden Erfindung.

Figur 20 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen in einem Stromrichterschaltungssystem mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 21 zeigt einen Zeitverlauf von Ausgangsströmen in einem Stromrichterschaltungssystem mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 22 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichter schaltungssystems mit einer Mehrzahl von parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 23 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen in einem Stromrichterschaltungssystem mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 24 zeigt einen Zeitverlauf von Ausgangsströmen in einem Stromrichterschaltungssystem mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromrichterschaltung weist hierbei, von der Eingangsseite in Richtung zum Ausgang betrachtet, einen Eingangsstromrichter 30, einen Schwingkreisstromrichter 40, einen Transformator 50 und eine Gleichrichterbrücke 60 auf. Die Stromrichterschaltung 10 ist eingangsseitig an ein Wechselstromnetz 20 und ausgangsseitig an einen aufzuladenden Akkumulator 70 anschließbar und/oder damit verbindbar. Hierbei ist anzumerken, dass der T ransformator 50 in den Figuren 1 , 2, 7 bis 10 und 14 jeweils idealisiert dargestellt wird, das heißt ohne Spulenwiderstände, Hysterese-Verluste im Kern und Streuinduktivitäten.

Das Wechselstromnetz 20 in Figur 1 ist als ein 3-phasiges, symmetrisches Drehstromnetz dargestellt, kann aber auch ein 1 -phasiges Wechselstromnetz oder ein mehrphasiges Wechselstromnetz mit beliebiger Anzahl an Phasen sein. Um das Wechselstromnetz 20 eingangsseitig an den Eingangsstromrichter 30 anschließen zu können, ist vorzugsweise zwischen jeder Phase des Wechselstromnetzes 20 und jedem Eingang des Eingangsstromrichters 30 eine Eingangsinduktivität LE zwischengeschaltet. In anderen Worten kann an jedem Eingang d.h. an jeder Eingangsphase des Eingangsstromrichters 30 eine Eingangsinduktivität LE angeschlossen sein, über die der Eingangsstromrichter mit dem Wechselstromnetz verbunden werden kann. Die Größe der Eingangsinduktivitäten LE richtet sich dabei nach einer Schaltfrequenz fo der in dem Eingangsstromrichter 30 genutzten Schalteinrichtungen aus und kann bei einer höherer Eingangsstromrichter- Schaltfrequenz fo entsprechend kleiner ausgelegt werden. Der Eingangsstromrichter 30 selbst weist im Anschluss an seine Eingänge pro Phase jeweils zwei symmetrisch angeordnete Schalteinrichtungen 30i und 30-1, 302 und 30-2, sowie 303 und 30-3 auf, deren Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo jeweils über einen Steuereingang durch eine Regelungsschaltung 80 (in Figur 1 nicht gezeigt) geregelt werden kann. Die Schalteinrichtungen sind hier als MOSFETs dargestellt, können aber auch durch andere übliche Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren ersetzt werden. Dabei bilden die symmetrisch angeordneten Schalteinrichtungen pro Phase jeweils einen positiven und einen negativen Ast und die Ausgänge des positiven Astes aller Phasen werden in einem gemeinsamen positiven Ausgang zusammengeführt und/oder addiert. Die Ausgänge des negativen Astes aller Phasen werden ebenfalls in einem gemeinsamen negativen Ausgang zusammengeführt und/oder addiert. Im Betrieb schaltet der Eingangsstromrichter 30 die Schalteinrichtungen hart, beziehungsweise mit sehr steiler Flanke, bei einer Eingangsstromrichter- Schaltfrequenz fo und erzeugt pro Phase jeweils einen sinusförmigen Eingangsstrom ii, h und h bei einer Eingangsspannung ui, U2 und U3. Zwischen den gemeinsamen positiven und negativen Ausgängen des Eingangsstromrichters 30 liegt in Betrieb eine pulsförmige Ausgangsspannung UDC an, die annähernd eine Gleichspannung darstellt. Der zusammengeführte und/oder addierte Ausgangsstrom IDC weist ebenfalls einen pulsförmigen Verlauf auf.

