AT412136B - Vorrichtung zur quasi-direkten pulsbreitengesteuerten energieumformung zwischen dreiphasennetzen - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektronischen Energieumformung zwischen zwei Dreiphasensystemen ohne Verwendung von Spannungs- bzw. Stromzwischenkreisen wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist. 



   In vielen Bereichen der industriellen Elektronik werden leistungselektronische Umformer (Um- richter) eingesetzt, mit welchen ein geregelter Energieaustausch zwischen zwei Drehstromsyste- men unterschiedlicher Spannung und/oder Frequenz erzielt werden kann. Für bestimmte Applikati- onen im Bereich der Stromversorgungs- bzw. Antriebstechnik ist hiebei ein bidirektional möglicher Energiefluss gefordert, beispielsweise im Falle eines Asynchronmaschinenantriebes mit Nutzbrem- sung, d.h., Energierücklieferung in das speisende Netz. 



   Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden derartige Umrichter dadurch realisiert, dass zwei dreiphasige, aus jeweils sechs abschaltbaren Halbleiterventilen bestehende Pulsumrichter- systeme mit Gleichspannungs- bzw. Gleichstromzwischenkreis zwischenkreisseitig gekuppelt werden. Diese Schaltungstopologie ermöglicht zwar die geforderte bidirektionale Energieumfor- mung, allerdings wird dabei zusätzlich zu den Halbleiterventilen auch ein Zwischenkreis- Reaktanzelement (Zwischenkreiskondensator bzw. Zwischenkreisdrossel) benötigt. Dieses Ele- ment weist prinzipbedingt nicht unerhebliche Strom- bzw. Spannungsbelastungen auf, woraus ein signifikanter Beitrag zum Bauvolumen bzw. zu den Baukosten des Gesamtgerätes resultiert. 



   Aus der JP 2001 016856 ist ein Drehstrompulsumrichter mit drei Halbbrücken und Spannungs- ausgang bekannt, bei dem sich zwischen den oberen und unteren   Halbbrückenschaltern   Dioden befinden die in Kombination mit abschaltbaren elektronischen Hilfsschaltem und induktiven und kapazitiven Bauelementen eine wesentliche Reduktion der Schaltverluste ermöglichen. Das Sys- tem ist sowohl an der Eingangs- als auch an der Ausgangsseite der vorstehend beschriebenen Kupplung dreiphasiger Pulsumrichtersysteme einsetzbar und erlaubt eine Energieumformung hohen Wirkungsgrades. Dieser Vorteil wird jedoch über einen erheblichen Realisierungsaufwand erkauft der industriell i.a. nicht vertretbar ist. 



   Zur Erhöhung der spezifischen Leistungsdichte und/oder zur Verringerung der Baukosten von leistungselektronischen Umrichtern zum Energieaustausch zwischen Dreiphasensystemen ist alternativ deshalb auch eine Umrichterstruktur bekannt, mit welcher die erläuterten Zwischenkreis- Reaktanzelemente vermieden werden können, die Energieumformung quasi "direkt" erfolgt (Direkt- Pulsumrichter). Dabei wird nach dem derzeitigen Stand der Technik eine Schaltungstopologie angewendet, bei welcher jede Ausgangsphase des Umrichters mittels eines elektronisch realisier- ten Dreipol-Umschalters beliebig an eine der drei Phasen des speisenden Eingangsspannungssys- tems geschaltet werden kann.

   Durch entsprechende pulsbreitengesteuerte Taktung des Dreipol- Umschalters kann dadurch am Ausgang eine innerhalb der Aussteuergrenzen - gemittelt über das Schaltintervall (Pulsperiode) - beliebig vorgebbare (z. B. sinusförmig variierende) Spannung gene- riert werden. Die Realisierung jedes einzelnen Dreipol-Umschalters erfolgt über Verwendung von drei entsprechend verschalteten und angesteuerten einpoligen elektronischen Schaltern. Wegen der resultierenden Gesamtstruktur (bestehend aus drei Phasen zu je drei einpoligen elektronischen Schaltern) werden derartige Umrichter oft auch als   "Matrix-Pulsumrichter"   bezeichnet, weil die insgesamt benötigten neun elektronischen Schalter im Schaltplan meist in Form einer 3x3-Matrix angeordnet gezeichnet werden.

