DE10051156B4 - Method and converter circuit for medium-frequency transformatory energy transmission - Google Patents

Method and converter circuit for medium-frequency transformatory energy transmission Download PDF

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Abstract

Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung mittels eines primär- und sekundärseitig mit leistungselektronischen Stromrichtern verbundenen Transformators, wobei primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) eines einkernigen Transformators (1) verbundene Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) eingeseht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichter im Zertmultiplexverfehren derart getaktet werden, daß zu jedem Zeitpunkt pro Wicklungsseite (primär bzw. sekundär) des Transformators (1) nur jeweils ein Stromrichter stromführend ist.method for medium-frequency transformatory energy transmission by means of a primary and secondary side transformer connected to power electronic converters, primary and / or secondary side at least two independently controllable, each with a partial winding (2.1, 2.2, 2.3, 3.1, 3.2, 3.3) of a mononuclear one Transformers (1) connected converters (4.1, 4.2, 4.3, 5.1, 5.2, 5.3), characterized in that the power converters clocked in the Zertmultiplexverfehren so that to each Time per winding side (primary or secondary) of the transformer (1) only one power converter is current-carrying.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung mittels eines primär- und sekundärseitig mit leistungselektronischen Stromrichtern verbundenen Transformators, wobei primär und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung eines einkernigen Transformators verbundene Stromrichter eingesetzt werden.The The invention relates to a method for medium-frequency transformatory Energy transfer by means of one primary and one secondary transformer connected to power electronic converters, being primary and / or secondary side at least two independently controllable, each with a partial winding of a mononuclear transformer connected power converters be used.

Die Erfindung betrifft auch eine Umrichterschaltung zur Durchführung des Verfahrens.The The invention also relates to a converter circuit for carrying out the Process.

Eine Energieübertragung mittels Transformatoren mit einer wesentlich über der Netzfrequenz liegenden Betriebsfrequenz erfolgt bisher vorwiegend mit sogenannten Schaltnetzteilen mit relativ niedrigen Isolationsanforderungen und kleinen Leistungen.A power transmission by means of transformers with a voltage well above the mains frequency Operating frequency has so far been mainly with so-called switching power supplies with relatively low insulation requirements and low power.

Darüber hinaus sind sogenannte Mittelfrequenztransformatoren in Verbindung mit leistungselektronischen Umformern als Ersatz für konventionelle Netztransformatoren bekannt. Die mittels der leistungselektronischen Umformer erzeugte, wesentlich über der Netzfrequenz liegende Betriebsfrequenz ermöglicht prinzipiell erhebliche Gewichts- und Volumeneinsparungen der Transformatoren. Die Leistung derartiger Einheiten ist jedoch bisher stark begrenzt.Furthermore are so-called medium-frequency transformers in conjunction with power electronic converters as a replacement for conventional power transformers known. The generated by the power electronic converters, essentially over The mains frequency operating frequency allows in principle considerable Weight and volume savings of transformers. The performance of such However, units have been severely limited so far.

Um die konventionellen Netztransformatoren auf elektrischen Triebfahrzeugen zu ersetzen, werden jedoch übertragbare Leistungen im Bereich mehrerer hundert Kilowatt benötigt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind in der jüngsten Zeit verschiedene Anstrengungen unternommen worden.Around the conventional power transformers on electric traction vehicles however, are becoming transferable Services in the range of several hundred kilowatts needed. Around to meet these requirements are in the youngest Time various efforts have been made.

So ist aus H. Reinold, M. Steiner: "Characterization of Semiconductor Losses in Series Resonant DC-DC Converters for High Power Applications using Transformers with Low Leakage Inductance", EPE 1999, Lausanne, ein IGBT-Serienresonanzumrichter bekannt.So is from H. Reinold, M. Steiner: "Characterization of Semiconductor Losses Series Resonant DC-DC Converters for High Power Applications using Transformers with Low Leakage Inductance ", EPE 1999, Lausanne, an IGBT series resonant converter known.