Der pulsförmige Ausgangsstrom IDC wird dabei nicht wie bei den gängigen Stromrichtern in einen Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist, sondern dient als Eingangsstrom für den Schwingkreisstromrichter 40. Der Schwingkreisstromrichter 40 in Figur 1 weist hierbei drei Phasen auf, kann aber auch in zwei oder mehr Phasen aufgeteilt werden. Pro Phase weist der Schwingkreisstromrichter 40 jeweils zwei symmetrisch angeordnete Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 mit jeweils einer vorgeschalteten Schutzdiode 42 auf, bei denen eine Schalteinrichtung 40i, 402 und 403 mit dem positiven Ast des Ausgangs des Eingangsstromrichters 30 verbunden ist und die andere Schalteinrichtung 40-1, 40- 2 und 40-3 mit dem negativen Ast des Ausgangs des E ingangsstrom richters 30. Die Schalteinrichtungen werden dabei mit einer Schwingkreisstromrichter- Schaltfrequenz fo/3 geschalten und erzeugen dabei pro Phase einen Schwingkreisstrom i _a , ib und i _c bei jeweils einer Spannung von u _a , Ub und u _c zwischen den drei Phasen und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters 30. Hierbei treten beim Schalten der Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters 40 keine Schaltverluste auf, da die Schalteinrichtungen jeweils in einem stromlosen Zustand des pulsförmigen Ausgangsstroms IDC des Eingangsstromrichters 30 geschalten werden. Deshalb sind bei einer stabilen Regelung des pulsförmigen Ausgangsstroms IDC die Schutzdioden 42 nicht zwingend nötig. In dem Schwingkreisstromrichter 40 ist pro Phase ein Schwingkreis aus jeweils einem Schwingkreiskondensator CP und einer Hauptinduktivität LH konfiguriert, wobei die Hauptinduktivität LH ein Teil einer primärseitigen Wicklung in einer Phase eines 3- phasigen Transformators ist. Hierbei ist in Figur 1 die Hauptinduktivität LH pro Phase jeweils parallel zu einer zweiten primärseitigen Induktivität angeordnet und der 3- phasige Transformator ist primär- und sekundärseitig sternförmig aufgebaut. Mit der Spannung uo- wird die Spannung zwischen dem Sternpunkt des Transformators und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters 30 bezeichnet. In Figur 1 überträgt nur die zweite primärseitige Induktivität auf die Sekundärseite des Transformators 50. Für die Übertragung von der Primärseite des Transformators 50 auf seine Sekundärseite wird hierbei pro Phase ein Magnetisierungsstrom von dem jeweiligen Schwingkreiskondensator CP geliefert. Dieser ergibt sich pro Phase jeweils aus der Differenz zwischen den Schwingkreisströmen i _a , ib und i _c und Strömen ih _a , ihb und ihc durch die Hauptinduktivitäten LH. Dabei können zum Festlegen der Schwingkreise in den jeweiligen Phasen die Hauptinduktivitäten LH über einen Luftspalt einstellbar konfiguriert sein. Die auf die Sekundärseite des Transformators potentialgetrennt übertragenen Ausgangsspannungen u _ab , Ubc und u _ca des 3-phasigen Transformators werden durch die Gleichrichterbrücke 60 gleichgerichtet und ein Ausgangsstrom iout bei einer Ausgangspannung u _0U t am Ausgang der Stromrichterschaltung 10 bereitgestellt. Hierbei ist in Figur 1 die Gleichrichterbrücke 60 in einer B6- Konfiguration konfiguriert und die Ausgangsspannung wird am Ausgang noch durch einen Glättungskondensator CG geglättet.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42. Dabei ist die Konfiguration der Stromrichterschaltung 10 bis auf das Weglassen der optionalen Schutzdioden 42 identisch zur Konfiguration in Figur 1. Das Weglassen der Schutzdioden 42 kann bei kleinen Streuinduktivitäten im Transformator 50 erfolgen und ermöglicht eine Reduktion der Verlustleistung in der Stromrichterschaltung 10 sowie eine Kostenreduktion beim Layout der Stromrichterschaltung 10.

Die Figur 3 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen i-i, und b, einem Ausgangsstrom IDC sowie einer Ausgangsspannung UDC in einem Eingangsstromrichter 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird das Verhalten der Stromrichterschaltungen 10 aus den Figuren 1 und 2 in der weiteren Beschreibung der Figuren stets mit einer Netzfrequenz von 500Hz, mit einer Eingangsinduktivität LE von 200mH, mit einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo des Eingangsstromrichters 30 von 83kHz, mit einer Kapazität des Schwingkreiskondensators CP von 188nF, jeweils einer Hauptinduktivität LH von 169mH und einer Spannung am Akkumulator 70 von 800V simuliert. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 3 zeigen dabei stets den Zeitverlauf auf der x-Achse (0,0002s Schritte) und auf der y-Achse die Eingangsströme ii, b und b (20A Schritte), den Ausgangsstrom IDC (10A Schritte) und der Ausgangsspannung UDC (100V Schritte). Hierbei weisen für die Figuren 1 und 2 die phasenversetzten, sinus-förmigen Eingangsströmen ii, und b, durch das harte Schalten der Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters 30 einen gezackten Verlauf mit der Schaltfrequenz von 83kHz des E ingangsstrom richters 30 auf. Die pulsförmige Ausgangsspannung UDC weist einen annähernd gleichspannungsförmigen Verlauf auf und der pulsförmige Ausgangsstrom IDC setzt sich aus der Zusammenführung und/oder Addition der Eingangsströmen i-i, h und h zusammen. Die Erfindung ist nicht auf die obigen Frequenzen, Spannung und Stromstärken begrenzt. Vielmehr dienen diese Beispiele lediglich der Veranschaulichung des erfinderischen Prinzips.

Die Figur 4 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Ausgangsstroms IDC in einem Eingangsstromrichter 30 sowie von Schwingkreisströmen i _a , ib und i _c in einem Schwingkreisstromrichter 40 gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus den Figuren 1, 2, 9 bis 15, 19 und 22. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 4 zeigen dabei stets den gestreckten Zeitverlauf auf der x-Achse (0,00005s Schritte) und auf der y-Achse den Ausgangsstrom IDC (10A Schritte) und die Schwingkreisströmen i _a , ib und i _c (20A Schritte). Hierbei wird der Ausgangsstrom IDC des Eingangsstromrichters 30 im Vergleich zu Figur 3 zeitlich mit einer höheren Auflösung dargestellt, um den pulsförmigen Verlauf zu verdeutlichen. Die Schwingkreisströme i _a , ib und i _c des Schwingkreisstromrichters 40 ergeben sind dabei aus dem Ausgangsstrom IDC des Eingangsstromrichters 30 durch phasenversetztes Schalten der Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters 40 bei einer Schaltfrequenz von fo/3. Die Schwingkreisströme i _a , ib und i _c weisen dabei einen symmetrischen, pulsförmigen Verlauf mit negativen und positiven Amplitudenwerten auf.

