CH715813B1 - Method for controlling a three-phase pulse-controlled rectifier system with a current link. - Google Patents
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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).The invention relates to a method for controlling a three-phase pulse rectifier system (1, 2, 3) with a three-phase bridge circuit (2), an intermediate circuit inductance (L) and a load converter (3). In chronologically consecutive sections, the following is carried out in each section: • In that bridge branch, hereinafter referred to as the selected bridge branch, of the three-phase bridge circuit (2) to which the mains phase with the highest phase current in terms of absolute value, hereinafter referred to as the selected mains phase, is assigned depending on the polarity of the phase current, this mains phase is connected to a switch of the selected bridge arm, hereinafter referred to as the selected switch, a positive connection point (p) or a negative connection point (n) of the three-phase bridge circuit (2), with this mains phase being connected to a positive phase current connected to the positive terminal and to the negative terminal when the phase current is negative, and remain connected for the duration of this segment. • In the other two, non-selected bridge branches, the corresponding positive or negative connection point is alternately connected to the two non-selected phases by pulsing the switch opposite the selected switch. The invention also relates to a device for controlling a three-phase pulse rectifier system (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. The invention relates to the field of three-phase pulse rectifier systems, in particular to a method for controlling the input phase currents to a sinusoidal shape and the output DC voltage.
[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. In order to convert the voltage of the three-phase network into a DC voltage, the DC value of which is below the minimum value of the rectified line-to-line three-phase voltage, as is required, for example, when charging the batteries of electric vehicles, according to the prior art, active three-phase pulse rectifier systems with step-down converter characteristics are generally used .
[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. The input terminals, i.e. the center taps, of a bidirectionally blocking three-phase bridge circuit are connected directly to the mains terminals, with the individual switching elements of the three bridge branches being connected, for example, by the anti-series circuit of a unidirectional blocking component and a diode, the anti-series circuit of two unidirectional blocking components, or a bidirectional blocking component can be realized.
[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. By appropriate clocking of the bridge arms, which have the function of switching through the input voltage lying at the midpoint to either the positive or negative output voltage rail, a switched DC voltage is now generated at the output of the three-phase bridge circuit, i.e. between the positive and negative output voltage rail, the mean value of which just coincides with the direct voltage to be formed, but whose instantaneous value corresponds in sections to one of the possible concatenated input voltages depending on the selected pulse pattern. To smooth the switched DC voltage to a constant DC output voltage with the same mean value, a low-pass filter consisting of an output inductance and a DC support capacity is therefore arranged at the output terminals of the three-phase bridge circuit.
[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. [0005] Clocking means high-frequency switching of the converters or their power switches, in contrast to the low-frequency profile of the mains voltages. A corresponding clock frequency is also called switching frequency, its reciprocal value is a clock period.
[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. [0006] In terms of low mains feedback, a mains voltage-proportional input current profile is advantageously set by appropriate selection of the pulse pattern. In this case, the three-phase pulse rectifier system behaves like a three-phase resistive load and thus draws constant power from the three-phase network, i.e. when regulated to a constant DC output voltage, a constant DC inductance current or intermediate circuit current flows in the output inductance.
[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. Thus, the clocking of the bridge branches can also be understood as switching the constant DC inductance current to the three input phases, with the pulse pattern being selected in such a way that the distribution of the DC inductance current at the center taps of the three-phase bridge circuit leads to three input currents proportional to the mains voltage at low frequency. Switching the DC inductance current causes switching-frequency pulsed phase currents to be drawn from the center taps of the three-phase bridge circuit, which is why input capacitors are arranged in a star or delta connection at the input of the three-phase pulse rectifier system to smooth the phase currents.
[0008] Alternativ ist in einem gewissen Bereich auch ein Eingangsstromverlauf mit definierter Phasenverschiebung gegenüber der Netzspannung einstellbar. Alternatively, an input current profile with a defined phase shift relative to the mains voltage can also be set within a certain range.
