Modularer Bremssteiler mit hybridem Aufbau

Die Erfindung betri f ft einen modularen Bremssteiler, aufweisend einen Bremswiderstand und mindestens zwei Submodule , wobei der Bremswiderstand und die Submodule in einer Reihenschaltung angeordnet sind . Weiter betri f ft die Erfindung einen elektrischen Antrieb, aufweisend einen derartigen modularen Bremssteiler und einen Stromrichter, wobei der Stromrichter gleichspannungsseitig mit dem modularen Bremssteiler elektrisch verbunden ist . Die Erfindung betri f ft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen modularen Bremsstel- lers oder eines derartigen elektrischen Antriebs .

Ein modularer Multilevel-Stromrichter ist aus der

DE 10 103 031 Al bekannt . Dieser, auch als M2C oder MMC bekannte Stromrichter, besitzt eine Konverter-Topologie , die aufgrund des Aufbaus mit Submodulen insbesondere für Mittelund Hochspannungsanwendungen geeignet ist . Der Grundaufbau des mehrphasigen Konverters umfasst zwei Konverterarme pro Phase , die j eweils eine Reihenschaltung von Submodulen aufweisen . Dabei sind die beiden Konverterarme am Phasenanschluss miteinander verbunden . Die andere Seite der Konverterarme ist mit der Gleichspannungsseite verbunden . Die Wechselspannungsseite des modularen Multilevel-Stromrichters wird durch einen oder mehrere Phasenanschlüsse gebildet . Im grundlegenden Aufbau kann mit dem Konverter Energie zwischen der Gleichspannungsseite und der Wechselspannungsseite bidirektional übertragen oder in einem gewissen Maß zwischengespeichert werden .

Um zusätzlich einen gezielten Energieabbau zu ermöglichen, ist die Installation eines Bremsstellers zweckmäßig . Ein modularer Bremsstellers ist aus der WO 2007 / 023061 A2 bekannt . Der modulare Bremssteiler wird üblicherweise an die Gleichspannungsseite des modularen Multilevel-Stromrichters bei- spielsweise zwischen einem DC+ und einem DC- Anschluss angeschlossen .

Der Widerstand einer Bremsstelleranordnung wird oftmals auch als Bremswiderstand bezeichnet , da dieser dazu geeignet ist , elektrische Energie einer elektrischen Maschine , die aufgrund eines Bremsvorgangs erzeugt wird, in Wärme umzuwandeln . Dabei ist die Verwendung eines Bremsstellers nicht auf die Anwendung eines bremsenden elektrischen Antriebs beschränkt . So muss es sich nicht notwendigerweise um Bremsenergie handeln, die in Wärme umgewandelt wird . Der Bremssteiler kann beispielsweise auch zur Stabilisierung eines Energieversorgungsnetzes eingesetzt werden, indem er elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz in Wärme umwandelt . Der Begri f f Bremswiderstand wurde gewählt , um den Widerstand, in dem eine vorgegebene elektrische Energie bzw . Leistung in Wärme bzw . Wärme pro Zeit umgesetzt wird, von anderen Widerständen unterscheiden zu können .

Mit der Bezeichnung, eine in Wärme umzusetzende Leistung ist im Folgenden gemeint , dass das Integral der Leistung über die Zeit in Wärme umgesetzt wird . Mit anderen Worten wird eine sich aus der Leistung über die Zeit ergebende Energiemenge in Wärme umgesetzt .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , einen modularen Bremssteiler zu verbessern .