Die Figur 5 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf von Schaltsignalen an den Schalteinrichtungen 30i und 30-1, 302 und 30-2, sowie 303 und 30-3 und eines Ausgangsstroms IDC in einem Eingangsstromrichter 30 sowie von Schaltsignalen an den Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 und Schwingkreisströmen i _a , ib und i _c in einem Schwingkreisstromrichter 40 gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus den Figuren 1 , 2, 9 bis 15, 19 und 22. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 5 zeigen dabei wieder stets den Zeitverlauf auf der x-Achse (0,00002s Schritte) und auf der y-Achse die Steuerspannungen der Schalteinrichtungen 30i und 30-1, 302 und 30-2, sowie 303 und 30-3 des Eingangsstromrichters 30 (Schritt: 0V bis Steuerspannung), den Ausgangsstrom IDC (50A Schritte), die Steuerspannungen der Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 des

Schwingkreisstromrichters 40 (Schritt: OV bis Steuerspannung) und die

Schwingkreisströmen i _a , ib und i _c (100A Schritte). Hierbei erzeugt die

Regelungsschaltung 80 Schaltsignale und steuert damit über einen Steuereingang der jeweiligen Schalteinrichtung das Schalten der Schalteinrichtungen 301 und 30-1, 302 und 30-2, sowie 303 und 30-3 des Eingangsstromrichters 30, sowie das Schalten der Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 des Schwingkreisstromrichters 40. Die Schaltsignale werden dabei jeweils als

Pulsmuster durch Pulsweitenmodulation erzeugt.

Die Pulsmuster für die Steuereingänge der Schalteinrichtungen 30i und 30-1, 302 und 30-2, sowie 303 und 30-3 des Eingangsstromrichters 30 weisen jeweils während einer Periodendauer To = 1/fo für einen Einschaltzeitraum TEIP eine Steuerspannung zum Einschalten der Schalteinrichtung (beispielsweise 5V) und für einen Ausschaltzeitraum TAUS eine Steuerspannung zum Ausschalten der Schalteinrichtung (beispielsweise OV) auf. Diese Pulsmuster sind jeweils für die zwei symmetrisch angeordnete Schalteinrichtungen 30i und 30-1, 302 und 30-2, sowie 303 und 30-3 komplementär ein- und ausgeschalten. Zudem sind die Pulsweiten und Schaltzeiten der Pulsmuster (TEI _P ) der drei Phasen des Eingangsstromrichters 30 derart aufeinander abgestimmt, dass aus der Summe der sinusförmigen Eingangsströmen h, und b ein pulsförmiger Ausgangsstrom bc generiert wird.

Der pulsförmige Ausgangsstrom bc des Eingangsstromrichters 30 wird am Eingang der m Phasen des Schwingkreisstromrichters 40 an den Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 bereitgestellt. Die Pulsmuster für die Steuer-eingänge der Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 des Schwingkreisstromrichters 40 weisen jeweils während einer Periodendauer 3To = 3/fo für einen Einschaltzeitraum kleiner oder gleich To eine Steuerspannung zum Einschalten der Schalteinrichtung (beispielsweise 5V) und für einen Ausschaltzeitraum größer oder gleich 2To eine Steuerspannung zum Ausschalten der Schalteinrichtung (beispielsweise OV) auf. Die Schaltvorgänge an den Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 erfolgen dabei stets zu Zeitpunkten, an denen der pulsförmige Ausgangsstrom bc des Eingangsstromrichters 30 einen Wert von 0A aufweist, also kein Strom am Eingang des Schwingkreisstromrichters 40 fließt. Auf diese Weise entstehen keine Schaltverluste an den Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 des Schwingkreisstromrichters 40. Zudem sind vorzugsweise die Einschaltzeiträume der drei Schalteinrichtungen 40i, 402 und 403 am positiven Ast der Eingänge am Schwingkreisstromrichters 40 jeweils zeitlich um To versetzt, so dass immer nur am Eingang einer Phase der drei Phasen ein positiver Betrag des pulsförmigen Ausgangsstroms bc des Eingangsstromrichters 30 anliegt. Ebenso sind vorzugsweise die Einschaltzeiträume der drei Schalteinrichtungen 40-1, 40-2 und 40-3 am negativen Ast der Eingänge am Schwingkreisstromrichters 40 jeweils zeitlich um To versetzt, so dass immer nur am Eingang einer Phase der drei Phasen ein negativer Betrag des pulsförmigen Ausgangsstroms bc des Eingangsstromrichters 30 anliegt. Dabei sind vorzugsweise jeweils die Einschaltzeiten der symmetrischen Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 zeitlich um 1 ,5 To versetzt. Aus der jeweiligen Summe der Ströme durch die jeweilen symmetrischen Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 ergeben sich dann die Schwingkreisströme i _a , ib und i _c im Schwingkreisstromrichter 40.

