DE102017128789A1 - Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten netzseitigen Stromrichter und lastgeführtem, maschinenseitigen Stromrichter - Google Patents

Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten netzseitigen Stromrichter und lastgeführtem, maschinenseitigen Stromrichter Download PDF

Info

Publication number
DE102017128789A1
DE102017128789A1 DE102017128789.2A DE102017128789A DE102017128789A1 DE 102017128789 A1 DE102017128789 A1 DE 102017128789A1 DE 102017128789 A DE102017128789 A DE 102017128789A DE 102017128789 A1 DE102017128789 A1 DE 102017128789A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
converter
cell
machine
network
power converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102017128789.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Martin Wagner
Steffen Bernet
Lars Lindenmüller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
F&s Converter GmbH
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
F&s Converter GmbH
Technische Universitaet Dresden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by F&s Converter GmbH, Technische Universitaet Dresden filed Critical F&s Converter GmbH
Priority to DE102017128789.2A priority Critical patent/DE102017128789A1/de
Publication of DE102017128789A1 publication Critical patent/DE102017128789A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/521—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/443—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M5/45—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M5/4505—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0074—Plural converter units whose inputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H02M7/10—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode arranged for operation in series, e.g. for multiplication of voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten netzseitigem Stromrichter und lastgeführtem, maschinenseitigen Stromrichter. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin die im bisherigen Stand der Technik bekannten Nachteile von Schaltungskonfigurationen, die als Stromrichtermotoren bezeichnet werden und aus einem lastgeführten maschinenseitigen Stromrichter und einem netzgeführten netzseitigen Stromrichter sowie einer Synchronmaschine bestehen, zu umgehen, beispielsweise die netzseitige Filterung zu reduzieren und die Zwischenkreisdrossel zu eliminieren. Die Aufgabe wird durch einen Stromzwischenkreisumrichter gelöst, der einen selbstgeführten netzseitigen Stromrichter und einen lastgeführten maschinenseitigen Stromrichter aufweist, wobei der netzseitige Stromrichter aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Zweigen mit jeweils mindestens einer Zelle besteht, wobei eine Zelle des zellbasierten netzseitigen Stromrichters einen Zellzwischenkreis mit mindestens zwei aktiven Schaltern und mindestens zwei Dioden umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten Netzstromrichter und mit einem lastgeführten maschinenseitigen Stromrichter auf der Basis von Thyristoren oder Dioden.
  • Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis mit einem lastgeführten maschinenseitigen Stromrichter nach dem Stand der Technik bestehen aus einem netzgeführten Stromrichter, einer Zwischenkreisinduktivität, einem lastgeführten Stromrichter und einer Synchronmaschine (1). Diese Schaltungsvariante wird in der Regel als Stromrichtermotor bzw. als Load Commutated Inverter (LCI) bezeichnet. Der netzseitige Stromrichter nach dem Stand der Technik stellt dabei einen netzgeführten Stromrichter mit Thyristoren dar, in dem das Netz die Steuer- und Kommutierungsblindleistung zur Verfügung stellt. In einer einfachen Ausführungsform wird der netzseitige Stromrichter durch eine vollgesteuerte Sechspulsbrückenschaltung realisiert (1).
  • Der maschinenseitige Stromrichter nach dem Stand der Technik stellt einen lastgeführten Stromrichter mit Thyristoren dar, in dem die Synchronmaschine die Steuer- und Kommutierungsblindleistung zur Verfügung stellt. Hierzu muss die Synchronmaschine kapazitive Blindleistung bereitstellen können. In fremderregten Synchronmaschinen muss die Synchronmaschine deshalb in dieser Schaltungskonfiguration übererregt betrieben werden. In einer einfachen Ausführungsform wird der maschinenseitige Stromrichter durch eine vollgesteuerte Sechspulsbrückenschaltung realisiert (1).
