CH715005A2 - Device for converting a DC voltage that varies within wide limits into a multi-phase AC voltage with variable frequency and amplitude. - Google Patents
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Abstract
Ein erfindungsgemässer Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Gleichspannungs-(DC)-System und einem Wechselspannungs-(AC)-System weist gleichspannungsseitig eine positive DC-Eingangsspannungsschiene (1) und eine negative DC-Eingangsspannungsschiene (2) und wechselspannungsseitig mindestens zwei Ausgangsphasenanschlüsse (a, b, c) auf. Dabei liegt für jeden der Ausgangsphasenanschlüsse (a, b, c) ein Phasenkonverter vor, welcher an einer ersten Seite an die positive DC-Eingangsspannungsschiene (1) und die negative DC-Eingangsspannungsschiene (2) und an einer zweiten Seite an diesen Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) angeschlossen ist und als Hochsetz-Tiefsetzsteller mit einem Spannungszwischenkreis ausgebildet ist. Der Konverter weist eine Regelung auf, welche dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters jeden der Phasenkonverter in Abhängigkeit eines Verhältnisses einer DC-Eingangsspannung zu Momentanwerten von an den Ausgangsphasenanschlüssen (a, b, c) zu erzeugenden Ausgangsphasenspannungen, zeitweise entweder als reinen Tiefsetzsteller oder als reinen Hochsetzsteller, zu betreiben.A converter according to the invention for the transmission of electrical energy between a direct current (DC) system and an alternating voltage (AC) system has on the DC side a positive DC input voltage rail (1) and a negative DC input voltage rail (2) and at least two output phase terminals on the AC side (a, b, c). In this case, there is a phase converter for each of the output phase terminals (a, b, c), which on a first side to the positive DC input voltage rail (1) and the negative DC input voltage rail (2) and on a second side to this output phase terminal (a ; b; c) is connected and is designed as a step-up buck converter with a voltage intermediate circuit. The converter has a control which is designed, during operation of the converter, to convert each of the phase converters as a function of a ratio of a DC input voltage to instantaneous values of output phase voltages to be generated at the output phase terminals (a, b, c), either as a pure buck converter or temporarily as a pure boost converter to operate.
Description
Beschreibung [0001] In der Antriebstechnik besteht vielfach die Aufgabe ausgehend von einer Gleichspannungsquelle (Batteriespeicher oder Brennstoffzelle) eine Drehstrommaschine zu speisen, wobei die an die Maschine zu legende Dreiphasenspannung eine, durch eine übergeordnete Drehzahl- oder Positionsregelung, vorgegebene Amplitude und Frequenz aufzuweisen hat. Typisch zeigen dabei für stationären Betrieb sowohl Amplitude als auch Frequenz eine näherungsweise proportionale Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl, d.h. sind in weiten Grenzen variabel. Weiters kann die speisende Gleichspannung abhängig vom Ladezustand der Batterie oder aufgrund eines Spannungsabfalls am inneren Widerstand der Batterie oder der Brennstoffzelle einen relativ weiten Variationsbereich aufweisen.Description In drive technology, there is often the task of starting from a DC voltage source (battery storage or fuel cell) to feed a three-phase machine, the three-phase voltage to be applied to the machine having a predetermined amplitude and frequency by means of a higher-level speed or position control. For stationary operation, both amplitude and frequency typically show an approximately proportional dependency on the machine speed, i.e. are variable within wide limits. Furthermore, depending on the state of charge of the battery or due to a voltage drop in the internal resistance of the battery or the fuel cell, the supplying DC voltage can have a relatively wide range of variation.
[0002] Gemäss dem Stand der Technik wird daher der Gleichspannungsquelle ein DC/DC-Hochsetzsteller nachgeordnet, welcher eine konstante DC-Ausgangsspannung (Zwischenkreisspannung) erzeugt, aus der eine nachfolgende Dreiphasenpulswechsel-richterstufe gespeist wird, welche pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannungen erzeugt, welche gegebenenfalls durch ein nachfolgendes LC-Tiefpassfilter zu einem sinusförmigen Ausgangsspannungsverlauf geglättet werden {siehe Fig. 1). Das Niveau der Zwischenkreisspannung wird dabei prinzipbedingt in jedem Fall über dem Niveau der speisenden Gleichspannung liegend und darüber hinaus so gross gewählt, dass die Dreiphasenausgangsspannung mit der geforderten Amplitude erzeugt werden kann.According to the prior art, the DC voltage source is therefore a DC / DC step-up converter, which generates a constant DC output voltage (intermediate circuit voltage), from which a subsequent three-phase pulse-changing rectifier stage is fed, which generates pulse-width-modulated output voltages, which may be by a subsequent LC low-pass filter to be smoothed into a sinusoidal output voltage curve {see Fig. 1). In principle, the level of the intermediate circuit voltage is in any case higher than the level of the supplying DC voltage and, in addition, chosen so large that the three-phase output voltage can be generated with the required amplitude.
[0003] Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass sowohl der DC/DC-Hochsetzsteller als auch der Dreiphasenpulswechselrichter die gesamte Leistung umformen, d.h. zwischen Gleichspannungsquelle und Maschine eine zweistufige Leistungskonversion vorliegt, womit entsprechend hohe Leit- und Schaltverluste auftreten bzw. eine relativ geringe Effizienz der Energieumformung resultiert.A disadvantage of this solution is that both the DC / DC step-up converter and the three-phase pulse inverter convert the entire power, i.e. There is a two-stage power conversion between the DC voltage source and the machine, which results in correspondingly high control and switching losses or results in a relatively low efficiency of energy conversion.
[0004] Es ist darauf hinzuweisen, dass die beschriebene Konverterstruktur auch bei Umkehrung der Energierichtung, also für Anwendungen, bei welchen ausgehend von einer Dreiphasennetzspannung eine in weiten Grenzen schwankende Gleichspannung erzeugt werden muss, wie dies z.B. bei der Batterieladung von Elektrofahrzeugen der Fall ist, Einsatz finden kann. Der DC/DC-Hochsetzsteller arbeitet dann aufgrund der umgekehrten Energierichtung von der Zwischenkreisspannung aus gesehen als DC/DC-Tiefsetzsteller und regelt den Leistungs- bzw. Stromfluss aus dem Zwischenkreis in die Batterie. Der Dreiphasen-AC/DC-Konverter wirkt in diesem Fall als aktiver Gleichrichter und stellt einen sinusförmigen Verlauf der aus dem Netz aufgenommenen Ströme und einen konstanten Wert der Zwischenkreisspannung sicher.It should be pointed out that the converter structure described also when the energy direction is reversed, that is to say for applications in which a DC voltage which fluctuates within wide limits must be generated starting from a three-phase mains voltage, as is the case e.g. is the case with the battery charging of electric vehicles. The DC / DC step-up converter then works as a DC / DC step-down converter from the DC link voltage due to the reversed energy direction and regulates the power or current flow from the DC link to the battery. In this case, the three-phase AC / DC converter acts as an active rectifier and ensures a sinusoidal profile of the currents drawn from the network and a constant value of the intermediate circuit voltage.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung mit einem zugehöriges Modulations-und Regelverfahren zu schaffen, welche bei überlappendem Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich die seitens einer Gleichspannungsquelle angebotene Leistung in eine Dreiphasenwechselspannung mit vorgebbarer Frequenz und Amplitude umformt, jedoch mit geringeren Leit- und Schaltverlusten bzw. mit erhöhter Effizienz der Energieumformung.The object of the invention is therefore to provide a device with an associated modulation and control method which, with an overlapping input and output voltage range, converts the power offered by a DC voltage source into a three-phase AC voltage with a predeterminable frequency and amplitude, but with lower conductance and Switching losses or with increased energy conversion efficiency.
[0006] Diese Aufgabe löst ein Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem DC und einem ACSystem gemäss den Patentansprüchen. Darin geschieht eine hochfrequente Taktung zur Umformung nur in einer Stufe.This object is achieved by a converter for the transmission of electrical energy between a DC and an AC system according to the patent claims. A high-frequency clocking for forming takes place in only one stage.
[0007] Der Konverter zur leistungselektronische Energieumformung ist phasenmodular zu konzipieren und jedes Phasenmodul zweistufig, d.h. mit einem eingangsseitigen DC/DC-Hochsetzsteller (Phasenhochsetzsteller) und einem ausgangsseitigen DC/DC-Tiefsetzsteller (Phasentiefsetzsteller) auszuführen. Durch den Phasenhochsetzsteller wird dann ausgehend von der Eingangsgleichspannung eine, durch einen Phasenzwischenkreiskondensator, dessen negative Klemme mit der negativen Eingangsspannungsklemme verbunden ist, gestützte Phasenzwischenkreisspannung erzeugt. Aus dieser Phasenzwischenkreisspannung wird durch den Phasentiefsetzsteller eine, wieder auf die negative Eingangsgleichspannungsschiene bezogene, an die zugehörige Phasenklemme der Drehstrommaschine gelegte Phasenklemmenspannung erzeugt. Da aufgrund des typischerweise isolierten bzw. freien Sternpunktes der gespeisten Drehstrommaschine nur die Differenzen der Phasenklemmenspannungen bzw. nur die nullgrössen- bzw. gleichtaktfreien Anteile, d.h. nur die Gegentaktanteile der Phasenklemmenspannungen (Maschinenphasenspannungen) den Maschinenphasenstromverlauf bestimmen, kann so trotz Unipolarität bzw. Gleichspannungsnatur der Phasenklemmenspannungen ein sinusförmiger Verlauf der Maschinenphasenströme eingeprägt werden. Alternativ kann auch die positive Eingangsspannungsschiene als Bezugspotential für die Phasenzwischenkreisspannung und die Phasenklemmenspannung herangezogen werden, wobei dann die positive Klemme des Phasenzwischenkreiskondensators mit der positiven Eingangsspannungsschiene verbunden ist.The converter for power electronic energy conversion is to be designed in a phase-modular manner and each phase module has two stages, i.e. with an input-side DC / DC step-up converter (phase step-up converter) and an output-side DC / DC step-down converter (phase step-down converter). The phase step-up converter then generates, based on the DC input voltage, a phase DC link voltage supported by a phase DC link capacitor whose negative terminal is connected to the negative input voltage terminal. From this phase intermediate circuit voltage, a phase terminal voltage, which is again related to the negative input DC voltage rail and is applied to the associated phase terminal of the three-phase machine, is generated by the phase step-down converter. Since, due to the typically isolated or free star point of the three-phase machine fed, only the differences in the phase terminal voltages or only the zero-size or common-mode components, i.e. Only the push-pull components of the phase terminal voltages (machine phase voltages) determine the machine phase current profile, so a sinusoidal profile of the machine phase currents can be impressed despite the unipolarity or DC voltage nature of the phase terminal voltages. Alternatively, the positive input voltage rail can also be used as a reference potential for the phase intermediate circuit voltage and the phase terminal voltage, the positive terminal of the phase intermediate circuit capacitor then being connected to the positive input voltage rail.
