CH682531A5 - Verfahren zum Parallelschalten von Umrichtern. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Parallel-schaiten von Umrichtern, bei dem die Anzahl Ausgänge jedes Umrichters unbeschränkt ist und bei dem Ausgangsgrössen beliebig vorgegeben werden können.

Die Realisierung schneller Umrichter mit mehreren direkt parallelgeschalteten Einzelgeräten ist nur mit erheblichem Aufwand auf Seite der Steuer- und Regelelektronik möglich.

Dieser ist nur dann vertretbar, wenn bestimmte Anforderungen an den Umrichter auf andere Weise nicht erfüllt werden können und bzw. oder eine Parallelschaltung entscheidende Vorteile gegenüber der herkömmlichen Lösungen mit einem Einzelgerät bietet.

Ein Entwicklungsziel heutiger Motorenbauer ist die Konstruktion immer schneller drehender Maschinen. Sogenannt «schnellaufende Antriebe» benötigen Betriebsfrequenzen von über 500 Hz. Bei der angestrebten Leistung von mehreren 100 kVA können herkömmliche Thyristor- oder GTO-(Gate Turn Off) Umrichter diese Frequenzen ebenfalls noch in Form einer Grundwellentaktung zur Verfügung stellen, siehe Fig. 1.

Die Nachteile dieser groben, rechteckförmigen Spannungseinprägung und der daraus resultierenden unsinusförmigen Stromkurve sind in Form von zusätzlichen Verlusten und Drehmomentstössen hinreichend bekannt. Seit langem werden daher Verfahren angewendet, welche diese Spannungsblöcke zeitlich in kleine Einheiten unterteilen und so einen nahezu sinusförmigen Verlauf des Motorstromes ermöglichen. Für den Umrichter bedeutet dies, dass die Leistungsschalter entsprechend schneller ein- und ausgeschaltet werden müssen. Je schneller die Schalter sind, desto feiner kann die Unterteilung der Spannungsblöcke erfolgen und desto sinusförmiger wird auch der Motorstrom, siehe Fig. 2. Wird nun die Betriebsfrequenz von den üblichen 50 bis 120 Hz auf über 500 Hz bei schnellaufenden Antrieben angehoben, so muss auch die Schaltfrequenz der Schalter entsprechend erhöht werden. Das heisst, die Thyristor- und GTO-Schalter kommen erst recht an die Grenze ihrer Schaltgeschwindigkeit.

Schnelle Umrichter mit Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz, die eine sinusförmige Stromkurve auch bei 500 Hz Ausgangsfrequenz ermöglichen, gibt es serienmässig nur bis zu einer Leistungsklasse von ca. 50 kVA. Eine Leistungserhöhung auf mehrere 100 kVA bei gleichbleibend hoher Taktrate ist zum heutigen Zeitpunkt auf herkömmliche Weise kaum denkbar, daher der Wunsch nach parallelgeschalteten Umrichtern.

Die Entwicklung eines parallelen Umrichters unterscheidet sich in manchen Punkten von der eines herkömmlich aufgebauten Gerätes. Während bis an hin die Ansteuerung, Beschallung und der Schutz der Leistungsventile im Zentrum des Interesses standen, sind es nun konzeptionelle Überlegungen, die vermehrt in den Vordergrund treten. Probleme des Schutzes können nicht mehr einfach als lokale Grössen betrachtet werden, sondern sind vielmehr auf das Gesamtsystem zu beziehen. Fragen der Kommunikation zwischen den Teilumrichtern sind ebenso zu lösen wie die Problematik der Störsicherheit eines verteilten Systems. Dabei darf nie vergessen werden, dass die Reaktionszeit, also diejenige Zeit, die für Erfassung, Verarbeitung und Ausgabe von Anweisungen an das gesamte System zur Verfügung steht, nur wenige Mikrosekun-den betragen darf. Im folgenden werden daher Überlegungen angestellt, wie eine technisch und wirtschaftlich vertretbare Realisierung paralleler Umrichter aussehen kann.

