DE102005060354A1

DE102005060354A1 - Modulares Umrichtersystem

Info

Publication number: DE102005060354A1
Application number: DE102005060354A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Eckardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-21
Also published as: EP1961104A1; WO2007068532A1; US20080266915A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein modulares Umrichtersystem (2). Erfindungsgemäß weist das modulare Umrichtersystem (2) ein Umrichter-Grundgerät (4) und mindestens ein Umrichter-Zusatzgerät (6) auf, wobei diese Geräte (4, 6) untereinander mittels ihrer Netz- und Last-Stromschienen (8, 10) und mittels einer Kommunikationsleitung (12) seitlich steckbar sind. Somit erhält man ein modulares Umrichtersystem (2), das individuell ohne großen Aufwand auf jede beliebige geforderte Leistungsabgabe abgestimmt werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein modulares Umrichtersystem.

Aus der EP 0 600 635 A2 ist ein Umrichtersystem bekannt, das zwei parallel geschaltete lastseitige Stromrichter aufweist, die gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungszwischenkreises elektrisch leitend verbunden sind. Wechselspannungsseitig sind diese lastseitigen Stromrichter jeweils mittels einer Drossel miteinander verbunden, an deren Mittelabgriffen eine Last angeschlossen ist. Zur Steuerung dieser beiden elektrisch parallel geschalteten lastseitigen Stromrichter werden pulsweitenmodulierte Signale generiert. Dazu werden zwei dreieckförmige Trägersignale mit einem dreiphasigen sinusförmigen Signalsystem verglichen. Diese beiden dreieckförmigen Trägersignale weisen eine Phasenverschiebung zueinander von 180° el. auf. Die drei sinusförmigen Signale weisen jeweils eine Phasenverschiebung von 90° el. zu einem Trägersignal auf. Eine Leistung, die von einer angeschlossenen Last benötigt wird, muss vom netzseitigen Stromrichter zunächst im Spannungszwischenkreis zur Verfügung gestellt werden. Diese Leistung teilt sich dann auf die beiden parallel geschalteten lastseitigen Stromrichter auf. Gegenüber einem Umrichtersystem mit nur einem lastseitigen Stromrichter halbiert sich der Strom für jeden dieser beiden Stromrichter. Außerdem werden mit den generierten pulsweitenmodulierten Signalen für die beiden parallel geschalteten lastseitigen Stromrichter die Oberwellen in der Lastspannung minimiert.

Bei der Parallelschaltung von Wechselrichterzweigpaaren paralleler Wechselrichter entstehen durch die verschiedenen Schaltzeiten der steuerbaren Halbleiterschalter dieser Wechselrichterzweigpaare zusätzliche Belastungen durch Ausgleichströme, die die speisende Gleichspannungsquelle durch die gleichsinnig gesteuerten Wechselrichterzweige treibt. Diese unsymmetrische Aufteilung der Ströme müssen möglichst vermieden werden.

In der DE 42 23 804 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer m-pulsigen Wechselrichteranordnung, bestehend aus einem Master-Wechselrichter und wenigstens einem Slave-Wechselrichter, angegeben. Dabei werden aus ermittelten Phasenstrom-Istwerten des Master-Wechselrichters und eines Slave-Wechselrichters und aus Steuersignalen des Wechselrichtersteuersatzes Master- und Slave-Steuersignale erzeugt. In Abhängigkeit einer ermittelten Phasenstrom-Istdifferenz werden die Einschaltflanken der Steuersignale des Wechselrichtersteuersatzes zeitlich verschoben, wobei die Ausschaltflanken unverzögert übernommen werden. In Abhängigkeit des Vorzeichens der ermittelten Phasenstrom-Istdifferenz werden diese verzögerten Steuersignale dem Master- bzw. dem Slave-Wechselrichter zugeführt, wobei jedem anderen Wechselrichter die Steuersignale des Wechselrichtersteuersatzes zugeführt werden. Somit wird die Aufteilung der Phasenströme symmetriert.

Neben der Minimierung der Oberwelle im Laststrom einer Last werden Wechselrichter auch parallel geschaltet, um eine höhere Leistung zu generieren, bei gleichzeitiger Verringerung der Phasenströme eines jeden Wechselrichters. Bei einem solchen Umrichtersystem werden die parallelen Wechselrichter aus einer Gleichspannungsquelle gespeist. Das heißt, dass diese Gleichspannungsquelle, bestehend aus wenigstens einem ungesteuerten Gleichrichter und einem Zwischenkreiskondensator, für die geforderte Ausgangsleistung bemessen werden müssen. Durch die Parallelschaltung der Wechselrichter wird die Strombelastung eines jeden Wechselrichters und damit seiner abschaltbaren Halbleiterbauelemente reduziert.

