DE102005042321A1 - Weitspannungs-Umrichter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Weitspannungs-Umrichter mit einem netz- und lastseitigen Stromrichter (2, 4). Erfindungsgemäß sind die netz- und lastseitigen Stromrichter (2, 4) gleichspannungsseitig mittels eines Hochsetz-/Tiefsetzstellers (6) elektrisch leitend verbunden, wobei als Stromrichterventile (T1, T2; T3, T4; T5, T6) einer jeden Phase (R, S, T) des netzseitigen Stromrichters (2) ein abschaltbarer Halbleiterschalter mit antiparallel geschalteter Diode vorgesehen sind, wobei der netzseitige Stromrichter (2) wechselspannungsseitig mit einem Filter (8) versehen ist und wobei der lastseitige Stromrichter (4) gleichspannungsseitig mit einem Gleichspannungskondensator (14) versehen ist. Somit erhält man einen Weitspannungs-Umrichter ohne Derating mit dedizierter Ausgangsspannung.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Weitspannungs-Umrichter, der einen netz- und lastseitigen Stromrichter aufweist.
  • Ein elektrischer Motor mit einer vorbestimmten Motorspannung kann an unterschiedliche Netze angeschlossen werden. Diese Netze unterscheiden sich voneinander durch deren Netzspannungen. Die wesentlichen Netzspannungen eines dreiphasigen Netzes sind 200V bis 240V, 380V bis 480V, 500V bis 600V und 660V bis 690V. Für den Betrieb dieses Motors wird ein Umrichter benötigt, der zwischen einem speisenden Netz und dem Motor geschaltet wird.
  • Ein derartiger Umrichter weist netz- und lastseitig einen Stromrichter auf, die gleichspannungsseitig miteinander verknüpft sind. Als lastseitiger Stromrichter wird überwiegend ein selbstgeführter Pulsstromrichter verwendet. Netzseitig können unterschiedliche Stromrichter verwendet werden. Ein handelsüblicher einfacher Umrichter, der auch als Frequenzumrichter bezeichnet wird, weist als netzseitigen Stromrichter eine Diodenbrücke auf. Dieser ungesteuerte netzseitige Stromrichter ist gleichspannungsseitig mittels eines Spannungszwischenkreises, der wenigstens einen Kondensator aufweist, mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen des selbstgeführten Pulsstromrichters verbunden.
  • Soll Energie in das speisende Netz zurückgespeist werden, so wird ein Diodengleichrichter verwendet, dessen Dioden jeweils ein abschaltbarer Halbleiterschalter elektrisch antiparallel geschaltet ist. Diese abschaltbaren Halbleiterschalter sind jeweils während der Stromführungszeiten der zugehörigen Dioden, die durch die natürlichen Kommutierungszeitpunkte bestimmt sind, leitend geschaltet. Netzseitig weist dieser netzfrequent gesteuerte Stromrichter einen Filter auf, das drei in Stern oder Dreieck geschaltete Kondensatoren auf weist. Der Spannungszwischenkreis, der gleichspannungsseitig den netzseitigen Stromrichter mit dem lastseitigen Stromrichter verbindet, ist bei dieser Umrichtertopologie kondensatorlos. Durch die Ausgestaltung des netzseitigen Stromrichters, der auch als Fundamental Frequency Front End (F3E) bezeichnet wird, ist dieser Umrichter rückspeisefähig.
  • Bei einer weiteren Umrichtertopologie wird als netzseitiger Stromrichter anstelle eines Diodengleichrichters ein selbstgeführter Pulsstromrichter verwendet, der wechselspannungsseitig in den Zuleitungen jeweils eine Drossel aufweist.
  • Gleichspannungsseitig ist dieser netzseitige Stromrichter, der auch als Active Front End (AFE) bezeichnet wird, mittels eines Spannungszwischenkreises, der wenigstens einen Kondensator, vorzugsweise einen Elektrolyt-Kondensator, aufweist mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen des lastseitigen Stromrichters, insbesondere eines selbstgeführten Pulsstromrichters, elektrisch leitend verbunden. Durch die Verwendung eines AFEs als netzseitigen Stromrichter ist dieser Umrichter netzfreundlich und rückspeisefähig. Außerdem wird eine Zwischenkreisspannung konstant auf einen vorbestimmten Wert geregelt.