Nachfolgend werden die verschiedenen Möglichkeiten der Parallelschaltung von Umrichtern aufgezeigt und der Versuch einer Systematisierung unternommen. Unterschieden wird nach folgenden vier Hauptkriterien:

- Energiekopplung

- Ausführung der leistungsseitigen Verbindung

- Taktung

- Stromregelung

Die Energiekopplung, d.h. das Zusammenschalten der pro Teilumrichter gelieferten Energie, kann auf elektrische oder magnetische Art geschehen. Bei der elektrischen Kopplung werden die einzelnen Phasen der Teilumrichter miteinander verbunden und die Last wie üblich angeschlossen. Eine magnetische Kopplung liegt z.B. dann vor, wenn ein Motor mit Mehrfachwicklung eingesetzt wird.

Bei der elektrischen Kopplung können die Teilumrichter entweder über grosse Anschlussdrosseln, welche eine systembedingte Funktion ausüben, oder über kleine, die nur Schutzfunktionen besitzen, miteinander verbunden werden. Im letzteren Fall wird von direkter Kopplung gesprochen, siehe Fig. 4.

Die Taktung bezieht sich auf die Schaltzeitpunkte der Leistungsschalter. Werden diese bei allen Teilumrichtern im selben zeitlichen Raster umgeschaltet, spricht man von synchroner, ansonsten von asynchroner Taktung, siehe Fig. 5.

Regelt jeder Teilumrichter einen Strom unabhängig von den anderen, spricht man von einer Einzel-stromregeiung, siehe Fig. 6. Eine Gesamtstromregelung erfolgt, wenn der vereinte Ausgangsstrom aller Teilumrichter erfasst und geregelt wird, siehe Fig. 7.

Kombiniert man die aufgeführten Merkmale, so erhält man parallele Umrichter mit ganz verschiedenen Eigenschaften. Sie unterscheiden sich unter anderem in folgenden Punkten:

- technische Eigenschaften

- Realisierbarkeit

- Wirtschaftlichkeit

- Redundanzverhalten.

Im folgenden sollen die wichtigsten Möglichkeiten kurz vorgestellt und besprochen werden. Bei dieser Kopplungsart handelt es sich um die einfachste elektrische Verbindungsart zwischen Umrichtern. Allen Teilumrichtern wird derselbe Stromsollwert vorgegeben, worauf jeder für sich versucht, seinen Ausgangsstrom dem Sollwert nachzuführen. Dies kann aber bedeuten, dass z.B. der erste Teilumrichter den oberen Schalter der Phase A schliesst, der zweite Teilumrichter gleichzeitig den unteren

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Schalter derselben Phase. Als Folge entsteht ein «heisser Pfad» zwischen diesen beiden Teilumrichtern und die Schalter werden unweigerlich zerstört. Abhilfe kann lediglich dadurch geschaffen werden, dass zwischen die Teilumrichter und die Sammelschiene genügend grosse Anschlussdrosseln geschaltet werden, die den Stromanstieg begrenzen, siehe Fig. 8.

Die Nachteile dieser Variante sind:

- schlechte Dynamik infolge grosser Anschlussdrosseln

- eingeschränkter Wirkungsgrad

- Baugrösse der Anschlussdrosseln.

Aufgabe der Anschlussdrosseln ist es, den Stromanstieg beim «betriebsmässigen Fall» des «heissen Pfades zwischen den Teilumrichtern» zu begrenzen. Damit limitieren sie allerdings auch den maximal erreichbaren Stromanstieg auf der Lastseite.

Je kleiner die Anschlussdrosseln gewählt werden, umso stärker wird die gegenseitige Beeinflussung der Teilumrichter. Es kommt zu einem gegenseitigen Aufwiegeln, das heisst, Blindleistung wird zwischen den Teilumrichtern hin und her geschoben und der Wirkungsgrad fällt entsprechend ab. Nicht zu unterschätzen ist auch die enorme Baugrösse der erforderlichen Drosseln.