Diese Aufgabe wird durch einen modularen Bremssteiler gelöst , wobei der modulare Bremssteiler einen Bremswiderstand und mindestens zwei Submodule aufweist , wobei der Bremswiderstand und die Submodule in einer Reihenschaltung angeordnet sind, wobei mindestens ein Submodul als Vollbrückenmodul und mindestens ein Submodul als Doppelhalbbrückenmodul ausgebildet ist , wobei der modulare Bremssteiler eine Steuervorrichtung aufweist , die dazu eingerichtet ist , eine Spannung über den in Reihe angeordneten Submodulen zu erzeugen, wobei die Spannung einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungs- anteil umfasst , wobei die Steuervorrichtung ferner eingerichtet ist , den Wechselspannungsanteil , insbesondere hinsichtlich seiner Amplitude , derart zu steuern oder zu regeln, dass die im zeitlichen Mittel vom modularen Bremssteiler aufgenommene Energie im Bremswiderstand in Wärme umgesetzt wird, wobei zumindest zeitweise die Amplitude des Wechselspannungsanteil größer ist als der Gleichspannungsanteil . Weiter wird diese Aufgabe durch einen elektrischen Antrieb gelöst , wobei der elektrische Antrieb einen derartigen modularen Bremssteiler und einen Stromrichter aufweist , wobei der Stromrichter gleichspannungsseitig mit dem modularen Bremssteiler elektrisch verbunden ist . Diese Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen modularen Bremsstel- lers oder eines derartigen elektrischen Antriebs gelöst , wobei die Submodule eine Spannung über den in Reihe angeordneten Submodulen erzeugen, die zumindest zeitweise einen negativen und einen positiven Spannungsbereich umfassen, wobei die Spannung einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungsanteil umfasst , wobei der Wechselspannungsanteil derart gesteuert oder geregelt wird, dass die im zeitlichen Mittel vom modularen Bremssteiler aufgenommene Energie im Bremswiderstand in Wärme umgesetzt wird, wobei zumindest zeitweise die Amplitude des Wechselspannungsanteil größer ist als der Gleichspannungsanteil .

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde , dass es die Kombination von mindestens einem Vollbrückenmodul und einem Doppelhalbbrückenmodul erlaubt , über der Reihenschaltung von Submodulen eine negative Spannung anzulegen . Diese negative Spannung ist so gerichtet , dass die am Bremswiderstand anliegende Spannung größer ist als die Zwischenkreisspannung, die an den Anschlüssen des modularen Brems- stellers anliegt . Durch die Vergrößerung der Spannung an dem Bremswiderstand kann eine höhere Leistung durch den modularen Bremssteiler in Wärme umgewandelt werden . Dabei entspricht die Wärme der über die Zeit integrierte Leistung .

Der Bremswiderstand kann an beliebiger Stelle in der Reihenschaltung angeordnet sein . Beispielsweise kann der Bremswiderstand zwischen einem der Anschlüsse des modularen Brems- stellers und einem Submodul oder an beliebiger Stelle zwischen zwei Submodulen angeordnet sein . Der Bremswiderstand kann sich auch aus der Summe mehrerer in Reihe angeordneter Teilwiderstände ergeben . Die Teilwiderstände , die an unterschiedlichen Positionen in der Reihenschaltung angeordnet sein können, wirken zusammen wie ein Bremswiderstand in der Reihenschaltung .

Mit der Anzahl an Submodulen lässt sich der modulare Bremssteiler an die Zwischenkreisspannung eines Stromrichters derart vorteilhaft anpassen, dass er mit einem beliebigen Stromrichter, insbesondere mit einem modularen Multilevel-Strom- richter, verbunden werden kann . Zur Skalierung auf höhere Spannungen und zum Betrieb bei unterschiedlichen Betriebspunkten können eine beliebige Anzahl von Vollbrückenmodulen, Halbbrückenmodulen und Widerständen in beliebiger Reihenfolge in Serie angeordnet bzw . geschaltet werden .

Mit Hil fe der in den Submodulen angeordneten Halbleiterschaltern können an den Anschlüssen der j eweiligen Submodule unterschiedliche Spannungen erzeugt werden . Bei einem Vollbrückenmodul können auch Spannungen mit unterschiedlichem Vorzeichen erzeugt werden . Bei dem Doppelhalbbrückenmodul sind im aktiven Betrieb vier definierte Schalt zustände erzeugbar : die Spannung null , die erste Kondensatorspannung, die zweite Kondensatorspannung oder die Summe aus erster und zweiter Kondensatorspannung . Mit dem Vollbrückenmodul sind ebenfalls vier Schalt zustände erreichbar, wobei zwei dieser Schaltzustände zur Spannung null an den Anschlüssen des Schaltmoduls führen . Darüber hinaus lässt sich die positive und die negative Kondensatorspannung an den Anschlüssen des Submoduls erzeugen . Die genannten Schalt zustände von Doppelhalbbrückenmo- dul und Vollbrückenmodul sind unabhängig von der Stromflussrichtung des Stroms durch das entsprechende Submodul . Als Halbleiterschalter kommen für Mittel- und Hochspannungsanwendungen aufgrund ihrer Sperrf ähigkeit oftmals IGBT Module mit antiparalleler Diode zum Einsatz .