[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). If the underlying application is also to be able to form a higher output voltage, a DC/DC step-up converter stage must be arranged downstream of the system, resulting in a two-stage three-phase step-up converter pulse rectifier system, with the output inductance of the three-phase rectifier also advantageously being used as the inductance of the step-up converter stage step-down converter stage is used, i.e. the bridge branch of the step-up converter stage is arranged between the output inductance of the three-phase rectifier step-down converter stage and the DC back-up capacitance, and the inductance thus forms a DC intermediate circuit inductance as a DC intermediate circuit inductance (see Figure 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. If the step-up converter stage is bidirectional, power supplied by an active load can then also be fed into the DC current intermediate circuit between the two converter stages and from there power can be fed back into the grid. This operation occurs, for example, when photovoltaically generated power is fed into the three-phase network or when a three-phase machine is fed from a DC voltage.
[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. For a compact implementation, it is advantageous in both cases to provide a high clock frequency for the converter stages, although this results in relatively high switching losses, which reduce the efficiency of the energy conversion. Furthermore, for the high-frequency clocking of the electronic switches, a relatively high driving power is required overall, which also impairs the efficiency.
[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. The object of the invention is therefore to create a method for the regulation and modulation of a two-stage three-phase step-up converter pulse rectifier system, which has reduced switching losses, with a sinusoidal mains current curve advantageously lying in phase or in opposite phase with the mains voltage and a constant output voltage should be ensured.
[0013] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Regelverfahren gemäss den Patentansprüchen. [0013] The object is achieved by a control method according to the patent claims.
[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. The method is used to regulate a three-phase pulse rectifier system, which has a three-phase bridge circuit for power exchange between a three-phase network and an intermediate circuit inductance, and a load converter for power exchange between the intermediate circuit inductance and a load.
[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.The bridge arms of the three-phase bridge circuit are arranged for switching phase currents flowing through the intermediate circuit inductance, with successive sections, each lasting one-sixth of the period of the three-phase network, each in a section • in that bridge arm, hereinafter selected bridge arm referred to as, the three-phase bridge circuit, to which the mains phase with the highest absolute value phase current, hereinafter referred to as selected mains phase, is assigned, this mains phase optionally, depending on the polarity of the phase current, with a switch of the selected bridge arm, hereinafter referred to as selected switch, a positive connection point or is connected to a negative connection point of the three-phase bridge circuit, this mains phase being connected to the positive connection point in the case of a positive phase current and to the negative connection point in the case of a negative phase current, and during the period d of this section remains connected, • in the other two, non-selected bridge branches, the corresponding positive or negative connection point is alternately connected to the two non-selected phases by pulsing the switch opposite the selected switch.
[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. In the selected branch of the bridge, the non-selected switch remains open, ie not conductive, for the entire duration of the section. There is therefore no freewheeling of the intermediate circuit current through a bridge arm. Neither the selected switch nor the opposite one in the same phase are clocked. Switching losses and a control power requirement that would occur with clocking are avoided.
[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. [0017] These advantages can also be regarded as a result of the choice that the current through the intermediate circuit inductance is equal to the phase current in the time segment. Instead of a conventional regulation of this current to a constant value, this current develops a six-pulse course over an entire period of the three-phase system.
[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. The current through the selected switch flows through the intermediate circuit inductance. Conversely, the entire intermediate circuit current also flows through the selected switch. The intermediate circuit current flows back through the other two phases and is divided between these two other phases by means of the two opposite switches.
[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. [0019] By only switching these two opposite switches (alternately) to the positive or negative connection point, the number of switchovers in a clock period can be halved, and larger voltage jumps can be avoided.
[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. With respect to a lower switch, the upper switches are understood to be opposite switches, and vice versa. For example, if the bottom switch of the first bridge arm is the selected switch, then the opposite switches in the unselected bridge arms are equal to the top switches in the second and third bridge arms.
