DE102006050942A1

DE102006050942A1 - Schaltungsanordnung und Steuerverfahren für einen Z-Source-Umrichter

Info

Publication number: DE102006050942A1
Application number: DE102006050942A
Authority: DE
Inventors: Lothar Sack
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-10-28
Publication date: 2007-11-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Schaltungsanordnung und die Steuerung für einen Umrichter, der den bidirektionalen Leistungsaustausch zwischen einer eingangsseitigen Spannungsquelle und einer ausgangsseitigen Stromquelle vornimmt und der die Fähigkeit besitzt, an der Stromquelle eine Spannung zu erzeugen, die auch höher sein kann als die Spannung der eingangsseitigen Spannungsquelle. Bei der Spannungsquelle kann es sich um ein Versorgungsnetz handeln (Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom) oder um eine Batterie. Die ausgangsseitige Stromquelle stellt die Idealisierung eines beliebigen Betriebsmittels mit induktivem Reaktanz-Anteil dar (z.B. ein Gleichstrom- oder Drehstrommotor). Der erfindungsgemäße Umrichter umfasst einen Z-Source-Umrichter, der sich durch die Fähigkeit der Spannungserhöhung auszeichnet und in bekannter Weise die Leistungsrichtung von der Spannungsquelle zur Stromquelle ermöglicht. Die entgegengesetzte Leistungsrichtung von der Stromquelle zur Spannungsquelle, die dem Umrichter seine bidirektionale Funktionalität verleiht, wird durch ein erfindungsgemäß hinzugefügtes steuerbares Schaltelement oder mehrere erfindungsgemäß hinzugefügte steuerbare Schaltelemente (z.B. abschaltbare Leistungshalbleiter) und deren Steuerung erreicht. Die Bedeutung der Erfindung liegt hinsichtlich der elektrischen Antriebstechnik einerseits auf dem Gebiet der Kompaktumrichter, wenn diese eine Rückspeisemöglichkeit benötigen, da Bremsenergie am Einbauort thermisch nicht oder ...