[0008] Zwar weist die vorgehend beschriebene Schaltung in jeder Phase zwei Konversionsstufen, d.h. eine Hochsetz-Tiefsetzsteller-Struktur, auf, allerdings kann im Unterscheid zum konventionellen System durch die Auftrennung in Phasenmodule jede Phasenzwischenkreisspannung jeweils unabhängig von den anderen Phasenzwischenkreisspannungen und abhängig von der zu erzeugenden Phasenklemmenspannung gewählt werden, d.h. das Zwischenkreisspannungsniveau ist nicht für alle Phasen gleich und auch nicht durch die Phase mit höchstem Spannungsbedarf bestimmt. Vorteilhaft wird nun die jeweilige Phasenzwischenkreisspannung derart geführt, dass stets nur eine der beiden Stufen, d.h. entweder nur der Phasenhochsetzsteller oder nur der Phasentiefsetzsteller, getaktet wird und die jeweils andere Stufe währenddessen durchgeschaltet bleibt, d.h. es treten also nur für eine der beiden Schaltstufen eines Phasenmoduls Schaltverluste auf bzw. liegt in diesem Sinn eine einstufige hochfrequente Spannungsumsetzung vor. Die Schaltverluste der Phasenmodule weisen damit vorteilhaft einen im Idealfall minimalen, d.h. einen tieferen Wert als für eine Realisierung gemäss dem Stand der Technik auf.Although the circuit described above has two conversion stages in each phase, i.e. a step-up / step-down converter structure, however, in contrast to the conventional system, the separation into phase modules allows each phase link voltage to be selected independently of the other phase link voltages and depending on the phase terminal voltage to be generated, i.e. the intermediate circuit voltage level is not the same for all phases and is also not determined by the phase with the highest voltage requirement. The respective phase link voltage is now advantageously carried out in such a way that only one of the two stages, i.e. either only the phase step-up converter or only the phase step-down converter is clocked and the other stage remains switched through, i.e. Switching losses therefore only occur for one of the two switching stages of a phase module or, in this sense, there is a single-stage high-frequency voltage conversion. The switching losses of the phase modules thus advantageously have a minimum, i.e. a lower value than for a realization according to the prior art.
CH 715 005 A2 [0009] Der Konverter weist also eine Regelung auf, welche dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters jeden der Phasenkonverter, in Abhängigkeit eines Verhältnisses einer DC-Eingangsspannung zu Momentanwerten von an den Ausgangsphasenanschlüssen zu erzeugenden Ausgangsphasenspannungen, zeitweise entweder als reinen Tiefsetzsteller oder als reinen Hochsetzsteller zu betreiben. Es sind also die Phasenkonverter als mehrschleifig geregelte Hochtiefsetz-DC/DC-Konverter ausgeführt, wobei die Vorgabe der Sollwerte der Phasenkonverterausgangsspannungen derart erfolgt, dass einerseits ein minimaler Maximalwert der Ausgangsspannungen erforderlich ist und andererseits eine minimale Schwankung der Ströme in den Induktivitäten der Phasenkonverter resultiert. Damit können bei gegebener Schaltfrequenz kleine Induktivitätswerte für die Realisierung des Konverters und bei gegebenen Induktivitätswerten kleine Schaltfrequenzen gewählt werden, bzw. geringe Schaltverluste auftreten.CH 715 005 A2 The converter thus has a control which is designed to operate each of the phase converters, at times as pure, depending on a ratio of a DC input voltage to instantaneous values of output phase voltages to be generated at the output phase connections, during operation of the converter Step-down converter or to operate as a pure step-up converter. The phase converters are therefore designed as multi-loop regulated high-step-down DC / DC converters, the setpoints of the phase converter output voltages being specified such that, on the one hand, a minimum maximum value of the output voltages is required and, on the other hand, a minimal fluctuation in the currents results in the inductances of the phase converters. This means that small inductance values can be selected for the implementation of the converter at a given switching frequency and small switching frequencies can be selected for given inductance values, or small switching losses can occur.
[0010] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters in jedem der Phasenkonverter eine Taktung von Schaltern des Phasenkonverters zeitweise auf einen eingangsseitigen Hochsetzstellerteil oder Brückenzweig oder auf einen ausgangsseitigen Tiefsetzstellerteil oder Brückenzweig des Phasenkonverters zu beschränken.In embodiments, the control is designed to temporarily limit a clocking of switches of the phase converter to an input-side step-up converter part or bridge branch or to an output-side step-down converter part or bridge branch of the phase converter in the operation of the converter in each of the phase converters.
[0011] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter derart vorzunehmen, dass für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltenen Gegentaktspannungsanteil minimiert.In embodiments, the control is designed to carry out the clocking of all phase converters during operation of the converter in such a way that the same clock frequency is present for all phase converters and synchronization of the clocking of the converters minimizes a push-pull voltage component contained in the output phase voltages.
[0012] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter derart vorzunehmen, dass für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltenen Gleichtaktspannungsanteil minimiert.In embodiments, the control is designed to carry out the clocking of all phase converters during operation of the converter such that the same clock frequency is present for all phase converters and synchronization of the clocking of the converters minimizes a common-mode voltage component contained in the output phase voltages.
[0013] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters einen Offset zur Bildung von Ausgangsphasenspannungssollwerten aus Lastphasenspannungssollwerten vorzugeben, derart, dass jeweils in einem Zeitabschnitt für denjenigen Phasenkonverter, dessen zugeordneter Lastphasenspannungssollwert den höchsten negativen Wert aufweist, ein Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert, womit dieser Phasenkonverter nicht getaktet werden muss und sein Ausgangsphasenanschluss an eine Referenzspannungsschiene geklemmt verbleiben kann, und der Verlauf der Ausgangsphasenspannungssollwerte von nicht geklemmten Phasenkonvertern durch gegenüber dem geklemmten Ausgangsphasenanschluss zu erzeugende und durch Subtraktion von jeweils zwei Lastphasenspannungssollwerten in diesem Zeitabschnitt gebildete Sollwerte von Lastaussenleiterspannungen definiert ist, sodass insgesamt wieder ein sinusförmiger Verlauf aller Lastaussenleiterspannungen vorliegt.In embodiments, the control system is designed to specify an offset for the formation of output phase voltage setpoints from load phase voltage setpoints during operation of the converter, such that an output phase voltage setpoint equal to zero results in each time period for the phase converter whose associated load phase voltage setpoint has the highest negative value , with which this phase converter does not have to be clocked and its output phase connection can remain clamped to a reference voltage rail, and the course of the output phase voltage setpoints of non-clamped phase converters that are to be generated in relation to the clamped output phase connection and that are defined by subtracting two load phase voltage setpoint setpoint values from this load segment in this time period , so that there is again a sinusoidal curve of all load line voltages.
[0014] In Ausführungsformen sind die Phasenkonverter jeweils als kaskadierte Auf-Abwärtswandler (Boost-Buck-Converter) ausgebildet.In embodiments, the phase converters are each designed as a cascaded step-down converter (boost-buck converter).
[0015] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters bei relativ kleinen Amplituden der Ausgangsphasenspannungen einen konstanten Offset der Ausgangsphasenspannungen so gross zu wählen, dass einerseits eine, durch zu erzeugende Lastphasenspannungen bedingte Schwankung der Ausgangsphasenspannungen symmetrisch um ein Niveau der DC-Eingangsspannung zu liegen kommt, und andererseits eine zweifache maximale Amplitude von Lastphasenspannungen nicht überschritten wird, wobei dies durch Absenken des Offsets bei hohen Amplituden der Lastphasenspannungen erreicht wird.In embodiments, the control is designed to choose a constant offset of the output phase voltages so large during operation of the converter with relatively small amplitudes of the output phase voltages that, on the one hand, a fluctuation in the output phase voltages caused by load phase voltages to be generated symmetrically about a level of the DC Input voltage comes to lie, and on the other hand a double maximum amplitude of load phase voltages is not exceeded, this being achieved by lowering the offset at high amplitudes of the load phase voltages.
[0016] In Ausführungsformen sind eines oder mehrere der folgenden Merkmale realisiert:[0016] In embodiments, one or more of the following features are implemented:
- Die Regelung ist dazu ausgebildet, ein Offsetsignal zu addieren, welches einen Wert hat, der mit dreifacher Ausgangsfrequenz variiert, d.h. einen Offset mit einer 3. Harmonischen, mit einer Amplitude und Phasenlage derart, dass eine grössere Ausgangsspannungsamplitude erreicht werden kann.The control is designed to add an offset signal which has a value which varies with three times the output frequency, i.e. an offset with a 3rd harmonic, with an amplitude and phase position such that a larger output voltage amplitude can be achieved.
- Es ist kein Ausgangsfilter vorgesehen, d.h. der Schaltpunkt/die Schaltpunkte sind direkt mit den Motorklemmen verbunden.- There is no output filter, i.e. the switching point (s) are connected directly to the motor terminals.
- Ein dritter Brückenzweig ist am Phasenzwischenkreiskondensator angeordnet und somit ist eine doppelte Ausgangsspannungsamplitude ohne Erhöhung der Zwischenkreisspannung und Sperrspannungsfähigkeit der Halbleiter ermöglicht.- A third bridge arm is arranged on the phase link capacitor and thus a double output voltage amplitude is possible without increasing the intermediate circuit voltage and reverse voltage capability of the semiconductors.
- Ein dritter und vierter Brückenzweig sind am Phasenausgangskondensator angeordnet und somit ist eine doppelte Ausgangsspannungsamplitude ohne Erhöhung der Zwischenkreisspannung und Sperrspannungsfähigkeit der Halbleiter ermöglicht, und zusätzlich wird eine betragssinusförmige Gleichtaktspannung am Ausgang erzeugt, welche ein besseres EMV-Verhalten aufweist.- A third and fourth bridge branch are arranged on the phase output capacitor and thus a double output voltage amplitude is possible without increasing the intermediate circuit voltage and reverse voltage capability of the semiconductors, and in addition a sinusoidal common mode voltage is generated at the output, which has a better EMC behavior.
[0017] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:In the following the subject matter of the invention is explained in more detail using preferred exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. Each shows schematically:
[0018] Fig. 1: Ein Konvertersystem gemäss dem Stand der Technik, welches eingangsseitig eine DC/DC-Hochsetzstellerstufe aufweist und damit eine auf die negative Eingangsspannungsschiene bezogene, durch einen Zwischenkreiskondensator gestützte Zwischenkreisspannung bildet, aus der eine nachfolgende Dreiphasenpulswechselrichterstufe gespeist wird, wobei weiters ein Ausgangstiefpassfilter zur Glättung der pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannungen der Pulswechselrichterstufe vorgesehen ist, womit die Maschinenklemmenspannungen einen näherungsweise sinusförmigen Verlauf zeigen.Fig. 1: A converter system according to the prior art, which has a DC / DC step-up converter stage on the input side and thus forms a DC link voltage based on the negative input voltage rail, supported by an intermediate circuit capacitor, from which a subsequent three-phase pulse inverter stage is fed, and further an output low-pass filter is provided for smoothing the pulse-width-modulated output voltages of the pulse inverter stage, so that the machine terminal voltages show an approximately sinusoidal curve.
