CH715813B1 - Verfahren zum Regeln eines Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystems mit Stromzwischenkreis. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystems (1, 2, 3) mit einer Dreiphasen-Brückenschaltung (2), einer Zwischenkreisinduktivität (L), und einem Lastkonverter (3). In zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten wird jeweils in einem Abschnitt folgendes ausgeführt: • In jenem Brückenzweig, im folgenden ausgewählter Brückenzweig genannt, der Dreiphasen-Brückenschaltung (2), welchem die Netzphase mit dem betragsmässig grössten Phasenstrom, im Folgenden ausgewählte Netzphase genannt, zugeordnet ist, wird diese Netzphase wahlweise in Abhängigkeit der Polarität des Phasenstromes mit einem Schalter des ausgewählten Brückenzweigs, im Folgenden ausgewählter Schalter genannt, einem positiven Anschlusspunkt (p) oder einem negativen Anschlusspunkt (n) der Dreiphasen-Brückenschaltung (2) verbunden, wobei diese Netzphase bei positivem Phasenstrom mit dem positiven und bei negativem Phasenstrom mit dem negativen Anschlusspunkt verbunden wird, und während der Dauer dieses Abschnitts verbunden bliebt. • In den anderen beiden, nicht ausgewählten Brückenzweigen wird durch Taktung der dem ausgewählten Schalter gegenüberliegenden Schalter der entsprechende positive respektive negative Anschlusspunkt wechselweise mit den beiden nicht ausgewählten Phasen verbunden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Regeln eines Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystems (1, 2, 3).

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Dreiphasenpulsgleichrichtersysteme, insbesondere auf ein Verfahren zur Regelung der Eingangsphasenströme auf Sinusform und der Ausgangsgleichspannung.

[0002] Zur Umformung der Spannung des Dreiphasennetzes in eine Gleichspannung deren DC-Wert unterhalb des minimalen Werts der gleichgerichteten verketteten Dreiphasenspannung liegt, wie dies z.B. bei der Batterieladung von Elektrofahrzeugen erforderlich ist, werden gemäss dem Stand der Technik im Allgemeinen aktive Dreiphasenpulsgleichrichtersysteme mit Tiefsetzstellercharakteristik eingesetzt.

[0003] Dabei werden die Eingangsklemmen, d.h. die Mittelabgriffe, einer bidirektional sperrfähigen Dreiphasenbrückenschaltung direkt mit den Netzklemmen verbunden, wobei die einzelnen Schaltelemente der drei Brückenzweige z.B. durch die Antiserienschaltung eines unidirektional sperrenden Bauelements und einer Diode, der Antiserienschaltung zweier unidirektional sperrenden Bauelementen, oder einem bidirektional sperrenden Bauelement realisiert werden können.

[0004] Durch entsprechende Taktung der Brückenzweige, welche die Funktion von Durchschaltern der am Mittelpunkt liegenden Eingangsspannung an entweder die positive oder negative Ausgangsspannungsschiene aufweisen, wird nun am Ausgang der Dreiphasenbrückenschaltung, d.h. zwischen der positiven und negativen Ausgangsspannungsschiene, eine geschaltete Gleichspannung erzeugt, deren Mittelwert gerade mit der zu bildenden Gleichspannung übereinstimmt, aber deren Momentanwert abhängig vom gewählten Pulsmuster abschnittsweise jeweils einer der möglichen verketteten Eingangsspannungen entspricht. Zur Glättung der geschalteten Gleichspannung auf eine konstante DC-Ausgangsspannung mit gleichem Mittelwert, wird deshalb an den Ausgangsklemmen der Dreiphasenbrückenschaltung ein Tiefpassfilter bestehend aus einer Ausgangsinduktivität und einer DC-Stützkapazität angeordnet.

[0005] Unter Taktung wird ein hochfrequentes Schalten der Konverter respektive ihrer Leistungsschalter verstanden, im Gegensatz zum niederfrequenten Verlauf der Netzspannungen. Eine entsprechende Taktfrequenz wird auch Schaltfrequenz genannt, ihr Kehrwert ist eine Taktperiode.

[0006] Im Sinne geringer Netzrückwirkungen wird durch entsprechende Wahl des Pulsmusters vorteilhaft ein netzspannungsproportionaler Eingangsstromverlauf eingestellt. Das Dreiphasenpulsgleichrichtersystem verhält sich in diesem Fall wie eine Dreiphasenwiderstandslast und bezieht somit eine konstante Leistung vom Dreiphasennetz, d.h. bei Regelung auf eine konstante DC-Ausgangsspannung fliesst in der Ausgangsinduktivität ein im Mittel konstanter DC-Induktivitätsstrom oder Zwischenkreisstrom.

[0007] Somit kann die Taktung der Brückenzweige auch als Umschaltung des konstanten DC-Induktivitätsstromes auf die drei Eingangsphasen verstanden werden, wobei das Pulsmuster derart gewählt wird, dass die Aufteilung des DC-Induktivitätsstromes an den Mittelabgriffen der Dreiphasenbrückenschaltung niederfrequent auf drei netzspannungsproportionale Eingangsströme führt. Durch die Umschaltung des DC-Induktivitätsstromes werden jedoch von den Mittelabgriffen der Dreiphasenbrückenschaltung schaltfrequent pulsförmige Phasenströme bezogen, weshalb zur Glättung der Phasenströme am Eingang des Dreiphasenpulsgleichrichtersystems Eingangskondensatoren in Stern- oder Dreieckschaltung angeordnet werden.

[0008] Alternativ ist in einem gewissen Bereich auch ein Eingangsstromverlauf mit definierter Phasenverschiebung gegenüber der Netzspannung einstellbar.

[0009] Soll bei der zugrundeliegenden Anwendung auch die Möglichkeit bestehen eine höhere Ausgangsspannung zu bilden, ist dem System eine DC/DC-Hochsetzstellerstufe nachzuordnen, womit ein zweistufiges Dreiphasen-Hochsetzsteller-Pulsgleichrichtersystem resultiert, wobei als Induktivität der Hochsetzstellerstufe vorteilhaft ebenfalls die Ausgangsinduktivität der Dreiphasengleichrichter-Tiefsetzstellerstufe verwendet wird, d.h. der Brückenzweig der Hochsetzstellerstufe zwischen die Ausgangsinduktivität der Dreiphasengleichrichter-Tiefsetzstellerstufe und die DC-Stützkapazität angeordnet wird und somit die Induktivität als eine DC-Zwischenkreisinduktivität einen DC-Stromzwischenkreis bildet (vgl.Figur 1).

