CH719226A2 - converter. - Google Patents
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Abstract
Ein erfindungsgemässer elektrischer Umrichter ist zum Austausch von Energie zwischen einem einphasigen Wechselspannungseingang gegebener Frequenz und Amplitude und einem dreiphasigen Drehspannungsausgang variabler Amplitude und Frequenz vorgesehen. Dabei ist ein Eingangsanschluss (38) direkt oder über eine Ausgangsinduktivität (34a) mit einem ersten Ausgangsanschluss (37) des Umrichters verbunden. Eine Schalteinheit (100) ist dazu ausgebildet, anhand von mindestens einer Eingangsspannung des einphasigen Wechselspannungssystems einen zweiten und einen dritten Ausgangsanschluss (35, 36) des Umrichters mit unterschiedlichen Wechselspannungen zu speisen, so dass sich zusammen mit der Spannung am ersten Ausgangsanschluss (37) des Umrichters ein gefordertes Dreiphasensystem von Spannungen ergibt.An electrical converter according to the invention is provided for exchanging energy between a single-phase AC voltage input of a given frequency and amplitude and a three-phase three-phase voltage output of variable amplitude and frequency. An input connection (38) is connected to a first output connection (37) of the converter directly or via an output inductance (34a). A switching unit (100) is designed to feed a second and a third output connection (35, 36) of the converter with different AC voltages based on at least one input voltage of the single-phase AC voltage system, so that together with the voltage at the first output connection (37) of the Inverter results in a required three-phase system of voltages.
Description
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der leistungselektronischen Schaltungstechnik und insbesondere auf eine Topologie eines elektrischen Umrichters mit einem einphasigen Wechselspannungseingang gegebener Frequenz und Amplitude und einem dreiphasigen Drehspannungsausgang variabler Amplitude und Frequenz, wobei diese Variation auch eine Gleichspannung umfasst. The invention relates to the field of power electronic circuit technology and in particular to a topology of an electrical converter with a single-phase AC voltage input of a given frequency and amplitude and a three-phase three-phase voltage output of variable amplitude and frequency, this variation also including a DC voltage.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
[0002] Um elektrische Leitverluste zu minimieren, werden elektrische Systeme grosser Leistung üblicherweise anhand von Hoch- und/oder Mittelspannungsleitungen mit Energie versorgt. Im Falle von Bahnsystemen kommen dabei z.B. in der Schweiz verbreitet einphasige Wechselspannungssysteme mit 15 kV und 16.67 Hz zum Einsatz. Elektrische Maschinen (z.B. elektrische Bahnmotoren) werden im Vergleich dazu im Allgemeinen mit relativ geringen Spannungen und relativ grossen Strömen dreiphasig betrieben. Um kein aufwändiges mechanisches Getriebe zu benötigen, ist es zudem vorteilhaft diese elektrischen Maschinen mit Spannungen (und Strömen) variabler Frequenz und Amplitude betreiben zu können. [0002] In order to minimize electrical conduction losses, high-power electrical systems are usually supplied with energy by means of high and/or medium-voltage lines. In the case of railway systems, for example, single-phase AC systems with 15 kV and 16.67 Hz are widely used in Switzerland. By comparison, electric machines (e.g. electric train motors) are generally operated in three phases with relatively low voltages and relatively high currents. In order to avoid the need for complex mechanical gearing, it is also advantageous to be able to operate these electrical machines with voltages (and currents) of variable frequency and amplitude.
[0003] Um dies zu ermöglichen, kommt also ein elektrischer Konverter zum Einsatz, der eine eingangsseitige, einphasige Wechselspannung mit gegebener Frequenz und Amplitude in ausgangsseitige, dreiphasige Wechselspannungen (und -ströme) mit variabler Frequenz (inklusive Nullfrequenz) und variabler Amplitude wandelt. Der eingesetzte Konverter ist zudem in der Lage, näherungsweise reine Wirkleistung mit dem Netz auszutauschen und die ausgangsseitig geforderten Spannungen und Ströme bereitzustellen. Hinzu kommen weitere Anforderungen an den Konverter wie bidirektionaler Leistungsfluss, z.B. zur Rekuperation von Bremsenergie, hoher Wirkungsgrad, geringe Komplexität, kompakte Bauform, geringes Gewicht, niedriger Wartungsaufwand, niedrige Anschaffungs- und Wartungskosten, etc. In order to make this possible, an electrical converter is used, which converts an input-side, single-phase AC voltage with a given frequency and amplitude into an output-side, three-phase AC voltage (and current) with variable frequency (including zero frequency) and variable amplitude. The converter used is also able to exchange approximately pure active power with the grid and to provide the voltages and currents required on the output side. In addition, there are further requirements for the converter such as bidirectional power flow, e.g. for the recuperation of braking energy, high efficiency, low complexity, compact design, low weight, low maintenance effort, low acquisition and maintenance costs, etc.