[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. In embodiments, a sinusoidal phase current is set in each case in a time section by clocking in each of the other two, unselected, bridge arms.
[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. In embodiments, the load converter uses clocking to set a voltage at a connection of the intermediate circuit inductance on the load converter side, which in conjunction with a switched DC voltage formed by the three-phase bridge circuit at the other connection of the intermediate circuit inductance on the bridge circuit side results in a predetermined intermediate circuit current.
[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. Here and in the following, for the sake of simplicity, the AC voltage side or mains side is considered as the input and the DC voltage side as the output. However, a power flow can not only take place from the input to the output but also vice versa. If the circuit is to allow power to flow in both directions, the power switches used are usually also bidirectionally conducting and switching, i.e. they can conduct currents in both directions through the switch and switch them on or off. If a power flow is to be realized in only one direction, unidirectionally conducting and switching circuit breakers can be used.
[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.The subject of the invention is explained in more detail below with reference to preferred exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. The following are shown schematically in each case: FIG. 1: Power section of the system, the input section being designed as a bidirectionally blocking three-phase bridge circuit and a load converter as a DC/DC step-up converter. Figure 2: Current curves of the mains input currents (ia, ibund ic) and the intermediate circuit current iL. The subdivision into the six current sectors and the allocation of the mains currents to the intermediate circuit current (iL) takes place depending on the current ratios of the mains input currents, with the intermediate circuit current (iL) always corresponding to the largest mains input current (ia, ibor ic) in terms of amount. Figure 3: Voltage curves of the mains input voltages (ua, u and uc) and the switched DC voltage ubu in the third sector at time (t1) for the conventional control method. The course of the switched DC voltage ubu has four voltage intervals, beginning with a freewheeling interval (ucc), i.e. a total of four switchovers are necessary during a switching period. FIG. 4: Exemplary voltage curves of the mains input voltages (ua, u and uc) and the switched DC voltage ubu in the third sector at time (t1) for the control method according to the invention. The course of the switched DC voltage ubu has only two voltage intervals, i.e. the number of switchovers can be reduced to two during a switching period. Figure 5: (Combined from Figures 5a and 5b) Circuit implementation of the method for controlling and modulating the system according to Figure 1. Figure 6: Alternative design of the load converter as an active current-impressing series element in the form of a switching cell, i.e. the load converter is one in the connecting line from positive output voltage rail of the three-phase bridge branch and positive output voltage terminal arranged full-bridge switching cell, which actively forms the intermediate circuit current via appropriate clocking. Figure 7: Alternative design of the load converter as a pulse converter, in particular as a pulse-controlled inverter, for direct feeding of a machine 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. Instead of a constant current, the course of the current intermediate circuit (iL) is regulated in the current intermediate circuit in such a way that a six-pulse current is set over one mains period, the instantaneous value of which corresponds to the phase current with the highest magnitude (see FIG. 2). Thus, within an input current sector, the bridge arm associated with the largest phase current can be switched through depending on the polarity of the largest phase current, i.e. the upper switch remains switched on for a positive phase current and the lower switch remains switched on within an input current sector for a negative phase current, and switching can be carried out of this bridge branch into freewheeling, i.e. simultaneous switching on of the upper and lower switch, must be prevented.
[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). In contrast to a conventional implementation with a constant current in the current intermediate circuit, the degree of freedom with regard to the selection of the intermediate circuit current profile is used, the largest phase current being formed by changing the current in the current intermediate circuit over time instead of by pulse width modulation of all phases. The method according to the invention thus avoids clocking the bridge branch with the phase current which is the greatest in terms of absolute value, which advantageously ensures lower switching losses and a lower control power requirement (cf. FIG. 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. [0027] Furthermore, a continuous current profile is achieved within an input current sector for the phase current with the greatest amount, which advantageously leads to lower EMC interference emission and thus better EMC behavior.