Aus der Betrachtung der Schalt zustande ist erkennbar, dass sich durch die Verwendung eines Doppelhalbbrückenmoduls der Spannungsbereich des modularen Bremsstellers in etwa um den doppelten Wert erweitern lässt , im Vergleich zu dem Vollbrückenmodul , da sich in einem der Schalt zustände des Doppelhalbbrückenmoduls die Spannungen an den beiden Kondensatoren zu einer Ausgangsspannung addieren .

Der Strom durch den Bremswiderstand wird mit Hil fe der Spannung über der Reihenschaltung der Submodule gesteuert oder geregelt . Der Strom weist einen Gleichanteil und Wechselanteil auf . Der Wechselanteil hat einen periodischen Verlauf und einen Mittelwert von null . Mit dem Gleichanteil wird die durch den modularen Bremssteiler in Wärme umzuwandelnde Leistung gesteuert oder geregelt , der Wechselanteil wird zur Einhaltung des Energiegleichgewichts in den Submodulen und damit zur Stabilisierung des Betriebs des modularen Bremsstellers genutzt . Die Höhe des Wechselanteils von Spannung über der Reihenschaltung der Submodule und Strom durch den modularen Bremssteiler hängt dabei unter anderem von dem Widerstandswert des Bremswiderstands ab . Durch die Verwendung von Vollbrückenmodulen ist auch eine negative Spannung über der Reihenschaltung der Submodule erzeugbar . Damit ist auch ein Betrieb realisierbar, bei dem die Amplitude des Wechselanteils den Gleichanteil übersteigt . Dies erhöht bei gegebenem Widerstand den Leistungsbereich des modularen Bremsstellers . Je mehr Vollbrückenmodule verwendet werden, desto größer ist der Betrag einer über der Reihenschaltung der Submodule erzeugten negativen Spannung .

Es hat sich damit ein hybrider Aufbau des modularen Bremsstellers als besonders positiv erwiesen, bei dem die Anzahl der Vollbrückenmodule sich aus der Anforderung an den Betrag einer negativen Spannung über der Reihenschaltung der Submodule zur Erzeugung eines entsprechend hohen Stromes durch den modularen Bremssteiler ergibt . Gleichzeitig wird durch die Verwendung von Doppelbrückenmodulen eine hohe Betriebsspannung des modularen Bremsstellers erreicht . Beide Arten der Submodule , d . h . das Vollbrückenmodul und das Doppelhalbbrückenmodul , nehmen aufgrund der gleichen Anzahl von Halbleitern und der damit verbundenen Ansteuerschaltung nahezu den gleichen Bauraum ein . Somit lässt sich ein mechanisches Gerüst zur Aufnahme von Submodulen eines modularen Bremsstellers auf einfache Weise mit Doppelhalbbrückenmodulen und Vollbrückenmodulen befüllen . Die entsprechenden Montageplätze für die Submodule können gleich ausgeführt sein und eignen sich damit sowohl für die Aufnahme eines Doppelhalbbrückenmoduls als auch für die Aufnahme eine Vollbrückenmoduls . Damit kann auf besonders vorteilhafte Weise ein modularer Bremssteiler mit hoher Leistungs fähigkeit und hoher Betriebsspannung modular und damit einfach und kostengünstig aufgebaut werden . Ebenso kann für die Ansteuerung eines Doppelhalbbrückenmoduls und eines Vollbrückenmoduls die gleiche Ansteuerschaltung verwendet werden, da beide Arten von Modulen die gleiche Anzahl an Halbleiterschaltern ( 4 Halbleiterschalter ) aufweisen . Somit ist der hybride Aufbau des modularen Bremsstellers besonders einfach und kostengünstig herstellbar und deckt einen großen Bereich an Leistungs fähigkeit und Betriebsspannung ab .