In M. Kunz, F. Hörl, T. Klockow: "Entwicklung einer massearmen Energieversorgung für elektrische Triebfahrzeuge", ZEV-DET Glas. Ann. 123, 11/12, S. 423 – 426, 1999, wird eine Anordnung mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Vierquadrantensteller beschrieben. Die Vierquadrantensteller bestehen aus mehreren Teilumrichtern in Kaskadenanordnung, wobei jeder Teilumrichter eine Teilwicklung eines Mittelfrequenztransformators versorgt.In M. Kunz, F. Hörl, T. Klockow: "Development of a low-energy energy supply for electric traction vehicles ", ZEV-DET glass. Ann. 123, 11/12, pp. 423-426, 1999, an arrangement with an input-side and an output-side Four-quadrant described. The four-quadrant manufacturers exist from several subcircuits in cascade arrangement, each subcommander a partial winding of a medium-frequency transformer supplied.

Vierquadrantensteller in Kaskadenanordnung sind auch Gegenstand der Veröffentlichung Schibili, N., Rufer, A.: "Single- and three-phase multilevel converters for traction systems 50 Hz/16 2/3 Hz", Proceedings, 7th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), vol. 4, S. 210 – 215, Trondheim, 1997.Four-quadrant in cascade arrangement are also the subject of the publication Schibili, N., Rufer, A .: "Single and three-phase multilevel converters for traction systems 50 Hz / 16 2/3 Hz ", Proceedings, 7th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), vol. 4, pp. 210-215, Trondheim, 1997.

Aus der DE 198 17 752 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung bekannt. Dabei sind sowohl primärseitig als auch sekundärseitig Stromrichter vorgesehen, die unabhängig steuerbar sind und mit jeweils einer Teilwicklung eines einkernigen Transformators verbunden sind. Die Blockbreite der Ansteuerung der Stromrichter kann individuell eingestellt werden, so dass im zeitlichen Ablauf gesehen diese Stromrichter abwechselnd getaktet werden können.From the DE 198 17 752 A1 a method of the type mentioned for medium-frequency transformatory energy transfer is known. In this case, both the primary side and the secondary side power converter are provided, which are independently controllable and are each connected to a partial winding of a mononuclear transformer. The block width of the control of the power converters can be set individually, so that in terms of timing these converters can be alternately clocked.

Bedingt durch die Begrenzung der Schaltfrequenz und der damit verbundenen maximalen Transformatorbetriebsfrequenz bestehen jedoch noch immer große Nachteile bzgl. Transformatorgewicht, -volumen und -Wirkungsgrad.conditioned by limiting the switching frequency and the associated however, the maximum transformer operating frequency still exists size Disadvantages regarding transformer weight, volume and efficiency.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit für leistungselektronische Umformer mit hoher Übertragungsleistung und hoher Umrichterzwischenkreisspannung bei transformatorischer Potentialtrennung anzugeben.task The invention is a technically and economically advantageous implementation option for power electronic Converters with high transmission power and high inverter intermediate circuit voltage at transformer Specify potential separation.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung die Stromrichter im Zeitmultiplex-Verfahren derart getaktet werden, dass zu jedem Zeitpunkt pro Wicklungsseite (primär bzw. sekundär) des Transformators nur jeweils ein Stromrichter stromführend ist. Hinsichtlich einer Umrichterschaltung zur Durchführung des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 7 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved in that in the method for medium-frequency transformatory energy transmission the power converters are clocked in a time division multiplex method, that at each time per winding side (primary or secondary) of the transformer only one power converter is current-carrying. Regarding one Converter circuit for implementation of the method is the object by the features of the claim 7 solved. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Danach werden primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung eines einkernigen Transformators verbundene Stromrichter abwechselnd getaktet, wobei sie entweder nacheinander bipolare Spannungspulse oder abwechselnd unipolare Spannungspulse entgegengesetzter Polarität erzeugen.After that are primarily and / or secondary side at least two independently controllable, each with a partial winding of a mononuclear transformer connected alternator alternately clocked, either successively bipolar voltage pulses or alternately generate unipolar voltage pulses of opposite polarity.