Bei diesem bekannten Umrichtersystem ist eine individuelle Leistungsanpassung nicht möglich. Durch das Hinzufügen von weiteren Wechselrichtern kann theoretisch die Ausgangsleistung erhöht werden, ohne dass sich die Strombelastung eines jeden Wechselrichters wesentlich erhöht. Aber die erhöhte geforderte Leistung muss von der Gleichspannungsquelle bereitgestellt werden. Das heißt, mit einer Erhöhung einer Leistungsanforderung muss ebenfalls die Gleichspannungsquelle an diese höhere Leistungsanforderung angepasst werden. Auch auf der Wechselrichterseite ist es mit dem Parallelschalten eines weiteren Wechselrichters nicht getan. Die Steuervorrichtung muss ebenfalls auf die geänderte Wechselrichteranordnung abgeändert werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Umrichtersystem anzugeben, bei dem eine modulare Leistungssteigerung ohne großen Aufwand möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass jedes Umrichtergerät des erfindungsgemäßen Umrichtersystems Netz- und Last-Schienen und eine Kommutierungsleitung aufweist, die steckbar ausgeführt sind, können nun diese Umrichtergeräte aneinander gereiht werden. Bei der Aneinanderreihung wird ein Umrichtergerät seitlich an ein anderes Umrichtergerät gesteckt. Diese Umrichtergeräte können dabei in einem Schaltschrank direkt mit dessen Rückwand lösbar befestigt werden oder auf einer Halteschiene aufgeschnappt werden.

Bei diesem erfindungsgemäßen Umrichtersystem bildet ein erstes Umrichtergerät ein Umrichter-Grundgerät, wobei die weiteren Umrichtergeräte jeweils ein Umrichter-Zusatzgerät bilden. Das Umrichter-Grundgerät sorgt für die Definition und die Erzeugung einer Lastspannung, wogegen die Umrichter-Zusatzgeräte jeweils einen zusätzlichen Strom liefern.

In Abhängigkeit einer geforderten Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen Umrichtersystems werden ein Umrichter-Grundgerät und eine vorbestimmte Anzahl von Umrichter-Zusatzgeräten zu einem Umrichter-Geräteverband aneinander gesteckt. Dadurch erhält man ein modular aufgebautes Umrichtersystem, das individuell an eine geforderte Ausgangsleistung angepasst werden kann und das durchgehende Netz- und Last-Stromschienen und eine durchgehende Kommunikationsleitung aufweist. Dadurch kann bei diesem Umrichtersystem ein speisendes Netz entweder am Umrichter-Grundgerät oder an einem Umrichter-Zusatzgerät angeschlossen werden. Auch eine Last kann bei diesem Umrichtersystem am Umrichter-Grundgerät oder an einem zugänglichen Umrichter-Zusatzgerät angeschlossen werden.

Über die durchgeschliffene Kommunikationsleitung wird jedem Umrichter-Zusatzgerät ein Strom-Sollwert zugeführt. Wird beim Umrichtersystem ein Laststrom (Summenstrom) gemessen, so wird jedem Umrichter-Zusatzgerät der n-te Teil dieses gemessenen Laststromes als Strom-Sollwert zugeführt. Steht nur ein gemessener Ausgangsstrom des Umrichter-Grundgerätes zur Verfügung, wird dieser jedem Umrichter-Zusatzgerät als Strom-Sollwert zugeführt. Um einen Summenstrom messen zu können, wird ein Strommessgerät benötigt, das Last-Stromschienen aufweist, wobei jede vorhandene Last-Stromschiene mit einem Stromwandler versehen ist. Außerdem müssen die Ausgänge dieser Stromwandler mit einer Rechenvorrichtung verknüpft sein, dessen Ausgang mit einer Kommunikationsleitung verbunden ist. Wird als Umrichter-Grundgerät ein im Handel erhältliches Umrichtergerät verwendet, so enthält dieses bereits Stromwandler zur Ermittlung von Umrichter-Phasenausgangsströmen.

