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Die Erfindung ist ein Mehrphasenumrichter mit durchverbundenem neutralem Leiter. Mehrphasenumrichter dienen zur Umformung von Spannungen aus einem Zwischenkreis (Spannungszwischenkreis oder Stromzwischenkreis) in Mehrphasenspannungen. Das Mehrphasennetz am Ausgang kann aus harmonischen Schwingungen bestehen. Es können auch verzerrte Schwingungen oder Schwingungen mit einem Gleichspannungsoffset auftreten. Aus der Eingangsspannung, einer unipolaren Spannung, können Ausgangsspannungen unterschiedlicher Polarität erzeugt und durch entsprechende Ansteuerung Mehrphasenwechselspannungen beliebiger Form erzeugt werden, 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.
Figur 1 zeigt den Grundaufbau des Mehrphasenumrichters, beispielhaft gezeichnet für drei Phasen. (Da das Drehstromsystem weltweit sehr verbreitet ist, ist das naheliegend, durch Punkte ist die Erweiterungsmöglichkeit angedeutet. ) Die auf den Bezugspunkt N bezogene unipolare Spannung U1 wird durch Kondensatoren CF, in eine für die Schaltfrequenz niederimpedante Quellen verwandelt. Die eigentliche Umformung wird in jeder Phase, bezogen auf den neutralen Leiter, mit Hilfe von zwei strombidirektionalen Schaltern, die invers angesteuert werden, je einer Induktivität und einer Kapazität, realisiert. An den Verbindungspunkt von Kondensator und Induktivität ist jeweils ein strombidirektionaler Schaiter gegen den neutralen Leiter geschaitet.
Der zweite, invers angesteuerte strombidirektionale 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 ein Mehrphasennetz anschliessen oder eine Mehrphasenspannungsquelle erzeugen, so ist in jeder Phase ein Filter, wie in Fig. 3 dargestellt, einzufügen. Der Aufbau eines Dreiphasenumrichters mit strombidirektionalen Schaltern, beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet, ist in Fig. 2 dargestellt.
Polt man alle strombidirektionalen Schalter, bestehend aus einem aktiven und einem passiven Schalter, um, so muss auch die Eingangsspannung umgepolt werden ; Struktur bleibt aber sonst erhalten.
Der Umrichter kann, wenn man ihn entsprechend ansteuert, als mehrphasiger Gleichrichter arbeiten. Je nach Polung der strombidirektionalen Schalter wird eine positive oder negative unipolare Spannung an U1 erzielt. Man kann die Schaltung auch als Power Factor Corrector verwenden.
Kombiniert man zwei solche Umrichter (Fig. 4), so dient der erste als mehrphasiger Gleichrichter, der den Zwischenkreis, gebildet durch den Kondensator, speist, der zweite dient als mehrphasiger Wechselrichter, an dem z. B. eine Mehrphasenmaschine angeschlossen werden kann. Möchte man mit diesem System Drehstromnetze koppeln, sind wieder Filter erforderlich. Die Phasenzahl am Eingang muss dabei nicht wie bei einem Direktumrichter gleich gross sein, es ist daher möglich, ein n-phasiges Eingangsspannungssystem in ein m-phasiges Ausgangsspannungssystem umzuformen.
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 d, als Tastverhältnis des Ansteuersignals für einen strombidirektionalen Schalter (S,) - der zweite strombidirektionale Schalter ( S, ) wird mit dem invertierten Puls angesteuert - gemäss einem Steuergesetz
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darstellen. Aus dem Steuergesetz lässt sich daher das erforderliche Tastverhältnis bei gegebener Spannung U1 und gewünschter Spannung U,o (oder umgekehrt), gemäss
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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 Ausgangsspannung die gewünschte Form und Grösse erreichen. Bedingt durch die Verluste der realen Bauelemente der Schaltung (die auch temperaturabhängig sind), entsteht eine Verzerrung der Ausgangsspannung, 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 strombidirektionalen Schalter pro Phase die Schaltung 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. Werden, wie bei der Erzeugung von Mehrphasennetzen erforderlich, 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 die strombidirektionalen Schalter durch Entlastungsnetzwerke oder mit Hilfe von Quasiresonanzstrukturen und ähnlichen Strukturen zur Reduktion der Schaltverluste erweitert werden können.
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 den Umrichter, stellvertretend mit MOSFET-Transistoren gezeichnet, für positive Eingangsspannung (Zwischenkreisspannung) dar. In jeder Phase i des Umrichters, 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, . L" C, sind in Serie geschaltet und dienen der Energiespeicherung und Energieumwandlung, die Kondensatoren C, dienen als Energiezwischenspeicher in den einzelnen Phasen i, der Kondensator CFi dient zur Filterung der Eingangspannung U, 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 Umrichters, 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 LFOi und einer Kapazität CFOi, zwecks Filterung eingebaut. Lässt man die Kondensatoren CFOi in den jeweiligen Phasen weg, so hat der Umrichter eine Stromquellencharakteristik. In Fig.4 sind zwei gleichartige Umrichter an der Gleichspannungsseite gekoppelt. Der linke dient zur Gleichrichtung, der rechte zur Wechselrichtung.
Bezugszeichenaufstellung
U1 Spannung
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Lio (L1o,L2o,...Lno) Induktivität, Spule
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PATENTANSPRÜCHE: 1. Wandlerschaltung zur Umformung einer unipolaren Spannung (U1) in n, wobei n#2 gilt, bi-
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schluss der Induktivität L, (L1, L2,...Ln) mit der ersten Anschlussklemme für die unipolare Spannung (U1) verbunden ist und der andere Anschluss in Serie mit einem Kondensator C,
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sammengeschaltet ist, der nicht an den anderen strombidirektionalen Schalter S,
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