Aus dem Blockschaltbild, Fig. 9, ist zu erkennen, dass hier lediglich der Gesamtstrom gemessen wird. Aus dem Vergleich mit dem Sollwert werden alle Schalter der einzelnen Teilumrichter auf Befehl des Hostrechners simultan und gleichsinnig ein-oder ausgeschaltet. Damit ist das Problem des «heissen Pfades» zwischen einzelnen Teilumrichtern beseitigt und die Anschlussdrosseln können theoretisch wegfallen oder, da sie nur noch Hilfsfunktionen ausüben, bedeutend kleiner gewählt werden.

So einfach und naheliegend dieser Lösungsvorschlag auch erscheint, realisieren lässt er sich kaum. Die Schalter, wie sie in Fig. 9 als einfache Striche gezeichnet sind, bestehen in Wirklichkeit aus vielen Einzelelementen, von der ganzen An-steuerung etc. ganz zu schweigen. Örtliche Verteilung und thermische Einflüsse fügen ihren Teil dazu bei, dass sich eine stark asymmetrische Stromverteilung zwischen den einzelnen Teilumrichtern ergeben kann.

Die Erfindung soll die erwähnten Nachteile vermeiden, und es ermöglichen, mehrere Umrichter auf Geräteebene direkt parallel zu schalten (Begriff: parallele Umrichter), um die 5 geforderte Leistung zu erreichen. Zu diesem Zweck ist die Erfindung wie in den Hauptansprüchen beschrieben, definiert. Dadurch werden nebst der Leistungssteigerung weitere, sehr interessante Eigenschaften erzielt, die trotz des Mehraufwandes an Elektronik das Prinzip der Parallelschaltung, auch vom wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Standpunkt her betrachtet, interessant machen.

Der Preis einer Umrichteranlage richtet sich nicht nur nach den unmittelbaren Ventilkosten, sondern hängt auch vom Aufwand ab, der erbracht werden muss, um eine bestimmte Betriebssicherheit und Verfügbarkeit zu garantieren. Dies kann z.B. konkret bedeuten, dass immer eine zweite Anlage als Reserveeinheit bereitstehen muss. Nebst dem doppelten Investirons- und Wartungsaufwand wirkt sich dabei insbesondere der doppelte Raumbedarf sehr negativ auf die Kostenrechnung aus. Hinzu kommt, dass das Umschalten von der defekten Anlage auf die Reserveanlage immer eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. In manchen Fällen sogar einen Betriebsunterbruch notwendig macht. Das vorgeschlagene Parallelschaltungsprinzip bringt gerade hinsichtlich der Betriebssicherheit und Redundanz ganz neue Perspektiven mit sich.

Ein weiterer Punkt, der bei parallelgeschalteten Umrichtern ins Auge fällt, ist ihr modularer Aufbau. So kann mit denselben Grundbausteinen eine ganze Umrichterfamiiie realisiert werden, ohne dass entsprechend viele verschiedene Typen entwickelt werden müssen. Nebst dem Vorteil der feinen Leistungsabstufung ergibt sich die Möglichkeit, eine installierte Anlage nachträglich aufzubauen, indem einfach weitere Teilumrichter angekoppelt werden, siehe Fig. 3.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 die Ausgangsspannung einer einphasigen Brückenschaltung bei Grundwellentaktung,

Fig. 2 die Ausgangsspannung einer einphasigen Brückenschaltung bei Pulsmodulation,

Fig. 3 den Ausbau eines parallelen Umrichters durch nachträgliches Ankoppeln eines zusätzlichen Teilumrichters. Der mit «Host» bezeichnete Block stellt ein übergeordnetes Rechnersystem dar, welches die gesamte Umrichteranlage steuert,

Fig. 4 die Parallelschaltung von Teilumrichtern durch leistungsseitige Verbindung über Anschlussdrosseln,

Fig. 5 das synchrone und asynchrone Schaltverhalten (Taktung) zweier Umrichter. Bei der synchronen Taktung fallen die Schaltflanken beider Umrichter (U1 und U2) genau aufeinander. Im asynchronen Fall findet das Umschalten höchstens zufällig einmal zur gleichen Zeit statt, da keinerlei zeitliche Kopplung zwischen den Umrichtern besteht,