  • Bei einem herkömmlichen Weitspannungs-Umrichter, dessen netzseitiger Stromrichter in einer der genannten Topologien (Diodengleichrichter, F3E, AFE) ausgeführt ist, muss man ein ausgeprägtes Leistungsderating oder aber eine höhere Verlustleistung in Kauf nehmen. Aus diesen Gründen wird ein Umrichter ausgewählt, der netzspannungsseitig an die Netzspannung eines speisenden Netzes und lastseitig an eine Leistungsanforderung eines anzutreibenden Motors mit vorbestimmter Motorspannung angepasst ist.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weitspannungs-Umrichter anzugeben, bei dessen Betrieb kein Leistungsderating mehr auftritt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass einem netzseitigen Stromrichter in der Ausführungsform F3E ein Hochsetz-/Tiefsetzsteller nachgeschaltet ist, erhält man als Eingangs-Gleichspannung für einen nachgeschalteten lastseitigen Stromrichter, insbesondere einen selbstgeführten Pulsstromrichter, eine auf einen vorbestimmten Wert geregelte Gleichspannung, die von einer Netzspannung eines speisenden Netzes unabhängig ist. Somit erhält man einen Weitspannungs-Umrichter, dessen netzseitiger Stromrichter rückspeisefähig ist, einfach zu steuern ist und geringe netzharmonische Oberwellen erzeugt, und der mittels des Hochsetz-/Tiefsetzstellers einen Weitspannungsbetrieb ohne Derating mit dedizierter Ausgangsspannung ermöglicht.
  • Die Gleichspannung am Ausgang des Hochsetz-/Tiefsetzstellers kann auf jeden gewünschten Wert geregelt werden. Der Wert dieser Spannung ist nur abhängig von Bauelementen limitiert. Dadurch, dass diese Gleichspannung auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird, kann man als lastseitigen Stromrichter einen Standardstromrichter, insbesondere einen selbstgeführten Pulsstromrichter, verwenden. Die Wahl eines derartigen lastseitigen Stromrichters ist somit bei einer vorbestimmten Gleichspannung nur noch von einer Leistungsanforderung einer Last, insbesondere eines Motors, abhängig.
  • Damit die Drossel des Hochsetz-/Tiefsetzstellers ein geringes Bauvolumen einnimmt, werden die abschaltbaren Halbleiterschalter der Stromrichterventile des Hochsetz-/Tiefsetzstellers hochfrequent getaktet. Als Hochfrequenz wird eine Frequenz mit wenigstens 20kHz bis zu mehreren 100kHz, insbesondere 200kHz, bezeichnet. Diese abschaltbaren Halbleiterschalter der Stromrichterventile des Hochsetz-/Tiefsetzstellers bestehen vorteilhafterweise wegen der hohen Taktfrequenz aus Siliziumkarbid.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Hochsetz-/Tiefsetzstellers werden als Stromrichterventile des Hochsetz-/Tiefsetzstellers jeweils ein MOS-Feldeffekttransistor aus Siliziumkarbid vorgesehen. Als Stromrichterventile des Hochsetz-/Tiefsetzstellers kann jeweils auch ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor aus Siliziumkarbid vorgesehen sein. Ebenfalls kann als abschaltbarer Halbleiterschalter der Stromrichterventile des Hochsetz-/Tiefsetzstellers jeweils ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) aus Silizium mit einer antiparallel geschalteten Diode aus Siliziumkarbid vorgesehen sein. Durch diese Wahl der abschaltbaren Halbleiterschalter der Stromrichterventile des Hochsetz-/Tiefsetzstellers können diese hochfrequent getaktet werden, so dass sich die Baugröße der Drossel wesentlich verringert. Außerdem entstehen minimale Schaltverluste.
    •
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Weitspannungs-Umrichters schematisch veranschaulicht ist.
  • Gemäß dem Ersatzschaltbild dieser Figur weist der erfindungsgemäße Weitspannungs-Stromrichter einen netzseitigen Stromrichter 2, einen lastseitigen Stromrichter 4, einen Hochsetz-/Tiefsetzsteller 6 und ein netzseitiges Filter 8 auf. Der netzseitige Stromrichter 2 ist gleichspannungsseitig mittels des Hochsetz-/Tiefsetzstellers 6 mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen 10 und 12 des lastseitigen Stromrichters 4 elektrisch leitend verbunden. Elektrisch parallel zu diesen gleichspannungsseitigen Anschlüssen 10 und 12 des lastseitigen Stromrichters 4 ist ein Gleichspannungskondensator 14, insbesondere ein Elektrolyt-Kondensator, geschaltet. An den Ausgangsklemmen U, V und W des lastseitigen Stromrichters 4 ist ein Motor 16, insbesondere ein Drehstrommotor, angeschlossen. Als lastseitiger Stromrichter 4 ist ein selbstgeführter Pulsstromrichter vorgesehen, der als Stromrichterventile T7 – T12 jeweils einen abschaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), aufweist.