Die Figur 6 zeigt einen zeitlich gestreckten Zeitverlauf der Signale aus Figur 5 mit einem Vergleich der Schaltsignale zu Schaltzeitpunkten im Schwingkreisstromrichter 40 gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus den Figuren 1 und 2. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 6 zeigen dabei stets den gestreckten Zeitverlauf auf der x- Achse (0,000005s Schritte) und auf der y-Achse die gleichen Darstellungen wie in Figur 5. Insbesondere zeigt Figur 6, dass Schaltvorgänge an den Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 stets zu Zeitpunkten erfolgen, an denen der pulsförmige Ausgangsstrom bc des Eingangsstromrichters 30 einen Wert von 0A aufweist.

Die Figur 7 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Schwingkreisstroms i _a , und dazugehörige Spannungen eines Schwingkreisstromrichters 40 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus Figur 1 mit Schutzdioden 42. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 7 zeigen dabei wieder stets den Zeitverlauf auf der x-Achse (0,00002s Schritte) und auf der y-Achse den Schwingkreisstrom i _a (20A Schritte), die negativen Spannungen u _a -, Ub- und Uc- des Schwingkreisstromrichters 40 (200V Schritte), die sekundärseitigen Ausgangsspannungen u _a b, Ubc und u _ca am Transformator 50 (200V Schritte) und die Spannung uo- zwischen dem Sternpunkt des Transformators 50 und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters 30 (100V Schritte). Dabei wird der

Schwingkreisstrom i _a im Vergleich zu Figur 4 nochmals zeitlich höher aufgelöst. Zudem sind die sich daraus ergebenden zeitlichen Verläufe der negativen Spannungen u _a -, Ub- und u _c - des Schwingkreisstromrichters 40, die sekundärseitigen Ausgangsspannungen u _a b, Ubc und u _ca am Transformator 50 sowie die Spannung uo- zwischen dem Sternpunkt des Transformators 50 und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters 30 aufgezeigt.

Die Figur 8 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf eines Schwingkreisstroms i _a , und dazugehörige Spannungen eines Schwingkreisstromrichters 40 gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden aus Figur 2. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 8 entsprechen dabei den Achsendiagrammen aus der Figur 7 und zeigen dabei wieder stets den Zeitverlauf auf der x-Achse (0,00002s Schritte) und auf der y- Achse den Schwingkreisstrom i _a (20A Schritte), die negativen Spannungen u _a -, Ub- und Uc- des Schwingkreis-Stromrichters 40 (100V Schritte), die sekundärseitigen Ausgangsspannungen u _a b, Ubc und u _ca am Transformator 50 (200V Schritte) und die Spannung uo- zwischen dem Sternpunkt des Transformators 50 und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters 30 (100V Schritte). Hierbei bewirkt das Weglassen der Schutzdioden 42 in Figur 2 eine Glättung der Spannungen, wie im Vergleich zu Figur 7 sichtbar ist.

Die Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42 und einer alternativen primärseitiger T ransformatorschaltung 50. Hierbei basiert die Ausführungsform in Figur 9 auf der Ausführungsform aus Figur 2. Im Gegensatz zum Primärseite des Transformators 50 in Figur 2 wird hier pro Phase keine zweite primärseitige Induktivität parallel zur Hauptinduktivität LH konfiguriert, sondern die Hauptinduktivität LH dient auch zur Übertragung im Transformator 50 auf die Sekundärseite.

Die Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42 und einer alternativen Transformatorschaltung 50 in Dreiecks-Anordnung. Hierbei basiert die Ausführungsform in Figur 10 auf der Ausführungsform aus Figur 9. Im Gegensatz zum Transformator 50 in Figur 9 mit einer sternförmigen Konfiguration der Hauptinduktivitäten LH werden in Figur 10 die Hauptinduktivitäten LH in einer Dreiecks-Anordnung konfiguriert. Hierbei ist in der Dreieck-Anordnung die dem Eingangsstromrichter 30 zugewandte resultierende Kapazität der Schwingkreiskondensatoren CP größer als in der Sternschaltung. Dies führt unter anderem zu geringeren Überspannungen in der Stromrichterschaltung 10.

Die Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42 und einer alternativen Gleichrichterbrückenschaltung 60. Hierbei basiert die Ausführungsform in Figur 11 auf der Ausführungsform aus Figur 9. Im Gegensatz zur Gleichrichterbrücke 60 in Figur 9 mit einer B6-Konfiguration wird in Figur 11 eine Gleichrichterbrücke mit zusätzlichen sekundärseitigen Schwingkreiskondensatoren CP gezeigt. Diese Schwingkreiskondensatoren CP bilden mit der Hauptinduktivität des Transformators 50 einen sekundärseitigen Schwingkreis. Die Aufteilung der Schwingkreiskondensatoren CP dient dabei dem Schutz einzelner Bauteile in der Stromrichterschaltung 10. Die Gesamtkapazität der Schwingkreise in der Stromrichterschaltung 10 ergibt sich dabei aus der Gesamtheit der Schwingkreiskondensatoren CP.