Description

Zu Grunde liegende Aufgabe
Die Erfindung bezieht sich auf die Schaltungsanordnung und die Steuerung für einen Umrichter, der den bidirektionalen Leistungsaustausch zwischen einer Spannungsquelle und einer Stromquelle vornimmt. Hierbei kann bei beiden Leistungsrichtungen an der Stromquelle eine dem Betriebspunkt anpassbare Spannung erzeugt werden, die niedriger, aber auch höher als die Spannung der Spannungsquelle sein kann, wenn dies z.B. bei einem Elektromotor zum erreichen einer hohen Drehzahl erforderlich ist. Bei der Spannungsquelle kann es sich beispielhaft um eine Batterie oder um ein Versorgungsnetz (Gleich-, Wechsel- oder Drehstromnetz) handeln und bei der Stromquelle um eine beliebige Last mit induktiver Reaktanz (z.B. Gleichstrom- oder Drehstrommotor).
Bekannter Stand der Technik
Die zuvor beschriebene Aufgabe der Spannungsanpassung wird nach bekanntem Stand der Technik durch die Kombination von Stromrichtern durchgeführt, die die beiden Teilaufgaben Hochsetzstellen und Tiefsetzstellen getrennt und damit nacheinander – also zweistufig – durchführen. Ein Beispiel hierfür ist der Umrichter gemäß 1. Die Speisung erfolgt hier aus einer Gleichspannungsquelle. Der eingangsseitige Stromrichter besteht aus der Hochsetzstellerdrossel LH, den Schaltelementen des eingangsseitigen Stellers TH, DH, TD, DD und dem Zwischenkreiskondensator CZK. Er besitzt die Funktion eines Hochsetzstellers. Neben dem Aufwand an passiven und aktiven Bauelementen des Leistungsteils ist auch der Steuerungsaufwand erheblich, der sich für den eingangsseitigen Hochsetzsteller besonders bei Speisung aus einem Drehstromnetz ergibt.
Der erfindungsgemäße Umrichter umfasst einen Z-Source-Umrichter, der die Funktionen von Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller in dem ausgangsseitigen Wechselrichter in Verbindung mit den passiven Zwischenkreiskomponenten vereinigt. Dieser Umrichter ist aus der Literatur bekannt und wird dort mit der Energienutzung von Quellen mit schwankender Spannungshöhe (Photovoltaik, Brennstoffzelle, gestörte Netzspannung) in Verbindung gebracht [1,2]. 2 zeigt die Verwendung als Antriebsumrichter, bei der die Speisung aus einer Batterie E₀ erfolgt. Als schaltbare Schaltelemente kommen abschaltbare Leistungshalbleiter in allen Ausführungen in Frage (abschaltbare Thyristoren und Transistoren); in den bildlichen Darstellungen dieser Beschreibung sind ohne Einschränkung der Allgemeinheit Leistungstransistoren (IGBT) enthalten. Der bei dem Z-Source-Umrichter auftretende und für ihn typische Hochsetzsteller-Effekt tritt ein, indem durch die Wechselrichtersteuerung Zeitintervalle vorgegeben werden, in denen beide in Reihenschaltung befindlichen Schaltelemente (Transistoren) einer Halbbrücke gleichzeitig eingeschaltet werden. Dies kann ohne zusätzliche Schaltvorgänge dadurch realisiert werden, dass die Umschaltungen der Leistungstransistoren im Wechselrichter überlappend erfolgen. In diesen Überlappungs-Schaltzuständen erfolgt durch die Spannung der Kondensatoren CZ der Stromaufbau in den Zwischenkreisinduktivitäten LZ, in den übrigen Zeiten tritt der Stromabbau in den Zwischenkreisinduktivitäten LZ ein und der Spannungsaufbau in den Zwischenkreiskondensatoren CZ. Für diese Funktion des Z-Source-Umrichters ist die Diode D0 erforderlich, da deren Sperrwirkung in den Überlappungszeiten den Stromaufbau in den Induktivitäten ermöglicht. Diese in 2 enthaltenen Induktivitäten LZ können durch zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen Magnetkern und damit aufwandsarm realisiert werden
Die prinzipiellen Verläufe der wichtigsten elektrischen Größen (Spannungen und Ströme an den Klemmen und an den Energiespeichern des Zwischenkreises) lassen sich an einem vereinfachten Schaltungsmodell nach 3 ermitteln. Das speisende Netz wird auch weiterhin durch die Spannungsquelle E₀ dargestellt. Die Last mit ihrem stromeinprägenden Charakter wird als Stromquelle i_Last idealisiert.
Der Verlauf der elektrischen Größen während eines Schaltspiels des Wechselrichters zeigt einen Ablauf in vier zeitlichen Abschnitten, 4. In Abschnitt 1 ist Transistor T1 eingeschaltet, Transistor T2 ist ausgeschaltet: die Spannungsquelle E₀ gibt den Strom i₀ ab und an der Last ist die Spannung u_Last vorhanden. In Abschnitt 2 sind die Transistoren T1 und T2 gleichzeitig eingeschaltet: Die Spannungsquelle ist nun stromlos und die Last ist spannungslos, es erfolgt ein Energieaustausch von den Kondensatoren CZ zu den Induktivitäten LZ. In Abschnitt 3 ist der Transistor T1 ausgeschaltet und der Transistor T2 eingeschaltet: der Strom durch die Induktivitäten LZ fließt über die Spannungsquelle und die Kondensatoren CZ weiter, der Lastrom fließt über den Transistor T2 im Freilauf weiter. Der folgende Abschnitt 4 ist mit dem Abschnitt 2 identisch. Danach beginnt der Zyklus von vorne.