  • In der Schaltungskonfiguration Stromrichtermotor nach dem Stand der Technik mit einer Sechspulsbrückenschaltung im netz- und im maschinenseitigen Stromrichter werden netz- und maschinenseitiger Stromrichter durch einen Zwischenkreis mit einer Zwischenkreisinduktivität miteinander verbunden ( 1). Die Zwischenkreisinduktivität glättet den Gleichstrom im Zwischenkreis und entkoppelt somit die im Zwischenkreis auftretenden Augenblicksspannungen von netz- und maschinenseitigem Stromrichter. Eine ausreichende Glättung des Zwischenkreisgleichstromes ist zur Realisierung einer geringen Drehmomentwelligkeit (auch als Drehmomentrippel bezeichnet) in der Synchronmaschine, geringer Oberschwingungsströme im Netz und zur Entkopplung von netz- und maschinenseitigem Stromrichter notwendig. Die Zwischenkreisinduktivität kann prinzipiell als konzentriertes Element (1) oder als verteilte Induktivität im Zwischenkreis angeordnet werden. Bei einer verteilten Anordnung der Zwischenkreisinduktivität in der oberen und unteren Zwischenkreishälfte kann eine Kopplung der verteilten Induktivitäten vorgesehen werden, um Größe, Gewicht und Kosten der Induktivität zu reduzieren (beispielhaft dargestellt in 2). In Stromrichtermotoren nach dem Stand der Technik stellen Größe, Gewicht und Verluste dieser Zwischenkreisinduktivität sowie die durch diese Induktivität begrenzte Dynamik des elektrischen Antriebs wesentliche Nachteile dar.
  • Mit der Schaltung des Stromrichtermotors ist sowohl motorischer als auch generatorischer Betrieb möglich, d.h. die Energieflussrichtung kann aus dem Netz in die Maschine und umgekehrt erfolgen.
  • Bekannte Stromrichtermotoren weisen auf der Netz- und Maschinenseite einen Thyristorsteller auf, der z.B. 6- oder 12-pulsig ausgelegt ist. In 1 ist die Schaltungskonfiguration eines Stromrichtermotors mit einer 6-pulsigen Vollbrückenschaltung auf der Netz- und Maschinenseite dargestellt. In 2 ist eine Schaltungskonfiguration eines Stromrichtermotors mit jeweils einer 12-pulsigen Vollbrückenschaltung auf der Netz- und Maschinenseite dargestellt. Unter der Pulszahl p versteht man die Gesamtzahl der nicht gleichzeitigen Kommutierungen einer netz- und lastgeführten Stromrichterschaltung während einer Grundschwingungsperiode der Wechselspannung. Durch eine hohe Pulszahl lässt sich der Drehmomentverlauf der anzusteuernden Maschine am maschinenseitigen Stromrichter verbessern, weil sich die unerwünschte Drehmomentwelligkeit (bzw. der Drehmomentrippel), d.h. die Schwankungen des Drehmoments um einen gewünschten z.B. konstanten Wert der Synchronmaschine damit unterdrücken bzw. verringern lassen.
  • Durch eine hohe Pulszahl lässt sich ebenfalls die Qualität des Netzstromes verbessern, weil die Frequenz der auftretenden Oberschwingungsströme mit zunehmender Pulszahl steigt und somit der Aufwand für die Filterung der Oberschwingungsströme in entsprechenden Netzfiltern sinkt.
  • Eine Erhöhung der Pulszahl ermöglicht ferner eine Leistungserhöhung des Stromrichters für gegebene Leistungshalbleiter mit bestimmten Nennströmen und Nennspannungen.
  • Durch einen Erhöhung der Pulszahl kann zwar die Induktivität der Zwischenkreisdrossel zwischen der Netzseite und der Maschinenseite verringert werden, der Aufwand für die notwendigen Netzdrosseln in den Verbindungsleitungen zwischen Netz und dem netzseitigen Stromrichter (1) (bzw. die notwendige Größe der Gesamtstreuinduktivität des Netztransformators (2)) sinkt jedoch nicht. Die Netzdrosseln in den Verbindungsleitungen (1) bzw. die Gesamtstreuinduktivitäten des Netztransformators (2) dienen dazu, die Stromänderungsgeschwindigkeiten während der Kommutierungen und die im Fehlerfall im netzseitigen Stromrichter auftretenden Kurzschlussströme zu begrenzen sowie die durch den Betrieb eines Thyristorstellers auftretenden Netzrückwirkungen des Stromrichters, z.B. Oberschwingungsströme und Kommutierungsspannungseinbrüche, zu reduzieren.
