CH715005B1 - Device for converting a DC voltage that varies within wide limits into a multi-phase AC voltage with variable frequency and amplitude. - Google Patents

Device for converting a DC voltage that varies within wide limits into a multi-phase AC voltage with variable frequency and amplitude. Download PDF

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CH715005B1
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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 voltage (DC) system and an alternating voltage (AC) system has a positive DC input voltage rail (1) and a negative DC input voltage rail (2) on the DC voltage side and at least two output phase connections on the AC voltage side (a, b, c). There is a phase converter for each of the output phase connections (a, b, c), which is connected 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 connection (a ; b; c) is connected and is designed as a step-up / step-down converter with a voltage intermediate circuit. The converter has a control system which is designed to switch each of the phase converters during operation of the converter 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 connections (a, b, c), temporarily either as a pure step-down converter or to operate as a pure step-up converter.

Description

[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. In drive technology there is often the task of feeding a three-phase machine starting from a DC voltage source (battery storage or fuel cell), the three-phase voltage to be applied to the machine having a predetermined amplitude and frequency through a higher-level speed or position control. For stationary operation, both amplitude and frequency typically show an approximately proportional dependence on the machine speed, i.e. they are variable within wide limits. Furthermore, the feeding direct voltage can have a relatively wide range of variation depending on the state of charge of the battery or due to a voltage drop across the internal resistance of the battery or the fuel cell.

[0002] Gemäss demStand der Technikwird daher der Gleichspannungsquelle ein DC/DC-Hochsetzsteller nachgeordnet, welcher eine konstante DC-Ausgangsspannung (Zwischenkreisspannung) erzeugt, aus der eine nachfolgende Dreiphasenpulswechselrichterstufe gespeist wird, welche pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannungen erzeugt, welche gegebenenfalls durch ein nachfolgendes LC-Tiefpassfilter zu einem sinusförmigen Ausgangsspannungsverlauf geglättet werden (sieheFig.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 state of the art, the DC voltage source is therefore followed by a DC / DC step-up converter, which generates a constant DC output voltage (intermediate circuit voltage) from which a subsequent three-phase pulse inverter stage is fed, which generates pulse-width-modulated output voltages, which may be passed through a subsequent LC low-pass filter can be smoothed to a sinusoidal output voltage curve (see Fig. 1). The level of the intermediate circuit voltage is in principle always above the level of the supplying direct voltage and is selected 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, ie there is a two-stage power conversion between the DC voltage source and the machine, which means that correspondingly high control and switching losses occur or a relatively low one Efficiency of energy conversion results.

[0004] Es ist darauf hinzuweisen, dass die beschriebene Konverterstruktur auch beiUmkehrung derEnergierichtung, 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 noted that the converter structure described is also used when reversing the direction of energy, i.e. for applications in which, starting from a three-phase network voltage, a DC voltage that fluctuates over a wide range must be generated, as is the case, for example, when charging electric vehicles can. The DC / DC step-up converter then works as a DC / DC step-down converter due to the reversed direction of energy when viewed from the intermediate circuit voltage and regulates the power or current flow from the intermediate circuit into the battery. In this case, the three-phase AC / DC converter acts as an active rectifier and ensures a sinusoidal curve for the currents drawn from the network and a constant value of the intermediate circuit voltage.

[0005] Aufgabe der Erfindungist 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 create 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 predetermined frequency and amplitude, but with lower conduction and switching losses or with increased efficiency of energy conversion.

[0006] Diese Aufgabe löst ein Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem DC und einem AC-System 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 claims. In it, a high-frequency clock for forming takes place in only one stage.

[0007] Der Konverter zur leistungselektronische Energieumformung istphasenmodularzu 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 is designed in two stages, i.e. with an input-side DC / DC boost converter (phase boost converter) and an output-side DC / DC buck converter (phase buck converter). Starting from the input DC voltage, the phase step-up converter then generates a phase intermediate circuit voltage supported by a phase intermediate circuit capacitor, the negative terminal of which is connected to the negative input voltage terminal. From this phase intermediate circuit voltage, the phase step-down converter generates a phase terminal voltage that is again related to the negative input DC voltage rail and is applied to the associated phase terminal of the three-phase machine. Since, due to the typically isolated or free star point of the fed three-phase machine, only the differences in the phase terminal voltages or only the zero-magnitude or common-mode components, i.e. only the push-pull components of the phase terminal voltages (machine phase voltages) determine the machine phase current curve, the phase terminals can thus despite unipolarity or DC nature a sinusoidal course of the machine phase currents can be impressed. 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 dieAuftrennung in Phasenmodulejede 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 eineeinstufige hochfrequenteSpannungsumsetzungvor. 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, ie a step-up / step-down converter structure, in contrast to the conventional system, due to the separation into phase modules, each phase intermediate circuit voltage can be independent of the other phase intermediate circuit voltages and depending on the phase terminal voltage to be generated can be selected, ie 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 intermediate circuit voltage is now advantageously managed in such a way that only one of the two stages, i.e. either only the phase boost converter or only the phase buck converter, is clocked and the other stage remains switched on during this time, i.e. only one of the two switching stages of a phase module occurs Switching losses or, in this sense, there is a single-stage high-frequency voltage conversion. The switching losses of the phase modules thus advantageously have a minimal value, i.e. a lower value than for an implementation according to the prior art, in the ideal case.

[0009] Der Konverter weist also eineRegelungauf, 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. The converter thus has a control which is designed to temporarily either as a pure buck converter or as a pure boost converter to each of the phase converters when the converter is in operation, depending on a ratio of a DC input voltage to instantaneous values of output phase voltages to be generated at the output phase connections operate. The phase converters are therefore designed as multi-loop regulated step-down DC / DC converters, the setpoints of the phase converter output voltages being specified in such a way that, on the one hand, a minimum maximum value of the output voltages is required and, on the other hand, a minimal fluctuation of the currents in the inductances of the phase converters results. In this way, with a given switching frequency, small inductance values can be selected for the implementation of the converter and with given inductance values, small switching frequencies can be selected, or low switching losses can occur.

[0010] InAusführungsformenist 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 the 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 during operation of the converter in each of the phase converters.

[0011] InAusführungsformenist 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 make 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 a synchronization of the clocking of the converter minimizes a push-pull voltage component contained in the output phase voltages.

[0012] InAusführungsformenist 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 make 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 a synchronization of the clocking of the converter minimizes a common-mode voltage component contained in the output phase voltages.

[0013] InAusführungsformenist 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 is designed to specify an offset for the formation of output phase voltage setpoints from load phase voltage setpoints when the converter is in operation, so that in each case in a time segment for that phase converter whose assigned load phase voltage setpoint has the highest negative value, an output phase voltage setpoint results equal to zero 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 is defined by load output values to be generated in relation to the clamped output phase connection and by subtraction of two load phase voltage setpoints in this time segment overall there is again a sinusoidal curve for all load line voltages.

[0014] InAusführungsformensind die Phasenkonverter jeweils als kaskadierte Auf-Abwärtswandler (Boost-Buck-Converter) ausgebildet. In embodiments, the phase converters are each designed as cascaded up / down converters (boost buck converters).