Damit das Umrichter-Grundgerät seinen Anteil zum Gesamtstrom liefern kann, ist es vorteilhaft, wenn das Umrichter-Grundgerät selbstständig die Anzahl der Umrichter-Zusatzgeräte feststellen kann. Dazu weist das Umrichter-Grundgerät eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Anzahl angeschlossener Umrichter-Zusatzgeräte auf, deren beiden Ausgangs-Anschlüsse durch die Umrichter-Zusatzgeräte durchgeschliffen sind. Jedes Umrichter-Zusatzgerät weist einen Widerstand auf, der bei Stecken des Umrichter-Zusatzgerätes mit den durchgeschliffenen Ausgangs-Anschlüssen der Vorrichtung des Umrichter-Grundgerätes elektrisch leitend verbunden wird. Durch das An schließen wenigstens eines Widerstandes (Umrichter-Zusatzgerät) erzeugt die Vorrichtung des Umrichter-Grundgerätes eine der Anzahl der angeschlossenen Umrichter-Zusatzgeräte proportionale Spannung.

Ist dieser Widerstand in jedem Umrichter-Zusatzgerät mittels eines Schalters schaltbar ausgeführt, besteht nun die Möglichkeit, dass sich ein Umrichter-Zusatzgerät selbsttätig, beispielsweise im Fehlerfall, aus diesem Geräte-Verband abmelden kann. Dadurch ist ein Redundanzbetrieb mit Fehlerrückmeldung möglich.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des modularen Umrichtersystems sind die Umrichter-Grund- und Zusatzgeräte jeweils rückspeisefähig ausgebildet. Dadurch werden Überspannungen begrenzt, die durch temporäre Kreisströme bei Lastwechseln entstehen können.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Umrichtersystems schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines modularen Umrichtersystems nach der Erfindung, in der
2 ist ein Ersatzschaltbild des modularen Umrichtersystems nach 1 mit einer ersten Strommessmethode dargestellt, wobei die
3 ein Ersatzschaltbild eines modularen Umrichtersystems nach 1 mit einer zweiten Strommessmethode zeigt, die
4 zeigt eine Realisierung einer Stromquelle mittels einer steuerbaren Spannungsquelle, die
5 zeigt eine erste Vorrichtung zur Ermittlung der Anzahl von gesteckten Umrichter-Zusatzgeräten beim modularen Umrichtersystem gemäß 1, wobei in der
6 eine zweite Vorrichtung zur Ermittlung der Anzahl von gesteckten Umrichter-Zusatzgeräten beim modularen Umrichtersystem gemäß 1 dargestellt ist, in der
7 ist ein Ersatzschaltbild eines Umrichter-Grundgerätes dargestellt und die
8 veranschaulicht ein Ersatzschaltbild eines Umrichter-Zusatzgerätes.
Gemäß dem Prinzipschaltbild nach 1 weist das modulare Umrichtersystem 2 nach der Erfindung ein Umrichter-Grundgerät 4 und wenigstens ein Umrichter-Zusatzgerät 6 auf. Jedes Umrichtergerät 4 und 6 weist Netz- und Last-Stromschienen 8 und 10 und eine Kommunikationsleitung 12 auf. Da in der 1 eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Umrichtersystems 2 dargestellt ist, weist dieses Umrichter-Grundgerät 4 zwei Ausgangs-Anschlüsse 14 und 16 auf, die durch die gesteckten Umrichter-Zusatzgeräte 6 durchgeschliffen sind. In dieser Darstellung des modularen Umrichtersystems 2 ist ein speisendes Netz 18 mit den Netz-Stromschienen 8 des Umrichter-Grundgerätes 4 verknüpft. Außerdem ist eine Last 20 mit den Last-Stromschienen 10 des Umrichter-Grundgerätes 4 verknüpft. Ein Leistungsteil, eine Regelung und eine Steuerung eines Umrichters eines jeden Umrichtergerätes 4 und 6 sind jeweils im Kasten 22 vereint und in dieser Darstellung nicht explizit dargestellt. Ein Ersatzschaltbild eines Umrichters des Umrichter-Grundgerätes 4 ist in der 7 dargestellt, wobei ein Ersatzschaltbild eines Umrichters eines Umrichter-Zusatzgerätes 6 der 8 entnommen werden kann.