[0010] Wird die Hochsetzstellerstufe bidirektional ausgeführt, kann dann auch eine seitens einer aktiven Last gelieferte Leistung in den DC-Stromzwischenkreis zwischen beiden Konverterstufen gespeist und von dort Leistung in das Netz zurückgeführt werden. Dieser Betrieb liegt z.B. bei der Einspeisung photovoltaisch erzeugter Leistung in das Dreiphasennetz oder bei der Speisung einer dreiphasigen Maschine aus einer Gleichspannung vor.

[0011] Für eine kompakte Realisierung ist in beiden Fällen vorteilhaft eine hohe Taktfrequenz der Konverterstufen vorzusehen, womit allerdings relativ hohe Schaltverluste resultieren, welche die Effizienz der Energieumformung reduzieren. Weiters ist für die hochfrequente Taktung der elektronischen Schalter insgesamt eine relativ hohe Ansteuerleistung erforderlich, welche ebenfalls die Effizienz beeinträchtigt.

[0012] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren für die Regelung und Modulation eines zweistufigen Dreiphasen-Hochsetzsteller-Pulsgleichrichtersystems zu schaffen, welches reduzierte Schaltverluste aufweist, wobei nach wie vor ein sinusförmiger, vorteilhaft in Phase oder in Gegenphase mit der Netzspannung liegender Netzstromverlauf und eine konstante Ausgangsspannung sichergestellt sein soll.

[0013] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Regelverfahren gemäss den Patentansprüchen.

[0014] Das Verfahren dient zum Regeln eines Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystems, welches eine Dreiphasen-Brückenschaltung, zum Leistungsaustausch zwischen einem Dreiphasennetz und einer Zwischenkreisinduktivität, und einen Lastkonverter, zum Leistungsaustausch zwischen der Zwischenkreisinduktivität und einer Last, aufweist.

[0015] Dabei sind die Brückenzweige der Dreiphasen-Brückenschaltung zum Schalten von durch die Zwischenkreisinduktivität fliessenden Phasenströmen angeordnet, wobei in zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten, welche jeweils ein Sechstel der Periodendauer des Dreiphasennetzes dauern, jeweils in einem Abschnitt • in jenem Brückenzweig, im Folgenden ausgewählter Brückenzweig genannt, der Dreiphasen-Brückenschaltung, welchem die Netzphase mit dem betragsmässig grössten Phasenstrom, im Folgenden ausgewählte Netzphase genannt, zugeordnet ist, diese Netzphase wahlweise in Abhängigkeit der Polarität des Phasenstromes mit einem Schalter des ausgewählten Brückenzweigs, im folgenden ausgewählter Schalter genannt, einem positiven Anschlusspunkt oder einem negativen Anschlusspunkt der Dreiphasen-Brückenschaltung verbunden wird, wobei diese Netzphase bei positivem Phasenstrom mit dem positiven und bei negativem Phasenstrom mit dem negativen Anschlusspunkt verbunden wird, und während der Dauer dieses Abschnitts verbunden bliebt, • in den anderen beiden, nicht ausgewählten, Brückenzweigen durch Taktung der dem ausgewählten Schalter gegenüberliegenden Schalter der entsprechende positive respektive negative Anschlusspunkt wechselweise mit den beiden nicht ausgewählten Phasen verbunden wird.

[0016] Im ausgewählten Brückenzweig bleibt also der nicht ausgewählte Schalter während der ganzen Dauer des Abschnittes offen, also nicht leitend. Es findet somit kein Freilauf des Zwischenkreisstromes durch einen Brückenzweig statt. Weder der ausgewählte Schalter noch der gegenüberliegende in der gleichen Phase werden getaktet. Schaltverluste und ein Ansteuerleistungsbedarf, die bei einer Taktung auftreten würden, werden vermieden.

[0017] Diese Vorteile können auch als Folge der Wahl betrachtet werden, dass der Strom durch die Zwischenkreisinduktivität in dem zeitlichen Abschnitt gleich dem Phasenstrom ist. Anstelle einer konventionellen Regelung dieses Stromes auf einen konstanten Wert ergibt sich über eine ganze Periode des Dreiphasensystems ein sechspulsiger Verlauf dieses Stromes.

[0018] Der Strom durch den ausgewählten Schalter fliesst durch die Zwischenkreisinduktivität. Umgekehrt fliesst auch der ganze Zwischenkreisstrom durch den ausgewählten Schalter. Der Zwischenkreisstrom fliesst durch die beiden anderen Phasen zurück, und wird mittels der beiden gegenüberliegenden Schalter auf diese beiden anderen Phasen aufgeteilt.

[0019] Indem nur diese beiden gegenüberliegenden Schalter (wechselweise) an den positiven respektive negativen Anschlusspunkt geschaltet werden, kann die Anzahl der Umschaltungen in einer Taktperiode halbiert werden, und können grössere Spannungssprünge vermieden werden.

[0020] Als gegenüberliegende Schalter werden bezüglich eines unteren Schalters die oberen Schalter verstanden, und umgekehrt. Ist beispielsweise der untere Schalter des ersten Brückenzweigs der ausgewählte Schalter, so sind die gegenüberliegenden Schalter in den nicht ausgewählten Brückenzweigen gleich den oberen Schaltern im zweiten und dritten Brückenzweig.

[0021] In Ausführungsformen wird jeweils in einem zeitlichen Abschnitt durch die Taktung in jedem der anderen beiden, nicht ausgewählten, Brückenzweige, jeweils ein sinusförmiger Phasenstrom eingestellt.

[0022] In Ausführungsformen stellt der Lastkonverter durch Taktung eine Spannung an einem lastkonverterseitigen Anschluss der Zwischenkreisinduktivität ein, welche im Zusammenwirken mit einer durch die Dreiphasen-Brückenschaltung gebildete geschaltete Gleichspannung am anderen, brückenschaltungsseitigen Anschluss der Zwischenkreisinduktivität einen vorgegebener Zwischenkreisstrom ergibt.