[0015] InAusführungsformenist die Regelung dazu ausgebildet, in einer Betriebsart des Konverters, welche für relativ kleine Amplituden der Ausgangsphasenspannungen geeignet ist, 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 select a constant offset of the output phase voltages so large in an operating mode of the converter which is suitable for relatively small amplitudes of the output phase voltages that, on the one hand, a fluctuation in the output phase voltages caused by the load phase voltages to be generated symmetrically around 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] InAusführungsformensind eines oder mehrere der folgenden Merkmale realisiert: 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. Es ist kein Ausgangsfilter vorgesehen, d.h. der Schaltungspunkt/die Schaltungspunkte sind direkt mit den Motorklemmen verbunden. Ein dritter Brückenzweig ist am Phasenzwischenkreiskondensator angeordnet und somit ist eine doppelte Ausgangsspannungsamplitude ohne Erhöhung der Zwischenkreisspannung und Sperrspannungsfähigkeit der Halbleiter ermöglicht. 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.In embodiments, one or more of the following features are implemented: The control is designed to add an offset signal which has a value that 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. No output filter is provided, i.e. the connection point (s) are directly connected to the motor terminals. A third branch of the bridge is arranged on the phase intermediate circuit capacitor and thus a double output voltage amplitude is made possible without increasing the intermediate circuit voltage and blocking voltage capability of the semiconductors. A third and fourth bridge arm are arranged on the phase output capacitor and thus a double output voltage amplitude is possible without increasing the intermediate circuit voltage and blocking 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: 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.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. Fig.3: Zeitverlauf der bei Speisung einer Drehstrommaschine zu erzeugenden Phasenkonverterausgangsspannungen für(Fig.3.1)zeitlich konstante Offsetverschiebung uoffdes 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.4: Zeitverlauf der Sollwerte der Phasenkonverterausgangsspannungen uan, ubnund ucnfür die Konverterschaltungen nachFig.2, welche bei gegenüber der DC-Eingangsspannung Uinkleiner Amplitude UMpkder Sollwerte der Lastphasenspannungen Einsatz finden kann, um eine Minimierung der schaltfrequenten Schwankung des Stromes in den Phasenkonverterinduktivitäten LAund LBzu erreichen. Fig.5: Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen der Phasenkonverter um einen vorgegebenen Verlauf uam* der Lastphasenspannungen uameinzustellen, 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.6: Modifikation eines Teiles der Regelvorrichtungen nachFig. 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. 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 nachFig.2um einendritten BrückenzweigBCmit Schaltungspunkt C, parallel zu den beiden Brückenzweigen BAund BB, erweitert wird. Fig.8: (a)Zeitverlauf der Phasenkonverterausgangsspannungen uaC, ubCund ucCfür die Konverterschaltungen nachFig.7,(b)der Spannung am Schaltungspunkt C des Brückenzweigs BCsowie der Phasenzwischenkreiskondensatorspannung UCA,(c)der beiden Tastverhältnisse dAund dBsowie(d)die Schaltzustände der einzelnen Brückenzweige über eine Ausgangsperiode, wobei die schraffierte Fläche das hochfrequente Schalten des entsprechenden Brückenzweiges darstellt. 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 nachFig.2um einendritten und vierten BrückenzweigBDund BEmit den Schaltungspunkten D und E erweitert wird. Fig.10: (a)Zeitverlauf der Phasenkonverterausgangsspannungen UaE, ubEund ucEfür die Konverterschaltungen nachFig.9,(b)der Spannung an den Schaltungspunkten D und E sowie der Phasenzwischenkreiskondensatorspannung uCA,(c)der beiden Tastverhältnisse dAund dBsowie(d)die Schaltzustände der einzelnen Brückenzweige über eine Ausgangsperiode, wobei die schraffierte Fläche das hochfrequente Schalten des entsprechenden Brückenzweiges darstellt.In the following, the subject matter of the invention is explained in more detail on the basis of preferred exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. They show schematically in each case: Furthermore, an output low-pass filter is provided for smoothing the pulse-width-modulated output voltages of the pulse-controlled inverter stage, with the result that the machine terminal voltages show an approximately sinusoidal curve. Fig. 2: Circuit structure of a phase-modular DC / AC converter with step-up / step-down 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. Fig.3: Time curve of the phase converter output voltages to be generated when a three-phase machine is supplied for (Fig.3.1) temporally constant offset shift 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 three times the output frequency and a phase position such that the maximum value of the phase converter output voltages is minimized; (Fig. 3.3) with offset shifting 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 therefore remains in the clamped state can, so is not clocked. Fig. 4: Time curve of the setpoints of the phase converter output voltages uan, ubn and ucn for the converter circuits according to Fig. 2, which can be used when the setpoints of the load phase voltages are small compared to the DC input voltage Uin, in order to minimize the switching frequency fluctuations of the current LA in the phase converter inductances . Fig. 5: Device for regulating the output voltages of the phase converters in order to set a predetermined curve, etc. * of the load phase voltages, as is required for UPS systems or when supplying 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. Fig. 6: Modification of part of the control devices according to Fig. 5, d. H. The device for regulating the output voltages is expanded to include an intermediate circuit voltage and input current regulator in order to achieve higher control dynamics and to actively dampen any oscillations in the system. Fig. 7: Alternative versions of the power section when using a three-phase machine with open winding, i.e. with access to the beginnings and ends of each machine phase winding, the circuit of a phase module according to Fig. 2 being extended by a third bridge branch BC with switching point C, parallel to the two bridge branches BA and BB. Fig. 8: (a) Time curve of the phase converter output voltages uaC, ubC and ucC for the converter circuits according to Fig. 7, (b) the voltage at node C of the bridge arm BC and the phase intermediate circuit capacitor voltage UCA, (c) the two duty cycles dA and dB 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. Fig. 9: Alternative versions of the power section when using a three-phase machine with open winding, i.e. with access to the beginnings and ends of each machine phase winding, whereby the circuit of a phase module according to Fig. 2 is extended by a third and fourth bridge branch BD and BE with the connection points D and E. Fig. 10: (a) Time curve of the phase converter output voltages UaE, ubE and ucE for the converter circuits according to Fig. 9, (b) the voltage at the circuit points D and E as well as the phase intermediate circuit capacitor voltage uCA, (c) the two duty cycles dA and dB and (d) the switching states of the individual bridge branches over an output period, whereby the hatched area represents the high-frequency switching of the corresponding bridge branch.

