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Dokumentenidentifikation EP1318594 17.07.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1318594
Titel Stromrichterschaltungsanordnung zur Erhöhung einer Wechselspannung
Anmelder ABB Schweiz AG, Baden, CH
Erfinder Guggisberg, Adrian, 5301 Station Siggenthal, CH;
Steinke, Jürgen, 79774 Albbruck, DE
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 10.12.2001
EP-Aktenzeichen 018112029
EP-Offenlegungsdatum 11.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.07.2003
IPC-Hauptklasse H02M 7/48
IPC-Nebenklasse H02M 7/5387   H02M 1/12   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer Stromrichterschaltungsanordnung zur Erhöhung einer Wechselspannung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Stand der Technik

Derzeit gibt es eine Fülle von Stromrichterschaltungsanordnungen, welche eingangsseitig von einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist sind und ausgangsseitig eine Last speisen. Eine solche Stromrichterschaltungsanordnung ist beispielsweise in der EP 0 682 401 A1 angegeben. Darin weist die Stromrichterschaltungsanordnung einen als Wechselrichter ausgeführten Umrichter auf, der ausgangsseitig eine Filterschaltung aufweist und der dreiphasig ausgeführt ist. An diese Filterschaltung ist eine von der Stromrichterschaltungsanordnung mit einer Wechselspannung zu speisende elektrische Last anschliessbar. Mit dieser Filterschaltung nach der EP 0 682 401 A1 ist es möglich, die Änderungsgeschwindigkeit der Umrichterausgangsspannung und damit die Umrichterausgangsspannung selbst zu begrenzen.

Problematisch bei der vorstehend genannten Stromrichterschaltungsanordnung nach der EP 0 682 401 A1 ist es, dass die elektrischen Last oft eine gegenüber der Umrichterausgangsspannung erhöhte Wechselspannung benötigt, wobei jedoch diese erhöhte Wechselspannung weder vom Umrichter noch von der Filterschaltung mit ihrer begrenzenden Wirkung an ihrem Ausgang bereitgestellt werden kann. Es ist zwar allgemein bekannt, dass zur Erhöhung einer Wechselspannung ein Transformator mit einem entsprechenden Übersetzungsverhältnis zwischen den Umrichterausgängen und der Filterschaltung vorgesehen werden kann, jedoch ist ein solcher Transformator teuer, wartungsintensiv, verlustbehaftet und benötigt viel Platz.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Stromrichterschaltungsanordnung zur Erhöhung einer Wechselspannung anzugeben, welche eine Erzeugung einer gegenüber einer Ausgangsspannung eines Umrichters der Stromrichterschaltungsanordnung erhöhte Wechselspannung auf besonders einfache Weise ermöglicht und welche einfach und damit kostengünstig aufgebaut ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die erfindungsgemässe Stromrichterschaltungsanordnung zur Erhöhung einer Wechselspannung weist einen Umrichter auf, der als Wechselrichter ausgebildet ist. An Wechselspannungsanschlüssen des Umrichters ist weiterhin eine Filterschaltung angeschlossen, welche erfindungsgemäss mindestens eine Teilfilterschaltung umfasst, die derart ausgebildet ist, dass ein in die Teilfilterschaltung fliessender Umrichterausgangsstrom gegenüber einer an Lastanschlüssen der Teilfilterschaltung anliegenden Teilfilterausgangsspannung zeitlich voreilt und zudem eine an den Wechselspannungsanschlüssen anliegende Umrichterausgangsspannung auf einen vorgebbaren Wert begrenzt wird. Durch den mittels der Teilfilterschaltung eingestellten und gegenüber der Teilfilterausgangsspannung zeitlich voreilenden Umrichterausgangsstrom und durch die durch die Teilfilterschaltung auf einen vorgebbaren Wert begrenzte Umrichterausgangsspannung stellt sich vorteilhaft eine Teilfilterausgangsspannung, welche eine Wechselspannung ist, ein, die höher als die Umrichterausgangsspannung ist. Somit kann auf einfache und besonders kostengünstige Weise eine Wechselspannung, insbesondere eine Umrichterausgangsspannung, erhöht werden, ohne dass zusätzliche Beschaltungen wie beispielsweise ein aus dem Stand der Technik bekannter Transformator nötig sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung weist die Teilfilterschaltung eine Filterinduktivität und eine Filterkapazität auf, wobei die Filterkapazität derart ausgelegt ist, dass der Umrichterausgangsstrom gegenüber der Teilfilterausgangsspannung zeitlich voreilend ist und die Filterinduktivität die Umrichterausgangsspannung auf den vorgebbaren Wert begrenzt. Dadurch ist eine besonders einfache und aus passiven Bauelementen aufgebaute Teilfilterschaltung der Stromrichterschaltung erreicht, die keinerlei zusätzliche elektrische Energieversorgung benötigt, um die gewünschte Erhöhung der Teilfilterausgangsspannung beziehungsweise Wechselspannung gegenüber der Umrichterausgangsspannung zu erzielen.

Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1
eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung zur Erhöhung einer Wechselspannung,
Fig. 2
eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung zur Erhöhung einer Wechselspannung und
Fig. 3
ein Zeigerdiagramm der relevanten physikalischen Grössen der erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung.

Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung zur Erhöhung einer Wechselspannung gezeigt. Die Stromrichterschaltungsanordnung weist gemäss Fig.1 einen Umrichter 2 auf, an dessen Gleichspannungsseite ein Gleichspannungszwischenkreis 1 angeschlossen ist. Der Umrichter 2 ist als Wechselrichter ausgebildet und ist einphasig mit einem ersten Wechselspannungsanschluss 8.1 und einem zweiten Wechselspannungsanschluss 8.2 ausgeführt. An den Wechselspannungsanschlüssen 8.1, 8.2 ist gemäss Fig.1 eine Filterschaltung 3 angeschlossen.

Erfindungsgemäss umfasst die Filterschaltung 3 bei dem einphasig ausgeführten Umrichter 2 gemäss Fig. 1 eine einzige Teilfilterschaltung 4, welche einen ersten Lastanschluss 5 und einen zweiten Lastanschluss 6 aufweist. Die Teilfilterschaltung 4 ist erfindungsgemäss derart ausgebildet, dass ein in die Teilfilterschaltung 4 fliessender Umrichterausgangsstrom IU gegenüber einer an den Lastanschlüssen 5, 6 der Teilfilterschaltung 4 anliegenden Teilfilterausgangsspannung UF zeitlich voreilt und eine an den Wechselspannungsanschlüssen 8.1, 8.2 anliegende Umrichterausgangsspannung UU auf einen vorgebbaren Wert |UUb| begrenzt wird. Bei dem einphasig ausgeführten Umrichter 2 gemäss Fig. 1 liegt die Umrichterausgangsspannung UU zwischen dem ersten Wechselspannungsanschluss 8.1 und dem zweiten Wechselspannungsanschluss 8.2 an. Gemäss Fig. 1 weist die Teilfilterschaltung 4 eine Filterinduktivität LF und eine Filterkapazität CF auf, wobei die Filterkapazität CF derart ausgelegt ist, dass der Umrichterausgangsstrom IU gegenüber der Teilfilterausgangsspannung UF zeitlich voreilend ist und die Filterinduktivität LF die Umrichterausgangsspannung UU auf den vorgebbaren Wert |UUb| begrenzt. Gemäss Fig. 1 ist die Filterinduktivität LF am ersten Wechselspannungsanschluss 8.1 des Umrichters 2 angeschlossen. Die Filterkapazität CF ist weiterhin mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss 8.2 des Umrichters 2 verbunden. Darüber hinaus ist die Filterkapazität CF mit der Filterinduktivität LF verbunden, wobei der Verbindungspunkt der Filterkapazität CF mit der Filterinduktivität LF den ersten Lastanschluss 5 bildet und der Verbindungspunkt des zweiten Wechselspannungsanschlusses 8.2 mit der Filterkapazität CF den zweiten Lastanschluss 6 bildet. Vorzugsweise ist der Verbindungspunkt des zweiten Wechselspannungsanschlusses 8.2 mit der Filterkapazität CF geerdet, wodurch Spannungen gegenüber Erde, d.h. sogenannte Common-Mode-Spannungen, vorteilhaft gefiltert werden.