  • Entsprechend des bisherigen Stands der Technik werden auf der Netz- und Maschinenseite häufig 12-pulsige Thyristorsteller eingesetzt. Nachteilig bei dieser Ausführung ist die Notwendigkeit des Einsatzes spezieller 12-puls Transformatoren auf der Netzseite (2). Maschinenseitig spricht gegen den Einsatz immer höher pulsiger Thyristorsteller der hardwaremäßige Aufwand und die zunehmende Komplexität derartiger Maschinen.
  • Durch die erforderliche große Induktivität der Zwischenkreisdrossel und den Einsatz einer netz- bzw. lastgeführten Thyristorbrückenschaltung auf der Netz- und Maschinenseite ist die Dynamik des elektrischen Antriebs begrenzt, da der Zwischenkreisstrom nur langsam verändert werden kann.
  • Ein weiterer wesentlicher Nachteil der Schaltung besteht darin, dass die Schaltung auf der Netzseite erhebliche Netzrückwirkungen verursacht. Daher wird ein großer Filteraufwand im Netz benötigt, um Kommutierungs- und Grundschwingungsblindleistung zu kompensieren und Stromoberschwingungen zu begrenzen.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Gleichstromzwischenkreisumrichter mit einem lastgeführten maschinenseitigen Stromrichter anzugeben, der die benannten Nachteile aus dem Stand der Technik nicht aufweist, sondern diese umgeht, beispielsweise das der Aufwand für die netzseitige Filterung reduziert und die Zwischenkreisdrossel eliminiert wird.
  • Die Aufgabe wird durch einen Stromzwischenkreisumrichter gelöst, der einen netzseitigen Stromrichter und einen lastgeführten maschinenseitigen Stromrichter aufweist, wobei der netzseitige Stromrichter aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Zweigen mit jeweils mindestens einer Zelle besteht, wobei eine Zelle des zellbasierten netzseitigen Stromrichters einen Zellenzwischenkreis mit mindestens zwei aktiven Schaltern und mindestens zwei Dioden umfasst.
  • Unter einem zellbasierten Stromrichter wird ein Stromrichter verstanden, der aus mehreren gleichartigen Zellen aufgebaut ist. Die Zellen sind jeweils in einem Zweig in Reihe zu einer Zweiginduktivität angeordnet, wobei zur Realisierung eines dreiphasigen Netzstromrichters sechs dieser Zweige verwendet werden und jeweils zwei Zweige in Reihe geschaltet angeordnet sind. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen hängt dabei von der Netzspannung und der Art der Zellen ab. Beispielsweise können in einem 10kV-Netz acht Zellen pro Zweig verwendet werden, jede Zelle enthält 4.5 kV IGBTs oder 4.5 kV IGCTs.
  • Eine Zelle umfasst einen Zellenzwischenkreis (der z.B. aus einem oder mehreren Kondensatoren gebildet wird und als kapazitiver Energiespeicher arbeitet) mit mindestens zwei aktiven Schaltern und mindestens zwei Dioden. Für die aktiven Schalter werden Halbleiter-Leistungsschalter eingesetzt. Bevorzugt handelt es sich dabei um IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), die in einem weiten Schaltfrequenzbereich einsetzbar sind und darüber hinaus gute Durchlass- und Schalteigenschaften bieten. Möglich ist auch der Einsatz von MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder von IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristor). Prinzipiell können auch andere aktiv ein- und ausschaltbare Leistungshalbleiter verwendet werden.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichters liegt darin, dass durch den netzseitigen zellbasierten Stromrichter eine deutliche Reduzierung der Netzrückwirkungen erreicht werden kann. Damit können die bisher notwendigen Netzdrosseln in den Verbindungsleitungen zwischen Netz und netzseitigem Stromrichter vereinfacht, d.h. verkleinert oder eliminiert werden. Ein weiterer Vorteil des netzseitigen zellbasierten Stromrichters liegt darin, dass dieser sinusförmige Ströme mit geringen Stromoberschwingungen und eine prinzipiell freie Einstellung der Grundschwingungsblindleistung ermöglicht. Diese beiden Eigenschaften ermöglichen eine erhebliche Reduktion oder sogar eine vollständige Elimination von Netzfiltern. Ein Netzfilter dient dazu, die Rückwirkungen von Stromrichtern auf das Netz zu reduzieren, d.h. Oberschwingungsströme zu begrenzen und Blindleistung zu kompensieren.