[0018] NachFig.2weistjeder Phasenkonverter des Systemseingangsseitig eine erste Induktivität LAauf, deren erster Anschluss mit der positiven DC-Eingangsspannungsschiene 1 verbunden ist und deren zweiter Anschluss auf den Schaltungspunkt A eines ersten Brückenzweiges BA, d.h. auf den gemeinsamen Verbindungspunkt des unteren Emitter- oder Sourceanschlusses eines oberen Schalters T1und des oberen Kollektor- oder Drainanschlusses eines unteren Schalters T2, geführt wird. Des Weiteren sind die äusseren Anschlüsse des ersten Brückenzweiges BAmit einem Phasenzwischenkreiskondensator CAverbunden, d.h. der Kollektor- oder Drainanschluss des oberen Schalters T1wird auf die positive Klemme des Phasenzwischenkreiskondensators CAund der Emitter- oder Sourceanschluss des unteren Schalters T2auf die negative Klemme des Phasenzwischenkreiskondensators geführt, welche wiederum mit der negativen DC-Eingangsspannungsschiene 2 verbunden ist. Der Phasenzwischenkreiskondensator CAstützt somit die erzeugte Phasenzwischenkreisspannung uCAgegen 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 BBmit einem oberen Schalter T3und einem unteren Schalter T4, parallel zum ersten Brückenzweig BA, zwischen die positive und negative Klemme des Phasenzwischenkreiskondensators CAgeschaltet, dessen Schaltungspunkt B mit einem ersten Anschluss einer zweiten Induktivität LBverbunden ist und deren zweiter Anschluss auf die positive Klemme eines zur Glättung der Ausgangsspannung uCBnotwendigen Phasenausgangskondensators CBgeführt wird, an dem auch die zugeordnete Ausgangsphasenklemme a, b oder c abzweigt. Die negative Klemme eines Phasenausgangskondensators CBist mit der negativen Eingangsspannungsschiene 2, d.h. der Referenzspannungsschiene n, verbunden und stützt somit die erzeugte Phasenklemmenspannung uan, ubnoder ucnab. Jeder Phasenkonverter weist also gegenüber der gemeinsamen Referenzspannungsschiene n die Struktur eines Hochtiefsetzsteller-DC/DC-Konverters auf dessen Phasenzwischenkreisspannung uCAin Abhängigkeit des Verhältnisses von Eingangsspannung Uinund zugeordneter Phasenausgangsspannung uan, ubnoder ucn, aber unabhängig von den anderen Phasen, geführt werden kann. According to Fig.2, each phase converter of the system input side has a first inductance LAauf, the first connection of which is connected to the positive DC input voltage rail 1 and the second connection to the node A of a first bridge arm BA, ie to the common connection point of the lower emitter or source connection an upper switch T1 and the upper collector or drain connection of a lower switch T2. Furthermore, the outer connections of the first bridge arm BA are connected to a phase intermediate circuit capacitor CA, ie the collector or drain connection of the upper switch T1 is connected to the positive terminal of the phase intermediate circuit capacitor CA and the emitter or source connection of the lower switch T2 to the negative terminal of the phase intermediate circuit capacitor the negative DC input voltage rail 2 is connected. The phase intermediate circuit capacitor C thus supports the generated phase intermediate circuit voltage uCA against the negative input voltage rail 2. A bridge branch is generally implemented with power transistors, a freewheeling diode being connected in antiparallel to both transistors. Likewise, a second bridge arm BB with an upper switch T3 and a lower switch T4, parallel to the first bridge arm BA, is connected between the positive and negative terminal of the phase intermediate circuit capacitor CA, whose circuit point B is connected to a first connection of a second inductance LB and whose second connection is connected to the positive one Terminal of a phase output capacitor CB necessary for smoothing the output voltage uCB, to which the assigned output phase terminal a, b or c also branches off. The negative terminal of a phase output capacitor CB is connected to the negative input voltage rail 2, i.e. the reference voltage rail n, and thus supports the generated phase terminal voltage uan, ubn or ucnab. In relation to the common reference voltage rail n, each phase converter has the structure of a step-up converter DC / DC converter whose phase intermediate circuit voltage uCA can be routed depending on the ratio of input voltage Uin and the assigned phase output voltage uan, ubn or ucn, but independently of the other phases.

[0019] EineDreiphasenlastwird 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, ubmund ucmdie Bildung der Lastphasenströme bestimmen. A three-phase load is switched 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 chained phase converter output voltages (load outer conductor voltages), defined as the difference between two phase converter output voltages or that of a load output terminal in opposite directions a load star point measured load phase voltage etc., ubmund ucm determine the formation of the load phase currents.

[0020] DiePhasenkonverterausgangsspannungenuan, ubnund ucnwerden beispielsweise derart erzeugt, dass die Sollwerte der typischerweise mit Ausgangsfrequenz sinusförmig verlaufenden und ein symmetrisches Dreiphasensystem bildenden Lastphasenspannungen uam, ubmund ucmmittels eines im einfachsten Fall zeitlichkonstanten Offsetsuoffderart zu positiven Werten verschoben werden, dass jede Phasenausgangsspannung einen unipolaren Verlauf, d.h. nur positive Werte bzw. minimal den Wert Null zeigt (sieheFig.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 weitererOffset mit dreifacher Ausgangsfrequenzund 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 BAund BBder Phasenkonverter bei definierter zu erzeugender Lastphasenspannungsamplitude minimiert werden kann (sieheFig.3.2). The phase converter output voltagesuan, ubn and ucn are generated, for example, in such a way that the setpoint values of the load phase voltages, etc., which are typically sinusoidal with an output frequency and form a symmetrical three-phase system, ub and ucm by means of an in the simplest case time-constant offset suoffderart a unipolar curve to positive values, that is, shifted each phase output only shows 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 three times the 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, whereby the voltage load on the transistors of both bridge branches BA and BB of the phase converter with a defined load phase voltage amplitude to be generated is minimized can be (see Fig. 3.2).

[0021] Bezüglich derTaktungder ein- und ausgangsseitigen Brückenzweige BAund BBder Phasenkonverter ist anzumerken, dass in Bereichen, in welchen eineüber der DC-Eingangsspannungliegende Phasenkonverterausgangsspannung erzeugt werden muss, der obere Schalter respektive Leistungstransistor T3des ausgangsseitigen Brückenzweiges BBeines Phasenkonverters durchgeschaltet verbleiben kann, und nur der eingangsseitige Brückenzweig BAgetaktet wird. Die Spannungsübersetzung des Konverters entspricht dann für Leistungsfluss von der DC-Eingangsspannung zur Phasenkonverterausgangsspannung jener eines Hochsetzstellers, wobei die eingangsseitige Phasenkonverterinduktivität LAals Hochsetzstellerinduktivität, der untere Leistungstransistor T2des eingangsseitigen Brückenzweiges BAals Hochsetzstellertransistor und die antiparallele Diode des oberen Leistungstransistors T1als Hochsetzstellerfreilaufdiode wirkt, wobei in Ausführungsformen stets auch der obere Leistungstransistor T1durchgeschaltet wird, d.h. die Leistungstransistoren des eingangsseitigen Brückenzweiges BAim 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 clocking of the input and output-side bridge arms BA and BB of the phase converters, it should be noted that in areas in which a phase converter output voltage above the DC input voltage must be generated, the upper switch or power transistor T3 of the output-side bridge arm B, and only the remaining phase converter can be switched through Bridge branch BA is clocked. For power flow from the DC input voltage to the phase converter output voltage, the voltage translation of the converter then corresponds to that of a step-up converter, with the input-side phase converter inductance LA as step-up converter inductance, the lower power transistor T2 of the input-side bridge arm BA as a step-up converter transistor, with the anti-parallel diode of the high-voltage converter always acting as a step-up transistor the upper power transistor T1 is switched through, ie the power transistors of the input-side bridge arm BA are operated in push-pull mode. Since diodes are arranged in anti-parallel to all power transistors, power can then flow 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.

[0022] In Bereichen, in welchen eineunterhalb der DC-Eingangsspannungliegende Phasenkonverterausgangsspannung erzeugt werden muss, verbleibt in Ausführungsformen der obere Leistungstransistor T1des eingangsseitigen Brückenzweiges BAdes Phasenkonverters durchgeschaltet, und die Taktung wird auf den ausgangsseitigen Brückenzweig BBbeschränkt. Die Spannungsübersetzung des Konverters entspricht dann für Leistungsfluss von der DC-Eingangsspannung zur Phasenkonverterausgangsspannung jener eines Tiefsetzstellers, wobei die ausgangsseitige Phasenkonverterinduktivität LBals Tiefsetzstellerinduktivität, der obere Leistungstransistor T3des ausgangsseitigen Brückenzweiges BBals Tiefsetzstellertransistor und die zum unteren Leistungstransistor T4antiparallel liegende Diode als Tiefsetzstellerfreilaufdiode wirkt, wobei in Ausführungsformen stets auch der untere Leistungstransistor T4durchgeschaltet, d.h. die Leistungstransistoren des ausgangsseitigen Brückenzweiges BBim 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, in embodiments the upper power transistor T1 of the input-side bridge arm BAd of the phase converter remains switched on, and the clocking is limited to the output-side bridge arm BB. For power flow from the DC input voltage to the phase converter output voltage, the voltage translation of the converter then corresponds to that of a buck converter, the output-side phase converter inductance LB as the buck converter inductance, the upper power transistor T3 of the output-side bridge arm BB as a buck converter transistor and the diode connected to the lower power converter transistor the lower power transistor T4 is also switched through, ie the power transistors of the output-side bridge arm BB are operated in push-pull mode. Since diodes are arranged in anti-parallel to all power transistors, a power flow can then also take place from the phase converter output voltage into 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.