Die Verhältnisse der relevanten physikalischen Grössen, insbesondere der Spannungen und Ströme der erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung sind in einem Zeigerdiagramm gemäss Fig. 3 für die gemäss Fig. 1 gezeigte und vorstehend beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung dargestellt. Die gewünschte, gegenüber der Umrichterausgangsspannung UU erhöhte Wechselspannung liegt als Teilfilterausgangsspannung UF an den beiden Lastanschlüssen 5, 6 an, die sich aus der nachfolgenden Erläuterung anhand von Fig. 3 ergibt. Gemäss Fig. 3 stellt die Teilfilterschaltung 4 durch deren Auslegung, insbesondere der Filterkapazität CF, den in die Teilfilterschaltung 4 fliessenden Umrichterausgangsstrom IU derart ein, dass der Umrichterausgangsstrom IU gegenüber der Teilfilterausgangsspannung UF zeitlich voreilt. Der Umrichterausgangsstrom IU ergibt sich gemäss Fig. 3 durch Addition eines Teilfilterausgangsstromes IF, und eines Filterkapazitätsstromes ICF durch die Filterkapazität CF, wobei der Teilfilterausgangsstrom IF durch eine an die Lastanschlüsse 5, 6 angeschlossene elektrische Last 7 bestimmt ist. Gemäss Fig. 3 ist die Umrichterausgangsspannung UU die Summe aus der Teilfilterausgangsspannung UF und einer an der Filterinduktivität LF anliegenden Filterinduktivitätsspannung ULF, wobei die Filterinduktivität LF die vorstehend beschriebene Begrenzung der Umrichterausgangsspannung UU auf den vorgebbaren Wert |UUb| bewirkt. Vorzugsweise ist der vorgebbare Wert |UUb| die maximal zulässige Umrichterausgangsspannung, auf die der Umrichter 2 ausgelegt ist, wodurch der Umrichter 2 ausgangsspannungsmässig vorteilhaft nicht überdimensioniert werden muss. Die gegenüber der Umrichterausgangsspannung UU erhöhte Wechselspannung, d.h. die Teilfilterausgangsspannung UF stellt sich somit gemäss Fig. 3 durch die vorstehend beschriebene Einstellung des Umrichterausgangsstromes IU und durch die vorstehend beschriebene Begrenzung der Umrichterausgangsspannung UU ein.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung gezeigt, welche sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung gemäss Fig. 1 dahingehend unterscheidet, dass der Umrichter 2 n-phasig, d.h. mit n Wechselspannungsanschlüssen 8.1, 8.2, 8.3 ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Filterschaltung 3 n Teilfilterschaltungen 4, wobei gemäss Fig. 2 beispielhaft ein dreiphasiger Umrichter gezeigt ist und somit n=3, im allgemeinen Fall jedoch n ≥ 3 ist. Gemäss Fig. 2 ist an jedem Wechselspannungsanschluss 8.1, 8.2, 8.3 eine Teilfilterschaltung 4 angeschlossen. Bei jeder Teilfilterschaltung 4 gemäss Fig. 2 handelt es sich um dieselbe Teilfilterschaltung 4, wie bei der in Fig. 1 vorstehend beschriebenen Teilfilterschaltung 4, d. h. jede Teilfilterschaltung 4 gemäss Fig. 2 weist eine Filterinduktivität LF und eine Filterkapazität CF auf, wobei die Filterinduktivität LF und die Filterkapazität CF entsprechend den vorstehend beschriebenen Erläuterungen zu Fig. 1 ausgelegt sind, so dass sich die gewünschte, gegenüber der Umrichterausgangsspannung UU erhöhte Wechselspannung bzw. Teilfilterausgangsspannung UF einstellt. Gemäss Fig. 2 ist bei jeder Teilfilterschaltung 4 entsprechend den Ausführungen zu der Teilfilterschaltung 4 gemäss Fig. 1 der vorgebbare Wert |UUb|, auf den die Umrichterausgangsspannung UU begrenzt ist, vorteilhaft die maximal zulässige Umrichterausgangsspannung. Auf diese maximal zulässige Umrichterausgangsspannung ist der Umrichter 2 ausgelegt, so dass der Umrichter 2 ausgangsspannungsmässig vorteilhaft nicht überdimensioniert werden muss. Gemäss Fig. 2 ist die Filterinduktivität LF der Teilfilterschaltung 4 an den entsprechenden Wechselspannungsanschluss 8.1, 8.2, 8.3 angeschlossen und mit der Filterkapazität CF der zugehörigen Teilfilterschaltung 4 verbunden. Der Verbindungspunkt der Filterinduktivität LF mit der Filterkapazität CF bildet gemäss Fig. 2 einen Lastanschluss 5, 6, 9, wobei allgemein bei einem n-phasig ausgeführten Umrichter 2 n Lastanschlüsse 5, 6, 9 mit n ≥ 3 ausgebildet sind. Zudem sind die Filterkapazitäten CF der Teilfilterschaltungen 4 miteinander verbunden, wobei der Verbindungspunkt der Filterkapazitäten CF vorzugsweise geerdet ist, wodurch Spannungen gegenüber Erde, d.h. sogenannte Common-Mode-Spannungen, vorteilhaft gefiltert werden. Bei dem n-phasig ausgeführten Umrichter 2 gemäss Fig. 2 liegt an jedem Wechselspannungsanschluss 8.1, 8.2, 8.3 eine Umrichterausgangsspannung UU an, die sich auf das Potential des geerdeten Verbindungspunktes der Filterkapazitäten CF bezieht, wobei in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber nur die Umrichterausgangsspannung UU für den Wechselspannungsanschluss 8.1 sowie die weiteren relevanten physikalischen Grössen für die an den Wechselspannungsanschluss 8.1 angeschlossene Teilfilterschaltung 4 dargestellt sind.