Der modulare Bremssteiler wird meist in vorteilhafter Weise in Kombination mit einem Stromrichter betrieben . Dabei ist der modulare Bremssteiler Teil eines Antriebssystems , bei dem nicht rückspeisbare Energie , beispielsweise aus einer elektrischen Maschine bei einem Bremsvorgang in Wärme umgewandelt wird . Dieser Vorgang ist im Gegensatz zum Bremsen mit einer mechanischen Bremse verschleiß frei .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Submodule eine Spannung über den in Reihe angeordneten Submodulen erzeugen, die zumindest zeitweise einen negativen und einen positiven Spannungsbereich umfassen, wird zumindest zeitweise durch die Submodule eine über den in Reihe angeordneten Submodulen negative Spannung erzeugt . Dies geschieht , um einen Strom durch den modularen Bremssteiler zu erzeugen, der größer ist , als ein Strom, der sich erzeugen ließe , wenn die Zwischenkreisspannung des elektrischen Antriebs bzw . die Betriebsspannung des modularen Bremsstellers über dem Bremswiderstand anliegt .

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eines der Submodule , insbesondere alle Submodule , j eweils einen Bypassschalter auf , der eingerichtet ist , die Anschlüsse des j eweiligen Submoduls kurz zuschließen . Um auch bei Aus fall eines Submoduls weiter in Betrieb bleiben zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Redundanz zu schaf fen . Dabei tragen nicht alle Submodule dazu bei , die Zwischenkreisspannung über der Reihenschaltung der Submodule erzeugen zu können . Dann kann bei Aus fall eines Submoduls das entsprechende Submodul mittels des Bypassschalters überbrückt werden und stört damit nicht den Betrieb des modularen Bremsstellers .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stromrichter als modularer Multilevel-Stromrichter ausgebildet . Besonders vorteilhaft ist es , den modularen Bremssteiler mit dem modularen Multilevel-Stromrichter, auch als M2C Stromrichter bezeichnet , zu einem elektrischen Antrieb zu kombinieren . Dabei können für den modularen Multilevel-Stromrichter als auch für den modularen Bremssteiler baugleiche Submodule zum Einsatz kommen . Dabei kann der modulare Multilevel-Stromrichter aus Doppelhalbbrückenmodulen, Vollbrückenmodulen oder einer Kombination dieser beiden Submodultypen auf gebaut sein . Ebenso kann die gleiche Hardware für die Steuerung der Submodule verwendet werden . Durch den modularen Aufbau, sowohl von Stromrichter als auch vom modularen Bremssteiler kann der elektrische Antrieb einfach an eine geforderte Leistungsanforderung durch die Wahl einer entsprechenden Anzahl von Submodulen im Stromrichter und im modula- ren Bremssteiler angepasst werden . Durch die baugleiche Ausführung der Submodule im modularen Bremssteiler und Multile- vel-Stromrichter kann ein hoher Anteil an Gleichteilen erzielt werden . Dies wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit und die Herstellkosten einer derartigen Antriebseinheit aus .

Der modulare Bremssteiler kann an die Gleichspannungsseite von Stromrichtern mit beliebigem Aufbau angeschlossen werden und ist nicht auf die Anwendung mit einem modularen Multile- vel-Stromrichter beschränkt .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert . Es zeigen :

FIG 1 und FIG 2 Aus führungsbeispiele des modularen Brems- stellers ,

FIG 3 ein Submodul als Vollbrückenmodul ,

FIG 4 ein Submodul als Doppelhalbbrückenmodul ,

FIG 5 und FIG 6 Aus führungsbeispiele von vorgeschlagenen elektrischen Antrieben,

FIG 7 Zeitverläufe elektrischer Größen und

FIG 8 Arbeitsbereiche des modularen Bremsstel- lers .