[0023] Hinsichtlich derTaktung aller Phasenkonvertersei 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 enthalteneGegentaktspannungsanteil, 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 noted that, in embodiments, the same clock frequency can be selected for all phase converters and the clocking of the converter can be synchronized in such a way that the counter-clock voltage component contained in the phase converter output voltages, which is to switch-frequency currents and thus possibly to high-frequency losses in the connected three-phase load, is minimized, ie switching frequency changes in the phase converter output voltages are mainly formed as common-mode components, which cause a voltage shift of the same type relative to the reference voltage rail for all phase outputs.

[0024] 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 schaltfrequentenGleichtaktspannungsanteileminimiert 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 converters, which in this case also operate with the same clock frequency, can be synchronized in such a way that the switching-frequency common-mode voltage components are minimized, although a higher differential-mode component of the phase converter output voltages must then be accepted .

[0025] Ein zuFig.3.1undFig.3.2 alternativer Verlauf des Offsetsist derart definiert, dass für denjenigen Phasenkonverter, dessen zugeordnete Lastphasenspannung den höchsten negativen Wert aufweist, ein Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert (sieheFig.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 (sieheFig.2) einfach durch Durchschalten des unteren Leistungstransistors T4des ausgangsseitigen Brückenzweiges BBerreicht werden kann. Der Verlauf der Ausgangsspannungssollwerte der beiden anderen 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. An alternative course of the offset in Fig.3.1 and Fig.3.2 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 have to be clocked, or the associated output phase terminal can remain clamped to the reference voltage rail, which can be achieved for the phase converter topology described above (see Fig. 2) simply by switching through the lower power transistor T4 of the output-side bridge arm BB. The course of the output voltage setpoints of the two other phase converters is then defined directly by the sections of the setpoints of the load external conductor voltages to be generated with respect to the clamped phase and to be formed by subtracting two load phase voltage setpoints each, so that overall a sinusoidal profile of all three load external conductor voltages is achieved again. Since the clamping takes place cyclically between one phase after the other, each phase remains clamped for a third of the load phase voltage system when generating a sinusoidal symmetrical load phase voltage system and thus without switching losses, which increases the efficiency of the energy transmission.

[0026] 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 supplying a three-phase machine (load) lying at the output phase terminals, different amplitudes of the load phase voltage or different amplitudes of the assigned phase converter output voltages are to be generated depending on the speed of the machine, with the highest amplitude values typically occurring at the highest speed for which the power semiconductors of both bridge branches are to be designed.

[0027] Vorteilhaft kann nun bei tiefen Drehzahlen bzw. relativ kleinen Amplituden der Phasenkonverterausgangsspannungen, derkonstante Offsetso gross gewählt werden, dass einerseits die, durch die zu erzeugenden Lastphasenspannungen bedingte Schwankung der Phasenkonverterausgangsspannungen symmetrischum das Niveau der DC-Eingangsspannungzu 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 inFig.4gezeigt, 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 mitTastverhältnissen 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. Advantageously, at low speeds or relatively small amplitudes of the phase converter output voltages, the constant offset can be chosen so large that on the one hand the fluctuation of 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 that of the maximum Speed associated with twice the maximum amplitude of the load phase voltage is not exceeded, this being achieved by a corresponding lowering of the offset at high amplitudes of the load phase voltages. As shown in Fig. 4, the nominal values of the phase converter output voltages then typically have minimum values that are significantly greater than zero and the currents in the phase converter inductances show a relatively low ripple, since the input and output bridge branches then alternately work with duty cycles close to one (i.e. the respective upper power transistors are switched through almost constantly) which is known to result in a low switching frequency fluctuation of 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.

[0028] Hinsichtlich derRealisierung der Phasenkonverterist anzumerken, dass neben der vorstehend beschriebenen Ausführung eine Reihevorteilhafter Modifikationenbestehen: • 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. • 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. • Analog zum System nach dem Stand der Technik, kann im einfachsten Fall das LC-Ausgangsfilter des Phasenkonverters, bestehend aus der ausgangsseitigen Phasenkonverterinduktivität LBund dem Phasenausgangskondensator CB, entfallen, d.h. der Schaltungspunkt B des zweiten Brückenzweiges BBbildet direkt den Phasenausgang a, b oder c und somit wird das dreiphasig pulsbreitenmodulierte Spannungssystem direkt an die Motorklemmen gelegt.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: In embodiments, the input and / or output-side bridge branch can advantageously be implemented in a multilevel structure, so for example as a flying capacitor multilevel bridge branch, which is used for setting the Voltage translation between the DC input voltage and the phase converter output voltage, a higher number of voltage levels is available, which means that there is less switching frequency ripple of the currents in the phase inductances. • Furthermore, in embodiments, the phase converters can be implemented by several parallel, phase-shifted clocked systems, so that the current fed into the output capacitance and the current drawn from the DC input voltage advantageously has a higher effective frequency and a smaller fluctuation compared to a single system. • Analogous to the system according to the state of the art, in the simplest case the LC output filter of the phase converter, consisting of the output phase converter inductance LB and the phase output capacitor CB, can be omitted, ie the circuit point B of the second bridge arm BB directly forms the phase output a, b or c and thus the three-phase pulse width modulated voltage system is applied directly to the motor terminals.

[0029] Eine mögliche Ausführungsform einerkaskadierten Regelungdes phasenmodularen Konvertersystems ist inFig.5gezeigt. 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 regulation of the phase modular converter system is shown in FIG. The control circuit is of the same type for each phase and, for the sake of clarity, is only shown for one phase. As entered, voltages are measured with respect to the reference voltage rail n or the negative DC input voltage rail 2.

