DE102012217472A1

DE102012217472A1 - Bestimmung von gleichanteilsbehafteten Strömen in einem Stromrichter mit Wechselstromwandlern

Info

Publication number: DE102012217472A1
Application number: DE201210217472
Authority: DE
Inventors: Mark-Matthias Bakran; Eberhard Ulrich Krafft; Andreas Nagel; Jan Weigel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter (2) mit einer Strombestimmungsvorrichtung (1) zur Bestimmung von mindestens einem Zwischenkreisstrom (id) und/oder von mindestens einem Phasenstrom (i1, i2, i3) und/oder von mindestens einem durch einen schaltbaren Leistungshalbleiter (20) fließenden Strom (iH1, iH2, iH3, iL1, iL2, iL3) des Stromrichters (2), wobei die Strombestimmungsvorrichtung (1) mindestens eine Strommesseinrichtung (10) für Wechselstrom aufweist und die Strommesseinrichtung (10) im Stromrichter (2) in einem Zweig angeordnet ist, der abhängig vom Schaltzustandes eines oder mehrerer schaltbarer Leistungshalbleiter (20) des Stromrichters (2) zeitweise stromlos ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Strombestimmungsvorrichtung zur Bestimmung von gleichanteilsbehafteten Strömen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Bestimmung von gleichanteilsbehafteten Strömen in einem Stromrichter.
In Stromrichtern werden üblicherweise für die Messung von Strömen, die Gleichanteile besitzen, Stromwandler eingesetzt, die zur Messung von Gleichstrom geeignet sind. Dafür eignen sich beispielsweise Halleffektbasierte Stromwandler (Openloop oder Closed-loop), Strommessshunts oder magnetorestistive Sensoren (konventionell oder entsprechend dem GMR-Effekt). Oft sind sie untereinander störempfindlich, störempfindlich gegenüber Einkopplungen von außen, z.B. beim Schalten des Stromrichters, sie sind platzaufwändig und produzieren u.U. sehr viele Verluste und sind ggf. im Frequenzgang begrenzt.
Aus der Veröffentlichung von Bortis D., Biela J., Kolar J. "Active Gate Control for Current Balancing of Parallel-Connected IGBT-Modules in Solid-State Modulators" (IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 36, No. 5, October 2008), ist eine Anordnung und ein Verfahren bekannt bei dem einzelne Schalterströme mit einer Rogowski-Spulen mit dem Ziel gemessen werden, die Schaltpulse individuell hinsichtlich Synchronismus zu steuern. Diese Sonderanwendung zielt lediglich auf die Messung des Stroms in jeweils einem Schalter in einer Stromrichterphase ab, um entsprechende Schaltzeiten synchronisieren zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter anzugeben, bei dem sich mit Hilfe von kompakten, kostengünstigen und störunempfindlichen Messeinrichtungen Ströme innerhalb des Stromrichters, insbesondere gleichanteilsbehaftete Ströme, bestimmen lassen.
Diese Aufgabe wird durch einen Stromrichter mit einer Strombestimmungsvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einem Zwischenkreisstrom und/oder von mindestens einem Phasenstrom und/oder von mindestens einem durch einen Leistungshalbleiter fließenden Strom des Stromrichters gelöst, wobei die Strombestimmungsvorrichtung mindestens eine Strommesseinrichtung für Wechselstrom aufweist und die Strommesseinrichtung im Stromrichter in einem Zweig angeordnet ist, der abhängig vom Schaltzustand eines oder mehrerer Leistungshalbleiter des Stromrichters zeitweise stromlos ist.