[0004] Ausserdem können entsprechende Konverter bei der Erzeugung des einphasigen Wechselspannungssystems mit 16.67 Hz eingesetzt werden, das durch das nationale dreiphasige 50 Hz Übertragungsnetz gespiesen wird.s In addition, corresponding converters can be used in the generation of the single-phase AC voltage system with 16.67 Hz, which is fed by the national three-phase 50 Hz transmission network
[0005] Fig. 1zeigt eine heute verbreitet eingesetzte Umrichtertopologie, mit einem Netztrafo 103 und einem DC-Zwischenkreis 105. Ein möglicher Energiefluss führt von einer einphasigen Spannungsquelle 25 über Eingangsklemmen 31, 32 und eine optionale Netzimpedanz 33, über den Netztrafo 103, einen Gleichrichter 107, DC-Zwischenkreis mit optionalem Mittelabgriff 105, Wechselrichter 108, und optionale Drehsystemimpedanzen 34 zu Klemmen 35, 36 und 37 eines Drehsystems, also eines mehrphasigen Wechselspannungssystems. Diese Topologie ermöglicht insbesondere einen bidirektionalen Leistungsfluss und eine variable Ausgangsamplitude und -frequenz, während näherungsweise keine Blindleistung mit dem Netz ausgetauscht wird. Da bisher keine Leistungshalbleiter existieren, die Hoch- oder Mittelspannungen direkt schalten können, wird die eingangsseitige Spannung zunächst mittels eines netzfrequenten Transformators auf ein Niveau abgesenkt, das für Leistungshalbleiter verträglich ist. Da die Netz- bzw. Versorgungsspannungsfrequenz fgoft relativ gering (16.67 Hz - 50Hz) ist, fallen das Volumen V und damit auch das Gewicht dieses Transformators bei gegebener Scheinleistung S entsprechend gross aus (näherungsweise V ∝ (S/fg)<3⁄4>), während sich der Wirkungsgrad im Bereich von 87%-97% bewegt, siehe z.B. „ABB breakthrough transformer for trains improves efficiency and safety significantly“ von ABB veröffentlicht als Pressemitteilung am 18.09.2018. Fig. 1 shows a converter topology that is widely used today, with a mains transformer 103 and a DC intermediate circuit 105. A possible flow of energy leads from a single-phase voltage source 25 via input terminals 31, 32 and an optional mains impedance 33, via the mains transformer 103, to a rectifier 107, DC intermediate circuit with optional center tap 105, inverter 108, and optional rotary system impedances 34 to terminals 35, 36 and 37 of a rotary system, ie a multi-phase AC voltage system. In particular, this topology enables bi-directional power flow and variable output amplitude and frequency, while virtually no reactive power is exchanged with the grid. Since there are currently no power semiconductors that can switch high or medium voltages directly, the voltage on the input side is first reduced to a level that is compatible with power semiconductors using a mains-frequency transformer. Since the mains or supply voltage frequency fgoft is relatively low (16.67 Hz - 50Hz), the volume V and thus also the weight of this transformer are correspondingly large for a given apparent power S (approximately V ∝ (S/fg)<3⁄4> ), while the efficiency is in the range of 87%-97%, see e.g. "ABB breakthrough transformer for trains improves efficiency and safety significantly" published by ABB as a press release on 09/18/2018.
[0006] WieFig. 1weiters zeigt, wird der netzfrequente Transformator sekundärseitig durch eine geeignete Gleichrichterschaltung bzw. Leistungshalbleiter mit einem DC-Zwischenkreis. der über einen Mittelabgriff verfügen kann, verbunden. Anschliessend wird der Zwischenkreis durch eine oder mehrere Wechselrichterschaltungen mit einer oder mehreren ausgangseitigen Drehspannungssystemen verbunden. Der DC-Zwischenkreis entkoppelt dabei die eingangsfrequente Seite des Konverters von der ausgangsfrequenten Seite. So können u.a. Schwebungen zwischen den eingangsfrequenten und den ausgangsseitigfrequenten Spannungen und/oder Strömen vermieden werden. Lediglich beim sehr niederfrequenten Betrieb des Ausgangs, z.B. beim Anfahren eines Motors, müssen zusätzliche Massnahmen ergriffen werden, um die Wandlung der DC-Zwischenkreisspannung(en) in niederfrequente bzw. nullfrequente (DC) Ausgangsspannungen und -ströme zu ermöglichen. [0006] As shown in FIG. 1 also shows that the mains-frequency transformer is connected on the secondary side by a suitable rectifier circuit or power semiconductor with a DC intermediate circuit. which can have a center tap connected. The intermediate circuit is then connected to one or more three-phase voltage systems on the output side via one or more inverter circuits. The DC intermediate circuit decouples the input-frequency side of the converter from the output-frequency side. In this way, among other things, beats between the voltages and/or currents at the input frequency and the voltages and/or currents at the output side can be avoided. Only when the output is operated at very low frequencies, e.g. when starting a motor, do additional measures have to be taken to enable the conversion of the DC intermediate circuit voltage(s) into low-frequency or zero-frequency (DC) output voltages and currents.