Die FIG 1 zeigt einen modularen Bremssteiler 1 . Dieser weist eine Reihenschaltung 4 von mindestens zwei Submodulen 2 und einem Bremswiderstand 3 auf . Die Reihenschaltung 4 umfasst dabei auch eine Reihenschaltung der Submodule 2 . Bei den Submodulen 2 ist mindestens ein Submodul 2 als Vollbrückenmodul 21 und ein Submodul 2 als Doppelhalbbrückenmodul 22 ausgebildet . Der modulare Bremssteiler kann auch, wie in FIG 2 dargestellt , eine Viel zahl von Submodulen 2 aufweisen . Dabei kann es sich bei den Submodulen 2 um Vollbrückenmodule 21 und Doppelhalbbrückenmodule 22 handeln . Allerdings ist auch der Einsatz aller anderen bisher bekannten Submodule 2 möglich . Der modulare Bremssteiler 1 ist dazu eingerichtet , an seinen An- Schlüssen 11 mit einem Zwischenkreis 9 eines Stromrichters 5 , 51 verbunden zu werden .

Über der Reihenschaltung der Submodule 2 lässt sich eine Spannung U _B R erzeugen . Mit der Spannung U _B R lässt sich ein Strom i _BR durch den modularen Bremssteiler 1 bewirken . Der Strom durch den Bremswiderstand 3 bewirkt die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme . Uber dem modularen Bremssteiler 1 liegt die Betriebsspannung U _D an . Wird der modulare Bremssteiler 1 mit dem Zwischenkreis eines Stromrichters verbunden, so liegt an dem modularen Bremssteiler die Zwischenkreisspannung an . In diesem Fall spricht man davon, dass der modulare Bremssteiler 1 mit der Gleichspannungsseite des Stromrichters verbunden ist .

Die Figuren 3 und 4 zeigen Aus führungsbeispiele von Submodulen 2 . Dabei zeigt die FIG 3 ein Vollbrückenmodul 21 und die FIG 4 ein Doppelhalbbrückenmodul . Diese sind Teil des vorgeschlagenen Aufbaus . Darüber hinaus kann der modulare Bremssteiler 1 mit bereits bekannten Submodulen 2 erweitert werden Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen .

Die dargestellten Aus führungsbeispiele der Submodule 2 , 21 , 22 umfassen vier Halbleiterschalter und mindestens einen Kondensator . Durch Schalthandlungen der Halbleiterschalter kann eine Ausgangsspannung U _SU b an den Anschlüssen des Submoduls 2 erzeugt werden . Dabei übermittelt eine Ansteuerschaltung die Ansteuersignale an die Halbleiterschalter des Submoduls 2 .

Zur Überbrückung des entsprechenden Submoduls 2 kann optional ein Bypassschalter 6 im Submodul 2 vorgesehen werden .

Die FIG 3 zeigt ein sogenanntes Vollbrückenmodul . Dies weist vier Halbleiterschalter und einen Kondensator auf . An dem Kondensator liegt die Spannung U _c , _SU b an . Durch Schalthandlungen der Halbleiterschalter kann die Ausgangsspannung U _SU b von null , der positiven oder der negativen Kondensatorspannung ±U _C , sub an den Anschlüssen 11 des Submoduls 2 erzeugt werden .

Die FIG 4 zeigt ein sogenanntes Doppelbrückenmodul . Dies weist vier Halbleiterschalter und zwei Kondensatoren auf . An den Kondensatoren liegt j eweils die Spannung U _Ci , _{S U} b bzw . U _C 2 , sub an . Durch Schalthandlungen der Halbleiterschalter kann die Ausgangsspannung U _SU b von null , einer der Kondensatorspannungen U _ci , sub z U _C 2 , sub oder der Summe der Kondensatorspannungen Uci , sub , U _C 2 , sub an den Anschlüssen 11 des Submoduls 2 erzeugt werden .

In der FIG 5 ist ein Aus führungsbeispiel eines elektrischen Antriebs 10 dargestellt . Dabei ist eine elektrische Vorrichtung 7 mit der Wechselspannungsseite eines Stromrichters 5 elektrisch verbunden . Der modulare Bremssteiler 1 ist mit der Gleichspannungsseite des Stromrichters 5 über den Zwischenkreis 9 verbunden . Bei der elektrischen Vorrichtung 7 kann es sich beispielsweise um ein Energieversorgungsnetz oder eine elektrische Maschine handeln .

