AT412921B - Mehrphasiger direktumrichter - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf einen Direktumrichter mit durchverbundenem neutralem Leiter. 



  Direktumrichter sind Umrichter zur Umformung von Mehrphasenspannungen in Mehrphasenspannungen ohne einen Zwischenkreis (Spannungszwischenkreis oder Stromzwischenkreis). Das Mehrphasennetz am Eingang kann aus harmonischen Schwingungen bestehen. Es können auch verzerrte Schwingungen oder Schwingungen mit einem Gleichspannungsoffset auftreten. 



   Figur 1 zeigt den Grundaufbau des Direktumrichters, beispielhaft gezeichnet für drei Phasen. 



  (Da das Drehstromsystem weltweit sehr verbreitet ist, ist das naheliegend). Die drei auf den Be- 
 EMI1.1 
 niederimpedante Quellen verwandelt. Die eigentliche Umformung wird in jeder Phase, bezogen auf den neutralen Leiter, mit Hilfe von zwei spannungsbidirektionalen Schaltern, die invers angesteuert werden, je einer Induktivität und einer Kapazität realisiert. An den Verbindungspunkt von Kondensator und Induktivität ist jeweils ein spannungsbidirektionaler Schalter gegen den neutralen Leiter geschaltet. Der zweite, invers angesteuerte Schalter überbrückt die Induktivität und den Kondensator, die jeweils in der Phasenleitung liegen. Bei dieser Anordnung ergibt sich, dass keine Spannungsquellen unmittelbar auf der Ausgangsseite liegen dürfen.

   Die Schaltung eignet sich jedoch zum direkten Anschluss einer mehrphasigen Maschine oder einer passiven, jedoch nicht aus parallel liegenden Kapazitäten bestehenden, passiven Last. Möchte man Mehrphasennetze koppeln oder eine Mehrphasenspannungsquelle erzeugen, so ist in jeder Phase ein   Filter,   wie in Fig. 3 dargestellt, einzufügen. Der Aufbau eines spannungsbidirektionalen Schalters, beispielhaft mit IGBTs gezeichnet, ist in mehreren Variationen in Fig. 2 dargestellt. 



   Besonders vorteilhaft bei den hier besprochenen Schaltungen ist die Tatsache, dass aus den Eingangswechselspannungen wieder Ausgangsspannungen unterschiedlicher Polarität erzeugt und durch entsprechende Ansteuerung Mehrphasenwechselspannungen beliebiger Form erzeugt werden können, denen auch, wenn erforderlich, ein Gleichspannungsoffset überlagert sein kann. 



  Von praktischer Bedeutung sind dabei besonders Sinusspannungen und Trapezspannungen mit vorgebbarer Frequenz zur Ansteuerung von Drehstrommaschinen. Eine weitere Anwendung kann in der Realisierung von Drehstromstellern liegen ; das sind Schaltungen, die eine Veränderung des Effektivwerts bzw. der Amplitude eines Drehstromsignals gestatten. 



   Für den Zusammenhang zwischen den Spannungen jeder Phase lässt sich ein Steuergesetz herleiten. Im Falle idealer Bauelemente lässt sich der Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung jeder Phase, bezogen auf den neutralen Leiter bei einer Schaltfrequenz, die gross im Verhältnis zur Frequenz der vorhandenen (Eingangsspannung) bzw. zur Frequenz der gewünschten (Ausgangsspannung) ist, im eingeschwungenen Zustand mit d1 als Tastverhältnis des Ansteuersignals für einen spannungsbidirektionalen Schalter (S1) - der zweite spannungsbidirektionale Schalter (S2) wird mit dem invertierten Puls angesteuert - gemäss einem Steuergesetz 
 EMI1.2 
 darstellen. Aus den Steuergesetzen lässt sich daher das erforderliche Tastverhältnis bei gegebener Spannung U1 und gewünschter Spannung U2 (oder umgekehrt), gemäss 
 EMI1.3 
 bestimmen.

   Diese Gleichungen gelten für Konverter mit idealen Bauelementen. Man kann aber auch genauere Steuergesetze unter Berücksichtigung der Bauteilnichtidealitäten herleiten. Die an   den parasitären Widerständen auftretenden Verluste sind temperaturabhängig ; ist daher nicht   mit vertretbarem Aufwand in der Lage, ein exaktes Modell zu bestimmen. 



   Je mehr man parasitäre Effekte in die Steuerung einbezieht, um so besser wird die Spannung die gewünschte Form und Grösse erreichen. Bedingt durch die Verluste der realen Bauelemente der Schaltung (die auch temperaturabhängig sind) entsteht eine Verzerrung der erzeugten Spannung, die aber durch eine überlagerte Regelung, die nur den Fehler der Steuerung kompensieren muss, beseitigt werden kann. Als regelungstechnisch vorteilhaft erweist sich, dass durch die komplementäre Ansteuerung der beiden spannungsbidirektionalen Schalter pro Phase die Schaltung 

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 immer im kontinuierlichen Betrieb bleibt, das heisst, dass die Spulen (bis auf den Nulldurchgang) immer stromdurchflossen sind und sich daher die Systemordnung aus regelungstechnischer Sicht nicht ändert. Die gegenständlichen Schaltungen sind immer als Systeme 2. Ordnung pro Phase beschreibbar.