[0007] Es wurden mehrere Konzepte vorgestellt, die den netzfrequenten Transformator durch modulare Topologien mit einem oder mehreren mittelfrequenten Transformatoren zu ersetzen versuchen, z.B. in „MVDC Railway Traction Power Systems; State-of-the Art, Opportunities, and Challenges“ von P. Simiyu und I. E. Davidson, veröffentlicht in Energies, vol. 14, no. 14, p. 4156, Jul. 2021, und „Solid-State Transformers in Locomotives Fed through AC Lines: A Review and Future Developments“ von S. Farnesi, M. Marchesoni, M. Passalacqua, und L. Vaccaro, veröffentlich in Energies, vol. 12, no. 24, p. 4711, Dec. 2019, um u.a. das Konvertervolumen und -gewicht zu reduzieren und potentiell den Wirkungsgrad zu steigern. Die Komplexität dieser Systeme ist allerdings erheblich höher, was direkte Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit nach sich zieht. So werden z.B. mehrere DC-Zwischenkreise eingesetzt, die jeweils durch eine vorgeschaltete Gleichrichterschaltung und eine nachgeschaltete Wechselrichterschaltung, beide bidirektional, versorgt werden müssen. Die Anzahl der dabei benötigten Halbleiter steigt entsprechend und damit auch die statistische Wahrscheinlichkeit für Defekte. Zudem steigen die Anzahl und Komplexität der dazugehörenden Regel- bzw. Steuerungssysteme, was die statistische Zuverlässigkeit des Gesamtsystems weiter senkt. Several concepts have been presented that try to replace the mains-frequency transformer with modular topologies with one or more medium-frequency transformers, e.g. in "MVDC Railway Traction Power Systems; State-of-the Art, Opportunities, and Challenges” by P. Simiyu and I.E. Davidson, published in Energies, vol. 14, no. 14, p. 4156, Jul. 2021, and "Solid-State Transformers in Locomotives Fed through AC Lines: A Review and Future Developments," by S. Farnesi, M. Marchesoni, M. Passalacqua, and L. Vaccaro, published in Energies, vol. 12, no. 24, p. 4711, Dec. 2019, among other things to reduce the converter volume and weight and potentially increase the efficiency. However, the complexity of these systems is significantly higher, which has a direct impact on reliability. For example, several DC intermediate circuits are used, each of which must be supplied by an upstream rectifier circuit and a downstream inverter circuit, both bidirectional. The number of semiconductors required increases accordingly and with it the statistical probability of defects. In addition, the number and complexity of the associated regulation and control systems are increasing, which further reduces the statistical reliability of the overall system.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
[0008] Es ist deshalb eine mögliche Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Umrichter zum Austausch von Energie zwischen einem einphasigen Wechselspannungseingang gegebener Frequenz und Amplitude und einem dreiphasigen Drehspannungsausgang variabler Amplitude und Frequenz zu schaffen, welche einen im Vergleich mit bekannten Lösungen vereinfachten Hardwareaufbau aufweist. It is therefore a possible object of the invention to create an electrical converter for the exchange of energy between a single-phase AC voltage input of a given frequency and amplitude and a three-phase three-phase voltage output of variable amplitude and frequency, which has a simplified hardware structure compared to known solutions.
[0009] Eine andere mögliche Aufgabe der Erfindung ist, eine Alternative zu bestehenden Lösungen zu schaffen. Another possible object of the invention is to provide an alternative to existing solutions.
[0010] Mindestens eine dieser Aufgaben löst ein elektrischer Umrichter gemäss Patentanspruch 1. At least one of these tasks is solved by an electrical converter according to patent claim 1.
[0011] Das Eingangsspannungssystem ist ein einphasiges Wechselspannungssystem mit einer Eingangsfrequenz und einer Eingangsamplitude. Das Ausgangsspannungssys-tem ist ein dreiphasiges Wechselspannungssystem mit einer Ausgangsfrequenz und einer Ausgangsamplitude. The input voltage system is a single-phase AC voltage system with an input frequency and an input amplitude. The output voltage system is a three-phase AC voltage system with an output frequency and an output amplitude.
[0012] Das einphasige Wechselspannungssystem hat typischerweise eine wählbare aber im Betrieb des Umrichters feste Frequenz. Diese kann auch Null sein, entsprechend einer Gleichspannung (DC). Das dreiphasige Wechselspannungssystem hat eine Ausgangsfrequenz und eine Ausgangsamplitude, die typischerweise variabel und steuerbar sind. Sie können insbesondere im Betrieb des Umrichters geändert werden. Die Ausgangsfrequenz kann auch Null sein, entsprechend einer Gleichspannung. The single-phase AC voltage system typically has a frequency that can be selected but is fixed during operation of the converter. This can also be zero, corresponding to a direct current (DC). The three-phase AC system has an output frequency and output amplitude that are typically variable and controllable. In particular, they can be changed when the converter is in operation. The output frequency can also be zero, corresponding to a DC voltage.
[0013] Die Spannungen zwischen allen drei Ausgangsanschlüssen des Umrichters bilden das Dreiphasensystem mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude. The voltages between all three output terminals of the converter form the three-phase system with a certain frequency and amplitude.