CH 715 005 A2 [0019] Fig. 2: Schaltungsstruktur eines phasenmodularen DC/AC-Konverters mit Hoch-Tiefsetzstellerfunktion. Die an den Phasenausgängen erzeugten tiefpassgefilterten Spannungen sind auf die negative Eingangsspannungsschiene 2 bezogen. Die Anordnung setzt einen isolierten Maschinensternpunkt voraus.CH 715 005 A2 Fig. 2: Circuit structure of a phase-modular DC / AC converter with step-up converter function. The low-pass filtered voltages generated at the phase outputs are related to the negative input voltage rail 2. The arrangement requires an isolated machine star point.
[0020] Fig. 3: Zeitverlauf der bei Speisung einer Drehstrommaschine zu erzeugenden Phasenkonverterausgangsspannungen für (Fig. 3.1) zeitlich konstante Offsetverschiebung uOff des eigentlich zu erzeugenden Lastphasenspannungssystems in Höhe der Amplitude der Lastphasenspannung; (Fig. 3.2) bei konstanter Offsetverschiebung und zusätzlicher Überlagerung eines Wechselanteils des Offsetsignals mit dreifacher Ausgangsfrequenz und einer Phasenlage derart, dass der Maximalwert der Phasenkonverterausgangsspannungen minimiert wird; (Fig. 3.3) bei Offsetverschiebung des zu erzeugenden Lastphasenspannungssystems derart, dass für einen Phasenkonverterausgang über ein Drittel der Ausgangsperiode ein Sollwert gleich Null vorliegt, und dieser Konverter daher im Klemmzustand verbleiben kann, also nicht getaktet wird.Fig. 3: Time course of the phase converter output voltages to be generated when supplying a three-phase machine for (Fig. 3.1) constant offset offset uOff of the load phase voltage system actually to be generated in the amount of the amplitude of the load phase voltage; (Fig. 3.2) with constant offset shift and additional superimposition of an alternating component of the offset signal with triple output frequency and a phase position such that the maximum value of the phase converter output voltages is minimized; (Fig. 3.3) in the event of an offset shift of the load phase voltage system to be generated in such a way that a setpoint value equal to zero is present for a phase converter output over a third of the output period, and this converter can therefore remain in the clamped state, ie is not clocked.
[0021] Fig. 4: Zeitverlauf der Sollwerte der Phasenkonverterausgangsspannungen uan, ubn und ucn für die Konverterschaltungen nach Fig. 2, welche bei gegenüber der DC-Eingangsspannung Uin kleiner Amplitude UMpk der Sollwerte der Lastphasenspannungen Einsatz finden kann, um eine Minimierung der schaltfrequenten Schwankung des Stromes in den Phasenkonverterinduktivitäten LAund LB zu erreichen.Fig. 4: Time course of the setpoints of the phase converter output voltages u an , u bn and u cn for the converter circuits according to Fig. 2, which can be used in comparison to the DC input voltage U in a small amplitude U Mp k of the setpoints of the load phase voltages, in order to minimize the switching frequency fluctuation of the current in the phase converter inductances L A and L B.
[0022] Fig. 5: Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen der Phasenkonverter um einen vorgegebenen Verlauf Uam* der Lastphasenspannungen uam einzustellen, wie dies für USV Systeme oder bei der Speisung drehzahlvariabler Drehstrommaschinen benötigt wird. Die Regelung weist für jede Phase gleiche Struktur und ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für eine Phase dargestellt.Fig. 5: Device for regulating the output voltages of the phase converter to set a predetermined course Uam * of the load phase voltages u am , as is required for UPS systems or for the supply of variable-speed three-phase machines. The regulation has the same structure for each phase and is only shown for one phase for reasons of clarity.
[0023] Fig. 6: Modifikation eines Teiles der Regelvorrichtungen nach Fig. 5, d. h. die Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen wird um einen Zwischenkreisspannungs- und Eingangsstromregler erweitert um eine höhere Regeldynamik zu erreichen und allfällige Schwingungen im System aktiv zu dämpfen.Fig. 6: Modification of part of the control devices according to Fig. 5, d. H. the device for regulating the output voltages is expanded by an intermediate circuit voltage and input current regulator in order to achieve higher control dynamics and to actively dampen any vibrations in the system.
[0024] Fig. 7: Alternative Ausführungen des Leistungsteiles bei Einsatz einer Drehstrommaschine mit offener Wicklung, d.h. bei Zugänglichkeit der Anfänge und Enden jeder Maschinenphasenwicklung, wobei die Schaltung eines Phasenmoduls nach Fig. 2 um einen dritten Brückenzweig Bc mit Schaltpunkt C, parallel zu den beiden Brückenzweigen BA und Bb, erweitert wird.Fig. 7: Alternative designs of the power section when using a three-phase machine with an open winding, ie with accessibility of the beginnings and ends of each machine phase winding, the circuit of a phase module according to FIG. 2 around a third bridge branch B c with switching point C, in parallel the two bridge branches B A and B b .
[0025] Fig. 8: (a) Zeitverlauf der Phasenkonverterausgangsspannungen uaC, ubc und ucC für die Konverterschaltungen nach Fig.7, (b) der Spannung am Schaltpunkt C des Brückenzweigs Bc sowie der Phasenzwischenkreiskondensatorspannung uCA, (c) der beiden Tastverhältnisse dA und de, sowie (d) die Schaltzustände der einzelnen Brückenzweige über eine Ausgangsperiode, wobei die schraffierte Fläche das hochfrequente Schalten des entsprechenden Brückenzweiges darstellt.8: (a) Time course of the phase converter output voltages u aC , u b c and u cC for the converter circuits according to FIG. 7, (b) the voltage at the switching point C of the bridge arm B c and the phase link capacitor voltage u CA , (c ) of the two duty cycles d A and de, and (d) the switching states of the individual bridge branches over an output period, the shaded area representing the high-frequency switching of the corresponding bridge branch.
[0026] Fig. 9: Alternative Ausführungen des Leistungsteiles bei Einsatz einer Drehstrommaschine mit offener Wicklung, d.h. bei Zugänglichkeit der Anfänge und Enden jeder Maschinenphasenwicklung, wobei die Schaltung eines Phasenmoduls nach Fig. 2 um einen dritten und vierten Brückenzweig BD und BE mit den Schaltpunkten D und E erweitert wird.Fig. 9: Alternative designs of the power section when using a three-phase machine with an open winding, ie with accessibility of the beginning and end of each machine phase winding, the circuit of a phase module according to FIG. 2 with a third and fourth bridge branch B D and B E with the switching points D and E is expanded.
[0027] Fig. 10: (a) Zeitverlauf der Phasenkonverterausgangsspannungen uaE, ubE und uce für die Konverterschaltungen nach Fig.9, (b) der Spannung an den Schaltpunkten D und E sowie der Phasenzwischenkreiskondensatorspannung uCA, (c) der beiden Tastverhältnisse dA und dB sowie (d) die Schaltzustände der einzelnen Brückenzweige über eine Ausgangsperiode, wobei die schraffierte Fläche das hochfrequente Schalten des entsprechenden Brückenzweiges darstellt.10: (a) Time course of the phase converter output voltages u aE , u bE and u c e for the converter circuits according to FIG. 9, (b) the voltage at the switching points D and E and the phase link capacitor voltage u CA , (c) of the two duty cycles d A and d B and (d) the switching states of the individual bridge branches over an output period, the hatched area representing the high-frequency switching of the corresponding bridge branch.
[0028] Nach Fig. 2 weist jeder Phasenkonverter des Systems eingangsseitig eine erste Induktivität LA auf, deren erster Anschluss mit der positiven DC-Eingangsspannungsschiene 1 verbunden ist und deren zweiter Anschluss auf den Schaltpunkt A eines ersten Brückenzweiges BA, d.h. auf den gemeinsamen Verbindungspunkt des unteren Emitter- oder Sourceanschlusses eines oberen Schalters ΤΊ und des oberen Kollektor- oder Drainanschlusses eines unteren Schalters T2, geführt wird. Des Weiteren sind die äusseren Anschlüsse des ersten Brückenzweiges Sa mit einem Phasenzwischenkreiskondensator CA verbunden, d.h. der Kollektor- oder Drainanschluss des oberen Schalters ΤΊ wird auf die positive Klemme des Phasenzwischenkreiskondensators CA und der Emitter- oder Sourceanschluss des unteren Schalters T2 auf die negative Klemme des Phasenzwischenkreiskondensators geführt, welche wiederum mit der negativen DC-Eingangsspannungsschiene 2 verbunden ist. Der Phasenzwischenkreiskondensator CA stützt somit die erzeugte Phasenzwischenkreis-spannung uCA gegen die negative Eingangsspannungsschiene 2 ab. Ein Brückenzweig wird allgemein mit Leistungstransistoren realisiert, wobei zu beiden Transistoren eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist. Ebenfalls ist ein zweiter Brückenzweig Bb mit einem oberen Schalter T3 und einem unteren Schalter T4, parallel zum ersten Brückenzweig BA, zwischen die positive und negative Klemme des Phasenzwischenkreiskondensators CA geschaltet, dessen Schaltpunkt B mit einem ersten Anschluss einer zweiten Induktivität LB verbunden ist und deren zweiter Anschluss auf die positive Klemme eines zur Glättung der Ausgangsspannung uCb notwendigen Phasenausgangskondensators CB geführt wird, an dem auch die zugeordnete Ausgangsphasenklemme a, b oder c abzweigt. Die negative Klemme eines Phasenausgangskondensators CB ist mit der negativen Eingangsspannungsschiene 2, d.h. der Referenzspannungsschiene n, verbunden und stützt somit die erzeugte Phasenklemmenspannung uan, ubn oder ucn ab. Jeder Phasenkonverter weist also gegenüber der gemeinsamen Referenzspannungsschiene n die Struktur eines Hochtiefsetzsteller-DC/DC-Konverters auf des2, each phase converter of the system on the input side has a first inductor L A , the first connection of which is connected to the positive DC input voltage rail 1 and the second connection of which to the switching point A of a first bridge arm B A , that is to say the common one Connection point of the lower emitter or source connection of an upper switch Τ Ί and the upper collector or drain connection of a lower switch T 2 , is performed. Furthermore, the outer connections of the first bridge branch Sa are connected to a phase link capacitor C A , ie the collector or drain connection of the upper switch Τ Ί is connected to the positive terminal of the phase link capacitor C A and the emitter or source connection of the lower switch T 2 to led negative terminal of the phase link capacitor, which in turn is connected to the negative DC input voltage rail 2. The phase link capacitor C A thus supports the generated phase link voltage u CA against the negative input voltage rail 2. A bridge branch is generally realized with power transistors, a free-wheeling diode being connected in anti-parallel with both transistors. Likewise, a second bridge arm B b with an upper switch T 3 and a lower switch T 4 , parallel to the first bridge arm B A , is connected between the positive and negative terminals of the phase link capacitor C A , the switching point B of which is connected to a first connection of a second inductance L. B is connected and whose second terminal is led to the positive terminal of a b for smoothing the output voltage u C necessary phase output capacitor C B to which the associated output terminal phase a, b or c branches. The negative terminal of a phase output capacitor C B is connected to the negative input voltage rail 2, ie the reference voltage rail n, and thus supports the generated phase terminal voltage u an , u bn or u cn . Each phase converter thus has the structure of a step-down converter DC / DC converter relative to the common reference voltage rail n
CH 715 005 A2 sen Phasenzwischenkreisspannung Uca in Abhängigkeit des Verhältnisses von Eingangsspannung U-m und zugeordneter Phasenausgangsspannung uan, ubn oder ucn, aber unabhängig von den anderen Phasen, geführt werden kann.CH 715 005 A2 sen phase link voltage Uca depending on the ratio of input voltage Um and assigned phase output voltage u an , u bn or u cn , but independently of the other phases.