   Nachteilig in dieser bekannten Struktur ist allerdings, dass die neun elektronischen Schalter bidirektional strom- und bipolar spannungsbelastet sind, d. h., dass dafür Halbleiterelemente benötigt werden, welche in allen vier möglichen Quadranten der Strom-/Spannungskennline geschaltet betrieben werden können. Derartige "symmetrische" ab- schaltbare elektronische Schalter konnten aus den verschiedensten halbleiterphysikalischen Ge- gebenheiten jedoch im relevanten Leistungsbereich bisher als Einzelhalbleiter nicht erzeugt wer- den, sondern sind üblicherweise über eine Gegenserien-Schaltung von zwei Leistungstransistoren mit jeweils parallel angeordneten Rückdioden realisiert. Daraus resultiert als gravierender Nachteil des Direkt-Pulsumrichters die relativ hohe Anzahl der benötigten Leistungstransistoren (insgesamt 18 MOSFETs oder IGBTs). 



   Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu schaffen, welche eine elektronische Energieumformung zwischen zwei Dreiphasensystemen unter Vermeidung eines Zwischenkreises erlaubt, und die durch eine im Vergleich zur bekannten Direkt-Pulsumrichterstruktur reduzierte Anzahl benötigter Leistungstransistoren ausgezeichnet ist. 



   Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 

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 erreicht. Vorteilhafte Steuerverfahren für die erfindungsgemässe Umrichterschaltung werden durch die Unteransprüche 2 und 3 beschrieben. 



   Ausgangspunkt für die Erfindung ist, die bekannte, aus drei Halbbrückenzweigen bestehende Spannungszwischenkreis-Pulsumrichterstruktur an deren Gleichspannungsseite durch Hinzufü- gung speziell gestalteter Brückenzweige sowie durch Weglassung des Zwischenkreiskondensators so zu erweitern bzw. zu modifizieren, dass mit dem resultierenden Gesamtsystem alle Schaltzu- stände des bekannten Direkt-Pulsumrichters realisiert werden können, wobei die erfindungsgemä-   #e   Vorrichtung eine geringere Anzahl von Leistungstransistoren als der bekannte Direkt- Pulsumrichter aufweist.

   Dabei wird durch entsprechende Steuerung der eingangsseitigen Brücken- zweige sichergestellt, dass an der gleichspannungsseitigen Kopplungsstelle zu den ausgangsseiti- gen konventionellen Halbbrückenzweigen die für deren sinngemässe Funktion nötige positive Speisespannung stets sichergestellt ist. 



   Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Schaltungstruktur anhand einer Zeichnung näher er- läutert. Es zeigt: 
Fig.1: Die Grundstruktur (vereinfachte, schematische Darstellung) der, bei erfindungsgemässer Modifikation bzw. Erweiterung der Schaltung eines bekannten dreiphasigen Spannungszwischen- kreis-Pulsumrichters resultierenden Vorrichtung zur quasi-direkten pulsbreitengesteuerten Ener- gieumformung zwischen zwei Dreiphasensystemen. 



   Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung entsprechend der in Fig.1 dargestellten Schaltungsto- pologie, kann eine quasi-direkte, d. h. ohne Zwischenkreis arbeitende bidirektionale Energieumfor- mung zwischen einem dreiphasigen Eingangsspannungssystem (1,2,3) und einem ebenfalls drei- phasigen Ausgangsspannungssystem (4,5,6) erreicht werden. Dabei sind Amplitude, Frequenz und Phasenlage des Eingangs- bzw. Ausgangsspannungssystem bei Mittelung über einen, im Ver- gleich zur Periodendauer der Eingangs- bzw. Ausgangsspannung kurzen Schaltzyklus, innerhalb der Aussteuerungsgrenzen durch entsprechende pulsbreitenmodulierte Taktung willkürlich vorge- gebbar. 



   Die gezeigte Schaltungstopologie basiert teilweise auf einer Schaltungsstruktur wie sie von dreiphasigen Spannungszwischenkreis-Pulsumrichtern bekannt ist. Im vorliegenden Fall wird diese aus drei identen Halbbrückenzweigen (13,14,15) gebildet, welche zwischen einer positiveren Spannungsschiene (11) und einer negativeren Spannungsschiene (12) angeordnet sind. Die drei Halbbrückenzweige bestehen in bekannter Weise jeweils aus zwei abschaltbaren Halbleiterventilen (7,8) mit parallel angeordneten Rückdioden (9,10) und wirken, da eine komplementäre Ansteue- rung der Halbleiterventile vorausgesetzt sei, als elektronisch gesteuerter Umschalter, mit dem der Ausgangsspannungspunkt (4) entweder an die positivere Spannungsschiene (11) oder an die negativere Spannungsschiene (12) geschaltet werden kann. 