[0014] Die Hauptfunktion des Umrichters wird durch eine Einheit wahrgenommen, die im Folgenden Kerneinheit genannt wird. Umrichter und Kerneinheit haben korrespondierende Ein- und Ausgangsanschlüsse, d.h. jeder Eingangsanschluss (resp. Ausgangsanschluss) des Umrichters ist genau einem korrespondierenden Eingangsanschluss (resp. Ausgangsanschluss) der Kerneinheit zugeordnet. In Ausführungsformen sind miteinander korrespondierende Ein- resp, Ausgangsanschlüsse von Kerneinheit und Umrichter direkt miteinander verbunden. In anderen Ausführungsformen sind sie über Ein- respektive Ausgangsinduktivitäten miteinander verbunden, und/oder über Energie-Ausgleichsschaltungen miteinander verbunden. The main function of the converter is performed by a unit, which is called the core unit in the following. The converter and core unit have corresponding input and output connections, i.e. each input connection (or output connection) of the converter is assigned to exactly one corresponding input connection (or output connection) of the core unit. In embodiments, mutually corresponding input and output connections of core unit and converter are directly connected to each other. In other embodiments, they are connected to one another via input or output inductances and/or connected to one another via energy equalization circuits.
[0015] Als hierarchische Zwischenstufe zwischen Umrichter und Kerneinheit kann eine Schalteinheit definiert werden. Auch diese weist Ein- und Ausgangsanschlüsse auf, welche jeweils mit den Ein- resp. Ausgangsanschlüssen des Umrichters und der Kerneinheit korrespondieren. [0015] A switching unit can be defined as a hierarchical intermediate level between the converter and the core unit. This also has input and output connections, which are respectively connected to the input. Output terminals of the converter and the core unit correspond.
[0016] Die Schalteinheit weist mindestens zweiEingangsanschlüsseauf, welche jeweils entweder direkt oder über eine entsprechende Eingangsinduktivität mit einem entsprechenden Eingangsanschluss des Umrichters verbunden sind. The switching unit has at least two input connections, which are each connected to a corresponding input connection of the converter either directly or via a corresponding input inductance.
[0017] Ferner sind die Eingangsanschlüsse der Schalteinheit entweder direkt oder über eine eingangsseitige Energie-Ausgleichsschaltung mit Eingangsanschlüssen der Kerneinheit verbunden. Furthermore, the input terminals of the switching unit are connected to input terminals of the core unit either directly or via an input-side power balancing circuit.
[0018] Die Schalteinheit weist dreiAusgangsanschlüsseauf, welche jeweils entweder direkt oder über eine entsprechende Ausgangsinduktivität mit einem entsprechenden Ausgangsanschluss des Umrichters verbunden sind. The switching unit has three output terminals which are each connected to a corresponding output terminal of the converter either directly or via a corresponding output inductance.
[0019] Ferner sind die Ausgangsanschlüsse der Schalteinheit entweder direkt oder über eine ausgangsseitige Energie-Ausgleichsschaltung mit den Ausgangsanschlüssen der Kerneinheit verbunden. Furthermore, the output terminals of the switching unit are connected to the output terminals of the core unit either directly or via an output-side power balancing circuit.
[0020] Wenn keine Eingangs- und Ausgangsinduktivitäten vorliegen, ist der Umrichter identisch mit der Schalteinheit. Wenn keine Energie-Ausgleichsschaltungen vorliegen, ist die Schalteinheit identisch mit der Kerneinheit. If there are no input and output inductances, the converter is identical to the switching unit. In the absence of power balancing circuits, the switching unit is identical to the core unit.
[0021] Die Topologie kann auf einen netzfrequenten Transformator und DC-Zwischenkreise verzichten und kann, je nach Ausführung, auch auf AC-Zwischenkreise oder mittelfrequente Transformatoren verzichten. Mögliche Anwendungen der Erfindung sind die Versorgung von Bahndrehstrommaschinen durch das einphasige Bahnnetz und die Rekuperation von Bremsenergie einer solchen Maschine, da das Verhältnis von Ausgangsspannungsniveau und Eingangsspannungsniveau und die Ausgangsfrequenz variiert werden kann und bidirektionaler Leistungsfluss bei gleichzeitig relativ einfachem und kompaktem elektrischem und mechanischem Aufbau möglich sind. The topology can do without a mains-frequency transformer and DC intermediate circuits and, depending on the design, can also do without AC intermediate circuits or medium-frequency transformers. Possible applications of the invention are the supply of three-phase railway machines through the single-phase railway network and the recuperation of braking energy from such a machine, since the ratio of output voltage level and input voltage level and the output frequency can be varied and bidirectional power flow is possible with a relatively simple and compact electrical and mechanical design at the same time .
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0022] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Figur 1 eine bekannte Struktur eines Bahnumrichters; Figur 2-3 Umrichtertopologien gemäss der Erfindung; Figur 4 eine Konverter-Grundausführung; Figur 5 die Ausführungsform aus Figur 4 mit Erweiterungen zum Energieausgleich; Figur 6 eine alternative Konverter-Grundausführung Figur 7 die Ausführungsform aus Figur 6 mit Erweiterungen zum Energieausgleich; Figur 8 ein Schaltmodul; Figur 9 eine Schalteinheit; und Figur 10-12 weitere Ausführungsformen von Konvertern.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 shows a known structure of a rail converter; FIG. 2-3 converter topologies according to the invention; FIG. 4 shows a basic converter design; FIG. 5 shows the embodiment from FIG. 4 with extensions for energy equalization; FIG. 6 shows an alternative basic converter design; FIG. 7 shows the embodiment from FIG. 6 with extensions for energy equalization; FIG. 8 shows a switching module; Figure 9 shows a switching unit; and FIGS. 10-12 further embodiments of converters.