[0030] Der Sollwert einer Phasenkonverterausgangsspannung uan* wird durch Addition des typischerweise sinusförmig verlaufenden Sollwertes uam* der zugehörigen Lastphasenspannung uameiner gespeisten Dreiphasenlast (z.B. einer elektrischen Maschine M) und des für alle Phasen gleichen Sollwert uoff* des Offsets uoffgebildet, 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 uoff* 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 uander Phasenkonverterausgangsspannung verglichen und die Regelabweichung Δuan* einem Phasenkonverterausgangsspannungsregler Ruanzugeführt, an dessen Ausgangs der zur Korrektur von Δuan* erforderliche Ausgangskondensatorsstromsollwert iCB* gebildet wird, welcher durch eine Vorsteuerung des gemessenen zugehörigen Lastphasenstromes ia, den Referenzstrom iLB* in der ausgangsseitigen Phasenkonverterinduktivität LBbestimmt. Durch Vergleich von iLB* mit dem gemessenen Istwert iLBwird anschliessend die Regelabweichung ΔiLBdes Stromes in LBgebildet und einem Phaseninduktivitätsstromregler RiLBzugeführt, welcher an seinem Ausgang die zur Korrektur der Regelabweichung ΔiLBerforderliche Sollwert uLB* der an LBzu legenden Spannung bildet. Durch Addition des Phasenkonverterausgangsspannungssollwerts uan* zum Reglerausgangssollwert uLB* ergibt sich die über eine Schaltperiode im Mittel am Schaltungspunkt B anzulegende Spannung uB*. Liegt dieser Spannungssollwert uB*unterhalb der EingangsspannungUin, so wird im Sinne einer Tiefsetzstellerfunktion das Tastverhältnis dB, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors T3von BB, mittels Division des Spannungssollwerts uB* durch den Istwert der DC-Eingangsspannung Uinberechnet, d.h. dB<1 und somit wird der ausgangsseitige Brückenzweig BBentsprechend der Pulsbreitenmodulation hochfrequent getaktet. Das Tastverhältnis dA, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors T1von BA, wird gerade umgekehrt mittels Division des Istwerts der DC-Eingangsspannung Uindurch den Spannungssollwert uB* berechnet, wobei zuvor jedoch der Spannungssollwert uB*. auf einen minimalen Wert gleich dem Istwert der DC-Eingangsspannung Uinbegrenzt wird und in diesem Fall mit uB*< Uinzu einem Tastverhältnis dA= 1 führt, d.h. einem konstanten Durchschalten des oberen Transistors T1des eingangsseitigen Brückenzweiges BAentspricht, wodurch die Phasenzwischenkreisspannung uCAauf die Eingangsspannung Uingeklemmt wird. The setpoint of a phase converter output voltage uan * is formed by adding the typically sinusoidal setpoint uam * the associated load phase voltage uamein fed three-phase load (e.g. an electrical machine M) and the setpoint uoff * of the offset uoff, which is the same for all phases, which is typically formed by adding a over the output period constant component uoff, DC * and a component uoff, AC * fluctuating at three times the output frequency. Advantageously, the time curve of uoff * is chosen in such a way that uan * for a given load phase voltage system uam * remains limited to the lowest possible values, which also minimizes the blocking voltage stress and the switching losses in both bridge branches of the phase converters. This includes a specification of uoff * such that a phase converter remains in the clamped state for a third of the output period, i.e. uan * has correspondingly wide intervals with uan * = 0. The phase converter output voltage setpoint uan * is compared with the measured actual value uan the phase converter output voltage and the control deviation Δuan * is fed to a phase converter output voltage regulator Ruan, at whose output the output capacitor current setpoint iCB * required to correct Δuan *, the reference phase current iCB * measured, which is formed by a precontrol of the measured load current iCB * * determined in the phase converter inductance LB on the output side. By comparing iLB * with the measured actual value iLB, the system deviation ΔiLB of the current in LB is then formed and fed to a phase inductance current controller RiLB, which at its output forms the setpoint uLB * of the voltage to be applied to LB, which is required to correct the system deviation ΔiLB. By adding the phase converter output voltage setpoint uan * to the controller output setpoint uLB *, the average voltage uB * to be applied to circuit point B over a switching period results. If this voltage setpoint uB * is below the input voltage Uin, the duty cycle dB, i.e. the relative switch-on time of the upper transistor T3 of BB, is calculated in the sense of a buck converter function by dividing the voltage setpoint uB * by the actual value of the DC input voltage Uin, i.e. dB <1 and thus the output-side bridge arm BB is clocked at high frequency in accordance with the pulse width modulation. The duty cycle dA, i.e. the relative switch-on duration of the upper transistor T1 of BA, is calculated in reverse by dividing the actual value of the DC input voltage Uind by the voltage setpoint uB *, with the voltage setpoint uB * beforehand. is limited to a minimum value equal to the actual value of the DC input voltage Uin and in this case leads to a pulse duty factor dA = 1 with uB * <Uin, i.e. corresponding to constant switching of the upper transistor T1 of the input-side bridge arm BA, whereby the phase intermediate circuit voltage uCA is clamped to the input voltage U.

[0031] Liegt dieser Spannungssollwert uB*oberhalb der EingangsspannungUin, so wird im Sinne einer Hochsetzstellerfunktion das Tastverhältnis dA<1, d.h. der eingangsseitige Brückenzweig BAwird hochfrequent getaktet. Das Tastverhältnis dBwird jedoch aufgrund der Begrenzung des Spannungssollwerts uB* auf einen maximalen Wert gleich dem Istwert der DC-Eingangsspannung Uinin diesem Fall gleich Eins, d.h. der obere Transistor T3des ausgangsseitigen Brückenzweiges BAist konstant durchgeschaltet und die Phasenzwischenkreisspannung uCAwird entsprechend dem Spannungssollwert uB* geführt, der abgesehen vom Induktivitätsspannungsabfall uLBder Phasenkonverterausgangsspannung uan* entspricht. Die Begrenzung des Spannungssollwerts uB* oberhalb Uinfür die Berechnung von dAund unterhalb Uinfür die Berechnung von dB, d.h. die Begrenzung der Tastverhältnisse dAund dBauf 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 uB * is above the input voltage Uin, the pulse duty factor dA <1 in the sense of a step-up converter function, i.e. the bridge arm BA on the input side is clocked at high frequency. However, due to the limitation of the voltage setpoint uB * to a maximum value equal to the actual value of the DC input voltage Uin, the pulse duty factor dB is in this case equal to one, i.e. the upper transistor T3 of the output-side bridge arm BA is constantly switched on and the phase intermediate circuit voltage uCA is guided according to the voltage setpoint uB * apart from the inductance voltage drop uLB corresponds to the phase converter output voltage uan *. The limitation of the voltage setpoint uB * above Uin for the calculation of dA and below Uin for the calculation of dB, i.e. the limitation of the duty cycle dA and dB to values between zero and one, thus excludes simultaneous high-frequency switching of both bridge branches, which is different compared to the prior art in a higher efficiency.

[0032] 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 dAverwendet werden, die die Berechnung des Tastverhältnisses dBdahingegen aber unverändert bleibt (siehe Fig. 6). Der Spannungssollwert uB*, der im Hochsetzstellerbetrieb dem Phasenzwischenkreisspannungssollwert uCA* entspricht, wird mit dem Messwert der Phasenzwischenkreisspannung uCAverglichen und die Regelabweichung ΔuCAeinem Phasenkonverterzwischenkreisspannungsregler RuCAzugeführt. An dessen Ausgangs wird anschliessend der zur Korrektur von ΔuCAerforderliche Phasenzwischenkreiskondensatorstromsollwert iCA* gebildet, zu welchem durch Vorsteuerung noch der mit dem Tastverhältnis dBauf den Zwischenkreis umgerechnete Referenzstrom iLB* der ausgangsseitigen Phasenkonverterinduktivität LBaddiert wird und somit den benötigten mittleren Strom durch den oberen Schalter T1des ersten Brückenzweiges BAergibt. Dieser Stromwert multipliziert mit der Referenzzwischenkreisspannung uCA* entspricht der vom Hochsetzsteller zu liefernden Leistung, welche mittels Division durch den Eingangsspannungswert Uinden Referenzstrom iLA* in der eingangsseitigen Phasenkonverterinduktivität LAbestimmt. Durch Vergleich von iLA* mit dem gemessenen Istwert iLAwird anschliessend die Regelabweichung ΔiLAdes Stromes in LAgebildet und einem Phaseninduktivitätsstromregler RiLAzugeführt, welcher an seinem Ausgang die zur Korrektur der Regelabweichung ΔiLAerforderliche Sollwert uLA* der an LAzu legenden Spannung bildet. Durch Addition des Eingangsspannungwerts Uinzum Reglerausgangssollwert uLA* ergibt sich die über eine Schaltperiode im Mittel am Schaltungspunkt A anzulegende Spannung uA*. Das Tastverhältnis dAwird nun mittels Division der Spannung uA* durch den Phasenzwischenkreisspannungssollwert uCA* ermittelt. It should be noted that in the mentioned embodiment of the control, the voltage at the phase link capacitor and the current in the input inductance are not controlled and thus the control structure is characterized by its simplicity and low number of measured variables. In applications with high demands on the control dynamics as well as the possibility to actively dampen any oscillations in the input-side inductance current or the phase intermediate circuit voltage, the control structure mentioned can be extended by a phase intermediate circuit voltage regulator and an input-side inductive current regulator, whereby only the two additional regulators are only used during the step-up converter operation of the duty cycle dA can be used, but the calculation of the duty cycle dB remains unchanged (see FIG. 6). The voltage setpoint uB *, which in step-up converter operation corresponds to the phase link voltage setpoint uCA *, is compared with the measured value of the phase link voltage uCA and the control deviation ΔuCA is fed to a phase converter link voltage regulator RuCA. At its output, the phase intermediate circuit capacitor current setpoint iCA * required to correct ΔuCA is then formed, to which the reference current iLB * of the output-side phase converter inductance LB, which is converted with the duty cycle dB to the intermediate circuit, is added through precontrol, thus adding the required average current through the upper switch T1 of the first bridge branch . This current value multiplied by the reference intermediate circuit voltage uCA * corresponds to the power to be supplied by the step-up converter, which determines the reference current iLA * in the input-side phase converter inductance LA by dividing it by the input voltage value U. By comparing iLA * with the measured actual value iLA, the control deviation ΔiLA of the current in LA is then formed and fed to a phase inductance current controller RiLA, which at its output forms the setpoint uLA * of the voltage to be applied to LA, which is required to correct the control deviation ΔiLA. By adding the input voltage value Uinz to the controller output setpoint uLA *, the average voltage uA * to be applied to switching point A over a switching period results. The pulse duty factor dA is now determined by dividing the voltage uA * by the phase intermediate circuit voltage setpoint uCA *.