Fig. 6 die Einzel-Regelung des Stromes jedes Teilumrichters unabhängig von den anderen,

Fig. 7 drei parallelgeschaltete Umrichter mit Gesamtstromregelung. Der «Host» stellt ein übergeordnetes Rechnersystem dar, welches die Gesamtstromregelung ausführt und die Teilumrichter entsprechend ansteuert,

Fig. 8 den «Heissen Pfad» zwischen zwei Teilumrichtern. Die volle Zwischenkreisspannung liegt über den beiden Schaltern und den Anschlussdrosseln LA,

Fig. 9 das Blockschaltbild einer Anlage, bei der nur der Gesamtstrom gemessen wird,

Fig. 10 das Blockschaltbild einer Anlage, bei der ausser dem Gesamtstrom auch die Ausgangsströme des einzelnen Teilumrichters gemessen werden, Fig. 11 drei direkt parallelgeschaltete Teilumrichter mit Gesamtstromregelung und unterlagerter, verlustfreier Ausgleichsregelung (LA = Anschlussdrosseln, alles einphasig dargestellt),

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Fig. 12 die Schaltzeitpunkte der Hauptregelung (Nullzeit) und das Zeitfenster für die Ausgleichsregelung. Innerhalb von diesem Fenster darf die Ausgleichsregelung jedes Teilumrichters den Schaltzeitpunkt der eigenen Schalter verschieben und

Fig. 13 die Schaltzeitpunkte der Hauptregelung (a), eines Teilumrichters der zuviel Strom liefert (b), eines Teilumrichters, der zuwenig Strom liefert (c).

Im folgenden sollen einige der Erfindung zugrunde liegende Prinzipien erläutert und durch Ausführungsbeispiele illustriert werden. Kleine Anschlussdrosseln lassen sich nur realisieren, wenn die Schalter simultan und gleichsinnig schalten. Dies bringt unweigerlich eine Stromasymmetrie mit sich, da die einzelnen Strompfade nie absolut identisch zu realisieren sind. Demzufolge muss eine zweite unterlagerte Regelung eingeführt werden, deren Aufgabe es ist, eine Symmetrierung der Teilumrichterströme vorzunehmen. Da eine exakte Modellbildung der einzelnen Geräte und Strompfade nicht möglich sind, müssen dazu die Ausgangsströme der Teilumrichter einzeln gemessen werden, siehe Fig. 10. Direkt parallelgeschaltete Umrichter können nur dann problemlos eingesetzt werden, wenn eine aktive und verlustfreie Regelung vorhanden ist, welche allen möglichen Ursachen der Stromasymmetrie, selbst dann, wenn ein Mitkopplungseffekt vorliegt, wirkungsvoll entgegentreten kann. Mit dem vorgeschlagenen Konzept der «prinzipiell verlustfreien Ausgleichsregelung» ist es weder notwendig, dass sämtliche Ursachen der Stromasymmetrierung bekannt sind, noch ist es erforderlich, deren Zusammenhänge und Einflussgrössen genau zu kennen. Das Blockschaltbild einer solchen Stromregelung ist in Fig. 11 gezeigt.

Statt dass wie in Fig. 11 der Gesamtstrom gemessen wird, ist auch eine Regelstruktur möglich, bei der ein (oder auch mehrere Teilumrichter) als Referenz herangezogen wird und dessen Ausgangsstrom als Sollwert für die übrigen Teilumrichter verwendet wird. Die Regelung funktioniert wie folgt:

Die Hauptregelung im «Host» bestimmt aus dem Vergleich des Gesamtausgangsstromes mit dem Sollwert, wann die oberen und wann die unteren Schalter aller Teilumrichter gesamthaft ein- bzw. ausgeschaltet werden müssen. Gleichzeitig berechnet die Hauptregelung durch eine einfache Division des Gesamtstromes durch die Anzahl Teilumrichter im Verband, welchen Strom im Idealfall jeder Teilumrichter liefern sollte. Dieser Wert wird an die Ausgleichsregelung der Teilumrichter als Sollwert weitergegeben. Bemerkt nun ein Teilumrichter, dass er zuviel oder zuwenig Strom liefert, wird er dies bei der nächsten Schaltzustandsänderung entsprechend berücksichtigen.