[0023] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In principle, identical or identically acting parts are provided with the same reference symbols in the figures.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO CARRY OUT THE INVENTION
[0024] Fig. 2zeigt eine erste Topologie des Umrichters zur unidirektionalen oder bidirektionalen Speisung eines dreiphasigen Spannungssystems variabler Amplitude und Frequenz (inklusive Nullfrequenz) an Ausgangsanschlüssen 35.36.37 des Umrichters durch ein einphasiges Spannungssystem variabler Amplitude und Frequenz (inkl. Nullfrequenz) 25 mit optionalem flexiblen Zwischenabgriff 38 mittels Fixierung des Potentials einer ersten Phase des dreiphasigen Spannungssystems in Bezug auf das einphasige Spannungssystem und Variation der Potentiale der beiden anderen Phasen des dreiphasigen Spannungssystems. Serie zu den Ausgangsanschlüssen respektive Eingangsanschlüssen können optional Netzimpedanzen oder Eingangsinduktivitäten 33a, 33b respektive Drehsystemimpedanzen oder Ausgangsinduktivitäten 34a, 34b, 34c vorliegen. Eine eingangsseitige Spannungsversorgung des Umrichters ist durch zwei Spannungsquellen 25 zusammengefasst dargestellt. Die Spannungsquellen sind Teil desselben einphasigen Systems, d.h. sie haben dieselbe Phasenlage und typischerweise auch dieselbe Amplitude. In Ausführungsformen haben sie unterschiedliche Amplituden. Die beiden Spannungsquellen können z.B. durch einen Transformator mit Mittelabgriff realisiert sein. shows a first topology of the converter for unidirectional or bidirectional feeding of a three-phase voltage system of variable amplitude and frequency (including zero frequency) at output terminals 35.36.37 of the converter by a single-phase voltage system of variable amplitude and frequency (including zero frequency) 25 with optional flexible intermediate tap 38 by fixing the potential of a first phase of the three-phase voltage system in relation to the single-phase voltage system and varying the potentials of the other two phases of the three-phase voltage system. Line impedances or input inductances 33a, 33b or rotary system impedances or output inductances 34a, 34b, 34c can optionally be present in series with the output connections or input connections. An input-side voltage supply of the converter is shown combined by two voltage sources 25 . The voltage sources are part of the same single-phase system, i.e. they have the same phase position and typically also the same amplitude. In embodiments they have different amplitudes. The two voltage sources can, for example, be realized by a transformer with a center tap.
[0025] Es liegt eine Schalteinheit 100 vor, die zur Speisung eines zweiten Ausganganschlusses 35 und eines dritten Ausganganschlusses 36 der drei Ausgangsanschlüsse 35, 36, 37 des Umrichters angeordnet ist Die Schalteinheit 100 selbst ist zur Speisung durch mindestens einen zweiten Eingangsanschluss 31 der mindestens zwei Einganganschlüsse 31, 32 des Umrichters angeordnet. There is a switching unit 100 which is arranged to feed a second output connection 35 and a third output connection 36 of the three output connections 35, 36, 37 of the converter. The switching unit 100 itself is to be fed through at least one second input connection 31 of the at least two Input terminals 31, 32 of the converter arranged.
[0026] Die Schalteinheit 100 ist dazu ausgebildet, im Betrieb des Umrichters anhand von mindestens einer Spannung des einphasigen Wechselspannungssystems, welche an den mindestens zwei Eingangsanschlüssen 31, 32, 38 des Umrichters anliegt, den zweiten und dritten Ausgangsanschluss 35, 36 des Umrichters mit unterschiedlichen Wechselspannungen zu speisen. Die Speisung geschieht derart, dass die Spannungen zwischen allen drei Ausgangsanschlüssen 35, 36, 37 des Umrichters ein gefordertes Dreiphasensystem mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude bildet. Switching unit 100 is designed to switch the second and third output terminals 35, 36 of the converter with different to feed AC voltages. The feeding occurs in such a way that the voltages between all three output connections 35, 36, 37 of the converter form a required three-phase system with a specific frequency and amplitude.
[0027] Fig.3zeigt eine zweite Topologie als Spezialfall der ersten Topologie, für den Fall, dass eine der beiden Spannungsquellen 25 derFig.2eine Amplitude von Null hat, respektive nicht vorliegt. Mit anderen Worten kann der einphasige Zwischenabgriff entfallen, indem er ganz zu einer Seite hin verschoben wird. FIG. 3 shows a second topology as a special case of the first topology, in the event that one of the two voltage sources 25 in FIG. 2 has an amplitude of zero or is not present. In other words, the single-phase intermediate tap can be eliminated by moving it all the way to one side.