Die Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ohne Schutzdioden 42 und einer alternativen Gleichrichterbrücke 60 mit Mittelpunktschaltung. Hierbei basiert die Ausführungsform in Figur 12 auf der Ausführungsform aus Figur 9. Im Gegensatz zur Gleichrichterbrücke 60 in Figur 9 mit einer B6-Konfiguration wird in Figur 12 eine Gleichrichterbrücke mit einer Mittelpunktschaltung gezeigt. Dabei wird die Ausgangsspannung u _0U t von Mittelpunkten der sekundären Hauptinduktivitäten zu einer Seite der Hauptinduktivitäten abgegriffen und weist somit die Hälfte der Ausgangsspannung Uout bei einer B6-Konfiguration der Gleichrichterbrücke 60 auf.

Um ein weiteres Absenken der Ausgangsspannung u _0U t unabhängig von der Dimensionierung des Transformators 50 zu ermöglichen, kann zwischen der Gleichrichterbrücke 60 und dem Akkumulator 70 zusätzlich noch eine Tiefsetzstellerschaltung konfiguriert werden.

Für eine Rückspeisung elektrischer Energie aus dem Akkumulator 70 in das Wechselstromnetz 20 kann zwischen der Gleichrichterbrücke 60, wenn diese als aktive Brücke mit Transistoren ausgeführt ist, und dem Akkumulator 70 zusätzlich noch eine Hochsetzstellerschaltung konfiguriert werden.

Die Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen T ransformatorschaltung 50 und Gleichrichterbrückenschaltung 60. Hierbei basiert die Ausführungsform in Figur 13 auf der Ausführungsform aus Figur 1 , stellt aber die T ransformatorschaltung 50 als Ersatzschaltbild eines realen Transformators 50 mit Streuinduktivitäten dar. Eine verteilte Anordnung der Schwingkreiskondensatoren CP kann dabei parasitäre Kapazitäten und/oder Induktivitäten je nach Konfiguration besser in das Schaltungskonzept mit einbinden. Hierbei hängt die konkrete Konfiguration von dem Aufbau der Gesamtanordnung ab.

Die Figur 14 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen T ransformatorschaltung 50 und einer alternativen Gleichrichterbrücke 60 mit Mittelpunktschaltung wie bereits für Figur 10 ausgeführt. Zusätzlich sind Schutzdioden 42 am Eingang des Schwingkreisstromrichters 40 als optionale Konfiguration gezeigt. Die Mittelpunktschaltung reduziert wiederum die Verluste der Ausgangsgleichrichtung. Die erforderliche Sperrspannung der Dioden verdoppelt sich jedoch. Eine solche Konfiguration kann für eine Stromrichterschaltung 10 mit kleineren Ausgangsspannungen genutzt werden. Figur 15 zeigt eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer alternativen T ransformatorschaltung 50. Zusätzlich sind Schutzdioden 42 am Eingang des Schwingkreisstromrichters 40 als optionale Konfiguration gezeigt. Hierbei ist der Transformator 50 als realer Transformator dargestellt, das heißt mit Spulenwiderständen und Streuinduktivitäten.

Die Stromrichterschaltungen 10 aus Figur 15 wird mit einem jeweils 3-phasigen Eingangsstromrichter 30, Schwingkreisstromrichter 40 und Transformator 50 in einer weiteren Simulation an einem 3-phasigen, symmetrischen Drehstromnetz mit einer Netzfrequenz von 50Hz und einer Netzspannung von 230V pro Phase und 400V gesamt betrieben und stellt ein Testdesign für eine 50 kW Stromrichterschaltungen 10 dar. Als Eingangsinduktivität LE wird pro Phase des Eingangsstromrichters 30 jeweils eine Induktivität von 40mH gewählt und der Eingangsstromrichter 30 wird mit einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo von 83kHz betrieben. Die Kapazität des Schwingkreiskondensators CP pro Phase des Schwingkreisstromrichter 40 wird auf 195nF festgelegt, die Hauptinduktivität LH des Transformators 50 auf 175mH und die gesamte Streuinduktivität des Transformators 50 auf 2mH. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators beträgt ü=1. Für einen Ausgangsfilter der Gleichrichterbrücke 60 wird für einen zum Ausgang parallelen Kondensator ein Wert von 10pF und einer zum Ausgang seriellen Induktivität ein Wert von 5mH. angenommen. Die Spannung am Akkumulator wird dabei auf 800V festgelegt. Bei der Topologie ohne Schutzdioden reduzieren sich wiederum die Kosten und die Verlustleistung in der Stromrichterschaltung 10. Allerdings dürfen dabei wiederum die Streuinduktivitäten nicht zu groß werden.