[0029] Eine Dreiphasenlast wird mit ihren Phasenklemmen an die Ausgangsphasenklemmen a, b und c der drei Phasenkonverter geschaltet und weist einen freien Sternpunkt m auf, sodass nur die verketteten Phasenkonverterausgangsspannungen (Lastaussenleiterspannungen), definiert als Differenz von jeweils zwei Phasenkonverterausgangsspannungen bzw. die von einer Lastphasenklemme gegen einen Laststernpunkt gemessenen Lastphasenspannung uam, Ubm und ucm die Bildung der Lastphasenströme bestimmen.A three-phase load is connected with its phase terminals to the output phase terminals a, b and c of the three phase converters and has a free star point m, so that only the phase converter output voltages connected together (load line conductor voltages), defined as the difference of two phase converter output voltages or one Load phase clamp against a load star point measured load phase voltage u am , U bm and u cm determine the formation of the load phase currents.
[0030] Die Phasenkonverterausgangsspannungen uan, ubn und ucn werden beispielsweise derart erzeugt, dass die Sollwerte der typischerweise mit Ausgangsfrequenz sinusförmig verlaufenden und ein symmetrisches Dreiphasensystem bildenden Lastphasenspannungen uam, ubm und ucm mittels eines im einfachsten Fall zeitlich konstanten Offsets uoh derart zu positiven Werten verschoben werden, dass jede Phasenausgangsspannung einen unipolaren Verlauf, d.h. nur positive Werte bzw. minimal den Wert Null zeigt (siehe Fig. 3.1). Wie oben erwähnt, wird dieser Offset in den Lastaussenleiterspannungen nicht wirksam und bleibt damit ohne Einfluss auf die Strombildung der Last. In Ausführungsformen kann zu diesem konstanten Offset ein weiterer Offset mit dreifacher Ausgangsfrequenz und einer Amplitude und Phase derart addiert werden, dass die Unipolarität der Ausgangsphasenspannungen mit einem Minimalwert des konstanten Offsets sichergestellt ist, womit die Spannungsbelastung der Transistoren beider Brückenzweige BÄ und Bb der Phasenkonverter bei definierter zu erzeugender Lastphasenspannungsamplitude minimiert werden kann (siehe Fig. 3.2).The phase converter output voltages u an , u bn and u cn are generated, for example, in such a way that the nominal values of the load phase voltages u am , u bm and u cm, which typically run sinusoidally with the output frequency and form a symmetrical three-phase system, by means of an offset u which is constant over time in the simplest case o h are shifted to positive values such that each phase output voltage shows a unipolar curve, ie only positive values or minimally the value zero (see Fig. 3.1). As mentioned above, this offset is not effective in the load line voltages and therefore has no influence on the current generation of the load. In embodiments, a further offset with triple output frequency and an amplitude and phase can be added to this constant offset in such a way that the unipolarity of the output phase voltages is ensured with a minimum value of the constant offset, with which the voltage loading of the transistors of both bridge branches BA and BB of the phase converter can be minimized with a defined load phase voltage amplitude to be generated (see Fig. 3.2).
[0031] Bezüglich der Taktung der ein- und ausgangsseitigen Brückenzweige BA und Bb, der Phasenkonverter ist anzumerken, dass in Bereichen, in welchen eine über der DC-Eingangsspannung liegende Phasenkonverterausgangsspannung erzeugt werden muss, der obere Schalter respektive Leistungstransistor T3 des ausgangsseitigen Brückenzweiges Bb eines Phasenkonverters durchgeschaltet verbleiben kann, und nur der eingangsseitige Brückenzweig BÄ getaktet wird. Die Spannungsübersetzung des Konverters entspricht dann für Leistungsfluss von der DC-Eingangsspannung zur Phasenkonverterausgangsspannung jener eines Hochsetzstellers, wobei die eingangsseitige Phasenkonverterinduktivität LA als Hochsetzstellerinduktivität, der untere Leistungstransistor T2 des eingangsseitigen Brückenzweiges BA als Hochsetzstellertransistor und die antiparallele Diode des oberen Leistungstransistors T-, als Hochsetzstellerfreilaufdiode wirkt, wobei in Ausführungsformen stets auch der obere Leistungstransistor T-, durchgeschaltet wird, d.h. die Leistungstransistoren des eingangsseitigen Brückenzweiges Sa im Gegentakt betrieben werden. Da zu allen Leistungstransistoren antiparallele Dioden angeordnet sind, kann dann auch ein Leistungsfluss von der Phasenkonverterausgangsspannung in die DC-Eingangsspannung erfolgen, wobei die Funktion des Phasenkonverters in diesem Fall der eines zwischen Phasenkonverterausgangsspannung und DC-Eingangsspannung liegenden Tiefsetzstellers entspricht.With regard to the timing of the input and output-side bridge branches B A and B b , the phase converter should be noted that in areas in which a phase converter output voltage above the DC input voltage has to be generated, the upper switch or power transistor T 3 of the output side Bridge arm B b of a phase converter can remain switched through and only the input-side bridge arm B Ä is clocked. The voltage translation of the converter then corresponds to that of a step-up converter for power flow from the DC input voltage to the phase converter output voltage, the input-side phase converter inductance L A as step-up converter inductance, the lower power transistor T 2 of the input-side bridge arm B A as step-up converter transistor and the upper power transistor, T of the parallel diode acts as a step-up converter freewheeling diode, the upper power transistor T- also always being switched through in embodiments, ie the power transistors of the input-side bridge branch Sa are operated in push-pull mode. Since anti-parallel diodes are arranged to all power transistors, a power flow can then also take place from the phase converter output voltage to the DC input voltage, the function of the phase converter in this case corresponding to that of a step-down converter located between the phase converter output voltage and the DC input voltage.
[0032] In Bereichen, in welchen eine unterhalb der DC-Eingangsspannung liegende Phasenkonverterausgangsspannung erzeugt werden muss, verbleibt in Ausführungsformen der obere Leistungstransistor ΤΊ des eingangsseitigen Brückenzweiges Ba des Phasenkonverters durchgeschaltet, und die Taktung wird auf den ausgangsseitigen Brückenzweig Bb beschränkt. Die Spannungsübersetzung des Konverters entspricht dann für Leistungsfluss von der DC-Eingangsspannung zur Phasenkonverterausgangsspannung jener eines Tiefsetzstellers, wobei die ausgangsseitige Phasenkonverterinduktivität U als Tiefsetzstellerinduktivität, der obere Leistungstransistor T3 des ausgangsseitigen Brückenzweiges Bb als Tiefsetzstellertransistor und die zum unteren Leistungstransistor T4 antiparallel liegende Diode als Tiefsetzstellerfreilaufdiode wirkt, wobei in Ausführungsformen stets auch der untere Leistungstransistor Ta durchgeschaltet, d.h. die Leistungstransistoren des ausgangsseitigen Brückenzweiges Bb im Gegentakt betrieben werden. Da zu allen Leistungstransistoren antiparallele Dioden angeordnet sind, kann dann auch ein Leistungsfluss von der Phasenkonverterausgangsspannung in die DC-Eingangsspannung erfolgen, wobei die Funktion des Phasenkonverters in diesem Fall der eines zwischen Phasenkonverterausgangsspannung und DC-Eingangsspannung liegenden Hochsetzstellers entspricht.In areas in which a phase converter output voltage lying below the DC input voltage must be generated, the upper power transistor Τ Ί of the input-side bridge arm B a of the phase converter remains switched through in embodiments, and the clocking is limited to the output-side bridge arm B b . The voltage translation of the converter then corresponds to that of a step-down converter for power flow from the DC input voltage to the phase converter output voltage, the output-side phase converter inductance U as a step-down converter inductance, the upper power transistor T 3 of the output-side bridge branch B b as a step-down converter transistor and the diode 4 lying opposite to the lower power transistor Step-down converter freewheeling diode acts, the lower power transistor Ta also always being switched through in embodiments, ie the power transistors of the output-side bridge arm B b are operated in push-pull mode. Since anti-parallel diodes are arranged to all power transistors, a power flow can then also take place from the phase converter output voltage to the DC input voltage, the function of the phase converter in this case corresponding to that of a step-up converter located between the phase converter output voltage and the DC input voltage.
[0033] Hinsichtlich der Taktung aller Phasenkonverter sei darauf hingewiesen, dass in Ausführungsformen für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz gewählt werden und eine Synchronisation der Taktung der Konverter derart erfolgen kann, dass der in den Phasenkonverterausgangsspannungen enthaltene Gegentaktspannungsanteil, welcher zu schaltfrequenten Strömen und damit ggf. zu Hochfrequenzverlusten in der angeschlossenen Dreiphasenlast führt, minimiert wird, d.h. schaltfrequente Änderungen der Phasenkonverterausgangsspannungen vor allem als Gleichtaktkomponenten gebildet werden, welche für alle Phasenausgänge eine gleichartige Spannungsverschiebung gegenüber der Referenzspannungsschiene bewirken.With regard to the clocking of all phase converters, it should be pointed out that in embodiments, the same clock frequency can be selected for all phase converters and the clocking of the converters can be synchronized in such a way that the push-pull voltage component contained in the phase converter output voltages, which leads to switching-frequency currents and thus possibly High frequency losses in the connected three-phase load leads, is minimized, ie switching frequency changes in the phase converter output voltages are formed primarily as common mode components, which bring about a similar voltage shift with respect to the reference voltage rail for all phase outputs.
[0034] Für Verbraucher, welche insbesondere gegenüber hochfrequenten Gleichtaktverschiebungen sensitiv sind, kann andererseits eine Synchronisierung der auch in diesem Fall mit gleicher Taktfrequenz arbeitenden Phasenkonverter derart vorgenommen werden, dass die schaltfrequenten Gleichtaktspannungsanteile minimiert werden, wobei dann allerdings eine höhere Gegentaktkomponente der Phasenkonverterausgangspannungen in Kauf zu nehmen ist.For consumers who are particularly sensitive to high-frequency common-mode shifts, on the other hand, the phase converter, which in this case also works with the same clock frequency, can be synchronized in such a way that the switching-frequency common-mode voltage components are minimized, but then a higher push-pull component of the phase converter output voltages is purchased take is.