[0033] 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 nachFig.2um einendritten BrückenzweigBCmit Schaltungspunkt C, parallel zu den beiden Brückenzweigen BAund BB, erweitert (sieheFig.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 Schaltungspunkt C des jeweiligen Phasenmoduls verbunden. Vorteilhaft kann nun - im Vergleich zur den Phasenausgangsspannungen uan, ubnund ucngegenüber dem Referenzpotenzial n - zwischen Phasenausgangsklemmen a, b und c und dem Schaltungspunkt C eine sinusförmige Ausgangsspannung mitdoppelter Spannungsamplitudeerzeugt werden, d.h. bezüglich dem Schaltungspunkt C könnenpositive und negativePhasenausgangsspannungen uaC,ubCund ucCerzeugt 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. In 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 depending on the state of charge or the temperature dependency of the characteristic curve, which typically drops continuously with higher power output. In contrast to this, in many drive applications, the speed and thus the motor voltage typically increase as the output power increases. As a result, due to this opposite direction of the falling input voltage and increasing output voltage, the converter has to be operated longer and longer in step-up converter operation, i.e. at higher blocking voltages and thus also higher switching losses. In order to limit the required step-up converter operation, which is rather unfavorable and therefore lossy at high gear ratios, to a shorter duration, the circuit according to Fig. 2 is expanded to include a third bridge branch BC with switching point C, parallel to the two bridge branches BA and BB (see Fig. 7). Assuming a three-phase machine with an open winding, i.e. access to the beginnings and ends of each machine phase winding, the beginning of each machine phase winding is still connected to the associated phase output terminal a, b or c and the end of the corresponding machine phase winding is connected to circuit point C of the respective phase module. In comparison to the phase output voltages uan, ubn and ucn compared to the reference potential n, a sinusoidal output voltage with double voltage amplitude can now be generated between the phase output terminals a, b and c and the circuit point C, i.e. positive and negative phase output voltages uaC, ubC and ucC can be generated with respect to the circuit point C to increase the voltage load and thus the switching losses of the bridge arms, ie a machine with twice the motor voltage can be used without changing the required degree of modulation of the step-up and step-down converter.

[0034] Bei der Schaltung nachFig.2müsste 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 the circuit according to Fig.2, in contrast, when using the same motor, the phase intermediate circuit voltage would have to be increased by twice the value, which would result in power transistors with double blocking voltage capability, i.e. switch technology with poorer properties, and thus higher switching and conduction losses. In the literature, the use of a full bridge circuit in combination with a machine with open windings is known, but in contrast to the prior art, due to the phase modularity, the phase intermediate circuit voltage of each phase converter can largely be conducted independently of the other phase converters, i.e. it is in step-up and step-down mode only one of the three branches of the bridge is clocked at high frequency, with the other branches of the bridge being constantly switched through depending on the voltage conditions.

[0035] Bezüglich derTaktungdes Brückenzweiges BCnach ist anzumerken, dass in Bereichen, in welchen einepositive Lastphasenspannungenuam* erzeugt werden muss, der untere Schalter T6des Brückenzweiges Bc durchgeschaltet wird und in Bereichen, in welchen einenegative Lastphasenspannungenuam* erzeugt werden muss, der obere Schalter T5des Brückenzweiges Bc durchgeschaltet wird, d.h. der Brückenzweig Bc wird nur mit der Ausgangsfrequenz, also grundfrequent, in Abhängigkeit der Polarität der Lastphasenspannung umgeschaltet (sieheFig.8). Um einen sinusförmigen Verlauf der Lastphasenspannung uam* zu erreichen, muss die mittlere Spannung am Schaltungspunkt B des Brückenzweiges BBgegenüber der Spannung am Schaltungspunkt C des Brückenzweiges BCebenfalls sinusförmig sein. With regard to the timing of the bridge branch BCnach, it should be noted that in areas in which a positive load phase voltages etc. must be generated, the lower switch T6 of the bridge branch Bc is switched through and in areas in which a negative load phase voltages etc. must be generated, the upper switch T5 of the bridge branch Bc is switched through, ie the bridge arm Bc is only switched at the output frequency, i.e. at the base 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 etc.

[0036] In Bereichen, in welchen einepositive Lastphasenspannungenuam* erzeugt wird und die zu erzeugende Phasenkonverterausgangsspannungunter der DC-Eingangsspannungliegt, wird der obere Schalter des eingangsseitigen Brückenzweiges BAdurchgeschaltet und nur der ausgangsseitige Brückenzweig BBhochfrequent getaktet und in Bereichen, in welchen ebenfalls einepositive Lastphasenspannungenuam* erzeugt wird und aber die zu erzeugende Phasenkonverterausgangsspannungüber der DC-Eingangsspannungliegt, wird dahingegen der obere Schalter des ausgangsseitigen Brückenzweiges BBdurchgeschaltet und nur der eingangsseitige Brückenzweig BAhochfrequent getaktet und somit in diesem Fall die Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCAvariiert. In beiden Fällen wird jedoch der hochfrequent taktende Brückenzweig derart pulsbreitenmoduliert, sodass die Phasenkonverterausgangsspannung gegenüber dem auf das Referenzpotential n geklemmten Schaltungspunkt C einen sinusförmigen Verlauf aufweist. In areas in which a positive load phase voltage, etc. * is generated and the phase converter output voltage to be generated is below the DC input voltage, the upper switch of the input-side bridge arm BA is switched through and only the output-side bridge arm BB is clocked at high frequency and in areas in which a positive load phase voltage * 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 BB is switched through and only the input-side bridge arm BA is clocked at high frequency and thus in this case the phase converter intermediate circuit voltage uCA is varied. In both cases, however, the high-frequency clocked bridge branch is pulse-width-modulated in such a way that the phase converter output voltage has a sinusoidal profile compared to the circuit point C clamped to the reference potential n.