  • Des Weiteren kann durch den netzseitigen zellbasierten Stromrichter auch der Gleichstrom im Zwischenkreis gestellt werden. Deshalb kann die notwendige Zwischenkreisinduktivität erheblich reduziert oder vollständig eliminiert werden. Durch die Beeinflussung bzw. Stellung des Zwischenkreisstromes können ferner auch die in der Maschine fließenden Oberschwingungsströme reduziert werden. Dies führt zu einer Reduktion der Verluste, der Erwärmung und der unerwünschten Schwankungen des Drehmoments (Drehmomentwelligkeit, Drehmomentrippel) in der Synchronmaschine.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen lastgeführten Wechselrichters sind der netzseitige Stromrichter und der maschinenseitige Stromrichter direkt miteinander verbunden.
  • Durch die Kombination des zellbasierten netzseitigen Stromrichters, in dem jede Zelle einen separaten Zellenzwischenkreis besitzt und eines n-pulsigen, lastgeführten maschinenseitigen Stromrichters kann die Zwischenkreisdrossel zwischen netz- und maschinenseitigem Stromrichter vollständig eliminiert werden. Das ist dadurch möglich, dass die Spannung an den gleichstromseitigen Ausgangsklemmen des netzseitigen Stromrichters sehr schnell in einem weiten Bereich von über dem Gleichrichtwert der Netzspannung liegenden Werten bis zu negativen Werten verändert werden kann. Sehr schnell bedeutet dabei, dass Spannungsänderungen innerhalb von Zeitintervallen möglich sind, die deutlich kleiner als die minimalen Zeitabschnitte eines netzgeführten Stromrichters sind. Damit lässt sich der Zwischenkreisstrom sehr schnell regeln, auf die glättende Wirkung der bislang notwendigen Zwischenkreisdrossel kann verzichtet werden, bzw. kann diese reduziert werden.
  • Die Reduktion bzw. Eliminierung der Zwischenkreisdrossel und die schnelle Einstellung des Zwischenkreisstromes haben den weiteren Vorteil, dass das Drehmoment der Synchronmaschine schneller gestellt werden kann.
  • Dadurch, dass der zellbasierte netzseitige Stromrichter einen selbstgeführten Stromrichter darstellt, ermöglicht dieser Stromrichter sinusförmige Netzströme mit geringen Stromoberschwingungen und eine freie Einstellung der Grundschwingungsblindleistung im Netz. Das Netz muss keine Kommutierungsblindleistung zur Verfügung stellen, d.h. Q ≈ 0 ist möglich. Es ist auch möglich, dass der netzseitige Stromrichter Blindleistung (d.h. Grundschwingungsblindleistung oder Verzerrungsblindleistung) anderer, paralleler Lasten kompensiert (Netzdienstleistungen).
  • Es ist ebenfalls möglich, dass der Stromrichter bei kurzzeitigen Netzspannungseinbrüchen in Betrieb bleibt (Fault Ride Through Fähigkeit). Es ist ebenfalls möglich, dass der Stromrichter bei Netzspannungseinbrüchen zur Netzstützung Blindleistung zur Verfügung stellt, d.h. Blindstrom in das Netz einspeist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichters ist der maschinenseitige Stromrichter n-pulsig ausgebildet, wobei n eine natürliche Zahl und ein Vielfaches von 6 ist. Dies hat den Vorteil, dass die Drehmomentwelligkeit der angeschlossenen Maschine gegenüber einer sechspulsigen Variante verringert werden kann.