[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). Since pulse rectifier systems typically have no connection to the network star point (m), the sum of the phase currents is forced to zero or the largest phase current flows back as a sum over the other two phases. Since the bridge branch with the largest phase current is not clocked in the method according to the invention, the largest phase current is divided between the two other phases exclusively by switching between the two remaining bridge branches instead of switching between all bridge branches, with the conduction time of the two switch-on intervals being able to be divided in this way that a sinusoidal phase current profile is also achieved in the other two phases (see FIG. 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). Based on conventional control with a symmetrical pulse pattern, in this case the switched DC voltage at the output of the three-phase bridge circuit consists of only two instead of three concatenated input voltages, i.e. two instead of three voltage levels, which means that the number of switchovers in a clock period in can be halved from four to two compared to the conventional method. Advantageously, the largest voltage jump can be avoided in both cases, as a result of which lower switching losses and lower switching-frequency current ripple in the intermediate circuit inductance are achieved (cf. FIGS. 3 and 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. This situation is explained below, assuming resistive network behavior using the example of the third input current sector, in which the phase current with the greatest magnitude flows in phase (c), for the conventional method and the method according to the invention.
[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. [0031] While in the conventional method the intermediate circuit current is kept constant and at least at the peak value of the input phase currents and thus all phase currents are always smaller than the intermediate circuit current during an entire network period or up to six discrete points in time, all three bridges must be clocked in order to to achieve a sinusoidal course of all phase currents. As shown by way of example in Figure 3 for the time (t1), the switched DC voltage (ubu) is then composed of four voltage intervals, assuming a symmetrical pulse pattern, with the upper and lower switches of the phase (c) belonging to the phase (c) beginning with a freewheeling interval (ucc). Bridge branch are switched on and then only the upper switch of phase (b) or (a) is switched on for the two active phase-to-phase voltages (ubc) and (uac).
[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. If the intermediate circuit current (iL) is regulated according to the method according to the invention to a six-pulse curve corresponding to the phase current with the highest magnitude, then the freewheeling interval (ucc) can be dispensed with, as shown by way of example in FIG. 4 for the same time (t1), in which case the switched DC voltage (ubu), assuming a symmetrical pulse pattern, consists of only two voltage intervals, i.e. the two active line-to-line voltages (ubc) and (uac), with only the upper switch of phase (b) or (a) being switched on and the lower one Phase (c) switch stays on all the time.
[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. It should be noted that in the conventional method the lower switch of the bridge branch associated with phase (c) also remains switched on continuously, but the upper switches change between all three phases during a switching period, while in the method according to the invention the upper switches only switch between two Change phases and thus the intermediate circuit current (iL) flows back via phase (c) during the entire interval shown in FIG. According to the example, the pulse pattern as well as the switched voltage for the other sectors takes place by cyclically swapping the phases.
[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. It should be noted that fluctuations in the intermediate circuit current (iL) over time can be compensated for by appropriate pulse width modulation of the downstream load converter, for example a step-up converter stage, i.e. a constant output voltage (uo) can still be formed. In particular, the load converter can be used to set the voltage (ubo) at the connection of the intermediate circuit inductance on the load converter side in such a way that the desired intermediate circuit current (iL) results in interaction with the voltage at the other connection on the bridge circuit side (towards the bridge circuit, i.e. the switched DC voltage ubu). . The switched DC voltage ubu is specified by the mains voltages and the switching states of the three-phase bridge circuit (2). The desired intermediate circuit current (iL) should follow the aforementioned six-pulse curve, since it is equal to one of the phase currents in some sections.
[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. It should be noted that the two-stage three-phase step-up converter pulse rectifier system is not limited to a pure step-up converter function, but can also be operated as a step-down converter. In this case, the upper switch of the step-up converter on the output side must be switched through so that the output voltage (uo) corresponds to the mean value of the switched DC voltage at the output of the three-phase rectifier (ubu); the active three-phase bridge is then operated as a conventional step-down converter, with more than two bridge arms having to be clocked to regulate a constant intermediate circuit current or output voltage. A state-of-the-art method can then be used for regulation. Depending on the operation (step-up or step-down converter operation), there is a switchover between the regulation according to the invention and a regulation according to the prior art.