Wesentliche Neuheit der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltung für einen bidirektionalen Z-Source-Umrichter besteht aus der herkömmlichen Schaltung gemäß 2, die durch ein Schaltelement T0 (z.B. Leistungstransistor) ergänzt ist, das zu der Diode D0 parallel geschaltet ist, 5. Damit wird auf der Einspeiseseite auch die zur Diode entgegengesetzte Stromrichtung und folglich die Rückspeisung von Energie in die Spannungsquelle möglich. Damit dieser Effekt eintritt und weiterhin an der Last eine Spannung zur Verfügung steht, die größer als die Spannung der Spannungsquelle ist, muss die Steuerung des hinzugekommenen Schaltelementes mit den Schaltzuständen des motorseitigen Wechselrichters koordiniert werden.
Um diese Koordination mit den Schaltelementen des Wechselrichters und die Verläufe der für den Z-Source-Umrichter typischen Größen zu verdeutlichen, wird die vereinfachte Anordnung gemäß 6 verwendet. Die Funktionsfähigkeit der Schaltung in der hier neu hinzukommenden Leistungsrichtung von der Stromquelle zur Spannungsquelle zeigt 7 im Vergleich zu 4. Bei unveränderten Spannungspolaritäten treten hier die Ströme mit entgegengesetzten Vorzeichen (negativ) auf. Die Steuerung des in dieser Anordnung neu hinzugekommenen Transistors T0 muss in Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Transitoren T1 und T2 erfolgen und in Abhängigkeit von der zum Betriebspunkt gehörigen Leistungsrichtung erfolgen. Bei positivem Strom in den Induktivitäten LZ ist er dauernd ausgeschaltet. Bei negativem Strom ist er ebenfalls ausgeschaltet, wenn die Transistoren T1 und T2 gleichzeitig eingeschaltet sind, Abschnitt 2 und 4. Die Abschnitte 1 und 3, in denen nur jeweils einer der beiden Transistoren T1 und T2 eingeschaltet ist, stehen als Einschaltintervalle des Transistors T0 zur Verfügung. Im dargestellten Beispielverlauf (7) ist der Transistor T0 in diesen Abschnitten hierfür vollständig genützt.
Bedeutung und vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Bedeutung der Erfindung ergibt sich daraus, dass eine Last mit einer Spannung gespeist werden kann, die größer ist als die vorhandene Quellenspannung, und dass aus diesem Betrieb heraus die Rückspeisung von Leistung in die Spannungsquelle möglich ist. Hierbei kann die Spannungsquelle nicht nur als Gleischspannungsquelle, sondern auch in Form eines Wechsel- oder Drehspannungsnetzes vorhanden sein. In letzteren Fällen kann die Funktion der Sperrdiode mit der Funktion der Gleichrichtung in einem Gleichrichter zusammengefasst werden, 8. Der Vorteil liegt in der einfachen Erzeugung der Ansteuersignale für die im eingangsseitigen Stromrichter enthaltenen Schaltelemente aus den Ansteuersignalen der Schaltelemente des Wechselrichters. Die Bedeutung der Erfindung liegt hinsichtlich der elektrischen Antriebstechnik einerseits auf dem Gebiet der Kompaktumrichter, wenn diese zur Einhaltung gewünschter Betriebspunkte eine Spannungsanhebung durchführen müssen – bei abgesenkter Netzspannung oder infolge einer langen Zuleitung – und darüberhinaus auch eine Rückspeisemöglichkeit benötigen, da Bremsenergie am Einbauort thermisch nicht oder nur aufwändig abgeführt werden kann. Dies ist z.B. bei Umrichtermotoren der Fall, bei denen als Einbauraum lediglich ein erweiterter Klemmenkasten zur Verfügung steht; andererseits, wenn aus Gründen der Energiebilanz die Rückgewinnung der Energie bei Bremsbetrieb erwünscht ist und der Betriebspunkt eine Spannungsanhebung erfordert, wie z.B. bei batteriebetriebenen Fahrzeugen.
Zeichnungen
1: Umrichter mit zweistufiger Wandlung zur Erzeugung einer Spannung am Ausgang, die höher als die Quellenspannung E₀ ist
2: Z-Source-Umrichter mit einstufiger Wandlung für eine Energierichtung
3: Vereinfachtes Schaltungsmodell eines Z-Source-Umrichter mit einstufiger Wandlung für eine Energierichtung
4 Verläufe der elektrischen Größen beim vereinfachten Schaltungsmodell eines Z-Source-Umrichter mit einstufiger Wandlung für eine Energierichtung (3)
5: Z-Source-Umrichter mit einstufiger Wandlung für bidirektionalen Betrieb
6: Vereinfachtes Schaltungsmodell eines Z-Source-Umrichters mit einstufiger Wandlung für bidirektionalen Betrieb
7: Verläufe der elektrischen Größen beim vereinfachten Schaltungsmodell eines Z-Source-Umrichter mit einstufiger Wandlung für bidirektionalen Betrieb (6)
8: bidirektionaler Z-Source-Umrichter bei Drehspannungseinspeisung

Claims

Schaltungsanordnung für einen Stromrichter, der zur Spannungsanpassung zwischen Quelle und Verbraucher einen Z-Source-Umrichter enthält, dadurch gekennzeichnet, dass jeder eingangsseitigen Sperrdiode ein steuerbares Schaltelement in der Weise parallel geschaltet ist, dass die zu ihr entgegengesetzte Stromrichtung und damit der bidirektionale Betrieb des Stromrichters möglich ist.
Steuerverfahren für die Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzustände der steuerbaren, den eingangsseitigen Sperrdioden parallelgeschalteten Schaltelemente vom Schaltzustand des Z-Source-Umrichters abhängen.
Steuerverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren, den eingangsseitigen Sperrdioden parallelgeschalteten Schaltelemente während der Überlappungs-Schaltzustände des Z-Source-Umrichters abgeschaltet sind.
Steuerverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren, den eingangsseitigen Sperrdioden parallelgeschalteten Schaltelemente außerhalb der Überlappungs-Schaltzustände des Z-Source-Umrichters eingeschaltet sind.