Figur 16 zeigt einen detaillierten Zeitverlauf von Netzströmen des Wechselstromnetzes 20, eines Ausgangsstroms des Eingangsstromrichters 30, eines Schwingkreisstroms des Schwingkreisstromrichters 40, von verketteten Transformatorspannungen des Transformators 50 und eines Modulausgangsstroms gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus Figur 15. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 16 zeigen dabei stets den Zeitverlauf auf der x-Achse (0,00001s Schritte) und auf der y-Achse die Eingangsströme h, b und h (50A Schritte), den Ausgangsstrom bc (20A Schritte), den Schwingkreisstrom i _a (50A Schritte), die verketteten Transformatorspannungen UTrafo (500V Schritte) und den Modulausgangsstrom iout (50A Schritte). Figur 16 zeigt die realen Zeitverläufe mit einer Streuinduktivität im Transformator 50, welche in einer realen Stromrichterschaltung 10 stets vorhanden sind. Hierbei weisen für die phasenversetzten, sinusförmigen Netzströme ii, b und b durch das harte Schalten der Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters 30 im Detail einen gezackten Verlauf mit der Schaltfrequenz von 83kHz des Eingangsstromrichters 30 auf. Der pulsförmige Ausgangsstrom IDC setzt sich aus der Zusammenführung und/oder Addition der Eingangsströmen ii, und b zusammen. Der Schwingkreisstrom i _a des Schwingkreisstromrichters 40 ergibt sind dabei aus dem Ausgangsstrom IDC des Eingangsstromrichters 30 durch phasenversetztes Schalten der Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters 40 bei einer Schaltfrequenz von fo/3. Der Schwingkreisstrom i _a weist dabei einen symmetrischen, pulsförmigen Verlauf mit negativen und positiven Amplitudenwerten auf. Die verketteten Transformatorspannungen des Transformators 50 ergeben sich dabei durch das Zusammenspiel der Schwingkreisströme i _a , ib und i _c. Am Ausgang der Gleichrichterbrücke 60 ergibt sich ein gewellter Modulausgangsstrom, welcher durch eine Filterschaltung vor der Zuführung zum Akkumulator 70 noch geglättet wird.

Die Figur 17 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelungsschaltung 80 eines Eingangsstromrichters 30 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei soll mit der Regelungsschaltung 80 die aufgenommene Blindleistung des Eingangsstromrichters 30 zu Null geregelt werden. Hierzu werden die Eingangsspannungen ui, U2 und U3 sowie die Eingangsströme ii, und b in einem Raumzeiger-Wandler 82 in Netzspannungs und Stromraumzeiger umgewandelt. Aus den ab-Komponenten UN und UNP des Netzspannungsraumzeigers wird der reziproke Betrag von ÜN in einem Reziprog- Wandler 84 berechnet. Dieser reziproke Betragswert wird anschließend mit den ab- Komponenten der Netzspannung in zwei ersten Multiplikatoren 86 multipliziert, wodurch ab-Komponenten mit der Amplitude 1 eins entstehen. Diese aß- Komponenten der Spannung werden dann mit einem Stromsollwert INSOII der überlagerten Regelung in zwei zweiten Multiplikatoren 88 multipliziert und dadurch die Sollwerte iNasoii und iNßsoii der aß-Netzströme gebildet. Diese Stromsollwerte iNasoii und iNßsoii werden anschließend in einer Stromsollwert-Phasenverschiebeeinheit 90 in der Phase verschoben, worauf im Weiteren nochmals eingegangen wird. Diese phasenverschobenen Stromsollwerte werden mit den Strom istwerten INO und iNß in einem Vergleichsglied 92 verglichen und aß -Stromreglern 94 zugeführt. Zur Verbesserung der Dynamik wird am Ausgang der ab-Strom regier 94 eine Störgrößenaufschaltung 96 mit den ab-Komponenten der Netzspannung vorgenommen. Als Ausgangsignal werden Sollregelspannungen USRQSOII und usRßsoii erzeugt und zur Pulsmustererzeugung dem Eingangsstromrichter 30 bereitgestellt. Die Sollregelspannungen USRQSOII und usRßsoii sind dabei Sollwerte der mittleren Stromrichterausgangsspannung über eine Periode. Dabei werden die Sollspannungen in die entsprechenden Pulsbreiten der Pulsweitenmodulation für die Schalteinrichtungen 30i bis 303 umgerechnet. Im Kernelement der Regelungsschaltung 80 erfolgt eine Blindleistungsregelung. Hierzu wird aus den aß- Komponenten der Netzgrößen die aufgenommene Blindleistung in einer Blindleistungsberechnungseinheit 98 berechnet und mit dem Blindleistungswert Null verglichen. Hierbei entsteht eine Blindleistung dann, wenn eine Phasenverschiebung zwischen den Eingangsspannungen ui, U2 und U3 sowie den Eingangsströmen ii, b und h existiert. Durch die Regelung auf Wechselgrößen besteht zwischen Strom istwert und Stromsollwert grundsätzlich eine Phasenverschiebung. Ein Blindleistungsregler 100 erzeugt einen Phasenwinkel cp welcher den Sollwert der Netzströme so in der Phase verschiebt, dass keine Blindleistung aufgenommen wird. Dabei weist die Regelungsschaltung 80 durch die Möglichkeit der Verwendung von sehr hohen Schaltfrequenzen eine hohe Regelungsdynamik bei einem gleichzeitig sehr stabilen Regelungsverhalten auf. In den hier gezeigten Simulationsdaten wird beispielsweise eine Schaltfrequenz fo des Eingangsstromrichters 30 von 83kHz verwendet, was eine Nutzung von SIC- Bauelementen bei einem vereinfachten Aufbau der Stromrichterschaltung 10 erlaubt.

Die Regelungsschaltung 80 weist vorzugsweise neben der Regelung der aufgenommenen Blindleistung des Eingangsstromrichters 30 zusätzliche Regelungseinheiten auf, welche das Ein- und Ausschalten der Schalteinrichtungen 30i und 30-1, 302 und 30-2, sowie 303 und 30-3 des Eingangsstromrichters 30 und das Ein- und Ausschalten der Schalteinrichtungen 40i und 40-1, 402 und 40-2, sowie 403 und 40-3 des 3-phasige Schwingkreisstromrichters 40 steuert und/oder regelt. Die Regelungseinheiten zum Ein- und Ausschalten der Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters 30 und des Schwingkreisstromrichters 40 können auch als separate Regelungsschaltung getrennt von der Regelungsschaltung 80 ausgebildet sein.