[0035] Ein zu Fig. 3.1 und Fig. 3.2 alternativer Verlauf des Offsets ist derart definiert, dass für denjenigen Phasenkonverter, dessen zugeordnete Lastphasenspannung den höchsten negativen Wert aufweist, ein Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert (siehe Fig. 3.3), womit dieser Phasenkonverter nicht getaktet werden muss, bzw. die zugehörige Ausgangsphasenklemme an die Referenzspannungsschiene geklemmt verbleiben kann, was für die oben beschriebene Phasenkonvertertopologie (siehe Fig. 2) einfach durch Durchschalten des unteren Leistungstransistors T4 des ausgangsseitigen Brückenzweiges Bb erreicht werden kann. Der Verlauf der Ausgangsspannungssollwerte der beiden anderenAn alternative to FIGS. 3.1 and 3.2, the course of the offset is defined in such a way that an output phase voltage setpoint equal to zero results for that phase converter whose assigned load phase voltage has the highest negative value (see FIG. 3.3), with which this phase converter does not must be clocked, or the associated output phase terminal can remain clamped to the reference voltage rail, which for the phase converter topology described above (see FIG. 2) can be achieved simply by switching through the lower power transistor T 4 of the output branch bridge B b . The course of the output voltage setpoints of the other two
CH 715 005 A2CH 715 005 A2
Phasenkonverter wird dann direkt durch die gegenüber der geklemmten Phase zu erzeugenden und durch Subtraktion von jeweils zwei Lastphasenspannungssollwerten zu bildenden Ausschnitte der Sollwerte der Lastaussenleiterspannungen definiert, sodass insgesamt wieder ein sinusförmiger Verlauf aller drei Lastaussenleiterspannungen erreicht wird. Da die Klemmung zyklisch zwischen in einer Phase nach der anderen stattfindet, bleibt jede Phase bei Erzeugung eines sinusförmigen symmetrischen Lastphasenspannungssystems für ein Drittel der Lastphasenspannungsperiode geklemmt und somit ohne Schaltverluste, womit eine Erhöhung der Effizienz der Energieübertragung erreicht wird.Phase converter is then defined directly by the sections of the setpoint values of the load line conductor voltages to be generated with respect to the clamped phase and to be formed by subtracting two load phase voltage setpoints, so that a sinusoidal course of all three load line voltages is again achieved. Since the clamping takes place cyclically between in one phase after the other, each phase remains clamped for a third of the load phase voltage period when a sinusoidal symmetrical load phase voltage system is generated and thus without switching losses, thus increasing the efficiency of the energy transmission.
[0036] Für Einsatz des Systems zur Speisung einer an den Ausgangsphasenklemmen liegenden Drehstrommaschine (Last) sind abhängig von der Drehzahl der Maschine verschiedene Amplituden der Lastphasenspannung bzw. verschiedene Amplituden der zugeordneten Phasenkonverterausgangsspannungen zu erzeugen, wobei typischerweise bei höchster Drehzahl die höchsten Amplitudenwerte auftreten, für welche die Leistungshalbleiter beider Brückenzweige auszulegen sind.For use of the system for feeding a three-phase machine (load) located at the output phase terminals, different amplitudes of the load phase voltage or different amplitudes of the associated phase converter output voltages are to be generated depending on the speed of the machine, typically at highest speed, the highest amplitude values occur for which power semiconductors of both bridge branches are to be designed.
[0037] Vorteilhaft kann nun bei tiefen Drehzahlen bzw. relativ kleinen Amplituden der Phasenkonverterausgangsspannungen, der konstante Offset so gross gewählt werden, dass einerseits die, durch die zu erzeugenden Lastphasenspannungen bedingte Schwankung der Phasenkonverterausgangsspannungen symmetrisch um das Niveau der DC-Eingangsspannung zu liegen kommt und andererseits die der maximalen Drehzahl zugeordnete zweifache maximale Amplitude der Lastphasenspannung nicht überschritten wird, wobei dies durch entsprechendes Absenken des Offsets bei hohen Amplituden der Lastphasenspannungen erreicht wird. Wie in Fig. 4 gezeigt, weisen die Sollwerte der Phasenkonverterausgangspannungen dann typischerweise Minimalwerte deutlich grösser als Null auf und die Ströme in den Phasenkonverterinduktivitäten zeigen einen relativ geringen Rippel, da dann der ein- und der ausgangsseitige Brückenzweig abwechselnd mit Tastverhältnissen nahe Eins arbeiten (d.h. die jeweils oberen Leistungstransistoren nahezu beständig durchgeschaltet sind) was bekanntermassen in einer geringen schaltfrequenten Schwankung des Stromes in den Phasenkonverterinduktivitäten resultiert, was wiederum in niedrigen Hochfrequenzverlusten Ausdruck findet. Auch unter Berücksichtigung der dann aufgrund der höheren geschalteten Phasenkonverterausgangsspannung höheren Schaltverluste in beiden Brückenzweigen, kann die Effizienz der Energieübertragung verbessert werden.At low speeds or relatively small amplitudes of the phase converter output voltages, the constant offset can advantageously be chosen so large that on the one hand the fluctuation in the phase converter output voltages caused by the load phase voltages to be generated comes to lie symmetrically around the level of the DC input voltage and on the other hand, the double maximum amplitude of the load phase voltage assigned to the maximum speed is not exceeded, this being achieved by correspondingly lowering the offset at high amplitudes of the load phase voltages. As shown in FIG. 4, the setpoint values of the phase converter output voltages then typically have minimum values significantly greater than zero and the currents in the phase converter inductances show a relatively low ripple, since the bridge arm on the input and output sides then alternate with duty cycles close to one (i.e. the the upper power transistors are almost constantly switched through), which is known to result in a low switching frequency fluctuation in the current in the phase converter inductances, which in turn is expressed in low high-frequency losses. Even taking into account the higher switching losses in both bridge branches due to the higher switched phase converter output voltage, the efficiency of the energy transmission can be improved.
[0038] Hinsichtlich der Realisierung der Phasenkonverter ist anzumerken, dass neben der vorstehend beschriebenen Ausführung eine Reihe vorteilhafter Modifikationen bestehen:With regard to the implementation of the phase converter, it should be noted that in addition to the embodiment described above, there are a number of advantageous modifications:
• So kann in Ausführungsformen der ein- und/oder ausgangsseitige Brückenzweig vorteilhaft in Multilevelstruktur, also z.B. als Flying Capacitor Multilevelbrückenzweig ausgeführt werden, womit für die Einstellung der Spannungsübersetzung zwischen DC-Eingangsspannung und Phasenkonverterausgangsspannung eine höhere Zahl von Spannungsniveaus zur Verfügung steht, womit ein geringerer schaltfrequenter Rippel der Ströme in den Phaseninduktivitäten auftritt.In embodiments, the bridge branch on the input and / or output side can advantageously have a multilevel structure, e.g. are designed as a flying capacitor multilevel branch, which means that a higher number of voltage levels is available for setting the voltage conversion between the DC input voltage and the phase converter output voltage, which means that there is a lower switching-frequency ripple in the currents in the phase inductors.
• Weiters können in Ausführungsformen die Phasenkonverter durch mehrere parallele, phasenversetzt getaktete Systeme realisiert werden, womit der in die Ausgangskapazität gespeiste und der aus der DC-Eingangsspannung bezogene Strom verglichen mit einem Einzelsystem vorteilhaft eine höhere effektive Frequenz und eine kleinere Schwankung aufweist.In addition, in embodiments, the phase converters can be implemented by a plurality of parallel, phase-shifted systems, so that the current fed into the output capacitance and the current drawn from the DC input voltage advantageously have a higher effective frequency and a smaller fluctuation compared to a single system.
• Analog zum System nach dem Stand der Technik, kann im einfachsten Fall das LC-Ausgangsfilter des Phasenkonverters, bestehend aus der ausgangsseitigen Phasenkonverterinduktivität LB und dem Phasenausgangskondensator CB, entfallen, d.h. der Schaltpunkt B des zweiten Brückenzweiges 6b bildet direkt den Phasenausgang a, b oder c und somit wird das dreiphasig pulsbreitenmodulierte Spannungssystem direkt an die Motorklemmen gelegt.Analogously to the system according to the prior art, in the simplest case the LC output filter of the phase converter, consisting of the phase converter inductor L B on the output side and the phase output capacitor C B , can be omitted, ie the switching point B of the second bridge branch 6b directly forms the phase output a, b or c and thus the three-phase pulse width modulated voltage system is connected directly to the motor terminals.
[0039] Eine mögliche Ausführungsform einer kaskadierten Regelung des phasenmodularen Konvertersystems ist in Fig. 5 gezeigt. Die Regelschaltung ist für jede Phase gleichartig und im der Sinne der Übersichtlichkeit nur für eine Phase gezeigt. Spannungen werden, wie eingetragen, gegenüber der Referenzspannungsschiene n bzw. der negativen DC-Eingangsspannungsschiene 2 gemessen.A possible embodiment of a cascaded control of the phase-modular converter system is shown in FIG. 5. The control circuit is identical for each phase and, for the sake of clarity, only shown for one phase. As entered, voltages are measured against the reference voltage rail n or the negative DC input voltage rail 2.