Die FIG 6 zeigt einen elektrischen Antrieb 10 , bei dem der Stromrichter 5 als modularer Multilevel-Stromrichter 51 ausgebildet ist . Der modulare Bremssteiler 1 und der modulare Multilevel-Stromrichter 51 sind über den Zwischenkreis 9 , an dem die Spannung U _D anliegt , miteinander verbunden . Dabei kann, nicht notwendigerweise , der modulare Multilevel-Stromrichter 51 als Submodule 2 die gleichen Submodule 2 , also Vollbrückenmodule 21 und/oder Doppelhalbbrückenmodule 22 , aufweisen wie der modulare Bremssteiler 1 . Die Reihenschaltung der Submodule 2 des modularen Multilevel-Stromrichters 51 weist darüber hinaus noch eine Induktivität 8 auf , die das Regelverhalten des modularen Multilevel-Stromrichters 51 verbessert . Die Anschlüsse LI , L2 , L3 stellen die wechselspannungsseitigen Anschlüsse oder kurz die Wechselspannungsseite des modularen Multilevel-Stromrichters 51 dar . In diesem Ausführungsbeispiel ist der modulare Multilevel-Stromrichter 51 dreiphasig ausgeführt . Alternativ ist auch eine einphasige Aus führung mit Neutralleiter oder auch j ede beliebige Phasenanzahl möglich, indem entsprechend viele Phasenmodule im modularen Multilevel-Stromrichter 51 vorgesehen werden .

Die FIG 7 zeigt einen typischen Zeitverlauf von der Spannung U _B R über der Reihenschaltung der Submodule 2 und dem dazugehörigen Strom i _B R durch den modularen Bremssteiler 1 . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 bis 6 , sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen . Der vorgeschlagene Aufbau kann mit verschiedenen Verfahren zum Betreiben des modularen Bremsstel- lers 1 genutzt werden . Eine Möglichkeit ist dabei , die aktive Strom- und Spannungsmodulation mit dem modularen Bremssteiler 1 . Die Submodule 2 können zusammengefasst als eine steuerbare Spannungsquelle angesehen werden . Vereinfacht beschrieben moduliert der modulare Bremssteiler 1 eine Spannung U _B R über der Reihenschaltung der Submodule 2 und erzeugt damit einen Strom i _B R durch den modularen Bremssteiler 1 . Dieser Strom i _BR weist dabei einen Gleichanteil 1 _B R, DC und einen Wechselanteil 1BR, AC auf . Dabei weist die Spannung u _BR einen Gleichanteil U _B R, DC und einen Wechselspannungsanteil u _BR , _A c auf , die j eweils den Gleichanteil und Wechselanteil im Strom durch den Bremssteiler erzeugen . Es hat sich gezeigt , dass sich die Dynamik und der Arbeitsbereich des Bremsstellers dadurch erhöhen lassen, dass die über den Submodulen anliegende Spannung u _BR negative Werte annimmt . Dazu wird die Spannung u _BR derart gesteuert oder geregelt , dass die Amplitude des Wechselspannungsanteils U _B R, AC größer ist als der Gleichspannungsanteil U _B R, DC . Um den Bremssteiler in diesem Arbeitspunkt stabil betreiben zu können, sind die Vollbrückenmodule in der Reihenschaltung vorgesehen . Durch die damit frei wählbare Spannungsamplitude auch mit Werten über den Gleichspannungsanteil hinaus , lässt sich das Energiegleichgewicht der Kondensatoren der einzelnen Submodule sicherstellen . Dies ermöglicht den stabilen Betrieb des modularen Bremsstellers mit einem Strom durch den Bremssteiler, wobei dieser Strom unterschiedliche Polaritäten annehmen kann . Dies sichert neben dem stabilen Betrieb auch eine hohe Ausnutzung des Arbeitsbereichs des Bremswiderstands .