[0037] In Bereichen, in welchen einenegative Lastphasenspannungenuam* erzeugt werden muss, wird der Schaltungspunkt C auf die Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCAgeklemmt. Liegt die zu erzeugende Phasenkonverterausgangsspannungüber der negativen DC-Eingangsspannung, so wird der obere Schalter des eingangsseitigen Brückenzweiges BAdurchgeschaltet und nur der ausgangsseitige Brückenzweig BBhochfrequent getaktet und derart pulsbreitenmoduliert, sodass die Phasenkonverterausgangsspannung gegenüber dem auf die Phasenkonverterzwischenkreisspannung UCA geklemmten Schaltungspunkt C einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Liegt jedoch die zu erzeugende Phasenkonverterausgangsspannungunter der negativen DC-Eingangsspannung, so wird dahingegen deruntereSchalter des ausgangsseitigen Brückenzweiges BBdurchgeschaltet und nur der eingangsseitige Brückenzweig BAhochfrequent getaktet, d.h. die Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCAvariiert. In beiden Fällen wird jedoch der hochfrequent taktende Brückenzweig derart pulsbreitenmoduliert, sodass die Phasenkonverterausgangsspannung gegenüber dem auf die Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCAgeklemmten Schaltungspunkt C einen sinusförmigen Verlauf aufweist. In areas in which a negative load phase voltage uam * must be generated, the circuit 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 arm BA is switched through and only the output-side bridge arm BB is clocked at high frequency and pulse-width-modulated in such a way that the phase converter output voltage has a sinusoidal circuit voltage UCA connected to the phase converter intermediate circuit. 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 BB is switched through and only the input-side bridge arm BA is clocked at high frequency, i.e. the phase converter intermediate circuit voltage uCA is varied. In both cases, however, the high-frequency clocked bridge branch is pulse-width-modulated in such a way that the phase converter output voltage has a sinusoidal profile compared to the circuit point C clamped to the phase converter intermediate circuit voltage uCA.

[0038] Anzumerken ist, dass beimNulldurchgangder Lastphasenspannung uam*, d.h. dem Wechsel von einer positiven zu einer negativen oder umgekehrt einer positiven zu einer negativen Lastphasenspannung, auch der Schaltungspunkt C vom Referenzpotential n auf Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCAoder umgekehrt von der Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCAauf das Referenzpotential n umgeschaltet wird und somit entsprechend, um einen sinusförmigen Verlauf der Lastphasenspannung uamzu erreichen, auch die Phasenkonverterausgangsspannung mit dem Schaltungspunkt C vom Referenzpotential n auf Phasenkonverterzwischenkreisspannung UCA oder umgekehrt von der Phasenkonverterzwischenkreisspannung uCAauf das Referenzpotential n umgeschaltet werden muss, d.h. der Phasenausgangskondensator CBrasch 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 derRealisierung derPhasenkonverterist deshalb anzumerken, dass neben der vorstehend beschriebenen Ausführung in Ausführungsformen • beide Brückenzweigausgänge, d.h. der Schaltungspunkt B des Brückenzweiges BBund der Schaltungspunkt C des Brückenzweiges Bc, gefiltert werden oder im einfachsten Fall garkein Ausgang gefiltertwird, d.h. die Last direkt zwischen die Schaltungspunkte B und C gehängt wird. • 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 uCAdie über eine Schaltperiode gemittelte Spannung am Schaltungspunkt Ckontinuierlich zu ändern. Der Verlauf der über eine Schaltperiode gemittelten Spannung am Schaltungspunkt B muss dabei derart verändert werden, dass weiterhin ein sinusförmiger Verlauf der Lastphasenspannung uamerreicht wird.It should be noted that at the zero crossing of the load phase voltage uam *, ie the change from a positive to a negative or vice versa from a positive to a negative load phase voltage, the circuit point C is 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 and accordingly, in order to achieve a sinusoidal curve of the load phase voltage and the like, the phase converter output voltage with circuit point C must be switched from reference potential n to phase converter intermediate circuit voltage UCA or vice versa from phase converter intermediate circuit voltage uCA to reference potential n, i.e. the phase output capacitor CB must be switched over quickly. 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 common-mode interference on the machine or load. With regard to the implementation of the phase converter, it should therefore be noted that in addition to the above-described design in embodiments and C is hung. • Furthermore, there is the possibility of clocking the bridge branch Bc, which clocks at a fundamental frequency, around the zero crossing of the load phase voltage, etc., also at high frequency and, instead of switching directly between reference potential n and phase converter intermediate circuit voltage uCA, to continuously change the voltage at circuit point C averaged over a switching period. The curve of the voltage averaged over a switching period at circuit point B must be changed in such a way that a sinusoidal curve of the load phase voltage uam is still achieved.

[0039] Anstelle der Erweiterung mit einem dritten Brückenzweig BC, kann die Schaltung nachFig.2auch mit zwei Brückenzweigen BDund BEerweitert werden, die beide als Vollbrücke zwischen den positiven und negativen Anschluss des Phasenausgangskondensators CBgeschaltet werden (sieheFig.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 Schaltungspunkten D und E der beiden zusätzlichen Brückenzweige BDund BEverbunden, d.h. der Schaltungspunkt 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 Schaltungspunkt E des jeweiligen Phasenmoduls verbunden. Vorteilhaft kann nun wieder eine sinusförmige Ausgangsspannung mitdoppelterSpannungsamplitudeerzeugt werden, d.h. bezüglich dem Schaltungspunkt E könnenpositive und negativePhasenausgangsspannungen uaE, ubEund ucEerzeugt 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 BDund 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 BDund BEund den Verlauf der Phasenausgangskondensatorspannung uCBvereinfacht und somit andererseits die Gleichtaktstöraussendung reduziert. Instead of expanding with a third bridge arm BC, the circuit according toFig.2 can also be expanded with two bridge arms BD and BE, both of which are connected as a full bridge between the positive and negative terminals of the phase output capacitor CB (seeFig.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 circuit points D and E of the two additional bridge branches BD and BE, provided that no further output filter is provided, i.e. the circuit point D is linked to the associated phase output terminal a, b or c out and connected to the respective beginning of the machine phase winding and the end of the corresponding machine phase winding is connected to the circuit point E of the respective phase module. A sinusoidal output voltage with double the voltage amplitude can now advantageously be generated again, i.e. positive and negative phase output voltages uaE, ubE and ucE can be generated with respect to the circuit point E without increasing the voltage load and thus the switching losses of the bridge branches, i.e. a machine with double the motor voltage can be used without the required degree of modulation of the step-up and step-down converter. Furthermore, the circuit with two additional bridge branches BD and BE (see Fig. 9) compared to the circuit with an additional bridge branch BC (see Fig. 7) has the advantage of a sinusoidal common-mode voltage curve, on the one hand the switching of the bridge branches BD and BE and the curve of the phase output capacitor voltage uCB and thus on the other hand the common-mode interference emission is reduced.

[0040] Hinsichtlich derTaktungder Brückenzweige BDund BEist anzumerken, dass in Bereichen, in welchen einepositive Lastphasenspannunguam* erzeugt werden muss, der obere Schalter T7des Brückenzweiges BDund der untere Schalter T10des Brückenzweiges BEdurchgeschaltet werden und in Bereichen, in welchen einenegative Lastphasenspannunguam* erzeugt werden muss, der untere Schalter T8des Brückenzweiges BDund der obere Schalter T9des Brückenzweiges BEdurchgeschaltet werden, d.h. die Brückenzweige BDund BEwiederum nur mit der Ausgangsfrequenz, also grundfrequent, in Abhängigkeit der Polarität der Lastphasenspannung umgeschaltet werden (sieheFig.10). Um einen sinusförmigen Verlauf der Lastphasenspannung uam* zu erreichen, wird Verlauf der Phasenausgangskondensatorspannung uCBbetragssinusförmig zur Lastphasenspannung uam*, uCB= |uam* |, geführt. Analog zur Taktung der Schaltung nachFig.2wird in Bereichen, in welchen die zu erzeugende Phasenausgangskondensatorspannung uCBunter der DC-Eingangsspannungliegt, der obere Schalter des eingangsseitigen Brückenzweiges BAdurchgeschaltet und nur der ausgangsseitige Brückenzweig BBhochfrequent getaktet und in Bereichen, die zu erzeugende Phasenausgangskondensatorspannung uCBüber der DC-Eingangsspannungliegt, der obere Schalter des ausgangsseitigen Brückenzweiges BBdurchgeschaltet und nur der eingangsseitige Brückenzweig BAhochfrequent 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 BD and BE, it should be noted that in areas in which a positive load phase voltage uam * has to be generated, the upper switch T7 of the bridge branch BD and the lower switch T10 of the bridge branch BE are switched through and in areas in which a negative load phase voltage uam * has to be generated The lower switch T8 of the bridge arm BD and the upper switch T9 of the bridge arm BE are switched through, that is, the bridge arms BD and BE are only switched at the output frequency, i.e. at the base frequency, depending on the polarity of the load phase voltage (see Fig. 10). In order to achieve a sinusoidal curve of the load phase voltage uam *, the curve of the phase output capacitor voltage uCB is sine-shaped to the load phase voltage uam *, uCB = | uam * |. 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 input-side bridge arm BA is switched through and only the output-side bridge arm BB is clocked at high frequency and in areas in which the DC input capacitor voltage uCB to be generated is above the , the upper switch of the output-side bridge arm BB is switched through and only the input-side bridge arm BA is clocked at high frequency. At any point in time, due to the phase modularity, only one bridge branch has to be clocked at high frequency, which in comparison to the prior art leads to reduced switching losses and thus higher efficiency.