Die Verhältnisse der physikalischen Grössen, insbesondere der Spannungen und Ströme der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung gemäss Fig. 2 entsprechen denen der vorstehend anhand des Zeigerdiagramms gemäss Fig. 3 gemachten Ausführungen der ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung nach Fig. 1.

Vorteilhaft wird die erfindungsgemässe Stromrichterschaltung nach Fig. 1 und Fig. 2 in einer Verbindung zur elektrischen Last 7 mit einem Kabel verwendet. Die elektrische Last 7 ist bei der Verbindung an das Kabel angeschlossen, wobei die vorstehend beschriebene Stromrichterschaltungsanordnung gemäss Fig. 1 und Fig. 2 erfindungsgemäss mit den Lastanschlüssen 5, 6, 9 der Teilfilterschaltung 4 an das Kabel angeschlossen ist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass mit der erhöhten Teilfilterausgangsspannung UF der Spannungsabfall über dem Kabel kompensiert werden kann, so dass die elektrische Last 7 weiterhin in gewünschtem Masse mit einer gegenüber der Umrichterausgangsspannung UU erhöhten Wechselspannung versorgt werden kann.

Insgesamt kann mittels der erfindungsgemässen Stromrichterschaltungsanordnung auf einfache und besonders kostengünstige Weise eine Wechselspannung, insbesondere eine Umrichterausgangsspannung, erhöht werden, ohne dass zusätzliche Beschaltungen und Komponenten benötigt werden.