[0028] Dadurch fallen zwei der Eingangsanschlüsse 32, 38 des Umrichters zusammen. Eine untere Netzimpedanz 33a und obere Netzimpedanz 33b aus Fig. 2 wirken in Serie und können somit in einer einzigen Netzimpedanz z.B. als obere Netzimpedanz 33b zusammengefasst werden. As a result, two of the input terminals 32, 38 of the converter coincide. A lower mains impedance 33a and upper mains impedance 33b from FIG. 2 act in series and can thus be combined in a single mains impedance, e.g. as upper mains impedance 33b.
[0029] Fig.4zeigt eine erste Ausführungsform der Schalteinheit 100. Darin sind steuerbare Impedanzen, im Folgenden Schaltmodule 20 eingesetzt, die als modulare Elemente vorliegen können. Die Schaltmodule bilden eine H-Brücke, d.h. eine Brückenschaltung mit zwei Zweigen. Ein erster Eingangsanschluss 38 des Umrichters, der als erster Eingangsanschluss 138 der Schalteinheit 100 betrachtet werden kann, ist direkt mit einem ersten Ausgangsanschluss 137 der Schalteinheit verbunden, der über eine optionale erste Ausgangsinduktivität 34a mit einem ersten Ausgangsanschluss 37 des Umrichters verbunden ist. 4 shows a first embodiment of the switching unit 100. It contains controllable impedances, hereinafter switching modules 20, which can be in the form of modular elements. The switching modules form an H-bridge, i.e. a bridge circuit with two branches. A first input terminal 38 of the converter, which can be considered as a first input terminal 138 of the switching unit 100, is directly connected to a first output terminal 137 of the switching unit, which is connected to a first output terminal 37 of the converter via an optional first output inductor 34a.
[0030] Ein erster Brückenzweig und ein zweiter Brückenzweig mit jeweils zwei Schaltmodulen und einem Mittelabgriff sind zwischen einen zweiten Eingangsanschluss 131 und einem dritten Eingangsanschluss 132 der Schalteinheit geschaltet und über ihren jeweiligen Mittelabgriff und eine jeweilige Ausgangsinduktivität 34 an den zweiten Ausgangsanschluss 35 respektive dritten Ausgangsanschluss 36 des Umrichters geschaltet. A first bridge arm and a second bridge arm, each with two switching modules and a center tap, are connected between a second input connection 131 and a third input connection 132 of the switching unit and via their respective center tap and a respective output inductance 34 to the second output connection 35 or third output connection 36 of the converter switched.
[0031] Durch die Brückenschaltung der Schaltmodule 20 kann die Spannung am zweiten und dritten Ausgangsanschluss 35, 36 des Umrichters so variiert werden, dass sich zusammen mit der Spannung am ersten Ausgangsanschluss 37 des Umrichters das geforderte Dreiphasensystem von Spannungen ergibt. The bridge circuit of the switching modules 20 allows the voltage at the second and third output connection 35, 36 of the converter to be varied such that the required three-phase system of voltages results together with the voltage at the first output connection 37 of the converter.
[0032] Die Ein- und Ausgangsinduktivitäten können auch weggelassen werden, falls der Eingang bzw. der Ausgang des Konverters über hinreichend stromeinprägenden Charakter verfügt und/oder die Schaltmodule 20 bereits über hinreichend grosse Induktivitäten verfügen, um beispielsweise einen rudimentären Überspannungsschutz darzustellen. The input and output inductances can also be omitted if the input or the output of the converter has a sufficiently current-impressing character and/or the switching modules 20 already have sufficiently large inductances to represent, for example, rudimentary overvoltage protection.
[0033] Fig.5zeigt eine Erweiterung der Schaltung ausFig.4mit Energie-Ausgleichschaltungen 41, 42, 43, 44, 45. Jede strichliert eingerahmte Einheit kann für sich verwendet werden. D.h., entweder die Einheiten mit den Bezugszeichen 41, 42 oder 43 (inklusive 41&42) auf der Eingangsseite und/oder 44 oder 45 (inklusive 44). Mit Hilfe der Energie-Ausgleichschaltungen kann in den einzelnen Schaltmodulen 20 gespeicherte Energie zwischen diesen verschoben und dadurch gleichmässig über diese verteilt werden. Damit kann verhindert werden, dass in bestimmten Zuständen, beispielsweise bei Gleichspannung am Ein- oder Ausgang, oder beim Anfahren, einzelne Schaltmodule überlastet werden. Somit erweitern die Energie-Ausgleichschaltungen die Freiheitsgrade im Konverter und/oder einen möglichen Betriebsbereich. FIG. 5 shows an expansion of the circuit from FIG. 4 with energy equalization circuits 41, 42, 43, 44, 45. Each unit framed in dashed lines can be used on its own. That is, either the units with the reference numbers 41, 42 or 43 (inclusive 41&42) on the input side and/or 44 or 45 (inclusive 44). With the help of the energy equalization circuits, energy stored in the individual switching modules 20 can be shifted between them and thus evenly distributed over them. This can prevent individual switching modules from being overloaded in certain states, for example with DC voltage at the input or output, or when starting up. The energy equalization circuits thus expand the degrees of freedom in the converter and/or a possible operating range.