Alternativ oder zusätzlich zur Regelung der Schaltfrequenzen fo und fo/3 durch die Regelungsschaltung 80 kann netzseitig ein L-C-L Filter vorgeschaltet werden. Auf diese Weise ist eine spannungseinprägende Regelung anstelle der stromeinprägenden Regelung möglich.

Die Figur 18 zeigt einen Zeitverlauf der Eingangsspannungen ui, U2 und U3 und der Eingangsströme ii, h und h, sowie der aufgenommenen Wirkleistung p(t) und Blindleistung q(t) bei einem Sollwertsprung des Netzstromes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 18 zeigen dabei stets den Zeitverlauf auf der x-Achse und auf der y-Achse die Eingangsströme i-i, und h, die Eingangsspannungen ui, U2 und U3, die aufgenommene Wirkleistung p(t) und die aufgenommene Blindleistung q(t). Dabei wird deutlich, dass die Regelungsschaltung 80 den Eingangsstromrichter 30 der Stromrichterschaltung derart regelt, dass schon kurz nach dem Sollwertsprung die aufgenommene Blindleistung q(t) wieder bei null ist. Zur besseren Darstellbarkeit wurde für die Simulation in Figur 18 eine Netzfrequenz des einspeisenden Netzes von 500Hz gewählt.

Die Figur 19 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichterschaltungssystems 1 mit einer Mehrzahl j von parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei werden die oben beschriebenen Ausführungsformen der Stromrichterschaltung 10 parallel zwischen dem Wechselstromnetz 20 und dem Akkumulator 70 konfiguriert. Diese Parallelschaltung ist durch die Potentialtrennung in der Ausgangsstufe der einzelnen Stromrichterschaltungen 10 möglich. Dabei werden die Pulsmuster der Eingangsstromrichter 30 der parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen 10 bei gleicher Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo jeweils bezüglich ihrer Periodendauer To um einen Phasenwinkel 2 tt/j zueinander verschoben. Bei der phasenverschobenen Schaltabfolge der parallelen Stromrichterschaltungen 10 kann zudem, bei gleicher Baugröße der Eingangsinduktivitäten LE, die Welligkeit der Eingangsströme ii, und h reduziert werden. Bei einer Optimierung der Welligkeit ist es dabei möglich, die Baugröße der Eingangsinduktivitäten LE weiter zu verkleinern.

Die Figur 20 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen 11 in einem Stromrichterschaltungssystem 1 mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen 10 mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die

Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 20 zeigen dabei stets den

Zeitverlauf auf der x-Achse (0,000005s Schritte) und auf der y-Achse drei Eingangsströme 11 von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (0,5A Schritte), den kombinierten Eingangsstrom 11 von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (0,2A Schritte) und den kombinierten Eingangsstrom 11 von sechs parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (0,1A Schritte). Hierbei zeigt die Figur 20a den parallelen zeitlichen Verlauf von drei einzelnen Eingangsströmen 11 von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 in einem Diagramm, wobei die Eingangsströme 11 der parallelen

Stromrichterschaltungen 10 durch phasenverschobene Schaltung der

Eingangsstromrichter 30 erzeugt werden. Die Figur 20b zeigt nun den kombinierten Eingangsstrom 11 des Stromschaltungssystems 1 bestehend aus den drei addierten Eingangsströmen 11 der parallelen, phasenversetzt geschalteten Eingangsstromrichter 30, deren Amplitude noch durch die Anzahl drei der parallelen Stromrichterschaltungen 10 geteilt wurde. Der zeitliche Versatz der Phasen ergibt sich dabei zu To/3. Figur 20c zeigt den kombinierten Eingangsstrom 11 eines Stromschaltungssystems 1 bestehend aus sechs parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10. Der zeitliche Versatz der Phasen ergibt sich dabei zu To/6. Hierbei wird im Vergleich zu Figur 20b deutlich, dass durch eine höhere Anzahl parallel geschalteter Stromrichterschaltungen 10 die Welligkeit des kombinierten Eingangsstrom 11 reduziert werden kann. Die Figur 21 zeigt einen Zeitverlauf von Ausgangsströmen iout in einem Stromrichterschaltungssystem 1 mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen 10 mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 21 zeigen dabei stets den Zeitverlauf auf der x-Achse und auf der y-Achse drei Ausgangsströme iout von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (5A Schritte), den kombinierten Ausgangsstrom iout von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (2A Schritte) und den kombinierten Ausgangsstrom iout von sechs parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (2A Schritte). Hierbei zeigt die Figur 21a, vergleichbar zur Figur 20a, den parallelen zeitlichen Verlauf von drei einzelnen Ausgangsströmen iout von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 in einem Diagramm. Figur 21b zeigt dann die Addition der drei einzelnen Ausgangsströme iout aus Figur 21a. In Figur 21c ist wiederum, vergleichbarzu Figur 20c, die Addition von sechs einzelnen Ausgangsströmen iout eines Stromschaltungssystems 1 bestehend aus sechs parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 zu sehen. Auch hier wird durch eine höhere Anzahl parallel geschalteter Stromrichterschaltungen 10 die Welligkeit des kombinierten Ausgangsstroms iout reduziert.