Die Hauptaufgabe des modularen Bremsstellers 1 ist , eine definierte Leistung über der Zeit im Bremswiderstand 3 bzw . der Summe aller in Reihe angeordneten Bremswiderstände in Wärme umzuwandeln . Die in Wärme umzuwandelnde Leistung wird dabei über den Gleichanteil 1 _B R, DC gesteuert oder geregelt . Um das Energiegleichgewicht und die Stabilität des modularen Bremsstellers 1 sicherzustellen weist der Strom 1 _B R durch den modularen Bremssteiler einen Wechselanteil i _{BRf AC} auf . Die Amplitude des Wechselanteils des Stroms i _BR wird mit I _AC bezeichnet .

Mit unipolaren Submodulen, wie beispielsweise Halbbrückenmodulen oder Doppelhalbbrückenmodulen 22 können keine negativen Spannungen erzeugt werden . Die Realisierung des in FIG 7 dargestellten Zeitverlaufs mit Werten der Spannung u _BR von kleiner null setzt daher den Einsatz von bipolaren Submodulen wie beispielsweise Vollbrückenmodule 21 voraus .

Der Betrieb bei höheren Leistungen erhöht den Anteil der modulierten, negativen Spannungen über der Reihenschaltung der Submodule 2 , wodurch der Einsatz weiterer Vollbrückenmodule 21 notwendig wird . Ebenfalls führt die Realisierung höherer Leistung zur Verringerung des modulierten negativen Stroms durch den modularen Bremssteiler . Da unipolare Submodule lediglich eine positive Klemmenspannung stellen können, wird der negative Anteil des Stroms durch den modularen Bremssteiler für die Einhaltung des Energiegleichgewichts benötigt . Dadurch ist der Einsatz von unipolaren Submodulen begrenzt . Der mögliche Betriebsbereich des modularen Bremsstellers 1 kann mit Hil fe des spezi fischen Widerstands R _spe c sowie dem Gleichanteil i _BR , _B c des Stroms i _BR durch den modularen Bremssteiler beschrieben werden . Dieser Betriebsbereich ist in FIG 8 dargestellt . Der spezi fische Widerstand R _spe c ist der Widerstandswert R bezogen auf die Zwischenkreisspannung U _D , d . h . der Betriebsspannung des modularen Bremsstellers 1 . Bei einer gegebenen Systemkonfiguration ist der Gleichanteil 1BR, DC des Stroms i _B R durch den modularen Bremssteiler 1 äquivalent zur durch den modularen Bremssteiler 1 umgesetzten Leistung .

Bremsstellervarianten, die lediglich mit unipolaren Submodulen ausgestattet sind, können nur in dem mit I . bezeichneten schraf fierten Arbeitsbereich betrieben werden . Nur in diesem Bereich ist die zu erzeugende Spannung U _B R über der Reihenschaltung der Submodule 2 stets positiv . I st das System beispielsweise mit einem spezi fischen Widerstand R _spec ⁼ 0 , 5Q/kV bestückt , kann mit dem Aufbau ein maximaler Gleichanteil 1BR, DC=0 , 5 I _Nom erreicht werden . Dabei beschreibt I _No m den Nominalstrom der eingesetzten Halbleiterschalter . Der vorgeschlagene modulare Bremssteiler 1 kann in diesem Arbeitsbereich I ebenfalls betrieben werden . Sollen höhere Leistungen, also Gleichanteile mit 1 _B R, DC>0 , 5 I _Nom , realisiert werden, ist eine negative Spannung u _BR über der Reihenschaltung der Submodule 2 zu erzeugen . Dies ist durch den Arbeitsbereich I I gekennzeichnet , in dem auch ein Betrieb des vorgeschlagenen modularen Bremsstellers 1 möglich ist . Verglichen mit dem Arbeitsbereich I mit lediglich unipolaren Submodultypen wird durch den vorgeschlagenen modularen Bremssteiler 1 die Leistungs fähigkeit des vorgeschlagenen modularen Bremsstellers verdoppelt . Der Arbeitsbereich I I I lässt sich nur mit einem Aufbau nutzen, der ausschließlich Vollbrückenmodule 21 aufweist . Aufgrund der geringeren erzeugbaren Spannung eines Vollbrückenmoduls 21 gegenüber einem Doppelhalbbrückenmoduls 22 hat sich der Aufbau eines modularen Bremsstellers 1 ausschließlich mit Submodulen 2 des Typs Vollbrückenmodul 21 als nicht wirtschaftlich erwiesen . Im Vergleich dazu bietet der vorgeschlagene modulare Bremssteiler 1 eine deutlich günstigere und wirtschaftlichere Lösung .