Diese Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einem Zwischenkreisstrom und/oder von mindestens einem Phasenstrom und/oder von mindestens einem durch einen Leistungshalbleiter fließenden Strom eines Stromrichters nach Anspruch 11 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich Ströme im Stromrichter, insbesondere gleichanteilsbehaftete Ströme, durch die Auswertung von Messsignalen mindestens einer Strommesseinrichtung für Wechselstrom auf besonders einfache Weise bestimmen lassen. Die einzelnen Strommesseinrichtungen für Wechselstrom werden im Stromrichter in Zweigen angeordnet, die durch das Schalten eines oder mehrerer Leistungshalbleiter zeitweise stromlos werden. Unter einem Zweig ist die Verbindung zwischen zwei Verzweigungspunkten zu verstehen. Als weiteres Kriterium für die Auswahl von Zweigen, in denen eine Strommesseinrichtung integriert wird, ist zu beachten, dass der zu bestimmende Strom sich als Summe oder Differenz dieser Zweigströme darstellen lässt, in denen die Strommesseinrichtungen angeordnet sind. Geeignete Zweige für die Anordnung der Strommesseinrichtungen stellen insbesondere die Zweige dar, in denen sich die Leistungshalbleiter befinden. Die Strommesseinrichtung für Wechselstrom misst dabei im Allgemeinen einen gleichstromfreien Strom in dem Zweig, in dem diese Strommesseinrichtung angebracht ist. Der niederfrequente Anteil des Zweigstroms lässt sich aus dem gemessenen Stromverlauf beim Einschalten von Leistungshalbleitern ermitteln. Daneben ist auch eine Ermittlung des niederfreuquenten Anteils beim Ausschalten des Leistungshalbleiters möglich. Die Strommesseinrichtung erkennt im stromlosen Zweig im Allgemeinen einen Strom, obwohl dort tatsächlich zu diesem Zeitpunkt kein Strom fließt. Aus dieser Information lässt sich der niederfrequente Signalanteil für die Ermittlung des tatsächlichen Zweigstroms ermitteln. Das Frequenzverhalten der Strommesseinrichtung für Wechselstrom muss so bemessen sein, dass niederfrequente Anteile im Messsignal der Strommesseinrichtung so langsam abklingen, dass sich zwischen den Zeitpunkten deren Bestimmung kein wesentlicher Messfehler ergibt, wenn man annimmt, dass der vom AC-Stromwandler ausgeblendete, niederfrequente Signalanteil konstant ist. Dazu muss ein zum Zeitpunkt des Einschaltens eines Leistungshalbleiters festgestellter niederfrequenter Signalanteil im Messsignal der Strommesseinrichtung bis zum Ausschalten nahezu konstant sein oder darf nur langsam abklingen. Die untere Grenzfrequenz der Übertragungscharakteristik der Strommesseinrichtung für Wechselstrom muss daher so bemessen sein, dass ein beim Einschalten festgestellter niederfrequenter Signalanteil unterhalb der Grenzfrequenz bis zum Ausschalten nahezu konstant sein muss, ohne dabei einen signifikanten Strommessfehler in Kauf zu nehmen. Relevant ist dabei die Schaltfrequenz der schaltbaren Leistungshalbleiter, deren Periodendauer im Grenzfall die Dauer zwischen den Umschaltungen ergibt. Im Grenzfall, an der Aussteuergrenze des Stromrichters wird höchstens mit Grundfrequenz der Last geschaltet (Grundfrequenztaktung). Für eine DC-Last ergibt sich an der Aussteuergrenze überhaupt keine Umschaltung. Dies lässt sich aber vermeiden, indem man bei geringer Grundfrequenz oder bei DC-Betrieb die Aussteuergrenze vermeidet.
Die für die Bestimmung des DC-Offsets notwendige Information über die Schaltzeitpunkte der einschaltenden Leistungshalbleiter stehen entweder direkt auf den Ansteuerbaugruppen zur Verfügung oder können auch aus dem Zeitverlauf der Messsignale der Strommesseinrichtungen ermittelt werden.