Damit diese Umrichtergeräte 4 und 6 mittels ihrer Netz- und Laststromschienen 8 und 10 seitwärts aneinander steckbar sind, weisen diese Stromschienen 8 und 10 jeweils einen Stecker- und einen Aufnahmeteil 24 und 26 auf. Diese Steckerteile 24 der Stromschienen 8 und 10 sind durch Ausnehmungen 28 in einer ersten Seitenwand 30 eines jeden Umrichtergerätes 4 und 6 zugänglich. Die zugehörigen Aufnahmeteile 26 der Strom schienen 8 und 10 ragen durch Ausnehmungen 32 einer zweiten Seitenwand 34 eines jeden Umrichtergerätes 4 und 6 heraus. Beim letzten Umrichter-Zusatzgerät 6 dieses modularen Umrichter-Geräteverbandes sind die Ausnehmungen 28 der Seitenwand 30 jeweils mittels eines Deckels 36 verschlossen. Wie diese Deckel 36 ausgeführt sind, hängt von dem geforderten Schutzgrad des modularen Umrichter-Geräteverbandes ab. Die Kommunikationsleitung 12 eines jeden Umrichtergerätes 4 und 6 ist an beiden Enden jeweils mit einem ersten Teil 38 und einem zweiten Teil 40 einer steckbaren Vorrichtung elektrisch leitend verbunden. Diese Teile 38 und 40 einer jeden steckbaren Vorrichtung sind jeweils in einer Seitenwand 34 und 30 zweier seitwärts aneinander gesteckter Umrichtergeräte 4 und 6 bzw. 6 und 6 angeordnet. Beim Zusammenstecken zweier Umrichtergeräte 4 und 6 bzw. 6 und 6 greifen diese Teile 38 und 40 einer steckbaren Vorrichtung ineinander.
Dadurch, dass jedes Umrichtergerät 4 und 6 Netz- und Last-Stromschienen 8 und 10 und eine Kommunikationsleitung 12 aufweist, wachsen diese Stromschienen 8 und 10 und diese Kommunikationsleitung 12 automatisch weiter. Im zusammengesteckten Zustand eines Umrichter-Grundgerätes 4 mit wenigstens einem Umrichter-Zusatzgerät 6 erscheinen diese Stromschienen 8 und 10 und diese Kommunikationsleitung 12 als wären diese durchgeschliffen.
Die 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des modularen Umrichtersystems 2 nach 1 mit einer ersten Strommessmethode. In diesem Ersatzschaltbild sind das Umrichtergerät 4 durch eine steuerbare Spannungsquelle und die Umrichter-Zusatzgeräte 6 jeweils durch eine steuerbare Stromquelle dargestellt. Von den Netz- und Last-Stromschienen 8 und 10 ist jeweils nur eine Stromschiene dargestellt. Außerdem weist dieses Ersatzschaltbild ein Strommessgerät 42 auf, das Netz- und Last-Stromschienen 8 und 10 einen Stromwandler 44 pro vorhandener Last-Stromschiene 10 und eine Rechenvorrichtung 46 aufweist. Ausgangsseitig ist diese Rechenvorrichtung 46 mit der durchgeschliffenen Kommunikationsleitung 12 elektrisch lei tend verbunden. Dazu weist dieses Strommessgerät 42 eine Leitung 48 auf, die mit einem zweiten Teil 40 einer steckbaren Vorrichtung elektrisch leitend verbunden ist. Dieser zweite Teil 40 ist in einer Seitenwand dieses Strommessgerätes 42 derart angeordnet, dass im gesteckten Zustand dieser zweite Teil 40 in einen ersten Teil 38 des Umrichter-Grundgerätes 4 eingreift. Die Rechenvorrichtung 46 bildet aus den einzelnen Strom-Messgrößen einen Stromsummenwert. Dieser Stromsummenwert wird durch die Anzahl der im modularen Umrichtersystem 2 gesteckten Umrichter-Zusatzgeräte 6 geteilt. Dieser n-te Teil des ermittelten Stromsummenwertes wird mittels der Kommunikationsleitung 12 jedem Umrichter-Zusatzgerät 6 als Strom-Sollwert I_soll zugeführt. Da bei der Messmethode ein zusätzliches Strommessgerät 42 verwendet wird, muss eine Last 20 mit den Last-Stromschienen 10 dieses Strommessgeräts 42 verknüpft werden. Dieses Strommessgerät 42 kann entweder seitlich am Umrichter-Grundgerät 4 oder aber an einer frei zugänglichen Seitenwand 30 eines Umrichter-Zusatzgerätes 6 gesteckt werden. Neben dem erhöhten Aufwand an Bauelementen die Stromwandler 44 für den Laststrom und nicht einen Bruchteil dieses Laststromens ausgelegt sein.