Es werden insgesamt weniger Submodule für den Aufbau des modularen Bremsstellers benötigt . Wie aus den Verläufen der zu erzeugenden Spannung ersichtlich ist , muss ein höherer Anteil an positiver als an negativer Spannung erzeugt werden . Mit den Doppelhalbbrückenmodulen 22 können verglichen zum Voll- brückenmodul 21 bei gleichem Materialeinsatz eine doppelt so hohe positive Ausgangsspannung erreicht werden . Ein weiterer entscheidender Vorteil des Einsatzes der Kombination von Doppelhalbbrückenmodulen 22 und Vollbrückenmodulen 21 ist der mögliche mechanische Aufbau dieser beiden Varianten . Für ein System sind zum Aufbau der beiden Submodule dieselben Komponenten notwendig . Lediglich die Verschienung der einzelnen Module zwischen den Halbleitern und den Submodulkondensatoren ist unterschiedlich . Sie bieten j edoch dieselben Abmaße , Kühlwasseranschlüsse , elektrische Anschlüsse zur Verschienung, Ansteuerungen etc . Für ein derartiges System erübrigt sich die Anpassung des Aufbaus , wie beispielsweise eines Schranksystems , und die umliegende Peripherie auf die konkrete Ausgestaltung der Submodule . Vielmehr sind in dem Aufbau bzw . Schranksystem Aufnahmevorrichtungen enthalten, die ohne Veränderungen, also veränderungs frei , Vollbrückenmodule und Doppelhalbbrückenmodule aufnehmen können . Die Anzahl und das Verhältnis der installierten Vollbrückenmodule 21 und Doppelhalbbrückenmodule 22 kann so in einem Aufbau frei variiert und skaliert werden .

Zusammenfassend betri f ft die Erfindung einen modularen Bremssteiler 1 , aufweisend einen Bremswiderstand 3 und mindestens zwei Submodule 2 , wobei der Bremswiderstand 3 und die Submodule 2 in einer Reihenschaltung 4 angeordnet sind . Zur Verbesserung des modularen Bremsstellers 1 wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Submodul 2 als Vollbrückenmodul 21 und mindestens ein Submodul 2 als Doppelhalbbrückenmodul 22 ausgebildet ist , wobei der modulare Bremssteiler 1 eine Steuervorrichtung aufweist , die dazu eingerichtet ist , eine Spannung U _B R über den in Reihe angeordneten Submodulen 2 zu erzeugen, wobei die Spannung U _B R einen Gleichspannungsanteil UBR, DC und einen Wechselspannungsanteil U _B R, AC umfasst , wobei die Steuervorrichtung ferner eingerichtet ist , den Wechselspannungsanteil U _B R,AC / insbesondere hinsichtlich seiner Amplitude , derart zu steuern oder zu regeln, dass die im zeitlichen Mittel vom modularen Bremssteiler 1 aufgenommene Energie im Bremswiderstand 3 in Wärme umgesetzt wird, wobei zumindest zeitweise die Amplitude des Wechselspannungsanteil UBR, AC größer ist als der Gleichspannungsanteil U _B R, DC - Weiter betri f ft die Erfindung einen elektrischen Antrieb 10 , aufweisend einen derartigen modularen Bremssteiler 1 und einen Stromrichter 5 , wobei der Stromrichter 5 gleichspannungsseitig mit dem modularen Bremssteiler 1 elektrisch verbunden ist . Die Erfindung betri f ft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen modularen Bremsstellers 1 oder eines derartigen elektrischen Antriebs 10 , wobei die Submodule 2 eine derartige Spannung U _B R über den in Reihe angeordneten Submodulen 2 erzeugen .