[0023] Hier und im Folgenden wird der Einfachheit halber die Wechselspannungsseite oder Netzseite als Eingang betrachtet, und die Gleichspannungsseite als Ausgang. Ein Leistungsfluss kann aber nicht nur vom Eingang zum Ausgang sondern auch umgekehrt erfolgen. Soll die Schaltung einen Leistungsfluss in beide Richtungen erlauben, so sind die verwendeten Leistungsschalter in der Regel auch bidirektional leitend und schaltend, d.h. sie können Ströme in beide Richtungen durch den Schalter führen und ein- oder ausschalten. Soll ein Leistungsfluss in nur eine Richtung realisiert werden, können unidirektional leitende und schaltende Leistungsschalter verwendet werden.

[0024] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Figur 1: Leistungsteil des Systems, wobei der Eingangsteil als bidirektional sperrfähige Dreiphasenbrückenschaltung und ein Lastkonverter als DC/DC-Hochsetzsteller ausgeführt ist. Figur 2: Stromverläufe der Netzeingangsströme (ia, ibund ic) sowie des Zwischenkreisstromes iL. Die Unterteilung in die sechs Stromsektoren sowie die Zuteilung der Netzströme auf den Zwischenkreisstrom (iL) erfolgt in Abhängigkeit der Stromverhältnisse der Netzeingangsströme, wobei der Zwischenkreisstrom (iL) immer dem betragsmässig grössten Netzeingangsstrom (ia, iboder ic) entspricht. Figur 3: Spannungsverläufe der Netzeingangsspannungen (ua, ubund uc) sowie der geschalteten Gleichspannung ubuim dritten Sektor zum Zeitpunkt (t1) für das konventionelle Regelungsverfahren. Der Verlauf der geschalteten Gleichspannung ubuweist dabei vier Spannungsintervalle, beginnend mit einem Freilaufintervall (ucc), auf, d.h. während einer Schaltperiode sind insgesamt vier Umschaltungen notwendig. Figur 4: Beispielhafte Spannungsverläufe der Netzeingangsspannungen (ua, ubund uc) sowie der geschalteten Gleichspannung ubuim dritten Sektor zum Zeitpunkt (t1) für erfindungsgemässe Regelungsverfahren. Der Verlauf der geschalteten Gleichspannung ubuweist dabei nur zwei Spannungsintervalle auf, d.h. während einer Schaltperiode kann die Anzahl Umschaltungen auf zwei reduziert werden. Figur 5: (zusammengesetzt aus Figuren 5a und 5b) Schaltungstechnische Realisierung des Verfahrens zur Regelung und Modulation des Systems nach Figur 1. Figur 6: Alternative Ausführung des Lastkonverters als aktives stromeinprägendes Serienelement in Form einer Schaltzelle, d.h. der Lastkonverter ist eine in der Verbindungsleitung von positiver Ausgangsspannungsschiene des Dreiphasenbrückenzweiges und positiver Ausgangsspannungsklemme angeordnete Vollbrückenschaltzelle, welche über entsprechende Taktung den Zwischenkreisstrom aktiv formt. Figur 7: Alternative Ausführung des Lastkonverters als Pulskonverter, insbesondere als Pulswechselrichter, zur direkten Speisung einer Maschine M.

[0025] Es wird also im Stromzwischenkreis anstelle eines konstanten Stromes der Stromzwischenkreisverlauf (iL) derart geregelt, dass sich über eine Netzperiode ein sechspulsiger Strom einstellt, dessen Momentanwert jeweils dem betragsmässig grössten Phasenstrom entspricht (vgl.Figur 2). Somit kann innerhalb eines Eingangsstromsektors jeweils der zum grössten Phasenstrom zugehörige Brückenzweig in Abhängigkeit der Polarität des grössten Phasenstromes durchgeschaltet werden, d.h. für einen positiven Phasenstrom bleibt der obere Schalter und für einen negativen Phasenstrom bleibt der untere Schalter innerhalb eines Eingangsstromsektors eingeschaltet, und es kann eine Umschaltung dieses Brückenzweiges in den Freilauf, d.h. gleichzeitiges Einschalten des oberen und unteren Schalter, verhindert werden.

[0026] Abweichend zu einer konventionellen Realisierung mit konstantem Strom im Stromzwischenkreis wird also der Freiheitsgrad bezüglich der Wahl des Zwischenkreisstromverlaufes ausgenutzt, wobei die Formung des grössten Phasenstromes durch zeitliche Änderung des Stromes im Stromzwischenkreis anstelle durch Pulsbreitenmodulation aller Phasen erfolgt. Das erfindungsgemässe Verfahren vermeidet somit eine Taktung des Brückenzweiges mit dem betragsmässig grössten Phasenstrom, was vorteilhaft geringere Schaltverluste und einen geringeren Ansteuerleistungsbedarf sichergestellt (vgl.Figur 2).

[0027] Weiters wird innerhalb eines Eingangsstromsektors für den betragsmässig grössten Phasenstrom ein kontinuierlicher Stromverlauf erreicht, was vorteilhaft zu einer geringeren EMV-Störaussendung und somit besserem EMV-Verhalten führt.

[0028] Da Pulsgleichrichtersysteme typischerweise keine Verbindung mit dem Netzsternpunkt (m) aufweisen, wird die Summe der Phasenströme zu Null gezwungen bzw. der grösste Phasenstrom fliesst als Summe über die beiden anderen Phasen zurück. Da beim erfindungsgemässen Verfahren der Brückenzweig mit dem grössten Phasenstrom nicht getaktet wird, erfolgt die Aufteilung des grössten Phasenstromes auf die beiden anderen Phasen ausschliesslich durch Umschaltung zwischen den beiden restlichen Brückenzweige anstelle einer Umschaltung zwischen allen Brückenzweigen, wobei die Leitdauer der beiden Durchschaltintervalle derart aufgeteilt werden kann, dass auch in den beiden anderen Phasen ein sinusförmiger Phasenstromverlauf erreicht wird (vgl.Figur 2).