Bezugszeichenliste

1
Gleichspannungszwischenkreis
2
Umrichter
3
Filterschaltung
4
Teilfilterschaltung
5
ersten Lastanschluss
6
zweiter Lastanschluss
7
elektrische Last
8.1
ersten Wechselspannungsanschluss
8.2
zweiter Wechselspannungsanschluss
8.3
dritter Wechselspannungsanschluss
9
dritter Lastanschluss


Anspruch[de]
  1. Stromrichterschaltungsanordnung zur Erhöhung einer Wechselspannung mit einem Umrichter (2), der als Wechselrichter ausgebildet ist, wobei an Wechselspannungsanschlüssen (8.1, 8.2, 8.3) des Umrichters (2) eine Filterschaltung (3) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Filterschaltung (3) mindestens eine Teilfilterschaltung (4) umfasst, und dass die Teilfilterschaltung (4) derart ausgebildet ist, dass ein in die Teilfilterschaltung (4) fliessender Umrichterausgangsstrom (IU) gegenüber einer an Lastanschlüssen (5, 6, 9) der Teilfilterschaltung (4) anliegenden Teilfilterausgangsspannung (UF) zeitlich voreilt und eine an den an Wechselspannungsanschlüssen (8.1, 8.2, 8.3) anliegende Umrichterausgangsspannung (UU) auf einen vorgebbaren Wert (|UUb|) begrenzt wird.
  2. Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfilterschaltung (4) eine Filterinduktivität (LF) und eine Filterkapazität (CF) aufweist, wobei die Filterkapazität (CF) derart ausgelegt ist, dass der Umrichterausgangsstrom (IU) gegenüber der Teilfilterausgangsspannung (UF) zeitlich voreilend ist und die Filterinduktivität (LF) die Umrichterausgangsspannung (UU) auf den vorgebbaren Wert (|UUb|) begrenzt.
  3. Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung (3) bei einem einphasig ausgeführten Umrichter (2) eine einzige Teilfilterschaltung (4) umfasst, wobei die Filterinduktivität (LF) an einem ersten Wechselspannungsanschluss (8.1) des Umrichters (2) angeschlossen ist, ein zweiter Wechselspannungsanschluss (8.2) des Umrichters (2) mit der Filterkapazität (CF) verbunden ist, die Filterkapazität (CF) mit der Filterinduktivität (LF) verbunden ist und der Verbindungspunkt der Filterkapazität (CF) mit der Filterinduktivität (LF) einen ersten Lastanschluss (5) bildet und der Verbindungspunkt des zweiten Wechselspannungsanschlusses (8.2) mit der Filterkapazität (CF) einen zweiten Lastanschluss (6) bildet.
  4. Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt des zweiten Wechselspannungsanschlusses (8.2) mit der Filterkapazität (CF) geerdet ist.
  5. Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung (3) bei einem n-phasig ausgeführten Umrichter (2) mit n Wechselspannungsanschlüssen (8.1, 8.2, 8.3) n Teilfilterschaltungen (4) umfasst, wobei n ≥ 3 ist, dass an jedem Wechselspannungsanschluss (8.1, 8.2, 8.3) eine Teilfilterschaltung (4) angeschlossen ist, und

    dass die Filterinduktivität (LF) der Teilfilterschaltung (4) an den entsprechenden Wechselspannungsanschluss (8.1, 8.2, 8.3) angeschlossen ist und mit der Filterkapazität (CF) der zugehörigen Teilfilterschaltung (4) verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt der Filterinduktivität (LF) mit der Filterkapazität (CF) einen Lastanschluss (5, 6, 9) bildet und die Filterkapazitäten (CF) der Teilfilterschaltungen (4) miteinander verbunden sind.
  6. Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt der Filterkapazitäten (CF) geerdet ist.
  7. Stromrichterschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Wert |UUb| die maximal zulässige Umrichterausgangsspannung ist.
  8. Verbindung zur einer elektrischen Last (7) mit einem Kabel, an welches die elektrische Last (7) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit den Lastanschlüssen (5, 6, 9) der Teilfilterschaltung (4) an das Kabel angeschlossen ist.






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