Aus der Information über den DC-Offset und aus dem Messsignal der Strommesseinrichtung kann der Gesamtstrom im Stromrichterzweig, bestehend aus Gleich- und Wechselanteilen, ermittelt werden. Ein zu bestimmender Strom, wie beispielsweise ein Phasenstrom oder Zwischenkreisstrom, ergibt sich dann aus der Summe bzw. der Differenz einzelner ermittelter Zweigströme entsprechend dem Kirchhoff'schen Gesetz. Durch diese Anordnung und Auswertung der Strommesseinrichtung (z.B. Stromwandler) ist es möglich, selbst mit AC-Stromwandlern, einen Gleichstrom im Stromrichter zu bestimmen. Ebenso ist es möglich, den Gleichanteil eines Stroms zu bestimmen, der sich aus Gleich- und Wechselkomponenten zusammensetzt. Vorteil dieser Strombestimmungsvorrichtung ist, dass die entsprechenden Strommesseinrichtungen eine geringe Baugröße aufweisen, kostengünstig in der Herstellung sind und eine geringe Störempfindlichkeit besitzen. Besonders interessant für die Realisierung sind transformatorische Stromwandler.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Strommesseinrichtungen für Wechselstrom als Rogowski-Spule ausgebildet. Die Rogowski-Spule lässt sich sehr einfach aufbauen, beispielsweise gedruckt auf einem Printed Circuit Board (PCB) und zeichnet sich durch seine geringe Baugröße aus. Die Rogowski-Spule kann einen zu messenden Strom sogar bis zu sehr hohen Frequenzen genau und potentialgetrennt abbilden, während sie sich gleichzeitig sehr einfach und kostengünstig herstellen lässt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Stromrichter als Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet. Dieser Aufbau stellt einen Standard in der Antriebstechnik dar. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Stromrichters mit der Strombestimmungsvorrichtung erlaubt die einfache, kompakte und kostengünstige Bestimmung von Phasenströmen, die oftmals auch als Lastströme bezeichnet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Stromrichter als Zweipunkt-Stromrichter ausgebildet. Auch dieser Aufbau stellt einen Standard in der Antriebstechnik dar. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Stromrichters mit der Strombestimmungsvorrichtung erlaubt die einfache, kompakte und kostengünstige Bestimmung des Laststroms.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Stromrichter als Mehrpunkt-Stromrichter ausgebildet. Auch in diesem Aufbau können die oben genannten Vorteile genutzt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Stromrichter als Stromrichter mit Stromzwischenkreis ausgebildet. Hier ist oftmals neben der Bestimmung des Phasenstroms auch die Kenntnis des Zwischenkreisstromes erforderlich. Auch dieser lässt sich in diesem Aufbau durch die Realisierung des erfindungsgemäßen Stromrichters mit der Strombestimmungsvorrichtung einfach und kostengünstig bestimmen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Stromrichter als Matrixumrichter ausgebildet. Durch die Anordnung der Strommesseinrichtungen in den Zweigen, in denen sich Leistungshalbleiter befinden, können auch für diesen Aufbau gleichanteilsbehaftete Ströme im Stromrichter, insbesondere die Phasenströme, einfach und kostengünstig bestimmt werden. Auch hier existiert wieder der Vorteil der geringen Baugröße der entsprechenden Strommesseinrichtungen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die Strommesseinrichtungen in Zweigen angeordnet, die einen schaltbaren Leistungshalbleiter aufweisen. Bei dieser Ausgestaltungsform sind die Strommesseinrichtungen applikationsunabhängig angeordnet. So kann auch der Strom in parallel geschalteten Zweigen individuell gemessen werden um dann die Summe aus der Addition der beiden Teilströme der parallelen Zweige zu bestimmen. Die Anordnung der Strommesseinrichtungen in Zweigen mit schaltbaren Leistungshalbleitern spart vor allem Aufwand im Engineering gegenüber einer applikationsabhängigen Messung von Strömen, wie beispielsweise in den Stromrichterphasen. Darüber hinaus bietet die Erfassung der Ströme aller schaltbarer Leistungshalbleiter die Grundlage, die entsprechenden Leistungshalbleiter vor Überlastung