[0029] Basierend auf konventioneller Steuerung mit symmetrischem Pulsmuster, setzt sich in diesem Fall die geschaltete Gleichspannung am Ausgang der Dreiphasenbrückenschaltung nur noch aus zwei anstelle von drei verketteten Eingangsspannungen, d.h. zwei statt drei Spannungsstufen, zusammen, wodurch die Anzahl der Umschaltungen in einer Taktperiode im Vergleich zum konventionellen Verfahren von vier auf zwei halbiert werden kann. Vorteilhaft kann dabei beide Male der grösste Spannungssprung vermieden werden, wodurch geringere Schaltverluste sowie eine geringere schaltfrequente Stromwelligkeit in der Zwischenkreisinduktivität erreicht werden (vgl.Figur 3 und 4).

[0030] Nachfolgend ist dieser Sachverhalt unter Annahme ohmschen Netzverhaltens am Beispiel des dritten Eingangsstromsektors, bei dem der betragsmässig grösste Phasenstrom in der Phase (c) fliesst, für das konventionelle sowie das erfindungsgemässe Verfahren erklärt.

[0031] Währendem beim konventionellen Verfahren der Zwischenkreisstrom konstant und mindestens auf dem Spitzenwert der Eingangsphasenströme gehalten wird und somit alle Phasenströme während einer ganzen Netzperiode bzw. bis auf sechs diskrete Zeitpunkte immer kleiner als der Zwischenkreisstrom sind, müssen jeweils alle drei Brücken getaktet werden, um einen sinusförmigen Verlauf aller Phasenströme zu erreichen. Wie beispielhaft inFigur 3für den Zeitpunkt (t1) gezeigt, setzt sich dann die geschaltete Gleichspannung (ubu) unter Annahme eines symmetrischen Pulsmusters aus vier Spannungsintervallen zusammen, wobei beginnend mit einem Freilaufintervall (ucc) der obere und untere Schalter des zur Phase (c) gehörigen Brückenzweiges eingeschaltet werden und anschliessend für die zwei aktiven verketteten Spannungen (ubc) und (uac) jeweils nur der obere Schalter der Phase (b) oder (a) eingeschaltet wird.

[0032] Wird der Zwischenkreisstrom (iL) gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren auf einen sechspulsigen Verlauf entsprechend dem betragsmässig grössten Phasenstromes geregelt, so kann, wie beispielhaft inFigur 4für denselben Zeitpunkt (t1) gezeigt, auf das Freilaufintervall (ucc) verzichtet werden, wobei sich dann die geschaltete Gleichspannung (ubu) unter Annahme eines symmetrischen Pulsmusters nur aus zwei Spannungsintervallen zusammensetzt, d.h. den zwei aktiven verketteten Spannungen (ubc) und (uac) wobei jeweils nur der obere Schalter der Phase (b) oder (a) eingeschaltet wird und der untere Schalter der Phase (c) dauernd eingeschaltet bleibt.

[0033] Anzumerken ist, dass beim konventionellen Verfahren zwar der untere Schalter des zur Phase (c) gehörigen Brückenzweiges ebenfalls dauernd eingeschaltet bleibt, aber die oberen Schalter jeweils während einer Schaltperiode zwischen allen drei Phasen wechseln, währendem beim erfindungsgemässen Verfahren die oberen Schalternur zwischen zwei Phasen wechseln und somit der Zwischenkreisstrom (iL) während des gesamten inFigur 4gezeigten Intervalls über die Phase (c) zurückfliesst. Entsprechend dem Beispiel erfolgt das Pulsmuster sowie die geschaltete Spannung für die anderen Sektoren durch zyklische Vertauschung der Phasen.

[0034] Anzumerken ist, dass zeitliche Schwankungen des Zwischenkreisstromes (iL) durch entsprechende Pulsbreitenmodulation des nachgeschalteten Lastkonverters, beispielsweise einer Hochsetzstellerstufe, ausgeglichen werden können, d.h. nach wie vor eine konstante Ausgangsspannung (uo) gebildet werden kann. Insbesondere kann dazu durch den Lastkonverter die Spannung (ubo) am lastkonverterseitigen Anschluss der Zwischenkreisinduktivität so eingestellt werden, dass sich im Zusammenwirken mit der Spannung am anderen, brückenschaltungsseitigen Anschluss (zur Brückenschaltung hin, also die geschaltete Gleichspannung ubu) der gewünschte Zwischenkreisstrom (iL) ergibt. Die geschaltete Gleichspannung ubuist durch die Netzspannungen und die Schaltzustände der Dreiphasen-Brückenschaltung (2) vorgegeben. Der gewünschte Zwischenkreisstrom (iL) soll - da er abschnittsweise gleich einem der Phasenströme ist - dem erwähnten sechspulsigen Verlauf folgen.

[0035] Anzumerken ist, dass das zweistufige Dreiphasen-Hochsetzsteller-Pulsgleichrichtersystem nicht auf eine reine Hochsetzstellerfunktion beschränkt ist, sondern auch als Tiefsetzsteller betrieben werden kann. In diesem Fall ist der obere Schalter des ausgangsseitigen Hochsetzstellers durchzuschalten, sodass die Ausgangsspannung (uo) dem Mittelwert der geschalteten Gleichspannung am Ausgang des Dreiphasengleichrichters (ubu) entspricht; die aktive Dreiphasenbrücke wird dann als konventioneller Tiefsetzsteller betrieben, wobei zur Regelung eines konstanten Zwischenkreisstromes bzw. Ausgangsspannung mehr als zwei Brückenzweige zu takten sind. Für die Regelung dann ein Verfahren nach dem Stand der Technik verwendet werden. In Abhängigkeit des Betriebes (Hoch- oder Tiefsetzstellerbetrieb) wird also zwischen der erfindungsgemässen Regelung und einer Regelung nach Stand der Technik umgeschaltet.