Mit dem Verfahren und der Umrichterschaltung gelingt es, die sich teilweise widerstrebenden Forderungen nach:

  • a) geringem Gewicht und Volumen
  • b) hoher übertragbarer Leistung
  • c) hohem Wirkungsgrad
  • d) hoher Isolationsspannung
  • e) hoher Stromrichter-Zwischenkreisspannung
  • f) reduziertem Materialaufwand (insbesondere weichmagnetisches Material)
auf eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Art zu erfüllen.With the method and the converter circuit, it is possible to meet the sometimes reluctant demands for:
  • a) low weight and volume
  • b) high transmittable power
  • c) high efficiency
  • d) high isolation voltage
  • e) high power converter DC link voltage
  • f) reduced material costs (in particular soft magnetic material)
to meet in a technically and economically advantageous manner.

Mit Hilfe der voneinander unabhängigen Stromrichter auf der Primär- oder/und Sekundärseite des Transformators kann dessen Betriebsfrequenz bei praktisch nur geringfügig steigenden Umrichterverlusten entsprechend der Anzahl der unabhängigen Stromrichter auf der Primär- oder/und Sekundärseite erhöhtWith Help of independent converters on the primary or / and secondary side of the Transformers can increase its operating frequency with practically only slightly Inverter losses corresponding to the number of independent converters on the primary or / and secondary side elevated

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe Invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. In the associated Drawings show

1 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Umrichterschaltung mit drei primärseitigen und einem sekundärseitigen Stromrichter, 1 the schematic diagram of a converter circuit according to the invention with three primary-side and one secondary-side converter,

2 eine Umrichterschaltung mit jeweils drei Stromrichtern primär- sowie sekundärseitig, 2 a converter circuit with three converters each primary and secondary,

3 eine Umrichterschaltung mit zwei primärseitigen Stromrichtern, 3 a converter circuit with two primary-side converters,

4 den prinzipiellen Spannungsverlauf bei dem Verfahren mit bipolaren Spannungspulsen, 4 the principal voltage curve in the process with bipolar voltage pulses,

5 den prinzipiellen Spannungsverlauf bei dem Verfahren mit unipolaren Spannungspulsen, 5 the principal voltage curve in the process with unipolar voltage pulses,

6 die Zusammensetzung der sekundärseitigen Spannung aus den Spannungen von drei primärseitigen Stromrichtern bei bipolaren Spannungspulsen, 6 the composition of the secondary-side voltage from the voltages of three primary-side converters in bipolar voltage pulses,

7 die Zusammensetzung der sekundärseitigen Spannung aus den Spannungen von zwei primärseitigen Stromrichtern bei unipolaren Spannungspulsen und 7 the composition of the secondary side voltage from the voltages of two primary - side converters with unipolar voltage pulses and

8 ein Beispiel einer Umrichterschaltung mit jeweils zwei primär- und sekundärseitigen Stromrichtern als IGBT-Halbbrücken in Mittelpunktschaltung. 8th an example of a converter circuit with two primary and secondary side power converters as IGBT half-bridges in center circuit.

Erfindungsgemäß besteht der Transformator aus mindestens zwei Wicklungen auf der Primär- oder/und Sekundärseite sowie einer entsprechenden Anzahl von unabhängigen Stromrichtern. 1 zeigt ein Beispiel mit drei primärseitigen Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 und einem sekundärseitigen Stromrichter 5.1. Jede primärseitige Teilwicklung 2.1, 2.2, 2.3 eines Transformators 1 ist mit einem eigenen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 verbunden. Entsprechend kann jeder Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 unabhängig von den anderen eine beliebige Spannung an der jeweiligen Teilwicklung 2.1, 2.2, 2.3 einprägen.According to the invention, the transformer consists of at least two windings on the primary and / or secondary side and a corresponding number of independent power converters. 1 shows an example with three primary-side converters 4.1 . 4.2 . 4.3 and a secondary side power converter 5.1 , Each primary-side partial winding 2.1 . 2.2 . 2.3 a transformer 1 is with its own power converter 4.1 . 4.2 . 4.3 connected. Accordingly, each power converter 4.1 . 4.2 . 4.3 independent of the others any voltage at the respective part winding 2.1 . 2.2 . 2.3 memorize.