[0034] Fig.6zeigt eine zweite Ausführungsform der Schalteinheit 100, ebenfalls mit steuerbaren Impedanzen respektive Schaltmodulen 20 eingesetzt, die als modulare Elemente vorliegen können. Wie gemäss Fig. 4 ist auch hier der erste Eingangsanschluss 38 des Umrichters über eine optionale erste Ausgangsinduktivität 34a mit dem ersten Ausgangsanschluss 37 des Umrichters verbunden. Ein erstes Schaltmodul 20 ist als Shunt zwischen den zweiten Eingangsanschluss 131 und den dritten Anschluss 132 Schalteinheit 100 geschaltet. Drei weitere Schaltmodule 20 sind parallel zum ersten Schaltmodul in Serie miteinander verbunden. An zwei Abgriffen zwischen diesen drei Schaltmodulen sind und über eine jeweilige Ausgangsinduktivität 34 sind der zweite respektive der dritte Ausgangsanschluss 35, 36 des Umrichters geschaltet. shows a second embodiment of the switching unit 100, also used with controllable impedances or switching modules 20, which can be present as modular elements. As shown in FIG. 4, the first input connection 38 of the converter is also connected to the first output connection 37 of the converter via an optional first output inductor 34a. A first switching module 20 is connected as a shunt between the second input connection 131 and the third connection 132 switching unit 100 . Three further switching modules 20 are connected to one another in series in parallel with the first switching module. The second and third output connections 35, 36 of the converter are connected at two taps between these three switching modules and via a respective output inductance 34.
[0035] Durch die drei in Serie geschalteten Schaltmodule 20 kann die Spannung am zweiten und dritten Ausgangsanschluss 35, 36 des Umrichters so variiert werden, dass sich zusammen mit der Spannung am ersten Ausgangsanschluss 37 des Umrichters das geforderte Dreiphasensystem von Spannungen ergibt. The three switching modules 20 connected in series allow the voltage at the second and third output connection 35, 36 of the converter to be varied such that the required three-phase system of voltages results together with the voltage at the first output connection 37 of the converter.
[0036] Fig.7zeigt eine Erweiterung der Schaltung ausFig.6mit Energie-Ausgleichschaltungen. Jede strichliert eingerahmte Einheit kann für sich verwendet werden. D.h. entweder die Einheiten mit den Bezugszeichen 61 oder 62 (inklusive 61) und davon unabhängig 63. FIG. 7 shows an expansion of the circuit from FIG. 6 with energy equalization circuits. Each dashed boxed unit can be used on its own. I.e. either the units with the reference number 61 or 62 (including 61) and independently of this 63.
[0037] Fig.8zeigt eine Ausführungsform eines Schaltmoduls 20 respektive einer steuerbaren Impedanz. Sie weist eine Serienschaltung einer Arm-Induktivität 23, einer oder mehreren Schalteinheiten 10 und optional einer Arm-Kapazität 24 auf, die zwischen Schaltmodul-Anschlüsse 21, 22 geschaltet sind. Mittels der Schaltmodul-Anschlüsse 21, 22 können solche Schaltmodule 20 wie in den anderen Figuren gezeigt an verschiedenen Stellen in einem Umrichter gemäss der Erfindung eingesetzt sein. Falls im Betrieb erwartete Spannungen über ein Schaltmoduls 20 hinreichend klein sind, kann in Ausführungsformen ein Schaltmoduls 20 auch durch einen einfachen 2-Quadranten oder 4-Quadranten-Schalter realisiert werden. 8 shows an embodiment of a switching module 20 or a controllable impedance. It has a series connection of an arm inductance 23, one or more switching units 10 and optionally an arm capacitance 24, which are connected between switching module connections 21, 22. By means of the switching module connections 21, 22, such switching modules 20, as shown in the other figures, can be used at various points in a converter according to the invention. If the voltages expected during operation across a switching module 20 are sufficiently small, a switching module 20 can also be implemented by a simple 2-quadrant or 4-quadrant switch in embodiments.
[0038] Fig.9zeigt eine Ausführungsform einer Schalteinheit 10 als Vollbrückenmodul mit einem DC-Kondensator als Modulkapazität 14 und vier Leistungsschaltern 13, beispielsweise Transistoren mit antiparallel geschalteten Freilaufdioden, sowie Modul-Anschlüssen 11, 12. Die Modulkapazität 14 wird im Betrieb auf einer näherungsweise konstanten Spannung gehalten. Falls die gewählte Betriebsart es zulässt, können anstatt der Vollbrücken-Module auch Halbbrückenmodule eingesetzt werden. 9 shows an embodiment of a switching unit 10 as a full-bridge module with a DC capacitor as the module capacitance 14 and four power switches 13, for example transistors with freewheeling diodes connected in antiparallel, as well as module connections 11, 12. The module capacitance 14 is in operation on an approximately maintained constant tension. If the selected operating mode permits, half-bridge modules can also be used instead of the full-bridge modules.