Die 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des modularen Umrichtersystems 2 nach der 1 mit einer zweiten Strommessmethode. Bei dieser Strommessmethode weist das Umrichter-Grundgerät 4 wenigstens einen Stromwandler 50 auf, die in den Ausgangsleitungen des Umrichters dieses Umrichtergerätes 4 angeordnet sind. Der Ausgang eines jeden Stromwandlers 50 des Umrichter-Grundgerätes 4 ist mittels der durchgeschliffenen Kommunikationsleitung 12 mit jedem Umrichter-Zusatzgerät 6 verbunden. Der Umrichter-Ausgangsstrom des Umrichter-Grundgerätes 4 wird jedem Umrichter-Zusatzgerät 6 als Strom-Sollwert I_soll übermittelt. Bei dieser Messmethode muss eine Last 20 nicht an einer vorbestimmten Stelle mit dem modularen Umrichtersystem 2 verknüpft werden. Das heißt, die Last 20 kann mit dem Umrichter-Grundgerät 4 oder mit einem frei zugänglichen Umrichter-Zusatzgerät 6 dieses Umrichter-Geräteverbandes verbunden werden.
Diesen beiden Ersatzschaltbildern ist außerdem zu entnehmen, dass das Umrichter-Grundgerät 4 als steuerbare Spannungsquelle und jedes Umrichter-Zusatzgerät 6 als steuerbare Stromquelle betrieben wird. Das heißt, das Umrichter-Grundgerät 4 wird wie ein handelsübliches Umrichtergerät verwendet, wogegen die Umrichter-Zusatzgeräte 6, die jeweils ebenfalls eine steuerbare Spannungsquelle sind, als Stromquellen verwendet werden.
In der 4 ist eine Realisierung einer steuerbaren Stromquelle mittels einer steuerbaren Spannungsquelle 52 näher dargestellt. Dieser gesteuerten Spannungsquelle 52 ist eine Drossel 54 vorgeschaltet. Mittels eines Stromwandlers 56 wird ein Ausgangsstrom der gesteuerten Spannungsquelle 52 gemessen und als Strom-Istwert einer Stromregelung, bestehend aus einem Stromregler 58 und einem Vergleicher 60, zugeführt. Wie bereits erwähnt, wird der Ausgangsstrom des Umrichters des Umrichter-Grundgerätes 4 als Strom-Sollwert jedem Umrichter-Zusatzgerät 6 zugeführt. Dieser Strom-Sollwert gelangt mittels eines Führungsgrößenformer 62, beispielsweise einem Filter, zum nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 60 der Stromregelung. Damit zum einen die Stromregelung jedes Umrichter-Zusatzgerätes 6 eine hohe Dynamik aufweist und zum anderen die Drossel 54 klein gehalten werden kann, ist es zweckmäßig, dass die Pulsfrequenz der gesteuerten Spannungsquelle 52 möglichst hoch gewählt wird. Infolge einer hohen Pulsfrequenz werden die abschaltbaren Halbleiterschalter der gesteuerten Spannungsquelle 52 stärker belastet. Deshalb ist es sehr vorteilhaft, wenn diese abschaltbaren Halbleiterschalter aus Siliziumkarbid sind. Durch die hohe Pulsfrequenz wird zudem erreicht, dass die Regeldynamik eines jeden Umrichter-Zusatzgerätes 6 groß wird, wodurch die Umrichter-Zusatzgeräte 6 jeweils dem Umrichter-Grundgerät 4 schnell und nur mit geringem Phasennachlauf folgen können.
In der 5 ist eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 64 zur Ermittlung der Anzahl von im modularen Umrichter system 2 gesteckten Umrichter-Zusatzgeräten 6 näher dargestellt. Diese Vorrichtung 64 besteht zum einen aus einer Konstantstromquelle 66 mit einem Spannungsteiler 68 und parallelen Last-Widerständen 70. Diese Konstantstromquelle 66 mit dem Spannungsteiler 68 ist im Umrichter-Grundgerät 4 angeordnet, wogegen jeweils ein Last-Wider-stand 70 in einem Umrichter-Zusatzgerät 6 angeordnet ist. Der Verbindungspunkt 72 der beiden Widerstände 74 und 76 des Spannungsteilers 68 ist mit dem Steueranschluss eines Transistors 78 der Konstantstromquelle 66 angeschlossen. Der Emitter-Anschluss dieses Transistors 78 bildet den einen Ausgangsanschluss 16, wogegen ein Anschluss des Widerstandes 74 des Spannungsteilers 68 den anderen Ausgangsanschluss 14 bildet. Diese Ausgangsanschlüsse 14 und 16 sind mittels Leitungen 80 und 82 durch die Umrichter-Zusatzgeräte 6 durchgeschliffen. Das heißt, jedes Umrichter-Zusatzgerät 6 weist ebenfalls noch zwei Leitungen 80 und 82 auf, die jeweils mit einem Stecker- und Aufnahmeteil versehen sind. Am Kollektorwiderstand 84 der Konstantstromquelle 66 fällt eine Spannung U_N ab, die proportional zur Anzahl der gesteckten Umrichter-Zusatzgeräte 6 ist.