Der Betrieb der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Zeitmultiplex arbeitenden Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 kann auf zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten erfolgen, nämlich mittels bipolarer oder unipolarer Spannungspulse.The operation of the method according to the invention in time-division multiplexing converter 4.1 . 4.2 . 4.3 can be done in two fundamentally different ways, namely by means of bipolar or unipolar voltage pulses.

Bei der Verwendung von bipolaren Spannungspulsen erzeugen alle beteiligten Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 Spannungspulse, deren grundsätzlicher Verlauf in 4 dargestellt ist. Hierbei erzeugt jeder Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 einen bipolaren Spannungspuls für eine Periodendauer T1. Für die anschließende Zeitdauer T2 – T1, in der jeweils die beiden anderen der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 einen bipolaren Spannungspuls erzeugen, geht er in Taktsperre, was einem Zustand „offener Klemmen" an der zugehörigen Transformatorwicklung entspricht, siehe 4 und 6. T2 stellt dabei die Dauer der Gesamtperiode aller drei eingangsseitigen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 dar. 6 zeigt dabei die Spannungsverläufe für die in 1 dargestellte Schaltung mit drei primärseitigen bipolaren Spannungen U21, U22, U23, die zur Übertragung verschiedener Leistungen unterschiedliche Phasenwinkel φ1 bis φ3 zu der sekundärseitigen bipolaren Spannung U31 besitzen.When using bipolar voltage pulses generate all participating power converters 4.1 . 4.2 . 4.3 Voltage pulses whose basic course in 4 is shown. Each converter generates this 4.1 . 4.2 . 4.3 a bipolar voltage pulse for a period T 1 . For the subsequent period T 2 - T 1 , in each case the other two of the power converters 4.1 . 4.2 . 4.3 generate a bipolar voltage pulse, it goes to the clock lock, which corresponds to a state of "open terminals" on the associated transformer winding, see 4 and 6 , T 2 represents the duration of the total period of all three input-side converter 4.1 . 4.2 . 4.3 represents. 6 shows the voltage curves for the in 1 shown circuit with three primary-side bipolar voltages U 21 , U 22 , U 23 , which have different phase angles φ 1 to φ 3 to the secondary-side bipolar voltage U 31 for the transmission of various services.

Der Stromrichter 5.1 auf der Sekundärseite des Transformators 1 arbeitet mit der N-fachen Umrichterschaltfrequenz der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3. Alle Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3, 5.1 arbeiten wie in allen beschriebenen Beispielen im Vollblockbetrieb. Die Umrichterschaltverluste werden beim Vollblockbetrieb auf ein Minimum begrenzt. Grundsätzlich ist jedoch auch ein Umrichterbetrieb möglich, bei dem die Umrichter mit einem Vielfachen der Grundfrequenz (sogenannter Pulsbetrieb) getaktet werden kann. Mit Hilfe der Phasenwinkel φ1 bis φ3 können die übertragenen Leistungen unabhängig voneinander eingestellt werden, siehe 6. Der Stromrichter 5.1 überträgt dabei die Summenleistung der drei primärseitigen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3; seine Umrichterfrequenz ist gleich der Transformator-betriebsfrequenz f1 und damit dreimal so groß wie die der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3. Entsprechend hat sich die Umrichterfrequenz der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 gegenüber der Transformatorbetriebsfrequenz f1 gedrittelt, was eine deutlichen Reduzierung der Halbleiterverluste in den Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 bedeutet. Mit dem Anstieg der Transformatorbetriebsfrequenz f1 ist auch eine Reduzierung des maximalen magnetischen Flusses im Transforma torkern verbunden. Dies hat zur Folge, dass die Leistungsdichte des Transformators 1 entsprechend dem Anstieg der Transformator-Betriebsfrequenz f1 zunimmt. Somit können die oben genannten Forderungen a) bis f) bei konstant gebliebener Schaltfrequenz der leistungselektronischen Schalter in den Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 auf der Primärseite erfüllt werden.The power converter 5.1 on the secondary side of the transformer 1 operates at N times the inverter switching frequency of the converters 4.1 . 4.2 . 4.3 , All power converters 4.1 . 4.2 . 4.3 . 5.1 work as in all examples described in full block operation. The inverter switching losses are limited to a minimum during full block operation. Basically, however, a converter operation is possible in which the inverter can be clocked at a multiple of the fundamental frequency (so-called pulsed operation). With the aid of the phase angles φ 1 to φ 3 , the transmitted powers can be set independently, see 6 , The power converter 5.1 transfers the total power of the three primary-side converters 4.1 . 4.2 . 4.3 ; its frequency converter is equal to the transformer operating frequency f 1 and thus three times as large as that of the converter 4.1 . 4.2 . 4.3 , Accordingly, the inverter frequency of the converter has 4.1 . 4.2 . 4.3 in relation to the transformer operating frequency f 1 , which results in a significant reduction of the semiconductor losses in the power converters 4.1 . 4.2 . 4.3 means. With the increase of the transformer operating frequency f 1 is also a reduction of the maximum magnetic flux in the Transforma torkern connected. As a result, the power density of the transformer 1 according to the increase in Transformer operating frequency f 1 increases. Thus, the above-mentioned requirements a) to f) at constant switching frequency of the power electronic switches in the power converters 4.1 . 4.2 . 4.3 be fulfilled on the primary side.