einfach und zuverlässig zu schützen, ohne weitere Stromwandler für den Schutz zu benötigen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Stromrichter eine Regelvorrichtung auf, die zur Verarbeitung mindestens eines Ausgangssignals der Strombestimmungsvorrichtung und/oder zur Verarbeitung eines Messsignals mindestens einer Strommesseinrichtung für Wechselstrom vorgesehen ist. Die Regelvorrichtung kann einen durch die Strombestimmungsvorrichtung bestimmten Strom als Ist-Wert nutzen, um Regelaufgaben wie beispielsweise Drehzahlregelung, Lageregelung, Momentenregelung, Leistungsregelung, Spannungs- oder Stromregelung usw. zu erfüllen. Darüber hinaus kann die Bestimmung der Ströme aus den Messsignalen der Strommesseinrichtungen für Wechselstrom und ggf. aus den Schaltzuständen der Leistungshalbleiter auch in der Regelvorrichtung durchgeführt werden. Dabei umfasst die Regelvorrichtung auch die Ansteuereinheit für die Leistungshalbleiter. Da das Messsignal, insbesondere bei der Verwendung einer Rogowski-Spule, potentialgetrennt vorliegt, kann eine Verarbeitung auf den unterschiedlichen Baugruppen der Regelvorrichtung wie beispielsweise auf einer Treiberschaltung, dem Steuersatz etc. durchgeführt werden. Die Auswertung kann dabei beispielsweise über analoge Filterung, A/D-Wandlung und digitaler Verarbeitung auf der Ansteuereinheit erfolgen. Damit erstreckt sich die Strombestimmungseinrichtung auch auf die Regelvorrichtung. Durch die gleichzeitige Nutzung der Regelvorrichtung für Regelaufgaben und Auswertung der Strommesseinrichtungen kann der Hardwareaufwand reduziert und Kosten eingespart werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Stromrichter eine Schutzvorrichtung auf, die zur Verarbeitung mindestens eines Ausgangssignals der Strombestimmungsvorrichtung und/oder zur Verarbeitung des Messsignals mindestens einer Strommesseinrichtung für Wechselstrom vorgesehen ist. Schutzmechanismen können direkt aus dem gemessenen Messsignal der Strommesseinrichtungen abgeleitet werden. Insbesondere für den Fall, dass Strommesseinrichtungen in allen Zweigen angeordnet sind, die einen schaltbaren Leistungshalbleiter aufweisen, kann der Schutz der entsprechenden Leistungshalbleiter direkt durch das Messsignal geschehen. Damit ist im Vergleich zu einer üblicherweise eingesetzten U_CE-Halbleitersättigungsüberwachung eine sehr schnelle Schutzreaktion auf kritische Zustände im Stromrichter realisierbar. Die Verwendung von Stromwandler für Gleichstrom ist für die Realisierung von Schutzfunktionen nicht zwingend erforderlich. Dies ermöglicht eine zuverlässige und kostengünstige Realisierung der Schutzfunktionen des Stromrichters. Darüber hinaus kann die Bestimmung der Ströme aus den Messsignalen der Strommesseinrichtungen für Wechselstrom und ggf. aus den Schaltzuständen der Leistungshalbleiter auch in der Schutzvorrichtung durchgeführt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird der Gleichanteil des Zwischenkreisstromes und/oder der Gleichanteil des Phasenstromes und/oder der Gleichanteil des durch einen schaltbaren Leistungshalbleiter fließenden Stromes ermittelt. Oftmals wird für die weitere Verarbeitung, wie beispielsweise für Regelungsaufgaben, nur der Gleichanteil eines Stromes benötigt. Dies kann insbesondere bei der Bestimmung des Zwischenkreisstromes der Fall sein. Mit diesem Verfahren muss dieser nicht erst aus dem Gesamtstrom ermittelt werden, sondern steht direkt nach Auswertung der Messsignale der Strommesseinrichtung zur Verfügung. Auf eine entsprechende Analyse des Gesamtstroms kann verzichtet werden, was den Aufwand bei der Signalverarbeitung reduziert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird der zu bestimmende Strom aus dem Messsignal mindestens einer Strommesseinrichtung für Wechselstrom und durch Auswertung des Schaltzustandes mindestens eines schaltbaren Leistungshalbleiters ermittelt. Vorteil dieses Verfahrens ist die Information über den Schaltzustand der Leistungshalbleiter. Dieser muss nicht aus dem Verlauf der Messsignale bestimmt werden. Dadurch kann eine schnelle und genaue