Die Figur 22 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromrichter schaltungssystems 1 mit einer Mehrzahl von parallelgeschalteten Stromrichter schaltungen 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 22 zeigt ein vollständiges Ersatzschaltbild der Stromrichterschaltung 10 aus Figur 19.

Die Figur 23 zeigt einen Zeitverlauf von Eingangsströmen ii, und h in einem Stromrichterschaltungssystem 1 mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichterschaltungen 10 mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 23 zeigen dabei stets den Zeitverlauf auf der x-Achse (0,002s Schritte) und auf der y-Achse drei Eingangsströme ii, und h von einer Stromrichterschaltung 10 (50A Schritte), die Eingangsströme ii, h und h von drei parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (100A Schritte) und die kombinierten Eingangsströme ii, und b von sechs parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (200A Schritte). Hierbei wird deutlich, dass bei einer Erhöhung der Anzahl an parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen 10 eine Verstärkung der Stromwelligkeitsreduktion erreicht wird.

Die Figur 24 zeigt einen Zeitverlauf von Ausgangsströmen in einem Stromrichter schaltungssystem 1 mit unterschiedlicher Anzahl parallelgeschalteter Stromrichter schaltungen 10 mit jeweils einem zeitlichen Phasenversatz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Achsendiagramme für die Zeitverläufe in der Figur 24 zeigen dabei stets den Zeitverlauf auf der x-Achse (0,000005s Schritte) und auf der y-Achse die einzelnen Ausgangsströme iout von drei parallel geschalteter Stromrichterschaltung 10 (50A Schritte), der kombinierte Ausgangsstrom iout von drei parallel geschalteter Stromrichterschaltung 10 (50A Schritte) und der kombinierte Ausgangsstrom iout von sechs parallel geschalteten Stromrichterschaltungen 10 (50A Schritte). Dabei werden im Vergleich zu Figur 21 Streuinduktivitäten im Transformator 50 berücksichtigt. Es wird wiederum deutlich, dass bei einer Erhöhung der Anzahl an parallelgeschalteten Stromrichterschaltungen 10 eine Verstärkung der Stromwelligkeitsreduktion beim Ausgangsstrom erreicht wird.

Bezugszeichenliste

1 Stromrichterschaltungssystem

10 Stromrichterschaltung

20 Wechselstromnetz

30 Eingangsstromrichter

301..m Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters, positiver Ast

30-1. -m Schalteinrichtungen des Eingangsstromrichters, negativer Ast 40 Schwingkreisstromrichter

401..m Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters, positiver Ast

40-1. -m Schalteinrichtungen des Schwingkreisstromrichters, negativer Ast42 Schutzdioden 50 Transformator

60 Gleichrichterbrücke

70 Akkumulator

80 Regelungsschaltung

82 Raumzeiger-Wandler

84 Reziprog-Wandler

86 erste Multiplikatoren

88 zweite Multiplikatoren

90 Stromsollwert-Phasenverschiebeeinheit

92 Vergleichsglied

94 aß-Stromregler

96 Störgrößenaufschaltung

98 Blindleistungsberechnungseinheit

100 Blindleistungsregler

LE Eingangsinduktivität des Eingangsstromrichters

C _P Schwingkreiskondensator

CG Glättungskondensator

Lh Hauptinduktivität des Transformators ii..n Eingangsstrom der n-ten Phase eines Wechselstromnetzes ui..n Eingangsspannung der n-ten Phase eines Wechselstromnetzes

IDC pulsförmiger Ausgangsstrom des E ingangsstrom richters

UDC pulsförmige Ausgangsspannung des Eingangsstromrichters ia.b.c Schwingkreisströme in den m-Phasen des Schwingkreisstromrichters iha.hb.hc Ströme durch die Hauptinduktivitäten in den m-Phasen

Ua.b.c Spannungen zwischen der m-ten Phase des Schwingkreisstromrichters und dem negativen Ast des Eingangsstromrichters Uab.bc.ca Sekundärseitige Ausgangsspannungen am Transformator uo- Spannung zwischen Sternpunkt des Transformators und negativen Ast des Eingangsstromrichters iout Ausgangsstrom der Stromrichterschaltung

Uout Ausgangsspannung der Stromrichterschaltung

UNa.ß aß-Komponenten der Eingangsspannungsraumzeiger

UNa.ßsoii Sollwerte der aß-Komponenten der Eingangsspannungsraumzeiger ΐNa,b ab-Komponenten der Eingangsstromraumzeiger iNa.ßsoii Sollwerte der aß-Komponenten der Eingangsstromraumzeiger ÜN reziproker Betrag der ab-Komponenten des

Eingangsspannungsraumzeigers TNSOII Stromsollwert usRa.ßsoii Sollregelspannung zur Pulsmustererzeugung im Eingangsstromrichter f Phasenwinkel

Q Blindleistung p(t) aufgenommene Wirkleistung q(t) aufgenommene Blindleistung n Anzahl der Eingangsphasen des Eingangsstromrichters m Anzahl der Phasen des Schwingkreisstromrichters und des Transformators j Anzahl der parallel geschalteten Stromrichterschaltungen fo Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz

To Periodendauer bei einer Eingangsstromrichter-Schaltfrequenz fo fo/m Schwingkreisstromrichter-Schaltfrequenz