Verwendet man anstatt der Schaltung von 1 die Schaltung aus 2 mit drei sekundärseitigen Stromrichtern 5.1, 5.2, 5.3, kann über den gemeinsamen Transformator 1 Leistung jeweils vom primärseitigen Stromrichter 4.1 zum Stromrichter 5.1 sowie vom Stromrichter 4.2 zum Stromrichter 5.2 und analag vom Stromrichter 4.3 zum Stromrichter 5.3 übertragen werden. Dabei können die zwischen den jeweiligen Stromrichtern 4.1, 5.1; 4.2, 5.2; 4.3, 5.3 übertragenen Leistungen wiederum unabhängig voneinander eingestellt werden.Used instead of the circuit of 1 the circuit off 2 with three secondary-side converters 5.1 . 5.2 . 5.3 , can via the common transformer 1 Power in each case from the primary-side converter 4.1 to the power converter 5.1 as well as from the power converter 4.2 to the power converter 5.2 and analag from the power converter 4.3 to the power converter 5.3 be transmitted. These can be between the respective power converters 4.1 . 5.1 ; 4.2 . 5.2 ; 4.3 . 5.3 In turn, the transmitted services are set independently of each other.

Durch die magnetische Kopplung aller beteiligten Teilwicklungen ergeben sich folgende Vorteile:

  • • Bei gleicher Schaltfrequenz der primärseitigen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 als auch der sekundärseitigen Stromrichter 5.1, 5.2, 5.3 kann die Transformatorbetriebsfrequenz f1 auf das Dreifache angehoben werden.
  • • Gleichzeitig ergibt sich mit der auf das Dreifache angestiegenen Transformatorbetriebsfrequenz f1 eine deutlich gestiegene Leistungsdichte des Transformators 1.
  • • Trotz eines gemeinsamen Transformators 1 können die Leistungen zwischen den Stromrichtern 4.1 und 5.1, 4.2 und 5.2 sowie 4.3 und 5.3 unabhängig voneinander mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zeitmultiplexverfahrens übertragen werden.
Due to the magnetic coupling of all partial windings involved, the following advantages result:
  • • With the same switching frequency of the primary-side converter 4.1 . 4.2 . 4.3 as well as the secondary-side converter 5.1 . 5.2 . 5.3 The transformer operating frequency f 1 can be raised to three times.
  • • At the same time, the transformer operating frequency f 1, which has increased threefold, results in a significantly increased power density of the transformer 1 ,
  • • Despite a common transformer 1 can the power between the power converters 4.1 and 5.1 . 4.2 and 5.2 such as 4.3 and 5.3 be transferred independently of each other using the time division multiplex method according to the invention.