[0040] Der Sollwert einer Phasenkonverterausgangsspannung uan* wird durch Addition des typischerweise sinusförmig verlaufenden Sollwertes uam* der zugehörigen Lastphasenspannung uam einer gespeisten Dreiphasenlast (z.B. einer elektrischen Maschine M) und des für alle Phasen gleichen Sollwert uoh* des Offsets uotf gebildet, welcher typischerweise durch Addition eines über die Ausgangsperiode konstanten Anteils uOff,Dc* und eines mit dreifacher Ausgangsfrequenz schwankenden Anteils uOff,Ac* erzeugt wird. Vorteilhaft wird der Zeitverlauf von uOff* derart gewählt, dass uan* für ein vorgegebenes zu erzeugendes Lastphasenspannungssystems uam* auf möglichst tiefe Werte beschränkt bleibt, wodurch auch die Sperrspannungsbeanspruchung und die Schaltverluste in beiden Brückenzweigen der Phasenkonverter minimiert werden. Dies schliesst eine Vorgabe von uoh* derart ein, dass jeweils ein Phasenkonverter über ein Drittel der Ausgangsperiode im geklemmten Zustand vorbleibt, d.h. uan* entsprechend breite Intervalle mit uan* = 0 aufweist. Der Phasenkonverterausgangsspannungssollwert uan* wird mit dem gemessenen Istwert uan der Phasenkonverterausgangsspannung verglichen und die Regelabweichung Auan* einem Phasenkonverterausgangsspannungsregler Ruan zugeführt, an dessen Ausgangs der zur Korrektur von Auan* erforderliche Ausgangskondensatorsstromsollwert iCB* gebildet wird, welcher durch eine VorThe setpoint of a phase converter output voltage u an * is obtained by adding the typically sinusoidal setpoint u am * of the associated load phase voltage u on a three-phase load (for example an electrical machine M) and the setpoint u o h * of the offset u which is the same for all phases o tf is formed, which is typically produced by adding a component u O ff, Dc * which is constant over the output period and a component u O ff, Ac * which fluctuates with three times the output frequency. The time course of u O ff * is chosen so advantageous that u u in * for a given to generating load phase voltage system at * is limited to the lowest possible value, whereby the blocking voltage stresses and switching losses are minimized in the two bridge branches of the phase converter. This includes a specification of u o h * such that a phase converter remains in the clamped state over a third of the initial period, ie u an * has correspondingly wide intervals with u an * = 0. The phase converter output voltage setpoint u an * is compared with the measured actual value u at the phase converter output voltage and the control deviation Au at * is fed to a phase converter output voltage regulator Ru an , at whose output the output capacitor current setpoint iC B * required to correct Au an * is formed, which is formed by a pre
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Steuerung des gemessenen zugehörigen Lastphasenstromes ia, den Referenzstrom ILb* in der ausgangsseitigen Phasenkonverterinduktivität Lb bestimmt. Durch Vergleich von ILb* mit dem gemessenen Istwert ILb wird anschliessend die Regelabweichung AiLB des Stromes in LB gebildet und einem Phaseninduktivitätsstromregler RiLB zugeführt, welcher an seinem Ausgang die zur Korrektur der Regelabweichung AiLB erforderliche Sollwert uLb * der an LB zu legenden Spannung bildet. Durch Addition des Phasenkonverterausgangsspannungssollwerts uan*zum Reglerausgangssollwert uLb * ergibt sich die über eine Schaltperiode im Mittel am Schaltpunkt B anzulegende Spannung uB*. Liegt dieser Spannungssollwert dB dB* unterhalb der Eingangsspannung U,n, so wird im Sinne einer Tiefsetzstellerfunktion das Tastverhältnis dB, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors T3 von Bb, mittels Division des Spannungssollwerts uB* durch den Istwert der DC-Eingangsspannung Uin berechnet, d.h. dB < 1 und somit wird der ausgangsseitige Brückenzweig Bb entsprechend der Pulsbreitenmodulation hochfrequent getaktet. Das Tastverhältnis dA, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors T-ι von Ba, wird gerade umgekehrt mittels Division des Istwerts der DC-Eingangsspannung Uin durch den Spannungssollwert uB* berechnet, wobei zuvor jedoch der Spannungssollwert uB*.auf einen minimalen Wert gleich dem Istwert der DC-Eingangsspannung U,n begrenzt wird und in diesem Fall mit uB*< U,n zu einem Tastverhältnis dA = 1 führt, d.h. einem konstanten Durchschalten des oberen Transistors ΤΊ des eingangsseitigen Brückenzweiges 6a entspricht, wodurch die Phasenzwischenkreisspannung uCA auf die Eingangsspannung Uin geklemmt wird.Control of the measured associated load phase current i a , which determines the reference current I L b * in the output-side phase converter inductance L b . By comparing I L b * with the measured actual value I L b, the control deviation Ai LB of the current in L B is then formed and fed to a phase inductance current controller Ri LB , which has at its output the setpoint u L b * required to correct the control deviation Ai LB the voltage to be applied to L B. Adding the phase converter output voltage setpoint u an * to the controller output setpoint u L b * results in the voltage u B * to be applied to switching point B on average over a switching period. If this voltage setpoint d B d B * is below the input voltage U, n , then in the sense of a step-down converter function the duty cycle d B , ie the relative duty cycle of the upper transistor T 3 of B b , is obtained by dividing the voltage setpoint u B * by the actual value of DC input voltage U in is calculated, ie d B <1 and thus the output-side bridge arm B b is clocked at high frequency in accordance with the pulse width modulation. The pulse duty factor d A , ie the relative duty cycle of the upper transistor T-ι of B a , is calculated in reverse by dividing the actual value of the DC input voltage U in by the voltage setpoint u B *, but previously the voltage setpoint u B * .auf a minimum value equal to the actual value of the DC input voltage U, n is limited and in this case leads to a duty cycle d A = 1 with u B * <U, n , ie corresponds to a constant switching on of the upper transistor Τ Ί of the input-side bridge branch 6a , whereby the phase link voltage u CA is clamped to the input voltage U in .
[0041] Liegt dieser Spannungssollwert uB* oberhalb der Eingangsspannung U,n, so wird im Sinne einer Hochsetzstellerfunktion das Tastverhältnis dA < 1, d.h. der eingangsseitige Brückenzweig BA wird hochfrequent getaktet. Das Tastverhältnis dB wird jedoch aufgrund der Begrenzung des Spannungssollwerts uB* auf einen maximalen Wert gleich dem Istwert der DC-Eingangsspannung Uin in diesem Fall gleich Eins, d.h. der obere Transistor T3 des ausgangsseitigen Brückenzweiges Ba ist konstant durchgeschaltet und die Phasenzwischenkreisspannung uCA wird entsprechend dem Spannungssollwert uB* geführt, der abgesehen vom Induktivitätsspannungsabfall uLßder Phasenkonverterausgangsspannung uan* entspricht. Die Begrenzung des Spannungssollwerts Ub* oberhalb U,n für die Berechnung von dA und unterhalb U,n für die Berechnung von dß, d.h. die Begrenzung der Tastverhältnisse dA und dß auf Werte zwischen Null und Eins, schliesst somit ein zeitgleiches hochfrequentes Schalten beider Brückenzweige aus, was sich im Vergleich zum Stand der Technik in einer höheren Effizienz kennzeichnet.If this voltage setpoint u B * lies above the input voltage U, n , then in the sense of a step-up converter function, the pulse duty factor d A <1, ie the bridge branch B A on the input side is clocked at high frequency. The duty cycle d B, however, due to the limitation of the voltage command value u B * to a maximum value equal to the actual value of the DC input voltage U in this case is equal to one, ie, the upper transistor T 3 of the output bridge arm B a is connected through constant and the phase of the intermediate circuit voltage u CA is carried out in accordance with the voltage setpoint u B *, which, apart from the inductance voltage drop u L ß, corresponds to the phase converter output voltage u an *. The limitation of the voltage setpoint Ub * above U, n for the calculation of d A and below U, n for the calculation of dß, i.e. the limitation of the duty cycles d A and dß to values between zero and one, thus concludes a simultaneous high-frequency switching of both Bridge branches, which is characterized by a higher efficiency compared to the prior art.
[0042] Anzumerken ist, dass bei der genannten Ausführungsform der Regelung die Spannung am Phasenzwischenkreiskondensator und der Strom in der eingangsseitigen Induktivität nicht geregelt werden und somit sich die Regelstruktur durch deren Einfachheit und geringen Zahl an Messgrössen auszeichnet. In Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Regeldynamik sowie die Möglichkeit allfällig auftretende Schwingungen im eingangsseitigen Induktivitätsstrom oder der Phasenzwischenkreisspannung aktiv zu dämpfen, kann die genannte Regelstruktur durch einen Phasenzwischenkreisspannungsregler und einen eingangsseitigen Induktivitätsstromregler erweitert werden, wobei nur die beiden zusätzlichen Regler nur während des Hochsetzstellerbetriebs zur Berechnung des Tastverhältnisses dA verwendet werden, die die Berechnung des Tastverhältnisses dß dahingegen aber unverändert bleibt (siehe Fig. 6). Der Spannungssollwert ub*, der im Hochsetzstellerbetrieb dem Phasenzwischenkreisspannungssollwert ucA* entspricht, wird mit dem Messwert der Phasenzwischenkreisspannung ucA verglichen und die Regelabweichung AucA einem Phasenkonverterzwischenkreisspannungsregler Ruca zugeführt. An dessen Ausgangs wird anschliessend der zur Korrektur von Auca erforderliche Phasenzwischenkreiskondensatorstromsollwert iCA* gebildet, zu welchem durch Vorsteuerung noch der mit dem Tastverhältnis dB auf den Zwischenkreis umgerechnete Referenzstrom iLB * der ausgangsseitigen Phasenkonverterinduktivität Z.b addiert wird und somit den benötigten mittleren Strom durch den oberen Schalter ΤΊ des ersten Brückenzweiges Sa ergibt. Dieser Stromwert multipliziert mit der Referenzzwischenkreisspannung UcA* entspricht der vom Hochsetzsteller zu liefernden Leistung, welche mittels Division durch den Eingangsspannungswert U,n den Referenzstrom iLA* in der eingangsseitigen Phasenkonverterinduktivität LA bestimmt. Durch Vergleich von iLA* mit dem gemessenen Istwert iLA wird anschliessend die Regelabweichung AIla des Stromes in LA gebildet und einem Phaseninduktivitätsstromregler RiLA zugeführt, welcher an seinem Ausgang die zur Korrektur der Regelabweichung AIla erforderliche Sollwert uLA* der an LAzu legenden Spannung bildet. Durch Addition des Eingangsspannungwerts U,n zum Reglerausgangssollwert Ui_A* ergibt sich die über eine Schaltperiode im Mittel am Schaltpunkt A anzulegende Spannung uA*. Das Tastverhältnis dA wird nun mittels Division der Spannung uA* durch den Phasenzwischenkreisspannungssollwert UcA* ermittelt.It should be noted that in the embodiment of the control mentioned, the voltage at the phase link capacitor and the current in the input inductor are not controlled and the control structure is thus characterized by its simplicity and small number of measurement variables. In applications with high demands on the control dynamics and the possibility of actively dampening any vibrations that occur in the input-side inductance current or the phase link voltage, the control structure mentioned can be expanded by a phase link voltage regulator and an input-side inductance current controller, whereby only the two additional controllers are only used for the calculation during the step-up converter operation of the duty cycle d A can be used, but the calculation of the duty cycle dß remains unchanged (see Fig. 6). The voltage setpoint ub *, which corresponds to the phase link voltage setpoint uc A * in step-up converter operation, is compared with the measured value of the phase link voltage uc A and the control deviation Auc A is fed to a phase converter intermediate circuit voltage controller Ru ca. The phase intermediate circuit capacitor current setpoint i CA * required for the correction of Au ca is then formed at its output, to which the reference current i LB * of the output-side phase converter inductance Zb converted to the intermediate circuit with the pulse duty factor d B is added by pilot control and thus the required average current through the upper switch Τ Ί of the first bridge branch Sa results. This current value multiplied by the reference intermediate circuit voltage Uc A * corresponds to the power to be supplied by the step-up converter, which determines the reference current i LA * in the input-side phase converter inductance L A by division by the input voltage value U, n . By comparing i LA * with the measured actual value i LA , the control deviation AI la of the current in L A is then formed and fed to a phase inductance current controller Ri LA , which has at its output the setpoint u LA * required for correcting the control deviation AI la A forms the voltage to be applied. Adding the input voltage value U, n to the controller output setpoint Ui_ A * results in the voltage u A * to be applied to switching point A on average over a switching period. The duty cycle d A is now determined by dividing the voltage u A * by the phase link voltage setpoint Uc A *.