[0036] Das durch das erfindungsgemässe Verfahren zu steuernde und zu regelnde Dreiphasen-Tief-Hochsetzsteller-Pulsgleichrichtersystem kann mit bekannter Struktur eingangsseitig durch eine bidirektional sperrfähige Dreiphasen-Zweipunktbrückenschaltung (2) (Brückenschaltung) mit drei AC-Phaseneingängen (a, b und c) und einer positiven (p) und einer negativen Spannungsschiene (n) gebildet werden, wobei beide Spannungsschienen an den Eingang einer ausgangsseitigen Konverterstufe (Lastkonverter) (3) geführt werden, welche einen Verbraucher speist, bzw. über dem Verbraucher eine Spannung (Lastspannung) (uo) erzeugt (vgl.Figur 1).

[0037] Weiters sind die Phaseneingänge der Brückenschaltung (a, b und c) entweder direkt oder über ein Eingangsfilter mit den zugehörigen Phasenklemmen (a, b und c) des speisenden Dreiphasen-AC-Netzes (Netz) (1) verbunden, wobei aber mindestens jeder Phaseneingang der Brückenschaltung (a, b und c) auf einen Filterkondensator (Netzfilterkondensatoren) (C) geführt wird, welche entweder in Stern- oder in Dreieck verschaltet sind, um die betriebsmässig auftretenden pulsförmigen Eingangsströme in den Dreiphasenbrückenschaltung vom Netz fernzuhalten bzw. die Versorgungsspannung unabhängig von der inneren Impedanz des Netzes zu definieren.

[0038] Die Brückenschaltung (2) weist dabei allgemein drei Brückenzweige auf, wobei jeder Brückenzweig einen oberen mit der positiven Spannungsschiene (p) und einen unteren mit der negativen Spannungsschiene (n) verbundenen elektronischen Schalter mit bipolarer Sperrfähigkeit aufweist und der Phasenausgang des Brückenzweiges (a, b und c) durch die Verbindungsstelle der freien Enden des oberen und unteren Schalters gebildet wird. Die bipolar sperrfähigen Schalter (21 und 22) können jeweils z.B. durch die Antiserienschaltung eines unidirektional sperrenden Bauelements und einer Diode, der Antiserienschaltung zweier unidirektional sperrenden Bauelemente, oder durch ein bidirektional sperrendes Bauelement realisiert werden.

[0039] Weiters kann der Lastkonverter (3) wie einleitend angemerkt als einfacher bidirektionaler Hochsetzsteller gebildet gedacht sein, welcher einen geschalteten Zweipunkt-Brückenzweig (Hochsetzstellerbrückenzweig) (31) aufweist, dessen oberer Schalter (311) mit der positiven DC-Ausgangsspannungsschiene (d) und unterer Schalter (312) mit der negativen DC-Ausgangsspannungsschiene (n) verbunden ist, wobei zwischen diesen beiden DC-Ausgangsspannungsschienen ein Pufferkondensator (Ausgangskondensator) (Co) angeordnet ist, um die Ausgangsspannung (uo) für die darüber anliegende Last zu stützen.

[0040] Der Schaltpunkt (p) des Zweipunkt-Brückenzweiges (31), d.h. der Verbindungspunkt des oberen Schalters (311) und unteren Schalter (312), ist auf einen ersten Anschluss einer Hochsetzstellerinduktivität (L) geführt, deren zweiter Anschluss eingangsseitig an die positive Spannungsschiene (p) der eingangsseitigen Dreiphasenbrückenschaltung (2) geschaltet ist und somit als Zwischenkreisinduktivität fungiert. Die negative Ausgangsspannungsklemme des Zweipunkt-Brückenzweiges (31) ist direkt mit der negativen Spannungsschiene (n) verbunden.

[0041] Die Modulation des Systems erfolgt in Abhängigkeit der Grössenverhältnisse der Netzphasenströme (mit anderen Worten: in Abhängigkeit der Relationen der Absolutwerte der Netzphasenströme), wobei für ein symmetrisches Dreiphasennetz abschnittsweise innerhalb von 1/6 der Netzperiode, d.h. innerhalb eines 60°-breiten Sektors oder Abschnitts einer 360° entsprechenden kompletten Schwingungsperiode der Netzspannungen, jeweils der zum grössten Phasenstrom zugehörige Brückenzweig in Abhängigkeit der Polarität des grössten Phasenstromes durchgeschaltet wird, wobei für einen positiven Phasenstrom der obere Schalter (21) und für einen negativen Phasenstrom der untere Schalter (22) innerhalb eines Eingangsstromsektors eingeschaltet bleibt, Somit resultiert für den Zwischenkreisstrom (iL) ein über eine Netzperiode sechspulsiger Verlauf, wobei dessen Momentanwert jeweils dem betragsmässig grössten Phasenstrom entspricht (vgl.Figur 2).

[0042] Figur 2zeigt beispielsweise in einem ersten zeitlichen Abschnitt, entsprechend einem Sektor 1: der betragsmässig grösste Strom ist ib, er fliesst in der zweiten Phase (b) und hat ein negatives Vorzeichen. Somit ist während der Dauer dieses Abschnitts der untere Schalter sb,Lder zweiten (oder ausgewählten) Phase durchgeschaltet und führt den Zwischenkreisstrom (iL). Es bleiben der obere Schalter sb,Hdieser ausgewählten Phase und die beiden anderen unteren Schalter sa,L, sc,Lgeöffnet. Die beiden anderen oberen Schalter sa,H, sc,Hkönnen geschaltet werden, um den zurückfliessenden Zwischenkreisstrom (iL) auf die entsprechenden (nicht ausgewählten) zwei Phasen aufzuteilen.

[0043] Der grösste Phasenstrom bzw. der Zwischenkreisstrom (iL) muss als Summe über die beiden anderen Phasen zurückfliessen. Fliesst also der grösste Phasenstrom über den unteren Schalter (22) so müssen abwechselnd die oberen Schalter (21) der zu den beiden anderen Phasen zugehörigen Brückenzweige eingeschaltet werden, wobei deren unterer Schalter (22) dauernd ausgeschaltet bleibt. Die Schaltperiodendauer wird auf die beiden Durchschaltintervalle derart aufgeteilt, dass in allen Phasen ein sinusförmiger Phasenstromverlauf erreicht wird. Wird die Phase mit dem grössten Phasenstrom über einen den oberen Schalter (21) geführt, so müssen entsprechend die unteren Schalter (22) der beiden anderen Phasen abwechselnd eingeschaltet werden, wobei dann deren oberer Schalter (22) dauernd ausgeschaltet bleibt (vgl.Figur 2).