[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). The three-phase step-up converter pulse rectifier system to be controlled and regulated by the method according to the invention can, with a known structure, be replaced on the input side by a bidirectionally blocking three-phase two-point bridge circuit (2) (bridge circuit) with three AC phase inputs (a, b and c) and a positive (p) and a negative voltage rail (n) are formed, with both voltage rails being routed to the input of a converter stage on the output side (load converter) (3) which feeds a consumer, or across the consumer a voltage (load voltage) ( uo) generated (cf. Figure 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. Furthermore, the phase inputs of the bridge circuit (a, b and c) are connected either directly or via an input filter to the associated phase terminals (a, b and c) of the feeding three-phase AC network (network) (1), but where at least each phase input of the bridge circuit (a, b and c) is routed to a filter capacitor (mains filter capacitors) (C), which are connected either in a star or delta connection in order to keep the pulse-shaped input currents that occur during operation in the three-phase bridge circuit away from the mains or to prevent the Defining the supply voltage independently of the internal impedance of the network.
[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. The bridge circuit (2) generally has three bridge branches, each bridge branch having an upper electronic switch connected to the positive voltage rail (p) and a lower electronic switch connected to the negative voltage rail (n) with bipolar blocking capability and the phase output of the bridge branch ( a, b and c) is formed by the junction of the free ends of the upper and lower switches. The bipolar blocking switches (21 and 22) can each be realized, for example, by the anti-series circuit of a unidirectional blocking component and a diode, the anti-series circuit of two unidirectional blocking components, or by a bidirectional blocking component.
[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. Furthermore, the load converter (3), as mentioned in the introduction, can be designed as a simple bidirectional step-up converter which has a switched two-point bridge branch (step-up converter bridge branch) (31), the upper switch (311) of which is connected to the positive DC output voltage rail (d) and lower switch (312) is connected to the negative DC output voltage rail (n), a buffer capacitor (output capacitor) (Co) being placed between these two DC output voltage rails to support the output voltage (uo) for the load across it.
[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. The switching point (p) of the two-point bridge branch (31), i.e. the connection point of the upper switch (311) and lower switch (312), is routed to a first connection of a step-up converter inductance (L), whose second connection is connected on the input side to the positive voltage rail (p) of the input-side three-phase bridge circuit (2) is connected and thus acts as an intermediate circuit inductance. The negative output voltage terminal of the two-point bridge branch (31) is connected directly to the negative voltage rail (n).
[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). The system is modulated as a function of the relative magnitudes of the line phase currents (in other words: as a function of the relationships between the absolute values of the line phase currents), with sections for a symmetrical three-phase line within 1/6 of the line period, i.e. within a 60° width Sector or section of a complete oscillation period of the mains voltage corresponding to 360°, the bridge arm associated with the largest phase current is switched through depending on the polarity of the largest phase current, with the upper switch (21) being switched on for a positive phase current and the lower switch (22) for a negative phase current ) remains switched on within an input current sector. This results in a six-pulse course for the intermediate circuit current (iL) over one mains period, with its instantaneous value corresponding to the phase current with the highest magnitude (cf. FIG. 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. FIG. 2 shows, for example, in a first time segment, corresponding to a sector 1: the current with the greatest absolute value is ib, it flows in the second phase (b) and has a negative sign. Thus, for the duration of this section, the lower switch sb,L of the second (or selected) phase is on and carries the intermediate circuit current (iL). The upper switch sb,H of this selected phase and the two other lower switches sa,L, sc,L remain open. The other two top switches sa,H, sc,H can be switched to split the returning intermediate circuit current (iL) to the corresponding (unselected) two phases.