  • In einer weiteren, besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichters, ist der lastgeführte maschinenseitige Stromrichter mit Thyristoren oder mit Dioden anstelle von Thyristoren aufgebaut. Eine Ausgestaltung des maschinenseitigen Stromrichters auf Basis von Dioden kann sechs-, zwölf- oder n-pulsig sein, wobei n eine natürliche Zahl und ein Vielfaches von 6 ist. Vorteilig ist in dieser Ausgestaltung der einfachere Aufbau des maschinenseitigen Stromrichters, dafür ist eine Energieflussrichtung nur von der Maschine in das Netz möglich (generatorischer Betrieb).
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der zellbasierte netzseitige Stromrichter aus H-Brücken ausgebildet. An den Ausgangsklemmen der H-Brücken kann die Spannung die drei Werte annehmen: positive Zellzwischenkreisspannung +U, 0 sowie negative Zellzwischenkreisspannung -U. Ein Stromfluss durch die Zelle ist in beiden Richtungen möglich.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der zellbasierte netzseitige Stromrichter aus reduzierten H-Brücken ausgebildet. Eine reduzierte H-Brücke erfordert weniger Schaltungsaufwand und kann die gleichen Spannungen an ihrer Ausgangsklemme ausgeben wie eine H-Brücke, ein Stromfluss durch die Zelle ist jedoch nur in einer Richtung möglich.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichters sind die aktiven Schalter in den Zellzwischenkreisen der Zellen des netzseitigen Stromrichters aus IGBTs oder MOSFETs oder IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristors) gebildet. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) sind in einem weiten Schaltfrequenzbereich einsetzbar und bieten darüber hinaus gute Durchlass- und Schalteigenschaften. Möglich ist auch der Einsatz von MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor).
  • IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristors) ermöglichen einen geringen Leistungshalbleiteraufwand und geringe Verluste insbesondere bei großen Strömen und Leistungen. Diese Bauelemente bieten darüber hinaus die Vorteile eines Scheibenzellengehäuses (oder sogenannten Press Pack Gehäuse), d.h. eine hohe Wechsellastfähigkeit, ein günstiges Fehlerverhalten, etc. Bei einer Verwendung von IGCTs ist die Verwendung einer Clampbeschaltung bestehend aus Diode, Kondensator und Widerstand in jeder H-Brücke oder in jedem Zweig der H-Brücke notwendig.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Stromzwischenkreisumrichter im Motor- oder Generatorbetrieb betreibbar. Damit lässt sich mit der Netzspannung zum einen ein Motor mit Hilfe des erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichters betreiben, zum anderen kann ein Generator mit Hilfe des erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichters in das Wechselspannungsnetz einspeisen.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichters wird der lastgeführte Stromrichter zum Anschluss einer fremd- oder permanent erregten Synchronmaschine verwendet.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
  • Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
    • 1 Stromzwischenkreisumrichter mit jeweils einem 6-pulsigen Thyristorsteller auf der Netz- und Maschinenseite (Stand der Technik);
    • 2 Stromzwischenkreisumrichter mit jeweils einem 12-pulsigen Thyristorsteller auf der Netz- und Maschinenseite (Stand der Technik);
    • 3 Erfindungsgemäßer Stromzwischenkreisumrichter mit einem netzseitigen zellbasierten Mehrpunkt-Stromrichter und einem lastgeführten maschinenseitigen 6-pulsigen Thyristorsteller;
    • 4 Mögliche Ausgestaltungen der Zellen des netzseitigen Stromrichters: a) Ausführung als Vollbrücke basierend auf IGBTs, b) Ausführung als reduzierte H-Brücke basierend auf IGBTs, c) Ausführung als Vollbrücke basierend auf IGCTs mit gemeinsamer Clamp-Beschaltung für die H-Brücke und d) Ausführung als Vollbrücke basierend auf IGCTs mit einer Clamp-Beschaltung je Zweig der H-Brücke;
    • 5 Erfindungsgemäßer Stromzwischenkreisumrichter mit einem netzseitigen zellbasierten Mehrpunkt-Stromrichter und einem lastgeführten maschinenseitigen 6-pulsigen Thyristorsteller, Ausführung ohne netzseitige Kommutierungsinduktivitäten und ohne Zwischenkreisdrossel;
    • 6 Erfindungsgemäßer Stromzwischenkreisumrichter mit einem netzseitigen zellbasierten Mehrpunkt-Stromrichter und einem lastgeführten maschinenseitigen 12-pulsigen Thyristorsteller, Ausführung ohne netzseitige Kommutierungsinduktivitäten und ohne Zwischenkreisdrossel;
    • 7 Erfindungsgemäßer Stromzwischenkreisumrichter mit einem netzseitigen zellbasierten Mehrpunkt-Stromrichter und einem lastgeführten maschinenseitigen 6-pulsigen Diodengleichrichter, Ausführung ohne netzseitige Kommutierungsinduktivitäten und ohne Zwischenkreisdrossel;
    • 8 Erfindungsgemäßer Stromzwischenkreisumrichter mit einem netzseitigen zellbasierten Mehrpunkt-Stromrichter und einem lastgeführten maschinenseitigen 12-pulsigen Diodengleichrichter, Ausführung ohne netzseitige Kommutierungsinduktivitäten und ohne Zwischenkreisdrossel.
