DE102004014275A1

DE102004014275A1 - Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters

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Publication number: DE102004014275A1
Application number: DE200410014275
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-10-13

Abstract

Auf der Basis der neuen Topologie eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen ergibt sich ein neuartiger Drehfeldantrieb. Jede Eingangsphase E kann über einen stromunidirektional leitfähigen und spannungsbidirektional sperr- bzw. blockierfähigen Schalter mit jeder Ausgangsphase verbunden werden. Die niedrige Anzahl an abschaltbaren Ventilen, der fehlende Zwischenkreisspeicher sowie die topologiebedingte Kurzschlussfestigkeit und Rückspeisefähigkeit charakterisieren den Stromrichter. Diese Eigenschaften ermöglichen den Aufbau eines betriebssicheren kompakten Antriebs, der sich auch für extrem hohe Taktfrequenzen eignet. Um die Phasenbausteine nur stromunidirektional zu betreiben, ist ein geeigneter Gleichtaktanteil zu addieren. Dieser wird durch stromkompensierte Anordnungen ausgefiltert, was entweder integriert durch geeignete elektrische Maschinen oder durch separate Filter erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung eines Drehfeldes beliebiger Frequenz vorzugsweise aus einem dreiphasigen Versorgungsnetz auf der Basis eines Direktumrichters mit stromunidirektionalen Phasenbausteinen.
In den meisten Anwendungen mit drehzahlgesteuerten, bzw. drehzahlgeregelten elektrischen Drehfeldmaschinen bildet ein Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis die Basis. Der Zwischenkreis wird in der Regel durch einen Gleichrichter gespeist und 3 Halbbrücken erzeugen durch geeignete Steuerverfahren der Ventile ein in der Grundwelle symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem, das der elektrischen Maschine zugeführt wird [1].
Ein andere Alternative stellt der Matrixumrichter dar. Jede Eingangsphase ist mit jeder Ausgangsphase direkt über bidirektionale Schalter verbunden [2].
Nachteilig an den Stromrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis insbesondere im Hinblick auf zukünftige, dezentrale und kompakte Atriebe:

• Zwischenkreiskapazität erforderlich
• Bei Speisung des Zwischenkreises mit einem Gleichrichter ist keine Rekuperation der Energie möglich, d.h. unidirektionaler Leistungsfluss
• Bei Verwendung eines U-Umrichters mit „active front end" sind 12 abschaltbare Ventile erforderlich
• Ein Phasenmodul / Halbbrücke ist nicht inherent kurzschlussfest. Diese Eigenschaft macht eine Steuerung mit Verriegelungszeiten erforderlich, die an die Halbleiter angepasst werden müssen
• Verriegelungszeiten beschränken die Auswahl der Pulsperiondendauer
• Verriegelungszeiten führen in der Regel zu Verzerrungen der Ausgangsspannung bzw. Ausgangsstroms [3]. Eine Korrektur erfordert die meßtechnische Erfassung der Stromrichtung sowie die Implementierung eines Algorithmus.

Nachteilig am Matrixumrichter:

• 18 abschaltbare rückwärtssperrfähige Ventile mit den dazugehörigen Treibern
• Phasenmodul nicht inherent kurzschlussfest
• Eingangsfilter erforderlich

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen rückspeisefähigen Antrieb mit inherent kurzschlussfesten Phasenbausteinen so zu konzipieren, daß:

• möglichst wenige abschaltbare Halbleiter notwendig sind,
• möglichst wenige Treiber erforderlich sind,
• in einem Phasenbaustein kein Kurzschluss entstehen kann,
• keine Verriegelungszeit in einem Phasenbaustein erforderlich ist,
• eine Kommutierung in möglichst wenigen Schalt-Schritten möglich ist,
• eine freizügige Festlegung der Umschaltzeitpunkte vorgenommen werden kann,
• der Laststrom zu allen Eingangsphasen kommutiert werden kann
• eine Rückspeisung der Energie ins Netz möglich ist (bidirektionaler Energiefluss)

Die Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bis 16 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:

• Keinen Gleichspannungszwischenkreis
• Nur 9 statt 12 (beim Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis), bzw. 18 (beim Matrixumrichter) abschaltbare Ventile
• Inherente, topologiebedingte Kurzschlussfestigkeit der Phasenbausteine
• Schaltvorgänge können zu beliebigen Zeitpunkten, auch mit hohen Folgefrequenzen, erfolgen, wodurch Totzeiten praktisch vermieden werden und die Regeldynamik günstig beeinflußt wird.
• Das vorgeschlagene Steuerverfahren ist bei praktisch beliebigen Frequenzen des speisenden Netzes anwendbar; Einschränkungen bei höheren Frequenzen ergeben sich lediglich aus Schaltzeiten der elektronischen Bauteile.
• Grundsätzlich keine Verriegelungszeiten erforderlich Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen, die sich im wesentlichen auf dreiphasige Versorgungsnetze beziehen, wird die Erfindung nachstehend näher beschrieben, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen

1 Phasenbausteine: a.) vorwärts: i_A > 0; b.) rückwärts: i_A < 0
2 Ausführungsbeispiel 3 phasig
3 Sollwerte der Ausgangsströme der Phasenbausteine generiert aus der Addition eines Drehstromsystems und der Amplitude der Grundwelle I ^_A
4 Sollwerte der Ausgangsströme der Phasenbausteine generiert aus der Addition eines Drehstromsystems mit der Überlagerung dessen MIN-Funktion * (–1)
5 Denkbare Topologie bei Verwendung von nur 2 Phasenbausteinen
6 2-Schichtwicklung einer dreisträngigen Maschine mit doppelter Zonenbreite
7 Antrieb mit separatem stromkompensierten Filter
8 Beispiel für Verwendung eines Phasenbausteins mit i_A < 0
Die Basis des erfindungsgemäßen Antriebs bilden die sogenannten Phasenbausteine aus 1. Jede Eingangsphase E kann über einen stromunidirektional leitfähigen und spannungsbidirektional sperr-, bzw. blockierfähigen Schalter verbunden werden. In der Ausführungsform a.) kann der Strom i_A nur größer in der Ausführungsform b.) der Strom nur kleiner 0 werden. Auf der Basis dieser Phasenbausteine können Stromrichtertopologien aufgebaut werden, deren Ausgangsphasen den Strom nur in je eine Richtung führen können. Eine mögliche Variante, ein Antriebssystem aufzubauen, ist in 2 dargestellt. Um ein Drehfeld in der elektrischen Maschine zu erzeugen, werden die einzelnen Stränge in der Regel mit einem symmetrischen Drehstrom oder Drehspannungssystem versorgt. Um mit der vorgeschlagenen Topologie ein Drehfeld zu erzeugen, muss das symmetrische System demgegenüber mit einem geeigneten Gleichtaktanteil überlagert werden, der sicherstellt, das die Phasenbausteine nur Sollwerte der möglichen Stromrichtung erhalten. Ein möglicher Offset für die Topologie aus 2 wäre der Betrag des zeitabhängigen Minimums des symmetrischen Systems der Sollwerte der Ströme i_MIN(t) = MIN(i*_A1, i*_A2, i*_A3), wie in 4 dargestellt. Einer der Sollwerte ist stets 0, so dass dadurch die Effektivwerte der einzelnen Phasen ein Minimum erreichen. Ein anderer Offset ist die Amplitude I ^_A der Grundwelle, wie in 3 dargestellt.
Um den Gleichtaktanteil im Strom wiederum herauszufiltern ist ein stromkompensiertes Filter notwendig, d.h der Stromfluss führt nicht zum Feldaufbau. Es kann entweder separat oder inherent integriert in Form einer geeigneten Wicklung der elektrischen Maschine ausgeführt sein. Geeignete Wicklungsformen der Maschine sind beispielsweise Zahnwicklungen oder Zweischichtwicklungen entweder mit 2/3 Sehnung oder doppelter Zonenbreite wie in 6 dargestellt. Die Nullkomponente erzeugt in allen Fällen kein Feld, so dass die Induktivität des Nullsystems ebenfalls 0 ist. Daher ist bei kleiner Streuinduktivität beim Stromrichter ausgangsseitig eine Drossel vorzusehen oder im Falle des angezapften Sternpunktes der Maschine eine Sternpunktdrossel.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines separaten stromkompensierten Filters ist in 7 dargestellt. Bei Verwendung von 3 Phasenbausteinen des Typs 1a.), die die Primärwicklung eines auf einem dreischenkligen Eisenkern befindlichen Transformators speisen, ergibt sich sekundärseitig ein symmetrisches Netz ohne Gleichtaktkomponente, da auch dann die Induktivität des Nullsystems Null ist. Denkbar sind beliebige Kombinationen wie z.B. in 5 und 8, jedoch erscheinen symmetrische Anordnungen, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen von Sättigungseffekten als aussichtsreicher.
Die Kommutierung in den Phasenbausteinen ist an [2], Kapitel 6.6, „Einschrittverfahren mit Spannungs- und Strommessung", beispielsweise 6-12 angelehnt. Bei bekannter/möglicher Stromrichtung kann je nach Bekanntheit der Vorzeichen der verketteten Eingangsspannungen das entsprechende Verfahren abgeleitet werden, d.h. in jedem Phasenbaustein ist stets mindestens 1 Schalter geschlossen und maximal 3.
Literatur