[0041] Hinsichtlich derRealisierung der Phasenkonverterist zudem anzumerken, dass neben der vorstehend beschriebenen Ausführung in Ausführungsformen • beide Brückenzweigausgänge, d.h. der Schaltungspunkt D des Brückenzweiges BDund der Schaltungspunkt E des Brückenzweiges BE, auch gefiltert werden können. • Des Weiteren, besteht auch die Möglichkeit, die grundfrequent taktenden Brückenzweige BDund BEum den Nulldurchgang der Lastphasenspannung uam, ebenfalls hochfrequent zu takten, sodass der Verlauf der Phasenausgangskondensatorspannung uCBvom betragssinusförmigen Lastphasenspannungsverlauf abweichen kann und somit eine einfachere Regelung der Phasenausgangskondensatorspannung uCBerreicht werden kann. Insgesamt bleibt aber der Verlauf der Lastphasenspannung uamweiterhin sinusförmig.With regard to the implementation of the phase converter, it should also be noted that in addition to the above-described design in embodiments • both bridge branch outputs, i.e. the node D of the bridge branch BD and the Switching point E of the bridge arm BE, can also be filtered. • Furthermore, there is also the possibility of clocking the bridge arms BD and BE, which are clocked at a fundamental frequency, at high frequencies around the zero crossing of the load phase voltage, etc., so that the curve of the phase output capacitor voltage uCB can deviate from the sine-wave load phase voltage curve and thus a simpler regulation of the phase output capacitor voltage uC can be achieved. Overall, however, the curve of the load phase voltage and so on remains sinusoidal.

[0042] 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 can also be used as three-phase rectifiers, i.e. with reversed power flow.

Claims (10)

1. Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Gleichspannungsrespektive DC-System und einem Wechselspannungs- respektive AC-System, aufweisend gleichspannungsseitig eine positive DC-Eingangsspannungsschiene (1) und eine negative DC-Eingangsspannungsschiene (2) und wechselspannungsseitig mindestens zwei Ausgangsphasenanschlüsse (a, b, c), wobei der Konverter für jeden der Ausgangsphasenanschlüsse (a, b, c) jeweils einen Phasenkonverter aufweist, 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, wobei der Konverter eine Regelung aufweist, 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.1. Converter for the transmission of electrical energy between a direct voltage or DC system and an alternating voltage or AC system, having on the DC voltage side a positive DC input voltage rail (1) and a negative DC input voltage rail (2) and on the AC voltage side at least two output phase connections (a, b, c), the converter having a phase converter for each of the output phase connections (a, b, c), which on a first side is connected to the positive DC input voltage rail (1) and the negative DC input voltage rail (2) and on a second side is connected to this output phase connection (a; b; c) and is designed as a step-up / step-down converter with a voltage intermediate circuit, the converter having a control system which is designed to operate each of the phase converters, depending on a ratio of one DC input voltage to instantaneous values of at the output phase terminal connections (a, b, c) to be generated output phase voltages, to operate temporarily either as a pure step-down converter or as a pure step-up converter. 2. Konverter gemäss Anspruch 1, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, 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 beschränken.2. Converter according to claim 1, wherein the control is designed to temporarily limit the 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 when the converter is in operation. 3. Konverter gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter derart vorzunehmen, dass für alle getakteten Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltene Gegentaktspannungsanteil minimiert.3. Converter according to claim 1 or 2, wherein the control is designed to clock all phase converters when the converter is in operation so that the same clock frequency is present for all clocked phase converters and synchronization of the converter clocking minimizes a push-pull voltage component contained in the output phase voltages. 4. Konverter gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter derart vorzunehmen, dass für alle getakteten Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltene Gleichtaktspannungsanteil zu minimiert.4. Converter according to claim 1 or 2, wherein the control is designed to make the clocking of all phase converters during operation of the converter in such a way that the same clock frequency is present for all clocked phase converters and a synchronization of the clocking of the converters minimizes a common-mode voltage component contained in the output phase voltages . 5. Konverter gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, 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 (a; b; c) an eine Referenzspannungsschiene (n) 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 ein sinusförmiger Verlauf aller Lastaussenleiterspannungen vorliegt.5. Converter according to one of the preceding claims, wherein the control is designed to specify an offset for the formation of output phase voltage setpoints from load phase voltage setpoints during operation of the converter, in such a way that in each case in a time segment for that phase converter whose assigned load phase voltage setpoint has the highest negative value, an output phase voltage setpoint value equal to zero results, which means that this phase converter does not have to be clocked and its output phase connection (a; b; c) can remain clamped to a reference voltage rail (s), and the course of the output phase voltage setpoints of non-clamped phase converters by output phases to be generated opposite the clamped output By subtracting two load phase voltage setpoints in each case, setpoint values of load outer conductor voltages formed in this time segment are defined, so that overall a sinusoidal profile of all load outer conductors there is tension. 6. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, in einer Betriebsart des Konverters 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.6. Converter according to one of claims 1 to 4, wherein the control is designed to select a constant offset of the output phase voltages in one mode of operation of the converter so large that on the one hand a fluctuation in the output phase voltages caused by the load phase voltages to be generated symmetrically about one level the DC input voltage comes to rest, 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. 7. Konverter gemäss Anspruch 6, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, zusätzlich zum konstanten Offset ein weiteres Offsetsignal, welches eine Amplitude hat, die mit dreifacher Ausgangsfrequenz variiert, zu addieren und damit den Ausgangsphasenspannungen eine dritte Harmonische zu überlagern.7. Converter according to claim 6, wherein the control is designed to add, in addition to the constant offset, a further offset signal, which has an amplitude that varies with three times the output frequency, and thus to superimpose a third harmonic on the output phase voltages. 8. Konverter gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phasenkonverter jeweils als kaskadierte Hochsetz-Tiefsetzsteller ausgebildet sind.8. Converter according to one of the preceding claims, wherein the phase converters are each designed as a cascaded step-up / step-down converter. 9. Konverter gemäss Anspruch 8, in welchem die Phasenkonverter jeweils zwei, ausgangsseitig am selben Spannungszwischenkreis angeschlossene, Tiefsetzstelleraufweisen.9. Converter according to claim 8, in which the phase converters each have two buck converters connected on the output side to the same voltage intermediate circuit. 10. Konverter gemäss Anspruch 8, in welchem die Phasenkonverter jeweils zwei, an einem vom jeweiligen Tiefsetzstellergespeisten, Spannungszwischenkreis angeschlossene Brückenzweige mit separaten Schaltungspunkten (D, E) aufweisen.10. Converter according to claim 8, in which the phase converters each have two bridge branches with separate circuit points (D, E) connected to a voltage intermediate circuit fed by the respective buck converter.
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