   Diese fixe Ordnungszahl erleichtert den Reglerentwurf, da keine Strukturumschaltungen erforderlich sind. Das System hat als Eingriffsmöglichkeit nur das Tastverhältnis. Zur Verbesserung der Dynamik ist auf jeden Fall eine Kombination aus Steuerung und Regelung zu empfehlen. Wird, wie bei der Kopplung von Mehrphasennetzen erforderlich, ein Ausgangsfilter nötig, so steigt entsprechend der Filterordnung die Systemordnung an. Bei der Realisierung von Antrieben erhöht sich ebenso durch die angeschlossene Maschine die Gesamtsystemordnung. Zur Realisierung einer mehrphasigen Stromquelle ist es nur erforderlich, in jede Phasenausgangsleitung eine Induktivität zu schalten. 



   Das erforderliche Tastverhältnis (Summe aus Steuergesetz und überlagertem Regler) wird sinnvoll digital berechnet und als pulsbreitenmoduliertes Signal an die Ansteuerschaltungen der aktiven Schalter übergeben. (Die Ansteuerung von aktiven Halbleiterschaltern ist Stand der Technik und wird daher hier nicht behandelt.)
Bei allen Schaltungsvarianten wird die Schaltfrequenz dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz in Hinblick auf die Dimensionierung der Drosseln und Kondensatoren zweckmässig ist. 



   Es ist noch anzuführen, dass der spannungsbidirektionale Schalter durch Entlastungsnetzwerke oder mit Hilfe von Quasiresonanzstrukturen und ähnlichen Strukturen zur Reduktion der Schaltverluste erweitert werden kann. 



   Bedingt durch die Bidirektionalität der besprochenen Schaltungen kann Ein- und Ausgang vertauscht werden. 



   Die Figuren 1 und 3 stellen die beiden grundsätzlichen Ausformungen der gegenständlichen Erfindung (ohne und mit Ausgangsfilter) dar. Figur 2 stellt in 2. b, 2. c und 2. d mögliche Realisierungen des spannungsbidirektionalen Schalters dar. Sie sind stellvertretend mit IGBT-Transistoren gezeichnet. In jeder Phase i des Direktumrichters, der in den Abbildungen Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt ist, befinden sich eine Spule (Induktivität) L" ein Kondensator (Kapazität) C, und ein Paar spannungsbidirektionale Schalter S, und S, . Li, C, sind in Serie geschaltet und dienen der Energiespeicherung und Energieumwandlung, der Kondensator C, dient als hauptsächlicher Energiezwischenspeicher, die Kondensatoren CFli dienen zur Filterung der Spannung Uil und zur Impedanzanpassung am Eingang.

   Die Schalter S, werden mit konstanter oder veränderlicher Frequenz mit dem erforderlichen Tastverhältnis, erzeugt durch die überlagerte Steuerung und Regelung des Direktumrichters, angesteuert. Die Schalter S, werden mit der gleichen konstanten oder veränderlichen Frequenz wie die Schalter S, angesteuert, aber mit dem invertierten Signal. In Figur 3 ist noch in jeder Phase ein Ausgangsfilter, bestehend aus einer Induktivität LFO, und einer Kapazität CFOi zwecks Filterung eingebaut. Lässt man die Kondensatoren CFOi in den jeweiligen Phasen weg, so hat der Direktumrichter eine Stromquellencharakteristik. 



   Bezugszeichenaufstellung (u1, u2, u3) Spannung (Fig.1) 
 EMI2.1 
 N Anschluss (Klemme) für neutralen Leiter (Bezugspunkt) 
 EMI2.2 

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Wandlerschaltung zur Umformung von n, wobei gilt n2, bipolaren Spannungen EMI3.1 dessen zweiter Anschluss mit einer zweiten Anschlussklemme der Schaltung Lio EMI3.2 immer von dem Knoten, wo der Kondensator C, (C1, C2,...Cn) mit der Induktivität L, EMI3.3 schaltet ist.
2. 2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass von den ersten Klem- EMI3.4 ralen Leiter (N) geschaltet ist.
3. 3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteue- rung durch Kombination einer Steuerung, die sich gemäss dem Steuergesetz für die i-te Phase (i = 1,2,...n) zwischen Tastverhältnis (Einschaltdauer des aktiven Schalters (S,) zur Taktperiode des Schalters (S,) bei gleichzeitiger komplementärer Ansteuerung des Schal- EMI3.5 einer überlagerten Regelung, die zur Kompensation des Fehlers der Steuerung dient, er- folgt, wobei die Berechnung des Tastverhältnisses durch eine diskret aufgebaute Schal- tung (gemischt analog-digital) oder durch einen Mikrocontroller oder Signalprozessor erfol- gen kann.
4. 4. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die span- nungsbidirektionalen Schalter mit soft-switching Netzwerken zur Reduktion der Schaltver- luste versehen sind.
5. 5. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass an den ver- EMI3.6 schine mit der Phasenzahl i oder ein Mehrphasenaktuator geschaltet ist.
6. 6. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen EMI3.7
7. 7. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den EMI3.8 9. Wandlerschaltung gemäss Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Kopplung von Spannungsnetzen dienen.