Außerdem ist eine Leistungsübertragung unter den primärseitigen Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 sowie auch den sekundärseitigen Stromrichtern 5.1, 5.2, 5.3 möglich. Dies bedeutet, dass beispielsweise die vom Stromrichter 4.1 übertragene Leistung nicht zwangsläufig der des Stromrichters 5.1 entsprechen muss, da Stromrichter 4.1 auch Leistung zum Stromrichter 4.2 oder Stromrichter 4.3 und den damit zugehörigen sekundärseitigen Stromrichtern 5.2 und 5.3 übertragen kann.In addition, a power transmission is among the primary-side converters 4.1 . 4.2 . 4.3 as well as the secondary-side converters 5.1 . 5.2 . 5.3 possible. This means, for example, that of the power converter 4.1 transmitted power is not necessarily that of the power converter 5.1 must correspond, because power converters 4.1 also power to the power converter 4.2 or power converter 4.3 and the associated secondary-side converters 5.2 and 5.3 can transfer.

Nimmt man an, dass das Übersetzungsverhältnis des Transformators 1 zwischen allen Wicklungen immer 1 beträgt, können voneinander starke Abweichungen der Zwischenkreisspannung z. B. der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 zu evtl. erwünschten Leistungsausgleichsvorgängen führen. Bei diesen Vorgängen findet teilweise eine Aufhebung des Zustandes der „offenen Klemmen" statt. So könnte z. B. Stromrichter 4.1 mit relativ hoher Zwischenkreisspannung während der Leistungsübertragung an den Stromrichter 5.1 gleichzeitig einen Teil der Leistung an den Stromrichter 4.2 oder/und Stromrichter 4.3 übertragen, wenn diese eine niedrigere Zwischenkreisspannung besitzen.Assuming that the gear ratio of the transformer 1 between all windings is always 1, strong deviations of the DC link voltage z. B. the power converter 4.1 . 4.2 . 4.3 lead to any desired power balancing operations. During these processes, the state of the "open terminals" is sometimes canceled, for example a power converter 4.1 with relatively high DC link voltage during power transmission to the power converter 5.1 at the same time a part of the power to the power converter 4.2 and / or power converters 4.3 transmitted, if they have a lower DC link voltage.

Der Zustand „offene Klemmen" kann bei allen Stromrichtertypen immer dadurch realisiert werden, dass ein separater Schalter, der zwischen Stromrichter und zugehöriger Transformatorwicklung angeordnet ist, die Transformatorwicklung vom Stromrichter trennt und damit in den Leerlauf schaltet.Of the State "open Clamps "can at all converter types are always realized by a separate switch disposed between the power converter and associated transformer winding is, the transformer winding separates from the power converter and thus switches to idle.

Wird die Umrichterschaltung mit Stromrichtern mit Spannungszwischenkreis aufgebaut, kann der Zustand „offene Klemmen" durch die Stromrichter-Taktsperre bis zu einer Spannung, die der Zwischenkreisspannung des jeweiligen Stromrichters entspricht, realisiert werden. Dies ist ausreichend, solange alle Stromrichter eine ungefähr gleiche, dem Übersetzungsverhältnis des Transformators entsprechende Zwischenkreisspannung besitzen. Auf diese Weise kann auf den sonst zusätzlich benötigten Schalter zwischen Stromrichter und Transformatorwicklung verzichtet werden.Becomes the converter circuit with converters with voltage intermediate circuit built up, the state can be "open Clamps "through the Power converter clock lock up to a voltage that is the DC link voltage corresponds to the respective power converter, be realized. This is sufficient, as long as all power converters have approximately the same the gear ratio of the Transformers have corresponding DC link voltage. On this way can on the otherwise additional required switch between power converter and transformer winding are dispensed with.