  • Der Hochsetz-/Tiefsetzsteller, der gleichspannungsseitig den netzseitigen Stromrichter 2 mit dem lastseitigen Stromrichter 4 elektrisch leitend verbindet, weist vier Stromrichterventile T13, T14, T15 und T16 und eine Drossel L auf. Jeweils zwei dieser vier Stromrichterventile T13, T14, T15 und T16 sind elektrisch in Reihe geschaltet und bilden dadurch jeweils einen Brückenzweig 18 und 20. Die Drossel L ist derart mit den Stromrichterventilen T13, ..., T16 verknüpft, dass diese die Verbindungspunkte 22 und 24 der Stromrichterventile T13, T14 und T15, T16 miteinander verbindet. Die Stromrichterventile T13 und T14 bilden in Verbindung mit der Drossel L einen Tiefsetzsteller, wogegen die Stromrichterventile T15 und T16 in Verbindung mit der Drossel L einen Hochsetzsteller realisieren. Die Stromrichterventile T13, ..., T16 weisen jeweils einen abschaltbaren Halbleiterschalter mit antiparallel geschalteter Diode auf. Der Brückenzweig 18 des Hochsetz-/Tiefsetzstellers 6 ist gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu gleichspannungsseitigen Ausgangs-Anschlüssen 26 und 28 des netzseitigen Stromrichters 2 geschaltet. Elektrisch zu diesen Ausgangs-Anschlüssen 26 und 28 ist ein Kondensator 30 geschaltet, der vorzugsweise als Folienkondensator ausgeführt ist. Dieser Kondensator 30 ist jedoch nicht zwingend notwendig. Der Brückenzweig 20 des Hochsetz-/Tiefsetzstellers 6 ist gleichspannungsseitig elektrisch parallel zum Gleichspannungskondensator 14 und damit elektrisch parallel zu gleichspannungsseitigen Eingangs-Anschlüssen 10 und 12 des lastseitigen Stromrichters 4 geschaltet. An den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 26 und 28 des netzseitigen Stromrichters 2 steht eine Gleichspannung UZW an, aus der mittels des Hochsetz-/Tiefsetzstellers 6 eine Gleichspannung UZWK mit einer vorbestimmten Amplitude generiert wird. Diese auf eine vorbestimmte Amplitude geregelte Gleichspannung UZWK wird vom Gleichspannungskondensator 14 gepuffert.
  • Der netzseitige Stromrichter 2 weist als Stromrichterventile T1, ..., T6 jeweils einen abschaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere ein IGBT, mit antiparallel geschalteter Diode auf. Jeweils zwei Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 bilden einen Brückenzweig, der auch als Stromrichterphase R bzw. S bzw. T bezeichnet wird. Jeweils ein Verbindungspunkt zweier elektrisch in Reihe geschalteter Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 einer Stromrichterphase R bzw. S bzw. T bildet einen Eingangs-Anschluss 32 bzw. 34 bzw. 36. An diesen Eingangs-Anschlüssen 32, 34 und 36 ist einerseits ein Filter 8 und andererseits ein speisendes Netz 38 angeschlossen. Dieses speisende Netz 38 kann eine Netzspannung mit einer Amplitude von 200V bis 690V aufweisen. Das Filter 8 weist drei Kondensatoren C1, C2 und C3 auf, die hier elektrisch in Stern geschaltet sind. Diese können jedoch elektrisch auch in Reihe geschaltet werden. Dieses Filter 8 weist außerdem drei Dämpfungs-Widerstände R1, R2 und R3 auf, die jeweils elektrisch in Reihe zu einem Kondensator C1 bzw. C2 bzw. C3 geschaltet sind.
  • Zur Ansteuerung der Stromrichterventile T1, ..., T6 dieses netzseitigen Stromrichters 2 ist eine Steuereinrichtung 40 vorgesehen. Diese Steuereinrichtung 40 erzeugt Steuersignale, die die abschaltbaren Halbleiterschalter der Stromrichterventile T1, ..., T6 derart ansteuert, dass diese jeweils leitend werden, wenn jeweils die korrespondierende antiparallel geschaltete Diode leitend ist. Das heißt, dass jeweils zu den natürlichen Kommutierungszeitpunkten (Schnittpunkt zweier Phasenspannungen bzw. Amplitude einer verketteten Netzspannung ist gleich Null). Durch diese netzfrequente Steuerung der abschaltbaren Halbleiterschalter der Stromrichterventile T1, ..., T6 des netzseitigen Stromrichters 2 ist dieser zu jeder Zeit rückspeisefähig. Eine Ausführungsform der Steuereinrichtung 40 ist der DE 199 13 634 A1 zu entnehmen.