   Im Gegensatz zum bekannten Spannungszwischenkreis-Pulsumrichter, bei dem die Zwischen- kreisspannung - also die Potentialdifferenz zwischen den Spannungsschienen (11) und (12) - durch einen Zwischenkreiskondensator gestützt vorgegeben wird, ist diese Potentialdifferenz hier durch den Schaltzustand von drei weiteren, mit jeweils drei Leistungstransistoren bestückten Ventilzweigen (16,17,18) definiert, welche wiederum zwischen den Spannungsschienen (11) und (12) angeordnet sind. 



   Diese eingangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) sind ebenfalls in halbbrückenähnlicher Struktur aus jeweils zwei Leistungstransistoren (19,20) mit parallel angeordneten Rückdioden (21,22) realisiert. Anders als bei der bekannten Halbbrückenstruktur, ist hier allerdings der Emitteranschluss des Transistors der oberen Brückenhälfte mit dem Kollektoranschluss des Transistors der unteren Brückenhälfte nicht direkt, sondern über einen weiteren Leistungstransistor (23) verbunden. Dieser ist so angeordnet, dass sein Emitteranschluss mit dem Emitter des Transistors (19), sein Kollekto- ranschluss aber mit dem Kollektor des Transistors (20) verschaltet ist. Zum Transistor (23) sind nun zwei in Serienschaltung angeordnete Rückdioden (24,25) parallelgeschaltet, wobei am Verbin- dungspunkt der Dioden (24,25) die jeweilige Phase des Eingangsspannungssystem (1,2,3) ange- schlossen ist.

   Durch die Erweiterung mit dem Transistor (23) und den Dioden (24,25) können die eingangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) - im Gegensatz zu den ausgangsseitigen Halbbrücken- zweigen (13,14,15), welche funktionell nur   Zweipol-Umschalter   zwischen den Spannungsschienen (11,12) darstellen - auch vollständig abschalten, den jeweiligen Stromfluss aus dem Eingangsspan- nungssystem (1,2,3) also unterbinden. 

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   Eine Analyse aller Schaltzustände des Gesamtsystems zeigt, dass mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltungstopologie alle für den Betrieb als pulsbreitengesteuerter Direkt-Energieumformer rele- vanten Verbindungen zwischen den Dreiphasensystemen (1,2,3) und (4,5,6) realisiert werden können, wie dies auch bei der bekannten Direkt-Pulsumrichterstruktur der Fall ist, wobei zusätzlich sichergestellt werden kann, dass zwischen den Spannungsschienen (11,12) die geforderte, stets positive Potentialdifferenz auftritt. Für die erfindungsgemässe Vorrichtung ("quasi-direkter Pulsum- richter") werden allerdings nur 15 Leistungstransistoren benötigt, im Vergleich zum bekannten Direkt-Pulsumrichter mit seinen 2x9 Transistoren somit 3 Transistoren eingespart. 



   Ident zum bekannten Matrix-Pulsumrichter weist auch der neuartige quasi-direkte Pulsumrich- ter einen diskontinuierlichen Stromfluss aus dem dreiphasigen Eingangsspannungssystem (1,2,3) auf, weshalb im allgemeinen auch hier wieder ein (in Fig. 1 nicht eingezeichnetes) Eingangsfilter vorzusehen ist, dessen Grenzfrequenz signifikant unterhalb der Schaltfrequenz des Pulsumrichters zu dimensionieren ist. 



   Die Steuerung des gesamten Umrichtersystems erfolgt vorteilhaft erfindungsgemäss in der Art, dass die eingangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) mit niedriger Schaltfrequenz so angesteuert werden, dass das Eingangsspannungssystem (1,2,3) abschnittsweise stets positiv zwischen den Spannungsschienen (11,12) abgebildet eingeprägt wird. Die Bildung des geforderten Ausgangs- spannungssystem (4,5,6) erfolgt über Pulsbreitenmodulation der ausgangsseitigen Halbbrücken- zweige (13,14,15) mit hoher Schaltfrequenz. Somit finden also in einem Schaltzustand der ein- gangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) mehrere Schaltzyklen der ausgangsseitigen Halbbrücken- zweige (13,14,15) statt. 