[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). The largest phase current or the intermediate circuit current (iL) must flow back as a sum over the other two phases. So if the largest phase current flows through the lower switch (22), the upper switches (21) of the bridge branches belonging to the two other phases must be switched on alternately, with their lower switch (22) remaining switched off permanently. The duration of the switching period is divided between the two switch-on intervals in such a way that a sinusoidal phase current profile is achieved in all phases. If the phase with the greatest phase current is routed via one of the upper switches (21), the lower switches (22) of the other two phases must be switched on alternately, with their upper switch (22) then remaining permanently switched off (cf. Figure 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. Advantageously, only two instead of three phase-to-phase input voltages are then applied to the output terminals of the three-phase bridge circuit, which reduces the number of switching operations and thus the switching losses and the switching-frequency current ripple in the intermediate circuit inductance (see FIGS. 3 and 4). These show a section, greatly enlarged over time, with the voltage conditions within a clock period Tp. During this period, the voltages can be regarded as being more or less constant. A clock frequency is typically at least ten times, twenty times or fifty times the basic frequency of the AC voltages, in particular the mains voltages.
[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). [0045] If the magnitudes of the input currents change during the transition to the next sector or section, the modulation is also adapted accordingly. This means that the phase with the respectively largest phase current is assigned to a different physical phase in each sector (see FIG. 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. The aim of the regulation of the system is in the mains phases sinusoidal currents (ia, ibund ic) lying in phase (for power consumption from the mains, or in phase opposition for power feedback) with the associated mains phase voltage (ua, ubund uc) with all currents having the same amplitude for a symmetrical network and optionally generating a defined load voltage (uo) at the output of the load converter (3) corresponding to a specified setpoint (load voltage setpoint) (uo*), or generally a defined power to the to deliver consumers (cf. Figure 5). Alternatively, the mains phase currents can also have a phase shift in relation to the associated mains phase voltages. For the further description, however, ohmic network behavior is assumed for the sake of clarity. Accordingly, viewed from the mains, the system can be seen as a star connection of equal ohmic resistances (equivalent input resistances) or conductance values (equivalent input conductance values), the power of which is passed on directly to the output, i.e. to the consumer, under the idealized assumption of freedom from losses.
[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. Following this idea, the target value of the input equivalent conductance (input target conductance) (G*) is formed as a function of the load voltage control deviation, i.e. the difference between a specified load voltage target value (uo*) and the measured load voltage actual value (uo), by applying the load voltage control deviation to the input of an output voltage regulator (51) which forms the required nominal value of the recharging current (iCo*) of the output capacitor (Co) at the output. ) the target value of the power to be delivered to the output (output power target value) (Po*) results, which is ultimately to be obtained from the network, i.e. directly defining the input power target value, neglecting the losses of the system. Accordingly, in the next step, the nominal input conductance (G*) is determined by dividing by the sum of the squares of the input phase voltages (ua, u and uc), whereby it corresponds to a power consumption from the network equal to the nominal output power value (Po*).
[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. By multiplying the input setpoint conductance (G*) by the measured phase voltages (ua, u and uc), the input phase current setpoints (ia*, ib* and ic*) result, from which in turn the intermediate circuit current setpoint (iL*) is determined by the absolute value is formed for all input phase current setpoints (ia*, ib* and ic*) and the largest value is used as the intermediate circuit current setpoint (iL*).
[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.Furthermore, the duty ratios for the three-phase bridge circuit (da, db and dc) can now be calculated from the ratio of the respective input phase current setpoints (ia*, ib* and ic*) and the intermediate circuit current setpoint (iL*), from which the effective duty cycles ( da,H, da,L, db,H, db,L, dc,H and dc,L) and the local mean value of the switched DC voltage at the output of the three-phase bridge circuit (ubu) can be obtained. • Either the calculated duty cycle (da, dbor dc) is positive and the relative switch-on time for the upper switch (da,H, db,Hor dc,H) then corresponds exactly to the calculated duty cycle (da, dbor dc) with the lower switch always remains off, i.e. the on-time is zero for the lower switch (da,L, db,Lor dc,L), • or the duty cycle (da, dbor dc) is negative and the upper switch remains off, i.e. the on-time for the upper switch (da,H, db,Hordc,H) is zero, in which case the relative on-time for the lower switch (da,L, db,Lor dc,L) corresponds exactly to the magnitude of the calculated duty cycle (da, dbor dc).