Bestimmung von Gleich- und Wechselanteil erreicht werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform generiert die Regelvorrichtung Ansteuersignale für die schaltbaren Leistungshalbleiter mit dem Ziel, parallel angeordnete, schaltbare Leistungshalbleiter zu symmetrieren. Insbesondere für den Fall, dass sich in den parallelen Zweigen Messeinrichtungen befinden kann der Gesamtstrom einfach durch Summenbildung ermittelt werden. Darüber hinaus werden die Messsignale von den Strommesseinrichtungen aus parallel angeordneten Zweigen, die schaltbare Leistungshalbleiter aufweisen, direkt oder nach Verarbeitung durch die Strombestimmungsvorrichtung an die Regelvorrichtung oder Ansteuereinheit übermittelt, die wiederum entsprechende Ansteuersignale generiert, um die Ströme durch die parallelen schaltbaren Leistungshalbleiter zu symmetrieren. Dies kann beispielsweise durch eine zeitliche Verzögerung des Ansteuersignals geschehen. Die Verwendung von Stromwandlern, die zur Messung von Gleichstrom geeignet sind, ist für diese Aufgabe nicht erforderlich. Dies ermöglicht eine kostengünstige und vorteilhafte Symmetrierung von Strömen durch parallel angeordnete schaltbare Leistungshalbleiter.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Schaltbild eines dreiphasigen Zweipunkt-Stromrichters mit einer Strombestimmungsvorrichtung,
2 ein weiteres Schaltbild einer Stromrichterphase,
3 weitere Schaltbilder einer Stromrichterphase eines Dreipunkt-Stromrichters,
4 ein weiteres Schaltbild einer Stromrichterphase eines Stromrichters mit Stromzwischenkreis,
5 das Schaltbild einer Phase eines Matrixumrichters,
6 ein weiteres Schaltbild einer Stromrichterphase mit parallel angeordneten, schaltbaren Leistungshalbleitern,
7 ein Blockschaltbild zur Bestimmung eines Phasenstromes,
8 ein weiteres Blockschaltbild zur Auswertung der gemessenen Ströme, und
9 ein weiteres Blockschaltbild zur Auswertung der gemessenen Ströme in einer Regelvorrichtung.
1 zeigt das Schaltbild eines Stromrichters 2, der als dreiphasiger Zweipunkt-Wechselrichters mit Gleichspannungszwischenkreis ausgeführt ist. Der Stromrichter 2 weist eine Strombestimmungsvorrichtung 1 auf, die mehrere Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom aufweist. Die wechselspannungsseitig vorhandenen Stromrichterphasen 22 stellen den Lastanschlusspunkt des Stromrichters 2 dar. Die hier fließenden Phasenströme werden mit i₁, i₂, i₃ bezeichnet. Jede Stromrichterphase 22 ist über einen schaltbaren Leistungshalbleiter 20 mit dem positiven Potential des Zwischenkreises und über einen weiteren schaltbaren Leistungshalbleiter 20 mit dem negativen Potential des Zwischenkreises verbunden. Gleichzeitig sind in diesen Zweigen Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom angebracht, welche die Wechselanteile der Ströme i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3 erfassen. Die Strommesseinrichtungen 10 sind Teil der Strombestimmungsvorrichtung 1. Aus dem Messsignal 11 der Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom kann der Gesamtwert, bestehend aus Gleich- und Wechselanteilen, von verschiedenen Strömen im Stromrichter 2 bestimmt werden. Beispiele für zu bestimmende Ströme sind insbesondere die Phasenströme i₁, i₂, i₃ der Zwischenkreisstrom i_d und die Ströme durch die Leistungshalbleiter i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3. Der schaltbare Leistungshalbleiter 20 besteht aus einem schaltbaren Element und einer dazu antiparallel angeordneten Diode.
2 zeigt das Schaltbild eines Stromrichters 2 mit Spannungszwischenkreis, bei dem beispielhaft nur eine Stromrichterphase 22 dargestellt ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich übereinstimmender Bestandteile des Systems wird auf die Beschreibung zur 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Dargestellt ist hier eine alternative Anordnung der Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom. Diese befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel vom schaltbaren Leistungshalbleiter 20 aus gesehen auf der Seite, die mit der Stromrichterphase 22 verbunden ist.