Die Hauptregelung befiehlt den Teilumrichtern also, wann sie welche Schalter öffnen oder schlies-sen müssen. Jeder Teilumrichter bekommt nun aber die Kompetenz, den exakten Zeitpunkt für seine Schalter in einem kleinen Bereich, einem Fenster, selbst zu variieren und so einen Stromausgleich herbeizuführen, siehe Fig. 12.

Liefert ein Teilumrichter zuviel Strom, so wird er den entsprechenden Schalter bereits vor dem «Zeitnullpunkt» öffnen. Ein anderer, der zuwenig Strom liefert, wird seinen Schalter hingegen erst nach dem «Zeitnullpunkt» öffnen und so den gewünschten Stromausgleich vornehmen, siehe Fig. 13.

Die Ausgleichsregelung bildet also während sehr kurzer Zeit einen «heissen Pfad» zwischen den entsprechenden Schaltern der Teilumrichter. Zwischen diesen Schaltern befinden sich im wesentlichen nur die Anschlussdrosseln LA, deren Grösse aufgrund des Sicherheitskonzeptes gegeben ist. Aus der Grösse der Anschlussdrossel und der Spannung über dem betreffenden Zweig errechnet sich die erforderliche Verschiebungszeit für den Schaltzeitpunkt, damit der gewünschte Stromausgleich herbeigeführt wird. Da sämtliche Messgrössen nur mit beschränkter Genauigkeit bestimmt und verarbeitet werden können, tritt die Ausgleichsregelung erst ab einer bestimmten prozentualen Abweichung vom Sollwert in Aktion. Damit wird verhindert, dass unnötig Blindleistung zwischen den Schaltern hin- und hergeschoben wird.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zum Parallelschalten von Umrichtern, bei dem die Anzahl Ausgänge jedes Umrichters unbeschränkt ist und bei dem Ausgangsgrös-sen beliebig vorgegeben werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichterausgänge miteinander verbunden werden, dass die Zahl der parallel geschalteten Umrichter beliebig ist und dass eine Regelung die Stromanteile und Schaltzustände der einzelnen Umrichter bestimmt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichterausgänge über strombeeinflussende Elemente, wie lineare und nichtlineare Widerstände zusammengeschaltet werden.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichterausgänge über Drosseln zusammengeschaltet werden.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichterausgänge über magnetisch gekoppelte Drosseln zusammengeschaltet werden.

   5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung eine in einem übergeordneten Rechnersystem implementierte Hauptregelung umfasst, die das Verhältnis der Schaltzustände zwischen den parallelgeschalteten Umrichtern variiert, um eine beliebige Stromverteilung zwischen den einzelnen Umrichtern zu erzwingen.

   6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Schaltzustände aus mindestens zwei Grössen, insbesondere vom Sollwert des Stromes, Istwert des Stromes, Stromasymmetrie, wirksame Induktivität zwischen den Umrichtern, Spannung über der Anschlussinduktivität, Spannung des Zwischenkreises berechnet wird.

   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Verhältnisses der Schaltzustände der Gesamtausgangsstrom als Stromistwert herangezogen wird.

   8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn-

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   zeichnet, dass zur Berechnung des Verhältnisses der Schaltzustände der Ausgangsstrom eines Umrichters als Stromistwert herangezogen wird.

   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromistwert der Ausgangsstrom des einen Umrichters oder der Ausgangsstrom des anderen Umrichters ist, wobei der Übergang vom einen Ausgangsstrom auf den anderen Ausgangsstrom ohne Unterbruch des Umrichterbetriebes erfolgt.

   10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung je Umrichter eine der Hauptregelung untergeordnete Ausgleichsregelung umfasst, die die von der Hauptregelung je Umrichter vorgegebenen Schaltzustände variiert.

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