[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. The effective switching signals (sa,H1, sa,H2, sa,L1, sa,L2, sb,H1, sb,H2, sb,L1, sb,L2, sc,H1, Sc,H2, sc,L1 and sc,L2) are generated for the individual switches.
[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*). The local mean value of the switched DC voltage (ubu) is obtained either by multiplying the calculated duty cycles (da, dbund dc) by the corresponding phase voltages (ua, ubund uc) or alternatively (not shown) by dividing the output power setpoint (Po*) by the intermediate circuit current setpoint (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. The control of the intermediate circuit current or inductance current (iL) is then carried out with a subordinate current control in that first the control deviation is determined by subtracting the measured intermediate circuit current (iL) from the intermediate circuit current setpoint (iL*) and this is then fed to an intermediate circuit current controller (52), which outputs at its output the desired value of the voltage (uL*) to be formed on average over a clock period at the associated intermediate circuit inductance (L). Subtracting this reference value (uL*) from the calculated local mean value of the switched DC voltage (ubu) results in the local mean value of the voltage reference value (ubo*) that is required at the midpoint of the boost converter bridge branch. If this midpoint voltage (ubo*) is divided by the target value of the output voltage (uo*), the relative duty cycle (dd) or, from a modulator (53), the effective switching signal (sd) for the upper switch (311) results directly from this. of the step-up converter bridge branch, the lower switch (312) of the bridge branch being switched off while the upper switch (311) is switched on, i.e. both switches of the bridge branch work in push-pull mode and the clock period preferably has a constant length or the clock frequency preferably has a constant value. Overall, the intermediate circuit current actual value (iL) is managed according to the associated intermediate circuit current setpoint curve (iL*).
[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. It should be noted that the clocking of the three-phase bridge circuit and the step-up converter bridge branch can be carried out, for example, with the same clock frequency and can be timed in such a way that a minimum switching-frequency fluctuation of the intermediate circuit current (iL) is achieved.
[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.It should be noted that in addition to the design of the load converter as a DC/DC step-up converter, there are several other forms of implementation: a full-bridge switching cell 6 with internal DC voltage for implementing active shaping of the intermediate circuit current (cf. FIG. 6). The intermediate circuit current is equal to the output current, which is impressed on the full-bridge switching cell 6 via appropriate clocking. Since the cell only compensates for power pulsations at six times the mains frequency, no DC-side feed is required. In addition, switching elements with a relatively low blocking voltage can advantageously be used for the full-bridge switching cell 6 compared to the three-phase bridge circuit. • A three-phase pulse converter, in particular a pulse-controlled inverter 7 (see FIG. 7), • or another voltage-stabilizing converter stage such as, for example, a galvanically isolated DC/DC converter.
[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. The full-bridge switching cell 6 has two terminals. It can be formed by two bridge branches which are connected in parallel to one another and in parallel to a switching cell capacitance between a switching cell positive pole and a switching cell negative pole. The center taps of the bridge branches form the two connections.
[0056] Die Leistungsschalter der Vollbrückenschaltzelle 6 können unidirektional schaltend ausgeführt sein, jeweils mit antiparallelen Freilaufdioden. The power switches of the full-bridge switching cell 6 can be designed to switch unidirectionally, each with anti-parallel freewheeling diodes.
[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. It should be noted that ohmic network behavior is assumed to be desirable for the drawings and the above statements, but the control method according to the invention can also be used for a phase shift of the line phase currents compared to the assigned line phase voltages, in which case the phase current setpoints (which according to the above statements are formed for ohmic network behavior) corresponding reactive components are added.
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