Die 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 64 zur Ermittlung der Anzahl von im modularen Umrichtersystem 2 gesteckten Umrichter-Zusatzgeräten 6. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 5 dadurch, dass jedem Last-Widerstand 70 ein Schalter 86 zugeordnet ist. Ein Last-Widerstand 70 und ein zugeordneter Schalter 86 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Mittels diesem Schalter 86 kann ein zugehöriges Umrichter-Zusatzgerät 6 sich aus diesem gesteckten Umrichter-Geräteverband abmelden, ohne dass es aus diesem Umrichter-Geräteverband physikalisch entfernt werden muss. Somit kann im Fehlerfall eines Umrichter-Zusatzgerätes 6 dieses sich selbsttätig aus dem Umrichter-Geräteverband abmelden, wodurch ein Redundanzbetrieb mit Fehlerrückmeldung möglich ist.
In der 7 ist ein Ersatzschaltbild eines Umrichters 88 eines Umrichter-Grundgerätes 4 dargestellt. In diesem Ersatz schaltbild sind mit 90 ein lastseitiger Stromrichter des Umrichters 88, mit 92 ein Pulsmodulator, mit 94 und 96 jeweils ein Vektordreher, mit 98 eine Stromregelung und mit 100 und 102 eine Flussregelung und eine Drehzahlregelung bezeichnet. Gleichspannungsseitig steht am lastseitigen Stromrichter 90 eine Gleichspannung U_DC an, die von einer nicht näher dargestellten Gleichspannungsquelle geliefert wird. Diese Gleichspannungsquelle besteht beispielsweise aus einer Diodeneinspeisung (Gleichrichter) und einem Spannungszwischenkreis mit wenigstens einem Kondensator, insbesondere einem Elektrolytkondensator. Ein derartiger Umrichter 88 wird auch als Spannungszwischenkreis-Umrichter bezeichnet. Die Gleichspannung U_DC ist dem Pulsmodulator 92 zugeführt. An den Ausgängen des Pulsmodulators 92 stehen pulsweitenmodulierte Signale an, aus denen dann für die abschaltbaren Halbleiterschalter des lastseitigen Stromrichters 90 Ansteuersignale generiert werden. Dazu weist dieser lastseitige Stromrichter 90 eine Ansteuereinrichtung auf. Die Flussregelung 100 und die Drehzahlregelung 102 und die Stromregelung 98 bilden eine so genannte Regeleinrichtung, die hier eine feldorientierte Regelung ist. Der lastseitige Stromrichter 90 weist ausgangsseitig wenigstens zwei Stromwandler 104 auf, die ausgangsseitig mittels des Vektordrehers 96 mit einem Vergleicher 106 und 108 verknüpft sind. Am nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 106 ist ein Ausgang eines Flussreglers 110 der Flussregelung 100 angeschlossen. Am nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 108 ist ein Ausgang eines Drehzahlreglers 112 der Drehzahlregelung 102 angeschlossen. An den Ausgangs-Anschlüssen des Vektordrehers 96 steht jeweils eine orthogonale Stromkomponente I_dist und I_qist an, die jeweils mit einem Stromkomponenten-Sollwert I_dsoll und I_qsoll der Flussregelung 100 und der Drehzahlregelung 102 verglichen werden. Aus den ermittelten Stromkomponenten-Differenzwerten erzeugt die Stromregelung 98 zwei orthogonale Spannungskomponenten U_dsoll und U_qsoll, aus denen mittels des Vektordrehers 94 drei Phasenspannungs-Sollwerte U_R, U_S und U_T generiert werden. Damit diese Vektordreher 94 und 96 ihre Arbeit verrichten können, benötigen sie einen Drehwinkel γ. In diesem Ersatzschaltbild des Umrichters 88 sind die Ausgänge des lastseitigen Stromrichters 90 jeweils mit einer optionalen Drossel 114 versehen. Dieses Ersatzschaltbild des Umrichters 88 entspricht dem eines handelsüblichen Spannungszwischenkreis-Umrichters mit einer feldorientierten Regelung. Mittels diesem Umrichter 88 wird eine für die Last 20 benötigte Spannung generiert. Somit wird dieser Umrichter 88 als gesteuerte Spannungsquelle verwendet.