Bei der Benutzung von unipolaren Spannungspulsen erzeugen alle beteiligten Stromrichter Spannungspulse, deren grundsätzlicher Verlauf in 5 dargestellt ist, wobei hierbei zwei primärseitige Stromrichter 4.1, 4.2 gemäß 3 vorausgesetzt sind. Jeder Stromrichter 4.1, 4.2 erzeugt zwei unipolare Spannungspulse über jeweils die Hälfte einer Periodendauer T1. Zwischen beiden Spannungspulsen gleicher Polarität geht der Stromrichter über eine Zeitdauer von (T2 – T1)/2 in den Zustand „offene Klemmen", die Taktsperre.When using unipolar voltage pulses, all participating converters generate voltage pulses, the basic course of which in 5 is shown, in which case two primary-side converter 4.1 . 4.2 according to 3 are required. Every power converter 4.1 . 4.2 generates two unipolar voltage pulses over each half of a period T 1 . Between two voltage pulses of the same polarity the converter goes over a period of (T 2 - T 1 ) / 2 in the state "open terminals", the clock lock.

Für das Verfahren mit unipolaren Spannungspulsen ist es notwendig, dass immer eine gerade Anzahl von Stromrichtern an der Erzeugung des Multiplexsignals beteiligt ist, da ein Stromrichter eines Stromrichterpaares immer positive Spannungspulse und der andere Stromrichter immer negative Spannungspulse erzeugen muss (5).For the method with unipolar voltage pulses, it is necessary that an even number of converters always participate in the generation of the multiplex signal, since one converter of one converter pair always has to generate positive voltage pulses and the other converter always has to generate negative voltage pulses ( 5 ).

Die prinzipiellen Spannungsverläufe der Schaltung mit unipolaren Spannungspulsen können daneben 7 entnommen werden, wobei hier wiederum eine Schaltung gemäß 3 vorausgesetzt ist, das heißt, dass die sekundärseitige Spannung U31 aus zwei primärseitigen unipolaren Spannungen U21, U22 generiert wird, die zur Übertragung verschiedener Leistungen unterschiedliche Phasenwinkel φ1, φ2 aufweisenThe principal voltage curves of the circuit with unipolar voltage pulses may be next to it 7 are removed, in which case again a circuit according to 3 This means that the secondary-side voltage U 31 is generated from two primary-side unipolar voltages U 21 , U 22 , which have different phase angles φ 1 , φ 2 for the transmission of different powers

Auch bei dieser Schaltung können die Stromrichter 4.1 und 4.2 unabhängig voneinander Leistung an den Stromrichter 5.1 übertragen. Dies erfolgt über die freie Einstellung der Phasenwinkel φ1 und φ2. Der Vorteil dieser Schaltung besteht gegenüber der Umformerschaltung von 1 darin, dass mit einem 2-Quadrantenbetrieb der Stromrichter 4.1 und 4.2 Leistung von der Primärseite zur Sekundärseite als auch in umgekehrter Richtung übertragen werden kann.Also in this circuit, the power converters 4.1 and 4.2 independent power to the power converter 5.1 transfer. This is done via the free adjustment of the phase angles φ 1 and φ 2 . The advantage of this circuit over the converter circuit of 1 in that with a 2-quadrant operation the power converter 4.1 and 4.2 Power can be transmitted from the primary side to the secondary side as well as in the opposite direction.

Ansonsten hat der Betrieb mit unipolaren Spannungspulsen die gleichen charakteristischen Eigenschaften wie der Betrieb mit bipolaren Spannungspulsen.Otherwise Operation with unipolar voltage pulses has the same characteristic Features such as operation with bipolar voltage pulses.

Zusätzlich zum Betrieb der Stromrichter am jeweils eigenen Zwischenkreis, wie es in den obigen Beispielen der Fall ist, ist auch der Betrieb von Stromrichtern an einem gemeinsamen Zwischenkreis denkbar. So könnten z. B. die primärseitigen Stromrichter nach 2 getrennte Zwischenkreise haben, die sekundärseitigen Stromrichter 5.1, 5.2 aber einen gemeinsamen Zweischenkreis besitzen. Es sind aber auch Kombinationen von gemeinsamen und getrennten Zwischenkreisen auf der Primär- oder der Sekundärseite des Transformators denkbar.In addition to the operation of the power converter on its own DC link, as is the case in the above examples, the operation of power converters on a common DC link is conceivable. So z. B. the primary-side converter after 2 have separate DC link, the secondary-side converter 5.1 . 5.2 but have a common two-circle. But there are also combinations of common and separate DC links on the primary or the secondary side of the transformer conceivable.