[0043] In Anwendungen mit elektrochemischen Speichern, Brennstoffzellen (Antriebstechnik oder USV) oder Solarzellen (Photovoltaik) weist das Eingangsgleichspannungsniveau zufolge dem Ladezustand oder der Temperaturabhängigkeit der Kennlinie eine stark schwankende Klemmenspannung auf, die typischerweise mit höhere Leistungsabgabe kontinuierlich absinkt. Im Gegensatz dazu steigt in vielen Antriebsanwendungen typischerweise die Drehzahl und somit die Motorspannung mit grösser werdender Ausgangsleistung an. Folglich muss aufgrund dieser Gegenläufigkeit der sinkenden Eingangsspannung und steigenden Ausgangsspannung der Konverter immer länger im Hochsetzstellerbetrieb, d.h. bei höheren Sperrspannungen und somit auch höheren Schaltverlusten, betrieben werden. Um den benötigten, bei hohen Übersetzungsverhältnissen eher ungünstigen und somit verlustbehafteteten, Hochsetzstellerbetrieb auf eine kürzere Dauer einzuschränken, wird die Schaltung nach Fig. 2 um einen dritten Brückenzweig Bc mit Schaltpunkt C, parallel zu den beiden Brückenzweigen BA und Bb, erweitert (siehe Fig. 7). Unter Voraussetzung einer Drehstrommaschine mit offener Wicklung, d.h. Zugänglichkeit der Anfänge und Enden jeder Maschinenphasenwicklung, wird weiterhin jeweils der Anfang jeder Maschinenphasenwicklung an die zugehörige Phasenausgangsklemme a, b oder c geführt und aber das Ende der entsprechenden Maschinenphasenwicklung mit dem Schaltpunkt C des jeweiligen Phasenmoduls verbunden. Vorteilhaft kann nun - im Vergleich zur den Phasenausgangsspannungen uan, Ubn und ucn gegenüber dem Referenzpotenzial n - zwiIn applications with electrochemical storage, fuel cells (drive technology or UPS) or solar cells (photovoltaics), the input DC voltage level has a strongly fluctuating terminal voltage due to the state of charge or the temperature dependence of the characteristic curve, which typically decreases continuously with higher power output. In contrast, in many drive applications the speed and thus the motor voltage typically increase with increasing output power. As a result of this opposite tendency of the falling input voltage and rising output voltage, the converter must be operated for longer and longer in step-up converter operation, ie with higher blocking voltages and thus also higher switching losses. In order to restrict the step-up converter operation required, which is rather unfavorable and therefore lossy at high transmission ratios, to a shorter duration, the circuit according to FIG. 2 is expanded by a third bridge branch B c with switching point C, parallel to the two bridge branches B A and B b ( see Fig. 7). Assuming a three-phase machine with an open winding, i.e. accessibility of the beginnings and ends of each machine phase winding, the beginning of each machine phase winding is still routed to the associated phase output terminal a, b or c, but the end of the corresponding machine phase winding is connected to switching point C of the respective phase module. Advantageously, compared to the phase output voltages u an , Ubn and u cn compared to the reference potential n, it is now possible
CH 715 005 A2 sehen Phasenausgangsklemmen a, b und c und dem Schaltpunkt C eine sinusförmige Ausgangsspannung mit doppelter Spannungsamplitude erzeugt werden, d.h. bezüglich dem Schaltpunkt C können positive und negative Phasenausgangsspannungen uaC,Ubc und ucC erzeugt werden, ohne die Spannungsbelastung und somit die Schaltverluste der Brückenzweige zu erhöhen, d.h. es kann eine Maschine mit doppelter Motorspannung verwendet werden ohne den benötigten Modulationsgrad des Hoch- und Tiefsetzsteller zu verändern.CH 715 005 A2 see phase output terminals a, b and c and switching point C a sinusoidal output voltage with double voltage amplitude is generated, i.e. with regard to switching point C positive and negative phase output voltages u aC , Ubc and u cC can be generated without the voltage load and thus To increase switching losses of the bridge branches, ie a machine with double motor voltage can be used without changing the required degree of modulation of the step-up and step-down converter.
[0044] Bei der Schaltung nach Fig. 2 müsste im Gegensatz dazu bei Verwendung des gleichen Motors, die Phasenzwischenkreisspannung um den doppelten Wert erhöht werden, was Leistungstransistoren mit doppelter Sperrspannungsfähigkeit, d.h. Schaltertechnolologie mit schlechteren Eigenschaften, und somit höhere Schalt- und Leitverluste zur Folge hätte. In der Literatur ist zwar die Verwendung einer Vollbrückenschaltung in Kombination einer Maschine mit offenen Wicklungen bekannt, jedoch kann im Gegensatz zum Stand der Technik aufgrund der Phasenmodularität weithin die Phasenzwischenkreisspannung jedes Phasenkonverters unabhängig von den anderen Phasenkonvertern geführt werden, d.h. es wird im Hochsetz- sowie Tiefsetzbetrieb jeweils nur eine von den drei Brückenzweigen hochfrequent getaktet, wobei die anderen Brückenzweige jeweils abhängig von den Spannungsverhältnissen konstant durchgeschaltet werden.In contrast, in the circuit of Fig. 2, using the same motor, the phase link voltage would have to be increased by twice what power transistors with double reverse voltage capability, i.e. Switch technology with poorer properties and thus higher switching and control losses. Although the use of a full-bridge circuit in combination with a machine with open windings is known in the literature, in contrast to the prior art, due to the phase modularity, the phase link voltage of each phase converter can be carried out independently of the other phase converters, i.e. in the step-up and step-down mode, only one of the three bridge branches is clocked at high frequency, the other bridge branches being switched through depending on the voltage conditions.
[0045] Bezüglich der Taktung des Brückenzweiges Bc nach ist anzumerken, dass in Bereichen, in welchen eine positive Lastphasenspannungen uam* erzeugt werden muss, der untere Schalter T6 des Brückenzweiges Bc durchgeschaltet wird und in Bereichen, in welchen eine negative Lastphasenspannungen uam* erzeugt werden muss, der obere Schalter T5 des Brückenzweiges Bc durchgeschaltet wird, d.h. der Brückenzweig Bc wird nur mit der Ausgangsfrequenz, also grundfrequent, in Abhängigkeit der Polarität der Lastphasenspannung umgeschaltet (siehe Fig. 8). Um einen sinusförmigen Verlauf der Lastphasenspannung uam* zu erreichen, muss die mittlere Spannung am Schaltpunkt B des Brückenzweiges Bb gegenüber der Spannung am Schaltpunkt C des Brückenzweiges Bc ebenfalls sinusförmig sein.With regard to the timing of the bridge branch B c after it should be noted that in areas in which a positive load phase voltages u am * must be generated, the lower switch T 6 of the bridge branch B c is switched on and in areas in which a negative load phase voltages u am * must be generated, the upper switch T 5 of the bridge branch B c is switched through, ie the bridge branch B c is only switched over at the output frequency, that is to say at the fundamental frequency, depending on the polarity of the load phase voltage (see FIG. 8). In order to achieve a sinusoidal curve of the load phase voltage u am *, the mean voltage at the switching point B of the bridge arm B b must also be sinusoidal compared to the voltage at the switching point C of the bridge arm B c .
[0046] In Bereichen, in welchen eine positive Lastphasenspannungen uam* erzeugt wird und die zu erzeugende Phasenkonverterausgangsspannung unter der DC-Eingangsspannung liegt, wird der obere Schalter des eingangsseitigen Brückenzweiges BA durchgeschaltet und nur der ausgangsseitige Brückenzweig Bb hochfrequent getaktet und in Bereichen, in welchen ebenfalls eine positive Lastphasenspannungen uam* erzeugt wird und aber die zu erzeugende Phasenkonverterausgangsspannung über der DC-Eingangsspannung liegt, wird dahingegen der obere Schalter des ausgangsseitigen Brückenzweiges Bb durchgeschaltet und nur der eingangsseitige Brückenzweig BA hochfrequent getaktet und somit in diesem Fall die Phasenkonverterzwischenkreisspannung Uca variiert. In beiden Fällen wird jedoch der hochfrequent taktende Brückenzweig derart pulsbreitenmoduliert, sodass die Phasenkonverterausgangsspannung gegenüber dem auf das Referenzpotential n geklemmten Schaltpunkt C einen sinusförmigen Verlauf aufweist.In areas in which a positive load phase voltages u am * is generated and the phase converter output voltage to be generated is below the DC input voltage, the upper switch of the bridge arm B A on the input side is switched through and only the bridge arm B b on the output side is clocked at high frequency and in areas , in which a positive load phase voltage u am * is also generated and the phase converter output voltage to be generated is above the DC input voltage, on the other hand, the upper switch of the output-side bridge arm B b is switched through and only the input-side bridge arm B A is clocked at high frequency and thus in this case the phase converter intermediate circuit voltage Uca varies. In both cases, however, the high-frequency clocking bridge branch is pulse-width-modulated such that the phase converter output voltage has a sinusoidal shape compared to the switching point C clamped to the reference potential n.
[0047] In Bereichen, in welchen eine negative Lastphasenspannungen uam* erzeugt werden muss, wird der Schaltpunkt C auf die Phasenkonverterzwischenkreisspannung uca geklemmt. Liegt die zu erzeugende Phasenkonverterausgangsspannung über der negativen DC-Eingangsspannung, so wird der obere Schalter des eingangsseitigen Brückenzweiges 6a durchgeschaltet und nur der ausgangsseitige Brückenzweig Bb hochfrequent getaktet und derart pulsbreitenmoduliert, sodass die Phasenkonverterausgangsspannung gegenüber dem auf die Phasenkonverterzwischenkreisspannung Uca geklemmten Schaltpunkt C einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Liegt jedoch die zu erzeugende Phasenkonverterausgangsspannung unter der negativen DC-Eingangsspannung, so wird dahingegen der untere Schalter des ausgangsseitigen Brückenzweiges Bb durchgeschaltet und nur der eingangsseitige Brückenzweig Sa hochfrequent getaktet, d.h. die Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCa variiert. In beiden Fällen wird jedoch der hochfrequent taktende Brückenzweig derart pulsbreitenmoduliert, sodass die Phasenkonverterausgangsspannung gegenüber dem auf die Phasenkonverterzwischenkreisspannung Uca geklemmten Schaltpunkt C einen sinusförmigen Verlauf aufweist.In areas in which a negative load phase voltages u am * must be generated, the switching point C is clamped to the phase converter intermediate circuit voltage uca. If the phase converter output voltage to be generated is above the negative DC input voltage, the upper switch of the input-side bridge branch 6a is switched through and only the output-side bridge branch B b is clocked at high frequency and is pulse-width modulated such that the phase converter output voltage has a switching point Uca which is connected to the phase converter DC-link circuit voltage Cca having. However, if the phase converter output voltage to be generated is below the negative DC input voltage, the lower switch of the output-side bridge arm B b is turned on and only the input-side bridge arm Sa is clocked at high frequency, ie the phase converter intermediate circuit voltage u C a varies. In both cases, however, the high-frequency clocking bridge branch is pulse-width-modulated such that the phase converter output voltage has a sinusoidal curve compared to the switching point C clamped on the phase converter intermediate circuit voltage Uca.