In der 8 ist ein Ersatzschaltbild eines Umrichters 116 eines Umrichter-Zusatzgerätes 6 näher dargestellt. In diesem Ersatzschaltbild sind mit 118 ein lastseitiger Stromrichter, mit 120 ein Pulsmodulator, mit 122 ein Zweigrößen-Stromregler, mit 124 ein netzseitiger Stromrichter und mit 126 ein Zwischenkreiskondensator bezeichnet. Die Ausgänge dieses lastseitigen Umrichters 118 weisen jeweils eine Drossel 114 auf. Die beiden Stromwandler 104 sind ausgangsseitig jeweils mittels eines Vergleichers 128 und 130 mit dem Zweigrößen-Stromregler 122, dem beispielsweise ein Entkopplungsnetzwerk integriert ist, elektrisch leitend verbunden. An den nicht invertierenden Eingängen der beiden Vergleicher 128 und 130 steht jeweils ein Strom-Sollwert I_Rsoll und I_Tsoll an, die mittels einer Kommunikationsleitung 12 vom Umrichter-Grundgerät 4 bereitgestellt werden. Jeweils ein ermittelter Phasenstrom-Differenzwert wird dem Zweigrößen-Stromregler 122 zugeführt, der daraus zwei Komponenten U_a und U_b einer Stellgröße generiert. Diese Komponenten U_a und U_b dieser Stellgröße wird dem Pulsmodulator 120 zugeführt, aus der in Abhängigkeit einer Gleichspannung U_DC, die am Zwischenkreiskondensator 126 ansteht, pulsweitenmodulierte Steuersignale generiert werden. Der netzseitige Stromrichter 124, der hier ein Gleichrichter ist, kann auch rückspeisefähig ausgeführt sein. Als rückspeisefähiger netzseitiger Stromrichter 124 kann ein so genanntes Active Front End (AFE) oder ein so genanntes Fundamental Frequency Front End (F³E) verwendet werden. Die drei Drosseln 114 können auch durch ein Sinusfilter ersetzt werden.
Damit diese gesteuerte Spannungsquelle eine Stromquelle wird, müssen diese Drosseln 114 gemäß der 4 vorhanden sein. Diese Drosseln 114 verhindern zum einen Kurzschlüsse zwischen den Umrichtergeräten 4 und 6 und sorgen zudem für einen gewissen Stellbereich der Regelung. Die Größe dieser Drosseln 114 wird im Wesentlichen durch die Pulsfrequenz der gesteuerten Spannungsquelle mitbestimmt, da sie die Energie aus den Spannungszeitflächenunterschieden zwischen Umrichter-Grundgerät 4 und Umrichter-Zusatzgerät 6 oder zwischen zwei Umrichter-Zusatzgeräten 6 des Umrichter-Geräteverbandes zwischenspeichern müssen. Da beim erfindungsgemäßen Umrichtersystem 2 die Pulsfrequenz der Umrichter 88 und 116 aller Umrichtergeräte 4 und 6 nicht synchronisiert sind, ist für die Umrichter 116 der Umrichter-Zusatzgeräte 6 eine möglichst hohe Schaltfrequenz zu wählen. Damit die Schaltverluste des lastseitigen Stromrichters 118 nicht zu hoch werden, ist es vorteilhaft, wenn die abschaltbaren Halbleiterschalter 132 dieses lastseitigen Stromrichters 118 aus Siliziumkarbid (SiC) sind. Durch eine hohe Pulsfrequenz wird außerdem erreicht, dass die Regeldynamik der Stromrichter-Zusatzgeräte 6 groß wird, wodurch diese Umrichter-Zusatzgeräte 6 dem Umrichter-Grundgerät 4 schnell und mit geringem Phasennachlauf folgen können.
Als Umrichter eines jeden Umrichter-Zusatzgerätes 6 kann anstelle eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 116 auch ein Stromzwischenkreis-Umrichter verwendet werden, der eine gesteuerte Stromquelle ist. Wird jeweils als Umrichter eines jeden Umrichter-Zusatzgerätes 6 ein Spannungszwischenkreis-Umrichter 116 verwendet, so kann dieser auch entsprechend dem durch eine Strich-Punkt-Linie 134 eingerahmten Teil des Spannungszwischenkreis-Umrichters 88 der 7 mit einer feldorientierten Regelung aufgebaut sein.
Da bei diesem modularen Umrichtersystem 2 eine geforderte Leistungsabgabe mittels eines Umrichter-Grundgerätes 4 von wenigstens einem Umrichter-Zusatzgerät 6 zur Verfügung gestellt wird, kann jede beliebig geforderte Leistungsabgabe durch das Hinzufügen oder Wegnehmen von Umrichter-Zusatzgeräten 6 individuell bereitgestellt werden. Da diese Umrichtergeräte 4 und 6 dieses modularen Umrichter-Geräteverbandes Netz- und Last-Stromschienen 8 und 10 enthalten, die steckbar ausgeführt sind, entfällt beim Hinzufügen weiterer Umrichter-Zusatzgeräte 6 eine Verlängerung dieser Schienensysteme 8 und 10. Mit dem Stecken eines weiteren Umrichter-Zusatzgerätes 6 an einen bestehenden Umrichter-Geräteverband erweitern sich diese Schienensysteme 8 und 10 selbsttätig.