[0044] Vorteilhaft werden dann nur zwei statt drei verkettete Eingangsspannungen an den Ausgangsklemmen der Dreiphasenbrückenschaltung aufgeschaltet, wodurch die Anzahl der Umschaltungen und somit die Schaltverluste sowie die schaltfrequente Stromwelligkeit in der Zwischenkreisinduktivität verringert werden (vgl.Figur 3 und 4). Diese zeigen einen zeitlich stark vergrösserten Ausschnitt mit den Spannungsverhältnissen innerhalb einer Taktperiode Tp. Während dieser können die Spannungen als quasi konstant betrachtet werden. Typischerweise beträgt eine Taktfrequenz mindestens das Zehnfache oder Zwanzigfache oder Fünfzigfache einer Grundfrequenz der Wechselspannungen, insbesondere der Netzspannungen.

[0045] Wechseln beim Übertritt in den nächstfolgenden Sektor oder Abschnitt die Grössenverhältnisse der Eingangsströme, wird auch die Modulation entsprechend angepasst. Das heisst, die Phase mit dem jeweils grössten Phasenstrom ist in jedem Sektor einer anderen physischen Phase zugeordnet (vgl.Figur 2).

[0046] Ziel der Regelung des Systems ist es, in den Netzphasen sinusförmige, in Phase (für Leistungsbezug aus dem Netz, bzw. in Gegenphase für Leistungsrückspeisung) mit der zugehörigen Netzphasenspannung (ua, ubund uc) liegende Ströme (ia, ibund ic) zu erreichen, wobei für ein symmetrisches Netz sämtliche Ströme dieselbe Amplitude aufweisen und optional am Ausgang des Lastkonverters (3) eine definierte Lastspannung (uo) entsprechend einem vorgegebenen Sollwert (Lastspannungssollwert) (uo*) zu erzeugen, bzw. allgemein eine definierte Leistung an den Verbraucher zu liefern (vgl.Figur 5). Alternativ können die Netzphasenströme auch eine Phasenverschiebung gegenüber den zugehörigen Netzphasenspannungen aufweisen. Für die weitere Beschreibung wird allerdings im Sinne der Übersichtlichkeit ohmsches Netzverhalten angenommen. Entsprechend ist das System vom Netz aus betrachtet ersatzweise als Sternschaltung gleicher ohmsche Widerstände (Eingangsersatzwiderstände) bzw. Leitwerte (Eingangsersatzleitwerte) zu sehen, deren Leistung unter idealisierender Annahme von Verlustfreiheit direkt an den Ausgang, d.h. an den Verbraucher weitergegeben wird.

[0047] Diesem Gedanken folgend wird der Sollwert des Eingangsersatzleitwertes (Eingangssollleitwert) (G*) in Abhängigkeit der Lastspannungsregelabweichung, d.h. der Differenz eines vorgegebenen Lastspannungssollwertes (uo*) und des gemessenen Lastspannungsistwertes (uo) gebildet, indem die Lastspannungsregelabweichung an den Eingang eines Ausgangsspannungsreglers (51) geführt wird, welche am Ausgang den erforderlichen Sollwert des Nachladestromes (iCo*) des Ausgangskondensators (Co) bildet, womit nach (optionaler) Addition des gemessenen Laststromes (Lastromvorsteuerung) (iLoad) und Multiplikation dieser Stromsumme mit der Ausgangsreferenzspannung (uo*) der Sollwert der an den Ausgang zu liefernden Leistung (Ausgangsleistungssollwert) (Po*) resultiert, welcher letztlich aus dem Netz zu beziehen ist, also bei Vernachlässigung der Verluste des Systems direkt den Eingangsleistungssollwert definiert. Entsprechend wird im nächsten Schritt mit Division durch die Summe der Quadrate der Eingangsphasenspannungen (ua, ubund uc) der Eingangssollleitwert (G*) bestimmt, wodurch er einer Leistungsaufnahme aus dem Netz in Höhe des Ausgangsleistungssollwertes (Po*) entspricht.

[0048] Durch Multiplikation des Eingangssollleitwertes (G*) mit den gemessenen Phasenspannungen (ua, ubund uc) resultieren dann die Eingangsphasenstromsollwerte (ia*, ib* und ic*), aus denen wiederum der Zwischenkreisstromsollwert (iL*) ermittelt wird, indem von allen Eingangsphasenstromsollwerten (ia*, ib* und ic*) der Betrag gebildet wird und der grösste Wert als Zwischenkreisstromsollwert (iL*) verwendet wird.

[0049] Weiters können nun aus dem Verhältnis der jeweiligen Eingangsphasenstromsollwerten (ia*, ib* und ic*) und dem Zwischenkreisstromsollwert (iL*) die Tastverhältnisse für die Dreiphasenbrückenschaltung (da, dbund dc) berechnet werden, aus denen dann die effektiven Tastgrade (da,H, da,L, db,H, db,L, dc,Hund dc,L) sowie der lokale Mittelwert der geschalteten Gleichspannung am Ausgang der Dreiphasenbrückenschaltung (ubu) gewonnen werden. • Entweder ist das berechnete Tastverhältnis (da, dboder dc) positiv und die relative Einschaltzeit für den oberen Schalter (da,H, db,Hoder dc,H) entspricht dann gerade dem berechneten Tastverhältnis (da, dboder dc) wobei der untere Schalter immer ausgeschaltet bleibt, d.h. die Einschaltzeit ist für den unteren Schalter (da,L, db,Loder dc,L) Null, • oder das Tastverhältnis (da, dboder dc) ist negativ und der obere Schalter bleibt ausgeschaltet, d.h. die Einschaltzeit für den oberen Schalter (da,H, db,Hoderdc,H) ist Null, wobei dann die relative Einschaltzeit für den unteren Schalter (da,L, db,Loder dc,L) gerade dem Betrag des berechneten Tastverhältnisses (da, dboder dc) entspricht.