[0048] Anzumerken ist, dass beim Nulldurchgang der Lastphasenspannung uam*, d.h. dem Wechsel von einer positiven zu einer negativen oder umgekehrt einer positiven zu einer negativen Lastphasenspannung, auch der Schaltpunkt C vom Referenzpotential n auf Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCa oder umgekehrt von der Phasenkonverterzwischenkreisspannung Uca auf das Referenzpotential n umgeschaltet wird und somit entsprechend, um einen sinusförmigen Verlauf der Lastphasenspannung uam zu erreichen, auch die Phasenkonverterausgangsspannung mit dem Schaltpunkt C vom Referenzpotential n auf Phasenkonverterzwischenkreisspannung Uca oder umgekehrt von der Phasenkonverterzwischenkreisspannung uca auf das Referenzpotential n umgeschaltet werden muss, d.h. der Phasenausgangskondensator CB rasch umgeladen werden muss. Neben möglichen Verzerrungen im Verlauf der Lastphasenspannung, resultiert diese Umschaltung beider Brückenzweige am Ausgang in einer Gleichtaktauslenkung und somit zu Gleichtaktstörungen an der Maschine oder Last. Hinsichtlich der Realisierung der Phasenkonverter ist deshalb anzumerken, dass neben der vorstehend beschriebenen Ausführung in Ausführungsformen • beide Brückenzweigausgänge, d.h. der Schaltpunkt B des Brückenzweiges Bb und derIt should be noted that at the zero crossing of the load phase voltage u am *, ie the change from a positive to a negative or vice versa a positive to a negative load phase voltage, the switching point C from the reference potential n to the phase converter intermediate circuit voltage u C a or vice versa from the phase converter intermediate circuit voltage Uca is switched to the reference potential n and, accordingly, in order to achieve a sinusoidal shape of the load phase voltage u am , the phase converter output voltage with the switching point C must also be switched from the reference potential n to the phase converter intermediate circuit voltage Uca or vice versa from the phase converter intermediate circuit voltage uca to the reference potential n, ie the phase output capacitor C B must be quickly recharged. In addition to possible distortions in the course of the load phase voltage, this switchover of both bridge branches at the output results in a common mode deflection and thus in common mode disturbances on the machine or load. With regard to the implementation of the phase converter, it should therefore be noted that in addition to the embodiment described above in embodiments, • both bridge branch outputs, ie the switching point B of the bridge branch B b and the
Schaltpunkt C des Brückenzweiges Bc, gefiltert werden oder im einfachsten Fall gar kein Ausgang gefiltert wird, d.h. die Last direkt zwischen die Schaltpunkte B und C gehängt wird.Switching point C of the bridge branch B c , are filtered or, in the simplest case, no output is filtered, ie the load is hung directly between the switching points B and C.
• Des Weiteren, besteht die Möglichkeit, den grundfrequent taktenden Brückenzweig Bc um den Nulldurchgang der Lastphasenspannung uam, ebenfalls hochfrequent zu takten und anstelle einer direkten Umschaltung zwischen Referenzpotential n und Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCa die über eine Schaltperiode gemittelte Spannung am Schaltpunkt C kontinuierlich zu ändern. Der Verlauf der über eine Schaltperiode gemittelten• Furthermore, there is the possibility of clocking the base frequency clocking bridge branch B c around the zero crossing of the load phase voltage u am , also at high frequency, and instead of switching directly between reference potential n and phase converter intermediate circuit voltage u C a, continuously switching the voltage at switching point C over a switching period to change. The course of the averaged over a switching period
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Spannung am Schaltpunkt B muss dabei derart verändert werden, dass weiterhin ein sinusförmiger Verlauf der Lastphasenspannung uam erreicht wird.The voltage at switching point B must be changed in such a way that a sinusoidal curve of the load phase voltage u am is also achieved.
[0049] Anstelle der Erweiterung mit einem dritten Brückenzweig Bc, kann die Schaltung nach Fig. 2 auch mit zwei Brückenzweigen Bd und Be erweitert werden, die beide als Vollbrücke zwischen den positiven und negativen Anschluss des Phasenausgangskondensators Cb geschaltet werden (siehe Fig. 9). Wiederum ausgehend von einer Drehstrommaschine mit offener Wicklung, werden nun - sofern kein weiteres Ausgangsfilter vorgesehen ist - die Anfänge und Enden jeder Maschinenphasenwicklung mit den Schaltpunkten D und E der beiden zusätzlichen Brückenzweige BD und BE verbunden, d.h. der Schaltpunkt D wird unter Voraussetzung eines fehlenden Ausgangsfilters auf die zugehörige Phasenausgangsklemme a, b oder c geführt und mit dem jeweiligen Anfang der Maschinenphasenwicklung verbunden und das Ende der entsprechenden Maschinenphasenwicklung mit dem Schaltpunkt E des jeweiligen Phasenmoduls verbunden. Vorteilhaft kann nun wieder eine sinusförmige Ausgangsspannung mit doppelter Spannungsamplitude erzeugt werden, d.h. bezüglich dem Schaltpunkt E können positive und negative Phasenausgangsspannungen uaE, UbB und Uce erzeugt werden, ohne die Spannungsbelastung und somit die Schaltverluste der Brückenzweige zu erhöhen, d.h. es kann eine Maschine mit doppelter Motorspannung verwendet werden ohne den benötigten Modulationsgrad des Hoch- und Tiefsetzsteller zu verändern. Des Weiteren weist die Schaltung mit zwei zusätzlichen Brückenzweigen BD und BE (siehe Fig. 9) gegenüber der Schaltung mit einem zusätzlichen Brückenzweig Bc (siehe Fig. 7) den Vorteil eines betragssinusförmigen Gleichtaktspannungsverlaufes auf, der einerseits di Umschaltung der Brückenzweige BD und BE und den Verlauf der Phasenausgangskondensatorspannung ucb vereinfacht und somit andererseits die Gleichtaktstöraussendung reduziert.Instead of the extension with a third bridge branch B c , the circuit according to FIG. 2 can also be extended with two bridge branches B d and B e , both of which are connected as a full bridge between the positive and negative terminals of the phase output capacitor Cb (see FIG . 9). Again, starting from a three-phase machine with an open winding, the beginnings and ends of each machine phase winding are now connected to the switching points D and E of the two additional bridge branches B D and B E , unless a further output filter is provided, that is, the switching point D is provided one missing output filter to the associated phase output terminal a, b or c and connected to the respective start of the machine phase winding and the end of the corresponding machine phase winding connected to the switching point E of the respective phase module. A sinusoidal output voltage with twice the voltage amplitude can now advantageously be generated again, that is, with respect to the switching point E, positive and negative phase output voltages u a E, U bB and U c e can be generated without increasing the voltage load and thus the switching losses of the bridge branches, ie it a machine with double motor voltage can be used without changing the required degree of modulation of the step-up and step-down converter. Furthermore, the circuit with two additional bridge branches B D and B E (see FIG. 9), compared to the circuit with an additional bridge branch B c (see FIG. 7), has the advantage of a sinusoidal common-mode voltage curve which, on the one hand, involves switching the bridge branches B D and B E and the course of the phase output capacitor voltage ucb simplified and, on the other hand, thus reducing the common mode interference emission.
[0050] Hinsichtlich der Taktung der Brückenzweige BD und BE ist anzumerken, dass in Bereichen, in welchen eine positive Lastphasenspannung uam* erzeugt werden muss, der obere Schalter T7 des Brückenzweiges BD und der untere Schalter T-iodes Brückenzweiges BE durchgeschaltet werden und in Bereichen, in welchen eine negative Lastphasenspannung uam* erzeugt werden muss, der untere Schalter T8 des Brückenzweiges BD und der obere Schalter T9 des Brückenzweiges BE durchgeschaltet werden, d.h. die Brückenzweige BD und BE wiederum nur mit der Ausgangsfrequenz, also grundfrequent, in Abhängigkeit der Polarität der Lastphasenspannung umgeschaltet werden (siehe Fig. 10). Um einen sinusförmigen Verlauf der Lastphasenspannung uam* zu erreichen, wird Verlauf der Phasenausgangskondensatorspannung ucb betragssinusförmig zur Lastphasenspannung uam*, ucb = I uam* I, geführt. Analog zur Taktung der Schaltung nach Fig. 2 wird in Bereichen, in welchen die zu erzeugende Phasenausgangskondensatorspannung Ucb unter der DC-Eingangsspannung liegt, der obere Schalter des eingangsseitigen Brückenzweiges BA durchgeschaltet und nur der ausgangsseitige Brückenzweig Bb hochfrequent getaktet und in Bereichen, die zu erzeugende Phasenausgangskondensatorspannung uCb über der DC-Eingangsspannung liegt, der obere Schalter des ausgangsseitigen Brückenzweiges Bb durchgeschaltet und nur der eingangsseitige Brückenzweig BA hochfrequent getaktet. In jedem Zeitpunkt muss also aufgrund der Phasenmodularität nur ein Brückenzweig hochfrequent getaktet werden, was im Vergleich zum Stand der Technik zu reduzierten Schaltverlusten und somit höhere Effizienz führt.With regard to the timing of the bridge branches B D and B E , it should be noted that in areas in which a positive load phase voltage u am * must be generated, the upper switch T7 of the bridge branch B D and the lower switch T-iodes bridge branch B E are switched through and in areas in which a negative load phase voltage u am * must be generated, the lower switch T 8 of the bridge branch B D and the upper switch T 9 of the bridge branch B E are switched through, that is to say the bridge branches B D and B E in turn only with the output frequency, i.e. fundamental frequency, depending on the polarity of the load phase voltage (see Fig. 10). In order to achieve a sinusoidal profile of the load phase voltage u am *, the profile of the phase output capacitor voltage u cb is sine-shaped to the load phase voltage u am *, u cb = I u am * I. Analogous to the clocking of the circuit according to FIG. 2, in areas in which the phase output capacitor voltage Ucb to be generated is below the DC input voltage, the upper switch of the bridge arm B A on the input side is switched through and only the bridge arm B b on the output side is clocked at high frequency and in areas that phase output capacitor voltage to be generated u C b is above the DC input voltage, the upper switch of the output-side bridge arm B b is switched through and only the input-side bridge arm B A is clocked at high frequency. At any point in time, due to the phase modularity, only one bridge branch needs to be clocked at high frequency, which leads to reduced switching losses and thus higher efficiency compared to the prior art.
[0051] Hinsichtlich der Realisierung der Phasenkonverter ist zudem anzumerken, dass neben der vorstehend beschriebenen Ausführung in Ausführungsformen • beide Brückenzweigausgänge, d.h. der Schaltpunkt D des Brückenzweiges BD und derWith regard to the implementation of the phase converter, it should also be noted that in addition to the embodiment described above in embodiments, • both bridge branch outputs, ie the switching point D of the bridge branch B D and the
Schaltpunkt E des Brückenzweiges BE, auch gefiltert werden können.Switching point E of the bridge branch B E , can also be filtered.
• Des Weiteren, besteht auch die Möglichkeit, die grundfrequent taktenden Brückenzweige BD und BE um den Nulldurchgang der Lastphasenspannung uam, ebenfalls hochfrequent zu takten, sodass der Verlauf der Phasenausgangskondensatorspannung Ucb vom betragssinusförmigen Lastphasenspannungsverlauf abweichen kann und somit eine einfachere Regelung der Phasenausgangskondensatorspannung uCb erreicht werden kann. Insgesamt bleibt aber der Verlauf der Lastphasenspannung uam weiterhin sinusförmig.• Furthermore, there is also the possibility of clocking the fundamental frequency clocking bridge branches B D and B E by the zero crossing of the load phase voltage u am , also at high frequency, so that the profile of the phase output capacitor voltage Ucb can deviate from the sinusoidal load phase voltage profile and thus a simpler regulation of the phase output capacitor voltage u C b can be achieved. Overall, however, the course of the load phase voltage u am remains sinusoidal.
[0052] Allgemein ist zu bemerken, dass alle Schaltungsvarianten auch als Dreiphasengleichrichter, d.h. mit umgekehrtem Leistungsfluss, verwendet werden können.In general, it should be noted that all circuit variants also as three-phase rectifiers, i.e. with reverse power flow, can be used.
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