  • 3 zeigt den erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichter 1 mit einem netzseitigen zellbasierten Mehrpunkt-Stromrichter 2 und einem lastgeführten maschinenseitigen 6-pulsigen Thyristorsteller. Mit dieser Anordnung lässt sich beispielsweise eine fremd oder permanent erregte Synchronmaschine 10 steuern. Durch den zellbasierten netzseitigen Stromrichter 2 in dieser Anordnung können folgende Vorteile erzielt werden: Durch die Anordnung kann eine deutliche Reduzierung der Netzrückwirkungen erreicht werden, so dass eine Reduktion oder gar Elimination des Netzfilters möglich ist, nämlich indem durch den zellbasierten netzseitigen Stromrichter 2 sinusförmige Ströme mit einer gewünschten Phasenverschiebung zur Netzspannung realisiert werden. Damit können die bisher notwendigen Netzdrosseln 12 in den Verbindungsleitungen 11 zwischen Netz und netzseitigem Stromrichter 2 vereinfacht, d.h. verkleinert oder eliminiert werden. Ein weiterer Vorteil des netzseitigen zellbasierten Stromrichters 2 liegt darin, dass dieser sinusförmige Ströme mit geringen Stromoberschwingungen und eine prinzipiell freie Einstellung der Grundschwingungsblindleistung ermöglicht. Diese beiden Eigenschaften ermöglichen eine erhebliche Reduktion oder sogar eine vollständige Elimination von Netzfiltern. Ein Netzfilter dient dazu, die Rückwirkungen von Stromrichtern auf das Netz zu reduzieren, d.h. Oberschwingungsströme zu begrenzen und Blindleistung zu kompensieren.
  • Durch die Einstellbarkeit der Phasenverschiebung zwischen der Grundschwingung des Netzstromes und der Netzspannung kann die Grundschwingungsblindleistung im Netz frei eingestellt werden, so dass das Netz keine Kommutierungsblindleistung zur Verfügung stellen muss, d.h. Q ≈ 0 ist möglich. Weiter ist es möglich, dass der netzseitige Stromrichter 2 Blindleistung, d.h. Grundschwingungsblindleistung oder Verzerrungsblindleistung, anderer, paralleler Lasten kompensiert (Netzdienstleistungen).
  • Es ist ebenfalls möglich, dass der Stromrichter 2 bei kurzzeitigen Netzspannungseinbrüchen in Betrieb bleibt (Fault Ride Through Fähigkeit). Es ist ebenfalls möglich, dass der Stromrichter 2 bei Netzspannungseinbrüchen zur Netzstützung Blindleistung zur Verfügung stellt d.h. Blindstrom in das Netz einspeist.
  • Die 4 zeigt Ausgestaltungen einer Zelle 7 in dem zellbasierten netzseitigen Stromrichter 2. Im ersten Teil a) der Abbildung besteht die Zelle 7 des netzseitigen Stromrichters 2 aus einer H-Brücke, im zweiten Teil b) der Abbildung besteht die Zelle 7 aus einer reduzierten H-Brücke. In beiden Varianten kommen IGBTs als Halbleiterschalter zum Einsatz. Im dritten c) und vierten Teil d) der Abbildung sind H-Brücken aus IGCTs aufgebaut, wobei im dritten Teil c) eine gemeinsame Clamp-Beschaltung und im vierten Teil d) jeweils eine einzelne Clamp-Beschaltung pro Zweig 6 genutzt dargestellt sind.