[0050] Aus den effektiven Tastgraden der einzelnen Schaltern (da,H, da,L, db,H, db,L, dc,Hund dc,L) werden anschliessend im Modulator die effektiven Schaltsignale (sa,H1, sa,H2, sa,L1, sa,L2, sb,H1, sb,H2, sb,L1, sb,L2, sc,H1, Sc,H2, sc,L1und sc,L2) für die einzelnen Schalter erzeugt.

[0051] Der lokale Mittelwert der geschalteten Gleichspannung (ubu) ergibt sich entweder durch Multiplikation der berechneten Tastverhältnisse (da, dbund dc) mit den entsprechenden Phasenspannungen (ua, ubund uc) oder alternativ (nicht gezeigt) durch Division des Ausgangsleistungssollwertes (Po*) durch den Zwischenkreisstromsollwert (iL*).

[0052] Die Regelung des Zwischenkreisstromes oder Induktivitätsstromes (iL) erfolgt anschliessend mit einer unterlagerten Stromregelung indem zuerst die Regelabweichung durch Subtraktion des gemessenen Zwischenkreisstromes (iL) vom Zwischenkreisstromsollwert (iL*) ermittelt wird und dieser dann einem Zwischenkreisstromregler (52) zugeführt wird, welcher an seinem Ausgang den Sollwert der im Mittel über eine Taktperiode an der zugehörigen Zwischenkreisinduktivität (L) zu bildenden Spannung (uL*) ausgibt. Nach Subtraktion dieses Sollwertes (uL*) vom berechneten lokalen Mittelwert der geschalteten Gleichspannung (ubu) resultiert der lokale Mittelwert des Spannungssollwerts (ubo*) der am Mittelpunkt des Hochsetzstellerbrückenzweiges erforderlich ist. Wird diese Mittelpunktspannung (ubo*) durch den Sollwert der Ausgangsspannung (uo*) dividiert, so ergibt sich daraus direkt die relative Einschaltdauer (dd) bzw. aus einem Modulator (53) das effektive Schaltsignal (sd) für den oberen Schalter (311) des Hochsetzstellerbrückenzweiges, wobei während der Einschaltdauer des oberen Schalters (311) der untere Schalter (312) des Brückenzweiges ausgeschaltet wird, d.h. beide Schalter des Brückenzweiges im Gegentakt arbeiten und die Taktperiode bevorzugt eine konstante Länge bzw. die Taktfrequenz bevorzugt einen konstanten Wert aufweist. Insgesamt wird so der Zwischenkreisstromistwert (iL) entsprechend dem zugehörigen Zwischenkreisstromsollwertverlauf (iL*) geführt.

[0053] Anzumerken ist, dass die Taktung der Dreiphasenbrückenschaltung und des Hochsetzstellerbrückenzweiges beispielsweise mit gleicher Taktfrequenz vorgenommen und zeitlich so gelegt werden kann, dass eine minimale schaltfrequente Schwankung des Zwischenkreisstromes (iL) erreicht wird.

[0054] Anzumerken ist, dass neben der Ausführung des Lastkonverters als DC/DC-Hochsetzsteller mehrere weitere Realisierungsformen bestehen: • eine Vollbrückenschaltzelle 6 mit innerer DC-Spannung, zur Implementierung einer aktiven Formung des Zwischenkreisstromes (vgl.Figur 6). Der Zwischenkreisstrom ist gleich dem Ausgangsstrom, welcher über entsprechende Taktung der Vollbrückenschaltzelle 6 eingeprägt wird. Da die Zelle nur Leistungspulsationen mit sechsfacher Netzfrequenz ausgleicht, ist keine DC-seitige Speisung erforderlich. Zudem können vorteilhaft für die Vollbrückenschaltzelle 6 im Vergleich zur Dreiphasenbrückenschaltung Schaltelemente mit relativ geringer Sperrspannung eingesetzt werden. Die • Ein Dreiphasen-Pulskonverter, insbesondere Pulswechselrichter 7 (vgl.Figur 7), • oder eine andere spannungsstabilisierende Konverterstufe wie z.B. auch galvanisch getrennte DC/DC-Wandler.

[0055] Die Vollbrückenschaltzelle 6 weist zwei Anschlüsse auf. Sie kann gebildet werden durch zwei Brückenzweige, welche parallel zueinander und parallel zu einer Schaltzellenkapazität zwischen einen Schaltzellenpluspol und einen Schaltzellenminuspol geschaltet sind. Die Mittelabgriffe der Brückenzweige bilden die beiden Anschlüsse.

[0056] Die Leistungsschalter der Vollbrückenschaltzelle 6 können unidirektional schaltend ausgeführt sein, jeweils mit antiparallelen Freilaufdioden.

[0057] Anzumerken ist, dass für die Zeichnungen und die obenstehenden Ausführungen ohmsches Netzverhalten als erwünscht angenommen wird, das erfindungsgemässe Steuerverfahren jedoch auch für eine Phasenverschiebung der Netzphasenströme gegenüber den zugeordneten Netzphasenspannungen Anwendung finden kann, wobei dann zu den Phasenstromsollwerten (welche gemäss den obigen Ausführungen für ohmsches Netzverhalten gebildet werden) entsprechende Blindkomponenten addiert werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Regeln eines Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystems (1, 2, 3), welches eine Dreiphasen-Brückenschaltung (2) zum Leistungsaustausch zwischen einem Dreiphasennetz (1) und einer Zwischenkreisinduktivität (L) und einen Lastkonverter (3) zum Leistungsaustausch zwischen der Zwischenkreisinduktivität (L) und einer Last, aufweist, wobei die Brückenzweige der Dreiphasen-Brückenschaltung (2) zum Schalten von durch die Zwischenkreisinduktivität (L) fliessenden Phasenströmen angeordnet sind, wobei in zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten, welche jeweils ein Sechstel der Periodendauer des Dreiphasennetzes dauern, jeweils in einem Abschnitt • in jenem Brückenzweig, im Folgenden ausgewählter Brückenzweig genannt, der Dreiphasen-Brückenschaltung (2), welchem die Netzphase mit dem betragsmässig grössten Phasenstrom, im Folgenden ausgewählte Netzphase genannt, zugeordnet ist, diese Netzphase wahlweise in Abhängigkeit der Polarität des Phasenstromes mit einem Schalter des ausgewählten Brückenzweigs, im folgenden ausgewählter Schalter genannt, einem positiven Anschlusspunkt (p) oder einem negativen Anschlusspunkt (n) der Dreiphasen-Brückenschaltung (2) verbunden wird, wobei diese Netzphase bei positivem Phasenstrom mit dem positiven und bei negativem Phasenstrom mit dem negativen Anschlusspunkt verbunden wird, und während der Dauer dieses Abschnitts verbunden bliebt, • in den anderen beiden, nicht ausgewählten, Brückenzweigen durch Taktung der dem ausgewählten Schalter gegenüberliegenden Schalter der entsprechende positive respektive negative Anschlusspunkt wechselweise mit den beiden nicht ausgewählten Phasen verbunden wird.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei jeweils in einem zeitlichen Abschnitt durch die Taktung in jedem der anderen beiden, nicht ausgewählten, Brückenzweige jeweils ein sinusförmiger Phasenstrom eingestellt wird.

3. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei der Lastkonverter durch Taktung eine Spannung (ubo) an einem lastkonverterseitigen Anschluss der Zwischenkreisinduktivität (L) einstellt, welche im Zusammenwirken mit einer durch die Dreiphasen-Brückenschaltung (2) gebildeten geschalteten Gleichspannung (ubu) am anderen, brückenschaltungsseitigen Anschluss der Zwischenkreisinduktivität (L) einen vorgegebenen Zwischenkreisstrom (iL) ergibt.

4. Verfahren gemäss Anspruch 3, wobei der Zwischenkreisstrom (iL) durch einen Zwischenkreisstromsollwert (iL*) vorgegeben wird, und dieser gemäss den folgenden Schritten bestimmt wird: • ein Eingangssollleitwert (G*) wird in Abhängigkeit einer Lastspannungsregelabweichung, welche gleich der Differenz eines vorgegebenen Lastspannungssollwertes (uo*) und eines gemessenen Lastspannungsistwertes (uo) ist, gebildet, o indem die Lastspannungsregelabweichung an den Eingang eines Ausgangsspannungsreglers (51) geführt wird, welcher am Ausgang einen Sollwert einen Nachladestromes (iCo*) eines Ausgangskondensators (Co) des Lastkonverters (3) bildet, aus welchem nach optionaler Addition eines gemessenen Laststromes (iLoad) und nach Multiplikation mit einer Ausgangsreferenzspannung (uo*) ein Ausgangsleistungssollwert (Po*) einer an den Ausgang des Lastkonverters (3) zu liefernden Leistung resultiert; o und durch Division des Ausgangsleistungssollwerts (Po*) durch eine Summe von Quadraten von Eingangsphasenspannungen (ua, ubund uc) der Eingangssollleitwert (G*) bestimmt wird, wodurch dieser einer Leistungsaufnahme aus dem Dreiphasennetz (1) in Höhe des Ausgangsleistungssollwertes (Po*) entspricht; und • durch Multiplikation des Eingangssollleitwertes (G*) mit gemessenen Phasenspannungen (ua, ubund uc) Eingangsphasenstromsollwerte (ia*, ib* und ic*) bestimmt werden, aus denen der Zwischenkreisstromsollwert (iL*) ermittelt wird, indem von allen Eingangsphasenstromsollwerten (ia*, ib* und ic*) der Betrag gebildet wird und der grösste Wert als Zwischenkreisstromsollwert (iL*) verwendet wird.

5. Verfahren gemäss Anspruch 4, wobei aus den Verhältnissen der Eingangsphasenstromsollwerte (ia*, ib* und ic*) und dem Zwischenkreisstromsollwert (iL*) Tastverhältnisse (da, dbund dc) der Dreiphasen-Brückenschaltung (2) berechnet werden, aus denen die effektiven Tastgrade (da,H, da,L, db,H, db,L, dc,Hund dc,L) bestimmt werden, indem jeweils für einen Brückenzweig der Dreiphasen-Brückenschaltung (2) • falls das berechnete Tastverhältnis (da, dboder dc) positiv ist, die relative Einschaltzeit für einen oberen Schalter (da,H, db,Hoder dc,H) des Brückenzweigs gleich dem berechneten Tastverhältnis (da, dboder dc) ist, und der untere Schalter des Brückenzweigs immer ausgeschaltet bleibt; • falls das Tastverhältnis (da, dboder dc) negativ ist, der obere Schalter des Brückenzweigs ausgeschaltet bleibt, und die relative Einschaltzeit für den unteren Schalter (da,L, db,Loder dc,L) des Brückenzweigs gleich dem Betrag des berechneten Tastverhältnisses (da, dboder dc) ist.

6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 4 oder 5, in welchem zum Erreichen einer Phasenverschiebung von Netzspannung und Netzstrom zu den Eingangsphasenstromsollwerten entsprechende Blindkomponenten addiert werden.

7. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem der Lastkonverter (3) als Hochsetzsteller betrieben wird.

8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem • der Lastkonverter (3) als Pulswechselrichter betrieben wird; oder • der Lastkonverter (3) eine in einer Verbindungsleitung zwischen positiver Zwischenkreisspannungs- und positiver Ausgangsspannungsklemme des Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystems oder zwischen negativer Zwischenkreisspannungs- und negativer Ausgangsspannungsklemme des Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystems angeordnete Vollbrückenschaltzelle mit innerer Schaltzellenkapazität ist, und als Vollbrückenschaltzelle mit innerer Schaltzellenkapazität betrieben wird.

9. Verfahren gemäss Anspruch 7, welches zwischen einer ersten Betriebsart und einer zweiten Betriebsart umschaltet, wobei • in der ersten Betriebsart die Dreiphasen-Brückenschaltung (2) wie die in einem der Ansprüche 1 bis 6 beschriebene Dreiphasen-Brückenschaltung (2) betrieben wird und der Lastkonverter (3) als Hochsetzsteller betrieben wird; und • in der zweiten Betriebsart die Dreiphasen-Brückenschaltung (2) als Tiefsetzsteller betrieben und der Lastkonverter (3) seinen Ausgang an seinen Eingang schaltet und nicht getaktet wird.