  • Der netzseitige Stromrichter 2 und das netzseitige Filter 8 bilden zusammen ein so genanntes Fundamental Frequency Front End (F3E). Gleichspannungsseitig kann dieses F3E mit einem Kondensator 30, insbesondere einem Folienkondensator, verknüpft sein. Dieser Kondensator 30 unterstützt lediglich die Kommutierung der abschaltbaren Halbleiterschalter der Stromrichterventile T1, ..., T6. An diesem Kondensator 30 fällt die Gleichspannung UZW ab, die amplitudenmäßig mit der 6-fachen Netzfrequenz schwankt und deren Amplitude von der Netzspannung des speisenden Netzes 38 abhängig ist.
  • Unabhängig von dieser schwankenden Gleichspannung UZW am Kondensator 30 steht am Gleichspannungskondensator 14 eine konstante Gleichspannung UZWK mit einer vorbestimmten Amplitude an. Diese konstante Gleichspannung UZWK kann sich auch nach einer anzutreibenden Last richten. Beispielsweise soll ein Drehstrommotor 16 mit einer Ständerspannung in Höhe von 400V und einer vorbestimmten Leistung mit dem erfindungsgemäßen Weitspannungs-Umrichter betrieben werden. Wegen dieses Drehstrommotors wird ein selbstgeführter Pulsstromrichter mit einer Eingangsgleichspannung in Höhe von 600V benötigt. Unabhängig von der Netzspannung des speisenden Netzes 38 generiert der Hochsetz-/Tiefsetzsteller 6 aus einer am Eingang anstehenden Gleichspannung UZW diese konstante Gleichspannung UZWK mit einer geforderten konstanten Amplitude von 600V.
  • Damit die Drossel L des Hochsetz-/Tiefsetzstellers 6 möglichst ein kleines Bauvolumen einnimmt, damit diese im Weitspannungs-Umrichter integriert werden kann, werden die Stromrichterventile T13, ..., T16 des Hochsetz-/Tiefsetzstellers 6 mit hoher Frequenz getaktet. Um eine hohe Taktfrequenz umsetzen zu können, werden als Stromrichterventile T13, ..., T16 jeweils ein MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, der auch als Junction-Field-Effect-Transistor (JFET) bezeichnet wird, vorgesehen. Im dargestellten Ersatzschaltbild des Weitspannungs-Umrichters sind als Stromrichterventile T13, ..., T16 des Hochsetz-/Tiefsetz-stellers 6 jeweils ein n-Kanal Enhancement-MOSFET vorgesehen. Damit die Schaltverluste bei einer hohen Taktfrequenz gering bleiben, werden MOSFETs und JFETs aus Siliziumkarbid als Stromrichterventile T13, ..., T16 des Hochsetz-/Tiefsetzstellers 6 verwendet. Außerdem können als Stromrichterventile T13, ..., T16 jeweils abschaltbare Halbleiterschalterschalter, insbesondere IGBTs, verwendet werden. Damit diese abschaltbaren Halbleiterschalter eine hohe Taktfrequenz umsetzen können, besteht der IGBT aus Silizium und eine zugehörige antiparallel geschaltete Diode besteht aus Siliziumkarbid. Mittels dieses Hochsetz-/Tiefsetzstellers 6 kann die konstante Gleichspannung UZWK am Gleichspannungskondensator 14 auf jeden gewünschten Wert geregelt werden. Diese gewünschte konstante Gleichspannung UZWK ist bauelementeabhängig limitiert.
  • Der netzseitige Stromrichter 2 wird derart dimensioniert, dass die Stromrichterventile T1, ..., T6 auf einen aus einer niedrigsten Netzspannung resultierenden Strom bei einer gewünschten Leistung eines anzutreibenden Motors 16 ausgelegt werden. Eine derartige Auslegung wird von den abschaltbaren Halbleiterschaltern der Stromrichterventile T1, ..., T6 verkraftet, da diese nur netzfrequent getaktet werden.