[0039] Fig.10zeigt eine Erweiterung der Schaltung gemässFig.4. Vor ausgangsseitigen Energieausgleichsschaltungen 44, 45 sind vier weitere steuerbare Impedanzen in einer Brückenschaltung angeordnet. Diese können auch als Energieausgleichsschaltung betrachtet werden. Es kann damit z.B. ein AC-Zwischenkreis variabler Frequenz realisiert werden. Die Erweiterungen mit den Bezugsziffern 41, 42, 43 können wahlweise wie schon oben gezeigt vorliegen. 10 shows an expansion of the circuit according to FIG. Four further controllable impedances are arranged in a bridge circuit in front of the energy equalization circuits 44, 45 on the output side. These can also be thought of as an energy balancing circuit. For example, an AC intermediate circuit with a variable frequency can be implemented. The extensions with the reference numerals 41, 42, 43 can optionally be present as already shown above.
[0040] Fig.11zeigt eine mögliche eingangsseitige Erweiterung. Ein Transformator 71 mit sekundärseitigem Zwischenabgriff 38 bildet die einphasigen Spannungsquellen 25. Eine bezüglich des Transformators primärseitige Schaltung 70 dient dazu, eine einphasige Netzspannung ohne Zwischenabgriff an Anschlussklemmen 75, 76 in eine einphasige AC-Spannung mit Zwischenabgriff zu wandeln. Eine Kapazitätsschaltung 73 mit Eingangskapazitäten 72 ist optional. 11 shows a possible input-side extension. A transformer 71 with an intermediate tap 38 on the secondary side forms the single-phase voltage sources 25. A circuit 70 on the primary side of the transformer is used to convert a single-phase mains voltage without an intermediate tap at connection terminals 75, 76 into a single-phase AC voltage with an intermediate tap. A capacitance circuit 73 with input capacitances 72 is optional.
[0041] Der Umrichter kann auch hier (nicht dargestellt) durch eingangs- und/oder ausgangsseitige Energieausgleichschaltungen 41-45 erweitert werden. The converter can also be expanded here (not shown) by energy equalization circuits 41-45 on the input and/or output side.
[0042] Sekundärseitig kann die Schalteinheit 100 beispielsweise mit einer Grundstruktur gemäss Fig. 4 oder gemäss Fig. 6, und ggf. mit den entsprechenden optionalen Energieausgleichsschaltungen realisiert sein. Dies ist durchFig.12verdeutlicht. On the secondary side, the switching unit 100 can be realized, for example, with a basic structure according to FIG. 4 or according to FIG. 6, and possibly with the corresponding optional energy equalization circuits. This is illustrated by FIG.12.
[0043] Der Strom, der im resultierenden Aufbau durch den ersten Ausgangsanschluss 37 des Umrichters fliesst, verursacht keinen magnetischen Fluss im Transformator 71, wenn er sich zu gleichen Teilen auf die obere und die untere Transformatorwicklung aufteilt. Um das elektrische Potential der Drehsystemseite zu definieren, kann der sekundärseitige Mittelabgriff des Transformators 71 mit Anschluss 38 verbunden werden und somit beispielsweise auf Erdpotential gebracht werden. The current flowing through the first output terminal 37 of the converter in the resulting configuration does not cause any magnetic flux in the transformer 71 if it is divided equally between the upper and lower transformer windings. In order to define the electrical potential of the rotary system side, the center tap on the secondary side of the transformer 71 can be connected to connection 38 and thus brought to ground potential, for example.
[0044] Gegenüber vorbekannten Topologien kann die Erfindung einerseits auf einen netz- bzw. niederfrequenten Transformator verzichten und erlaubt andererseits, eine erhebliche Reduktion der Komplexität und Anzahl an modularen Bauteilen, indem sie ein Drehspannungs- bzw. Drehstromsystem variabler Amplitude und Frequenz bereitstellt und auf DC-Zwischenkreise verzichtet. Damit wird, statistisch gesehen, die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht. Zur Erhöhung der Freiheitsgrade des Konverters und/oder des möglichen Betriebsbereichs sind zudem Ausführungen mit AC-Zwischenkreis und optional mit einem Mittelabgriff, und Ausführungen mit einem mittelfrequenten Transformator, ebenfalls optional mit einem Mittelabgriff, möglich. In Ausführungsformen mit einem AC-Zwischenkreis werden die mittelfrequenten Zwischenkreisspannungen und -ströme potentiell direkt, also ohne DC-Zwischenkreis, zu den variablen Ausgangsspannungen und -strömen gewandelt. Compared to previously known topologies, the invention can on the one hand dispense with a mains or low-frequency transformer and on the other hand allows a significant reduction in complexity and the number of modular components by providing a three-phase voltage or three-phase system of variable amplitude and frequency and on DC -Intermediate circuits omitted. From a statistical point of view, this increases the reliability of the overall system. In order to increase the degree of freedom of the converter and/or the possible operating range, versions with an AC intermediate circuit and optionally with a center tap, and versions with a medium-frequency transformer, also optionally with a center tap, are possible. In embodiments with an AC intermediate circuit, the medium-frequency intermediate circuit voltages and currents are potentially converted directly, ie without a DC intermediate circuit, to the variable output voltages and currents.
Claims (10)
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CH719226A2 true CH719226A2 (en) | 2023-06-15 |
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Family Applications (1)
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CH070683/2021A CH719226A2 (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | converter. |
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