Abschließend ist noch in 8 ein Beispiel einer Umformerschaltung dargestellt. Stromrichter 4.1, 4.2, 5.1 und 5.2 sind in dieser Schaltung als IGBT-Halbbrücken in Mittelpunktschaltung ausgeführt.Finally, it is still in 8th an example of a converter circuit shown. power converters 4.1 . 4.2 . 5.1 and 5.2 are designed in this circuit as IGBT half-bridges in center circuit.

Claims (9)

Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung mittels eines primär- und sekundärseitig mit leistungselektronischen Stromrichtern verbundenen Transformators, wobei primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) eines einkernigen Transformators (1) verbundene Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) eingeseht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichter im Zertmultiplexverfehren derart getaktet werden, daß zu jedem Zeitpunkt pro Wicklungsseite (primär bzw. sekundär) des Transformators (1) nur jeweils ein Stromrichter stromführend ist.Method for medium-frequency transformatory energy transmission by means of a transformer connected on the primary and secondary side with power electronic converters, at least two mutually independently controllable primary and / or secondary side, each having a partial winding ( 2.1 . 2.2 . 2.3 ; 3.1 . 3.2 . 3.3 ) of a mononuclear transformer ( 1 ) connected converters ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ; 5.1 . 5.2 . 5.3 ), characterized in that the converters are clocked in Zertmultiplexverfehren so that at each time per winding side (primary or secondary) of the transformer ( 1 ) only one power converter is current-carrying. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) nacheinander bipolare Spannungspulse erzeugen.Method according to Claim 1, characterized in that the power converters ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ; 5.1 . 5.2 . 5.3 ) generate successive bipolar voltage pulses. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Stromrichtern (4.1, 4.2; 5.1, 5.2) paarweise abwechselnd unipolare Spannungspulse entgegengesetzter Polarität erzeugt.A method according to claim 1, characterized in that an even number of power converters ( 4.1 . 4.2 ; 5.1 . 5.2 ) alternately produces unipolar voltage pulses of opposite polarity in pairs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) im Vollblockbetrieb arbeiten.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the power converters ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ; 5.1 . 5.2 . 5.3 ) work in full block mode. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) von den zugehörigen Teilwicklungen (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) durch separate Schalter getrennt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the power converters ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ; 5.1 . 5.2 . 5.3 ) of the associated partial windings ( 2.1 . 2.2 . 2.3 ; 3.1 . 3.2 . 3.3 ) are separated by separate switches. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass teilweise eine Energieübertragung jeweils innerhalb der primär- und/oder sekundärseitigen Teilwicklungen (2.1, 2.2; 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a partial energy transfer in each case within the primary and / or secondary-side partial windings ( 2.1 . 2.2 ; 2.3 ; 3.1 . 3.2 . 3.3 ) he follows. Umrichterschaltung zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) jeweils mit einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) des Transformators (1) verbunden sind und alle Wicklungen über einen gemeinsamen Kern magnetisch gekoppelt sind.Converter circuit for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized in that primary and / or secondary side at least two independently controllable power converters ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ; 5.1 . 5.2 . 5.3 ) each with a partial winding ( 2.1 . 2.2 . 2.3 ; 3.1 . 3.2 . 3.3 ) of the transformer ( 1 ) are connected and all windings are magnetically coupled via a common core. Umrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) als Halbbrücken in Mittelpunktschaltung ausgebildet sind.Converter circuit according to claim 7, characterized in that the power converters ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ; 5.1 . 5.2 . 5.3 ) are formed as half bridges in center circuit. Umrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) als im Zweiquadrantenbetrieb arbeitende Halbbrücken ohne Mittelpunktschaltung ausgebildet sind.Converter circuit according to claim 7 , characterized in that the power converters ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ; 5.1 . 5.2 . 5.3 ) are designed as working in two-quadrant half bridges without center circuit.
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