3 zeigt Schaltbilder einer Phase eines Stromrichters 2, der als Dreipunkt-Wechselrichters mit Gleichspannungszwischenkreis ausgeführt ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich übereinstimmender Bestandteile des Systems wird wieder auf die Beschreibung zu den 1 und 2 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Diese drei Schaltbilder unterscheiden sich zum einen in der Anordnung der Strommesseinrichtungen 10 sowie der Anbindung des dritten Potentials. Der linke und mittlere Aufbau erfolgt in "neutral-point-clamped"-(NPC) Technologie, während der Aufbau auf der rechten Seite mit einem "flying capacitor" geschieht. Den Anordnungen der Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom ist gemeinsam, dass diese Strommesseinrichtungen 10 Ströme messen, die aufgrund von Schalthandlungen der schaltbaren Leistungshalbleiter 20 zeitweise zu Null werden. Aus der Information über den Schaltungszustand der schaltbaren Leistungshalbleitern 20 und den mit den Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom gemessenen Strömen können auch in dieser Anordnung weitere Ströme bestimmt werden. Die Bestimmung umfasst dabei sowohl den Gleich- wie auch den Wechselanteil der entsprechenden Ströme.
4 zeigt das Schaltbild eines Stromrichters 2 mit Stromzwischenkreis. Dabei ist beispielhaft nur eine Stromrichterphase 22 dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird wieder bezüglich übereinstimmender Bestandteile des Systems auf die Beschreibung zu den 1 bis 3 sowie die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Mit Hilfe des Messsignals 11 der Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom lassen sich hier unter anderem der Zwischenkreisstrom i_d sowie die Phasenströme i₁, i₂, i₃ mit Hilfe der Strombestimmungsvorrichtung 1 bestimmen.
5 zeigt das Schaltbild einer Phase eines Matrixumrichters. Zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich übereinstimmender Bestandteile des Stromrichters wird auf die Beschreibung zu den 1 bis 4 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Der Matrixumrichter ist auf der linken Seite mit einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle 5 verbunden. Die dargestellte Stromrichterphase 22 wird über einen der drei Zweige, die schaltbare Leistungshalbleiter 20 aufweisen, mit einem Potential der dreiphasigen Wechselspannungsquelle 5 verbunden. In den Zweigen ist zusätzlich zu den schaltbare Leistungshalbleitern 20 eine Strommesseinrichtung 10 für Wechselstrom angeordnet. Aus dem Messsignal 11 der Strommesseinrichtung 11 für Wechselstrom können auch beim Matrixumrichter gegebenenfalls unter Ausnutzung der Information über den Schaltzustand der schaltbaren Leistungshalbleiter 20 verschiedene Ströme im Stromrichter 2 mit ihrem Gleich- und Wechselanteilen bestimmt werden.
6 zeigt das Schaltbild eines Stromrichters 2 mit Spannungszwischenkreis, bei dem beispielhaft nur eine Stromrichterphase 22 dargestellt ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich übereinstimmender Bestandteile des Stromrichters 2 wird auf die Beschreibung zu den 1 bis 5 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. In diesem Ausführungsbeispiel wird der durch die Strombestimmungsvorrichtung 1 ermittelte Strom durch die parallel angeordneten schaltbaren Leistungshalbleiter 20 im Stromrichter 2 dazu genutzt, den Strom in den parallelen Leistungshalbleitern 20 zu symmetrieren. Dazu wird das Ausgangssignal 12 der Strombestimmungsvorrichtung 1 an eine Regelvorrichtung 3 übermittelt. Die Regelvorrichtung 3 ermittelt auf der Basis der gemessenen oder bestimmten Ströme durch die schaltbaren Leistungshalbleiter 20 entsprechende Ansteuersignale 23 für die schaltbaren Leistungshalbleiter 20. Diese Ansteuersignale 23 für die Leistungshalbleiter 20 bewirken eine gleichmäßige Aufteilung des Stroms auf die parallelen Zweige.