  • Mit dieser erfindungsgemäßen Umrichter-Topologie erhält man einen Weitspannungs-Umrichter ohne Derating mit dedizierter Ausgangspannung. Der lastseitige Stromrichter 4, insbesondere ein selbstgeführter Pulsstromrichter, kann nun leistungsmäßig optimiert werden, da unabhängig vom speisenden Netz 38 gleichspannungsseitig immer eine vorbestimmte Gleichspannung UZWK mit geregelter Amplitude ansteht. Mit diesem erfindungsgemäßen Weitspannungs-Umrichter kann ein Motor 16, insbesondere ein Drehstrommotor, einer vorbestimmten Leistung mit einer definierten Motorspannung an den wesentlichen Netzen (3AC200V-240V, 3AC380V-480V, 3AC500V-600V, 3AC660V-690V) bei minimierter Verlustleistung und voller Leistungsbereitstellung im gesamten Weitspannungsbereich betrieben werden.
  • Ein Maschinenbauer, der bei seinen Maschinen zum Antreiben einzelner Komponenten dieser Maschinen nur einen Typ von Motor mit vorbestimmter Leistung und vorbestimmter Motorspannung verwenden möchte, kann nun mit diesem erfindungsgemäßen Weitspannungs-Umrichter seine Maschine für den genannten Weitspannungsbereich fertigen. Dadurch entfällt die Vorratshaltung mehrerer unterschiedlicher Umrichter.
  • Somit weist dieser erfindungsgemäße Weitspannungs-Umrichter die Vorteile eines Fundamental Frequency Front End (F3E) auf, nämlich geringe netzharmonische Oberwellen, Rückspeisefähigkeit, einfache Ansteuerbarkeit, und einen Weitspannungsbetrieb ohne Derating mit dedizierter Umrichter-Ausgangsspannung, wobei diese Umrichter-Ausgangsspannung nicht mehr zu gängigen Motorspannungen fehlangepasst sind und der lastseitige Stromrichter 4 leistungsoptimiert ist.

Claims (11)

  1. Weitspannungs-Umrichter mit einem netz- und lastseitigen Stromrichter (2, 4), die gleichspannungsseitig mittels eines Hochsetz-/Tiefsetzstellers (6) elektrisch leitend verbunden sind, wobei als Stromrichterventile (T1, T2; T3, T4; T5, T6) einer jeden Phase (R, S, T) des netzseitigen Stromrichters (2) ein abschaltbarer Halbleiterschalter mit antiparallel geschalteter Diode vorgesehen sind, wobei der netzseitige Stromrichter (2) wechselspannungsseitig mit einem Filter (8) versehen ist, und wobei der lastseitige Stromrichter (4) gleichspannungsseitig mit einem Gleichspannungskondensator (14) versehen ist.
  2. Weitspannungs-Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochsetz-/Tiefsetzsteller (6) vier Stromrichterventile (T13, ..., T16) und eine Drossel (L) aufweist, wobei jeweils zwei Stromrichterventile (T13, T14; T15, T16) elektrisch in Reihe geschaltet sind, und dass die Drossel (L) jeweils mit einem Anschluss mit einem Verknüpfungspunkt (22, 24) der beiden Reihenschaltungen verknüpft ist.
  3. Weitspannungs-Umrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichterventile (T13, ..., T16) des Hochsetz-/Tiefsetzstellers (6) jeweils ein MOS-Feldeffekttransistor vorgesehen ist.
  4. Weitspannungs-Umrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichterventile (T13, ..., T16) des Hochsetz-/Tiefsetzstellers (6) jeweils ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor vorgesehen ist.
  5. Weitspannungs-Umrichter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor aus Siliziumkarbid ist.
  6. Weitspannungs-Umrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichterventile (T13, ..., T16) des Hochsetz-/Tiefsetzstellers (6) jeweils ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor aus Silizium mit einer antiparallel geschalteten Diode aus Siliziumkarbid vorgesehen ist.
  7. Weitspannungs-Umrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das netzseitige Filter (8) drei Kondensatoren (C1, C2, C3) aufweist, die in Stern geschaltet sind.
  8. Weitspannungs-Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das netzseitige Filter (8) drei Kondensatoren (C1, C2, C3) aufweist, die in Dreieck geschaltet sind.
  9. Weitspannungs-Umrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kondensator (C1, C2, C3) des netzseitigen Filters (8) ein Dämpfungs-Widerstand (R1, R2, R3) elektrisch in Reihe geschaltet ist.
  10. Weitspannungs-Umrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem netzseitigen Stromrichter (2) gleichspannungsseitig ein Gleichspannungskondensator (30) elektrisch parallel geschaltet ist.
  11. Weitspannungs-Umrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gleichspannungskondensator (14, 30) ein Folienkondensator vorgesehen ist.
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