   Alternativ dazu kann die Steuerung des Umrichtersystems aber auch so erfolgen, dass die aus- gangsseitigen Halbbrückenzweige (13,14,15) mit niedriger Schaltfrequenz so angesteuert werden, dass die in das Ausgangsspannungssystemes (4,5,6) fliessenden Ströme abschnittsweise stets so weitergeleitet werden, dass sich zwischen den Spannungsschienen (11,12) eine positive Spannung ausbildet. Die eingangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) werden nun über Pulsbreitenmodulation mit hoher Schaltfrequenz so gesteuert, dass sich das gewünschte Eingangsspannungssystem (1,2,3) ausbildet. Bei dieser Steuerungsvariante erfolgen daher in einem Schaltzustand der aus- gangsseitigen Halbbrückenzweige (13,14,15) mehrere Schaltzyklen der eingangsseitigen Ventil- zweige (16,17,18). 

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Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur quasi-direkten, pulsbreitengesteuerten bidirektionalen Energieumformung zwischen einem dreiphasigen Eingangsspannungssystem (1,2,3) und einem dreiphasigen Ausgangsspannungssystem (4,5,6) unter Verwendung von drei aus jeweils zwei abschalt- baren Leistungstransistoren (7,8) mit parallel angeordneten Rückdioden (9,10) gebildeten, zwischen einer oberen Spannungsschiene (11) und einer unteren Spannungsschiene (12) geschalteten Halbbrückenzweigen (13,14,15) wobei das Ausgangsspannungssystem (4,5,6) durch die Verbindungspunkte der jeweiligen Transistoren (7,8) der Halbbrücken- zweige (13,14,15) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der eingangsseitige Sys- temteil ebenfalls aus drei identen halbbrückenartigen Ventilzweigen (16,17,18), bestehend aus jeweils zwei Leistungstransistoren (19,20) mit parallel angeordneten Rückdioden (21,22)

   gebildet wird, wobei die in den oberen Hälften der Halbbrückenzweige (16,17,18) liegenden Transistoren (19) kollektorseitig mit der oberen Spannungsschiene (11), und die in den unteren Hälften der Halbbrückenzweige (16,17,18) liegenden Transistoren (20) emitterseitig mit der unteren Spannungsschiene (12) verbunden sind und zwischen den beiden Leistungstransistoren (19,20) jeweils ein weiterer abschaltbarer Leistungstransistor (23) in der Art angeordnet ist, dass dessen Emitteranschluss mit dem Emitteranschluss des in der oberen Hälfte des Halbbrückenzweiges liegenden Transistors (19), und der Kollekto- ranschluss des Transistors (23) mit dem Kollektoranschluss des Transistors des in der unte- ren Hälfte des Halbbrückenzweiges liegenden Transistors (20) verbunden ist und parallel zum Transistor (23) eine Serienschaltung zweier Rückdioden (24,25)

   angeordnet ist wobei das Eingangsspannungssystem (1,2,3) an den jeweiligen Verbindungspunkten der Rück- <Desc/Clms Page number 4> dioden (24,25) anliegt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Systems in der Art erfolgt, dass die eingangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) mit niedriger Schaltfre- quenz so angesteuert werden, dass das Eingangsspannungssystem (1,2,3) abschnittswei- se stets positiv zwischen der oberen Spannungsschiene (11) und der unteren Spannungs- schiene (12) abgebildet eingeprägt wird, währenddessen die Bildung des Ausgangsspan- nungssystem (4,5,6) über Pulsbreitenmodulation der ausgangsseitigen Halbbrückenzwei- ge (13,14,15) mit hoher Schaltfrequenz erfolgt, somit also in einem Schaltzustand der ein- gangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) mehrere Schaltzyklen der ausgangsseitigen Halb- brückenzweige (13,14,15) stattfinden.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Systems in der Art erfolgt, dass die ausgangsseitigen Halbbrückenzweige (13,14,15) mit niedriger Schaltfrequenz so angesteuert werden, dass die Ströme des Ausgangsspannungssystemes (4,5,6) abschnittsweise stets so weitergeleitet werden, dass sich zwischen der oberen Spannungsschiene (11) und der unteren Spannungsschiene (12) eine positive Spannung ausbildet, währenddessen die eingangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) über Pulsbreiten- modulation mit hoher Schaltfrequenz so gesteuert werden, dass sich das gewünschte Ein- gangsspannungssystem (1,2,3) ausbildet, somit also in einem Schaltzustand der aus- gangsseitigen Halbbrückenzweige (13,14,15) mehrere Schaltzyklen der eingangsseitigen Ventilzweige (16,17,18) stattfinden.

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