Claims

Modulares Umrichtersystem (2) mit einem Umrichter-Grundgerät (4) und wenigstens einem Umrichter-Zusatzgerät (6), wobei diese Geräte (4, 6) untereinander mittels ihrer Netz- und Last-Stromschienen (8, 10) und mittels ihrer Kommunikationsleitung (12) seitlich steckbar sind.
Modulares Umrichtersystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umrichter-Grundgerät (4) eine Vorrichtung (64) zur Ermittlung einer Anzahl angeschlossener Umrichter-Zusatzgeräte (6) aufweist, an deren beiden Ausgangs-Anschlüssen (14, 16) jedes angeschlossene Umrichter-Zusatzgerät (6) ein Last-Widerstand (70) angeschlossen ist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strommessgerät (46) vorgesehen ist, das Last-Stromschienen (10) mit jeweils einem Stromwandler aufweist, die ausgangsseitig mittels einer Recheneinrichtung (46) mit einer Kommunikationsleitung (12) verbunden ist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Netz- und Last-Stromschiene (8, 10) einen Steck- und Aufnahmeteil (24, 26) aufweisen.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umrichter-Grundgerät (4) und die Umrichter-Zusatzgeräte (6) jeweils rückspeisefähig ausgeführt sind.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckteile (24) der Netz- und Last-Stromschienen (8, 10) eines jeden Gerätes (4, 6) durch Ausnehmung (28) einer ersten Seitenwand (30) eines jeden Gerätes (4, 6) zugänglich sind.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeteile (26) der Netz- und Last-Stromschienen (8, 10) eines jeden Gerätes (4, 6) durch Ausnehmung (32) einer zweiten Seitenwand (34) eines jeden Gerätes (4, 6) aus diesem Gerät (4, 6) herausragen.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Kommunikationsleitung (12) eines jeden Gerätes (4, 6) mit einem ersten Teil (38) und einem zweiten Teil (40) einer steckbaren Vorrichtung elektrisch leitend verbunden sind und dass diese Teile (38, 40) der steckbaren Vorrichtung jeweils in einer Ausnehmung einer Seitenwand (34, 30) eines jeden Gerätes (4, 6) angeordnet sind.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Umrichter-Zusatzgerät (6) ein n-ter Teil eines ermittelten Stromsummenwertes des Strommessgerätes (46) als Strom-Sollwert (I_soll) zugeführt ist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Umrichter-Zusatzgerät (6) ein gemessener Ausgangsstrom des Umrichter-Grundgerätes (4) als Strom-Sollwert (I_soll) zugeführt wird.
Modulares Umrichtersystem (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Last-Widerstand (70) eines jeden Umrichter-Zusatzgerätes (6) mit einem Schalter (86) elektrisch in Reihe geschaltet ist.
Modulares Umrichtergerät (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umrichter-Grundgerät (4) ein Spannungszwischenkreis-Umrichter vorgesehen ist.
Modulares Umrichtergerät (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umrichter-Zusatzgerät (6) ein Stromzwischenkreis-Umrichter vorgesehen ist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Umrichter-Zusatzgerät (6) ein Spannungszwischenkreis-Umrichter vorgesehen ist, dessen Ausgänge jeweils mit einer Drossel (114) versehen sind.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichter-Zusatzgeräte (6) jeweils unabhängig voneinander mit einer hohen Pulsfrequenz getaktet werden können.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umrichter-Zusatzgerät (6) abschaltbare Halbleiterschalter (132) aus Siliziumkarbid aufweist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als netzseitiger Stromrichter (124) der Umrichter-Geräte (4, 6) jeweils ein Active Front End vorgesehen ist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als netzseitiger Stromrichter (124) der Umrichter-Geräte (4, 6) jeweils ein Fundamental Frequency Front End vorgesehen ist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Last (20) an den Last-Stromschienen (10) des Strommessgerätes (46) angeschlossen ist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Last (20) an den Last-Stromschienen (10) des Umrichter-Grundgerätes (4) angeschlossen ist.
Modulares Umrichtersystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Last (20) an den Last-Stromschienen (10) eines Umrichter-Zusatzgerätes (6) angeschlossen ist.