DE10051156B4 - Method and converter circuit for medium-frequency transformatory energy transmission - Google Patents
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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.
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
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)
- 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)
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
Erfindungsgemäß besteht
der Transformator aus mindestens zwei Wicklungen auf der Primär- oder/und
Sekundärseite
sowie einer entsprechenden Anzahl von unabhängigen Stromrichtern.
Der
Betrieb der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Zeitmultiplex
arbeitenden Stromrichter
Bei
der Verwendung von bipolaren Spannungspulsen erzeugen alle beteiligten
Stromrichter
Der
Stromrichter
Verwendet
man anstatt der Schaltung von
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 Stromrichter5.1 ,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 Stromrichtern4.1 und5.1 ,4.2 und5.2 sowie4.3 und5.3 unabhängig voneinander mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zeitmultiplexverfahrens übertragen werden.
- • With the same switching frequency of the primary-side converter
4.1 .4.2 .4.3 as well as the secondary-side converter5.1 .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 converters4.1 and5.1 .4.2 and5.2 such as4.3 and5.3 be transferred independently of each other using the time division multiplex method according to the invention.
Außerdem ist
eine Leistungsübertragung
unter den primärseitigen
Stromrichtern
Nimmt
man an, dass das Übersetzungsverhältnis des
Transformators
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
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 (
Die
prinzipiellen Spannungsverläufe
der Schaltung mit unipolaren Spannungspulsen können daneben
Auch
bei dieser Schaltung können
die Stromrichter
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
Abschließend ist
noch in
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