  • Durch den Einsatz dieser Zellen 7 ist es möglich, die Zwischenkreisdrossel 4, zwischen netzseitigem 2 und maschinenseitigem 3 Stromrichter zu minimieren und sogar zu eliminieren.
  • Durch den zellbasierten netzseitigen Stromrichter 2 kann der Strom des maschinenseitigen Stromrichters 3 beeinflusst werden, so dass in der Maschine 10 geringere unerwünschte Stromoberschwingungen verursacht werden, d.h. eine Reduktion von Drehmomentwelligkeit und unerwünschter Erwärmung.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichter 1 ist auch eine Eliminierung des netzseitigen zwölf- bzw. höherpulsigen Transformators möglich, der bei der konventionellen Schaltung eines Stromrichtermotors in zwölf- bzw. höherpulsigen Ausführungen des maschinenseitigen Stromrichters auch netzseitig verwendet wird.
  • Des Weiteren kann der Zwischenkreisstrom im Vergleich zu einem konventionellen Stromrichtermotor schnell geändert werden, da der Wert der Zwischenkreisinduktivität 4 deutlich reduziert werden kann und auch eine deutlich schnellere Spannungsänderung der Klemmenspannung am Gleichstromzwischenkreis des netzseitigen, zellbasierten Stromrichters 2 bei dynamischen Vorgängen möglich ist. Damit kann eine höhere Dynamik (z.B. kürzere Momentanregelzeiten) des elektrischen Antriebs ermöglicht werden.
  • 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichter 1 mit einem netzseitigen zellbasierten Mehrpunkt-Stromrichter 2 und einem maschinenseitigen 6-pulsigen Thyristorsteller, wobei der Anschluss an das Netz ohne Netzinduktivitäten bzw. Kommutierungsinduktivitäten 12 realisiert ist. Weiter ist die Zwischenkreisdrossel eliminiert.
  • 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichter 1 ähnlich 5, jedoch mit einem maschinenseitigen 12-pulsigen Thyristorsteller.
  • 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromzwischenkreisumrichter 1 ähnlich 5, jedoch mit einem maschinenseitigen 6-pulsigen Diodengleichrichter. Bei dieser Ausführung ist eine Energieflussrichtung nur von der Maschine 10 in das Netz, d.h. nur generatorischer Betrieb, möglich.
  • 8 zeigt einen erfindungsgemäßen lastgeführten Stromzwischenkreisumrichter ähnlich 7, jedoch mit einem maschinenseitigen 12-pulsigen Diodengleichrichter.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stromzwischenkreisumrichter
    2
    Netzseitiger Stromrichter
    3
    Maschinenseitiger Stromrichter
    4
    Zwischenkreisdrossel
    5
    Thyristor
    6
    Zweig
    7
    Zelle
    8
    Aktive Schalter
    9
    Diode
    10
    Synchronmaschine
    11
    Netzleitungen
    12
    Kommutierungsinduktivität, Netzdrossel

Claims (9)

  1. Stromzwischenkreisumrichter (1) umfassend einen netzseitigen Stromrichter (2) und einen lastgeführten maschinenseitigen Stromrichter (3), wobei der netzseitige Stromrichter (2) aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Zweigen (6) mit jeweils mindestens einer Zelle (7) besteht, wobei eine Zelle (7) des zellbasierten netzseitigen Stromrichters (2) einen Zellenzwischenkreis mit mindestens zwei aktiven Schaltern (8) und mindestens zwei Dioden (9) umfasst.
  2. Stromzwischenkreisumrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der netzseitige Stromrichter (2) und der maschinenseitige Stromrichter (3) direkt miteinander verbunden sind.
  3. Stromzwischenkreisumrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maschinenseitige Stromrichter (3) n-pulsig ausgebildet ist, wobei n eine natürliche Zahl und ein Vielfaches von 6 ist.
  4. Stromzwischenkreisumrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lastgeführte maschinenseitige Stromrichter (3) Thyristoren (5) oder Dioden (9) aufweist.
  5. Stromzwischenkreisumrichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zellbasierte netzseitige Stromrichter (2) aus H-Brücken ausgebildet ist.
  6. Stromzwischenkreisumrichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zellbasierte netzseitige Stromrichter (2) aus reduzierten H-Brücken ausgebildet ist.
  7. Stromzwischenkreisumrichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Schalter (8) in den Zellzwischenkreisen der Zellen (7) aus IGBTs, MOSFETs oder IGCTs gebildet sind.
  8. Stromzwischenkreisumrichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromzwischenkreisumrichter (1)im Motor- oder Generatorbetrieb betreibbar ist.
  9. Stromzwischenkreisumrichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromzwischenkreisumrichter (1) zur Steuerung einer permanent erregten Synchronmaschine (10) verwendet wird.
DE102017128789.2A 2017-12-04 2017-12-04 Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten netzseitigen Stromrichter und lastgeführtem, maschinenseitigen Stromrichter Ceased DE102017128789A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017128789.2A DE102017128789A1 (de) 2017-12-04 2017-12-04 Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten netzseitigen Stromrichter und lastgeführtem, maschinenseitigen Stromrichter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017128789.2A DE102017128789A1 (de) 2017-12-04 2017-12-04 Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten netzseitigen Stromrichter und lastgeführtem, maschinenseitigen Stromrichter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017128789A1 true DE102017128789A1 (de) 2019-06-06

Family

ID=66547704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017128789.2A Ceased DE102017128789A1 (de) 2017-12-04 2017-12-04 Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten netzseitigen Stromrichter und lastgeführtem, maschinenseitigen Stromrichter

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017128789A1 (de)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10143279B4 (de) Frequenzumrichter
EP2241001B1 (de) Umrichter
EP3211784B1 (de) Doppel-submodul für einen modularen mehrpunktstromrichter und modularer mehrpunktstromrichter mit diesem
DE102008014898B4 (de) Verfahren zur Steuerung eines mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern bei niedrigen Ausgangsfrequenzen
EP3255773B1 (de) Verlustarmes doppel-submodul für einen modularen mehrpunktstromrichter und modularer mehrpunktstromrichter mit diesem
EP2432109B1 (de) Modularer Schalter für einen elektrischen Umrichter, elektrischer Umrichter sowie Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Umrichters
EP2898595B1 (de) Modularen multilevel dc/dc wandler für hvdc anwendungen
DE60120664T2 (de) Pwm-frequenzwandler
EP3005543B1 (de) Modularer multilevel dc/dc wandler für hvdc anwendungen
WO2006000111A1 (de) Oberschwingungsarme mehrphasige umrichterschaltung
DE102008007658A1 (de) Statischer Umformer
EP2678933B1 (de) Verfahren zur erzeugung einer ausgangsspannung an einem modularen mehrstufigem stromrichter und anordnung zur durchführung des verfahrens
DE69210940T2 (de) Leistungsumrichter
EP2928060A1 (de) Modulare Stromrichterschaltung mit Submodulen, die unterschiedliches Schaltvermögen aufweisen
EP0852841B1 (de) Netzfreundlicher stromrichtergesteuerter, spannungseinprägender schrägtransformator grosser leistung
DE3826524C2 (de) Leistungseinspeiseschaltung mit Saugdrossel
DE102005025422A1 (de) Dreipunkt-Umrichter
DE4026955C2 (de) Umrichter
DE102017128789A1 (de) Stromzwischenkreisumrichter mit zellbasiertem, selbstgeführten netzseitigen Stromrichter und lastgeführtem, maschinenseitigen Stromrichter
DE202016102164U1 (de) Stromrichter mit Überspannungsableiter
EP3513475A1 (de) Anlage zum übertragen elektrischer leistung mit filtereinheit
DE102009008048A1 (de) Verfahren zur Regelung eines selbstgeführten Netzstromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters
DE112016006420T5 (de) Submodul eines kaskadierten stromrichters
EP1011189B1 (de) Verfahren und Schaltungsanordnung zur Anpassung der Zwischenkreisspannung an die Versorgungsspannung
WO2016050720A1 (de) Hybrider m2c-diodengleichrichter

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final