7 zeigt ein erstes Blockschaltbild zur Bestimmung eines Phasenstromes i₁. Zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich übereinstimmender Bestandteile des Stromrichters 2 wird auf die Beschreibung zu den 1 bis 6 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. In diesem Beispiel sind die Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom so angeordnet, dass diese jeweils den Wechselanteil der Ströme i_H1 und i_L1 durch die schaltbaren Leistungshalbleiter 20 messen. Das Messsignal 11 der Strommesseinrichtung 10 wird einer Vorrichtung 16 zur Ermittlung des DC-Offsets 13 zugeführt. Diese Vorrichtung 16 ermittelt den DC-Offset 13 anhand der Messsignale 11 der Strommesseinrichtung 10 und dem Schaltzustand des zugehörigen schaltbaren Leistungshalbleiters 20. Der Schaltzustand kann ebenfalls aus dem Messsignal 11 der Strommesseinrichtung 10 ermittelt werden. Alternativ ist auch eine Übermittlung des Schaltzustandes aus der Regelvorrichtung 3 möglich, die allerdings in dieser Figur nicht dargestellt ist. Der DC-Offset 13 kann anschließend vom Messsignal 11 der Strommesseinrichtung 10 abgezogen werden und man erhält den ermittelten Gesamtstromwert 14 durch den schaltbaren Leistungshalbleiter 20 mit seinen Gleich- und Wechselanteilen. Die Ermittlung des Phasenstroms i₁ erfolgt durch Addition der ermittelten Gesamtstromwerte 14 durch die schaltbaren Leistungshalbleiter 20 entsprechend dem Kirchhoff’schen Gesetz. Man erhält den Phasenstromwert 15 des Phasenstroms i₁.
8 zeigt ein weiteres Blockschaltbild zur Auswertung der Messsignale 11 der Strommesseinrichtungen 10 innerhalb der Strombestimmungsvorrichtung 1. Die Messsignale 11 der Strommesseinrichtungen 10 für Wechselstrom werden einer Berechnungsvorrichtung 17 innerhalb der Strombestimmungsvorrichtung 1 zugeführt. Aus diesen Messsignalen 11 werden die zu bestimmenden Ströme, insbesondere der Zwischenkreisstrom i_d, die Phasenströme i₁, i₂, i₃ oder durch einen schaltbaren Leistungshalbleiter 20 fließende Ströme i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3 ermittelt. Das Ausgangssignal 12, das Informationen zu einem oder mehreren ermittelten Ströme enthält, wird einer Regelvorrichtung 3 zugeführt. Die Regelvorrichtung 3 generiert, ggf. unter Zuhilfenahme weiterer Informationen, insbesondere von Sollwerten, die Ansteuersignale 23 für die schaltbaren Leistungshalbleiter 20.
9 zeigt ein weiteres Blockschaltbild zur Auswertung der Messsignale 11 der Strommesseinrichtungen 10 in einer Regelvorrichtung 3. Zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich übereinstimmender Bestandteile des Systems wird auf die Beschreibung zu den 1 bis 8 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Im Gegensatz zur Darstellung der 8 werden bei der vorliegenden 9 die Messsignale 11 der Strommesseinrichtung 10 direkt einer Regelvorrichtung 3 zugeführt. Diese bestimmt aus den Messsignalen 11 sowie gegebenenfalls aus den Schaltzuständen der schaltbaren Leistungshalbleiter 20 die zu bestimmenden Ströme, wie beispielsweise Phasenstrom i₁, i₂, i₃, Zwischenkreisstrom i_d oder die durch die schaltbaren Leistungshalbleiter fließenden Ströme i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3. Da die Ermittlung der zu bestimmenden Ströme innerhalb der Regelvorrichtung 3 stattfindet, ist die Regelvorrichtung 3 in diesem Ausführungsbeispiel Teil der Strombestimmungsvorrichtung 1. Die ermittelten Ströme werden insbesondere als Istwerte innerhalb der Regelvorrichtung 3 weiter verarbeitet, um Ansteuersignale 23 für die schaltbaren Leistungshalbleiter 20 zu generieren. Die in 9 dargestellte Auswertung der Messsignale 11 kann auch durch eine Schutzvorrichtung erfolgen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht allein durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bortis D., Biela J., Kolar J. "Active Gate Control for Current Balancing of Parallel-Connected IGBT-Modules in Solid-State Modulators" (IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 36, No. 5, October 2008 [0003]

Claims

Stromrichter (2) mit einer Strombestimmungsvorrichtung (1) zur Bestimmung von mindestens einem Zwischenkreisstrom (i_d) und/oder von mindestens einem Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) und/oder von mindestens einem durch einen schaltbaren Leistungshalbleiter (20) fließenden Strom (i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3) des Stromrichters (2), wobei die Strombestimmungsvorrichtung (1) mindestens eine Strommesseinrichtung (10) für Wechselstrom aufweist und die Strommesseinrichtung (10) im Stromrichter (2) in einem Zweig angeordnet ist, der abhängig vom Schaltzustandes eines oder mehrerer schaltbarer Leistungshalbleiter (20) des Stromrichters (2) zeitweise stromlos ist.