[1] Brosch, Peter F.: Moderne Stromrichterantriebe. Kamprath-Reihe, ISBN3-8023-1887-0, Vogelbuchverlag, 2002.
[2] Ziegler, Marcus: Untersuchungen zur gestaffelten Kommutierung in Matrixumrichtern mit Pulsweitenmodulation. Fortschrittsberichte, VDI Reiche 21, Nr. 352, Düsseldorf, VDI Verlag 2003.
[3] Viola, Ralf; Grotstollen, Horst: Einfluss der Ventilschaltzeiten auf das Verhalten von Pulswechselrichtern. ETZArchiv, Band 10, Heft 6, Seiten 181-187, 1988.

Claims

Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen dadurch gekennzeichnet, dass keine Verriegelungszeiten notwendig sind und dass kein Zwischenkreiskondensator erforderlich ist und dass jeder Phasenbaustein den Strom in nur eine Richtung führen kann und aus m abschaltbaren stromunidirektional leitfähigen und spannungsbidirektional sperr/blockierfähigen Verbindungen zwischen jeder Eingangsphase und der Ausgangsphase besteht und dass beim Einschalten aller Schalter eines Phasenbausteins kein Kurzschluss im Phasenbaustein entsteht und dass der Ausgangsstrom eines Phasenbausteins einen Gleichtaktanteil beinhaltet, der sich nicht als Gleichfeld in der elektrischen Maschine ausprägt.
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehfeldmaschine mit Zahnwicklung verwendet wird
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maschine mit dreisträngiger Zweischichtwicklung mit 2/3 Sehnung verwendet wird.
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maschine mit dreisträngiger Zweischichtwicklung mit doppelter Zonenbreite verwendet wird.
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ausgangsphasen der Phasenbausteine einen Gleichtaktanteil +|I ^_A| der Grundwelle (Phasenbaustein vorwärts) oder –|I ^_A| der Grundwelle (Phasenbaustein rückwärts) beinhalten.
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ausgangsphasen der Phasenbausteine einen Gleichtaktanteil -i_MIN(t) oder -i_MAX(t) beinhalten
Drehfeldantriebssystem auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ausgangsphasen der Phasenbausteine einen Gleichtaktanteil mit der dritten Harmonischen der Grundwelle beinhalten
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der dritten Harmonischen 1/6 der Grundwelle beträgt
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach den Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom eines Phasenbausteins zusätzlich zur dritten Harmonischen den Gleichtaktanteil + √3/2(Phasenbaustein vorwärts), bzw. – √3/2 Phasenbaustein rückwärts) beinhaltet
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierung zwischen zwei Eingangsphasen in einem Phasenbaustein in 2 Schritten erfolgen kann und dass im ersten Schritt der aufkommutierende Strompfad eingeschaltet wird und im zweiten Schritt der abkommutierende Pfad abgeschaltet wird
Drehfeldantriebssystem auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommutierung zwischen zwei Eingangsphasen in einem Schritt erfolgt, indem gleichzeitig der aufkommutierende Strompfad eingeschaltet und der abkommutierende Strompfad ausgeschaltet wird
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommutierung zwischen zwei Eingangsphasen in einem Phasenbaustein in einem Schritt erfolgen kann, wenn das Vorzeichen zwischen den beteiligten Phasen bekannt ist und das dann nur derjenige Schalter geschaltet wird, dessen Eingang mit der momentan größeren Spannung verbunden ist, während der andere Schalter eingeschaltet bleibt.
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das ein separater stromkompensierter Filter verwendet wird
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenbausteine ausgangsseitig durch eine Drossel ergänzt werden.
Drehfeldantrieb auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunkt der Maschine mit dem Sternpunkt des Netzes über eine Drossel verbunden wird
Drehfeldantriebssystem auf der Basis eines Direktumrichters mit m Eingangsphasen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb mehrerer Stromrichter die Anzahl der Phasenbausteine nach 1a und 1b so gewählt werden, dass sich am Anschlusspunkt der Stromrichter der Gleichtaktanteil minimiert