Stromrichter (2) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung (10) für Wechselstrom als Rogowskispule ausgebildet sind.
Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) als Stromrichter (2) mit Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet ist.
Stromrichter (2) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter als Zweipunkt Stromrichter ausgebildet ist.
Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) als Mehrpunkt-Stromrichter ausgebildet ist.
Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) als Stromrichter mit Stromzwischenkreis ausgebildet ist.
Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) als Matrixumrichter ausgebildet ist.
Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtungen (10) für Wechselstrom in Zweigen angeordnet sind, die einen schaltbaren Leistungshalbleiter (20) aufweisen.
Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) eine Regelvorrichtung (3) aufweist, wobei die Regelvorrichtung (3) zur Verarbeitung mindestens eines Ausgangssignals (12) der Strombestimmungsvorrichtung (1) und/oder zur Verarbeitung eines Messsignals (11) mindestens einer Strommesseinrichtung (10) für Wechselstrom vorgesehen ist.
Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) eine Schutzvorrichtung aufweist, wobei die Schutzvorrichtung zur Verarbeitung mindestens eines Ausgangssignals (12) der Strombestimmungsvorrichtung (1) und/oder zur Verarbeitung des Messsignals (11) mindestens einer Strommesseinrichtung (10) für Wechselstrom vorgesehen ist.
Verfahren zur Bestimmung von mindestens einem Zwischenkreisstrom (i_d) und/oder von mindestens einem Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) und/oder von mindestens einem durch einen schaltbaren Leistungshalbleiter (20) fließenden Strom (i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3) eines Stromrichters (2) mittels einer Strombestimmungsvorrichtung (1), wobei der zu bestimmende Strom (i_d, i₁, i₂, i₃, i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3) aus einem Messsignal (11) mindestens einer Strommesseinrichtung (10) für Wechselstrom ermittelt wird, wobei die Strommesseinrichtung (10) für Wechselstrom einen Strom in einem Zweig erfasst, der aufgrund des Schaltzustandes eines oder mehrerer schaltbarer Leistungshalbleiter (20) des Stromrichters (2) zeitweise den Wert Null annimmt.
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichanteil des Zwischenkreisstromes (i_d) und/oder der Gleichanteil des Phasenstromes (i₁, i₂, i₃) und/oder der Gleichanteil des durch einen schaltbaren Leistungshalbleiter (20) fließenden Stromes (i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass der zu bestimmende Strom (i_d, i₁, i₂, i₃, i_H1, i_H2, i_H3, i_L1, i_L2, i_L3) aus dem Messsignal (11) mindestens einer Strommesseinrichtung (10) für Wechselstrom und durch Auswertung des Schaltzustandes mindestens eines schaltbaren Leistungshalbleiters (20) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal (12) der Strombestimmungsvorrichtung (1) für die Regelung und/oder für den Schutz des Stromrichters (2) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (3) Ansteuersignale (23) für die schaltbaren Leistungshalbleiter (20) derart generiert, parallel angeordnete schaltbare Leistungshalbleiter (20) zu symmetrieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.