DE102018105574A1

DE102018105574A1 - Mehrstufiger Wechselrichter

Info

Publication number: DE102018105574A1
Application number: DE102018105574.9A
Authority: DE
Inventors: William GIEWONT; Juhamatti Korhonen
Original assignee: Vacon Oy
Current assignee: Vacon Oy
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2018-09-27
Also published as: US10177679B2; US20180278175A1; CN108631631A

Abstract

Eine Wechselrichterschaltung, die mit einer Zwei-Stufen-Gleichstromspannungsversorgung verbunden ist und in der Lage ist, eine Fünf-Stufen-Ausgangsspannung zu bilden, wird beschrieben, zusammen mit einem Verfahren zum Betreiben der Wechselrichterschaltung. Die Wechselrichterschaltung weist eine Reihenschaltung von sechs unidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern auf, von denen jeder mit einer antiparallelen Diode verbunden ist, zwischen dem positiven und negativen Knoten der Versorgungsgleichspannung. Die Wechselrichterschaltung weist weiterhin eine Reihenschaltung von zwei internen Kondensatoren zwischen der Kathode des ersten und des fünften Schalters der Reihenschaltung auf, wobei der Verbindungspunkt der Kondensatoren mit dem internen Knoten der Wechselrichterschaltung verbunden ist. Im Gebrauch werden die unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter gesteuert, um die Spannung des Ausgangs der Wechselrichterschaltung einzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft mehrstufige Wechselrichter, beispielsweise mehrstufige Wechselrichter, die in der Lage sind, fünf Spannungspegel zu erzeugen.
Hintergrund
Wechselrichter werden vielfach in Leistungselektronikanwendungen verwendet beim Umwandeln zwischen Gleichstrom (DC)-Leistung und Wechselstrom (AC)-Leistung. Der meist gebrauchte Wechselrichtertyp, PWM-Wechselrichter, konvertiert eine Gleichspannung in eine Ausgangswechselspannung, die aus Impulsen mit variierenden Breiten besteht. Das Verfahren, durch das die Ausgangsspannung gebildet wird, wird Pulsbreitenmodulation (PWM) genannt und die Aufgabe in der Ausgangsspannungsbildung, ist normalerweise ein Impulsmuster zu erzeugen mit einer gewünschten Grundkomponente und minimalen Gehalten von nachteiligen Harmonischen.
Bei einer niedrigen Spannung (z.B. Netzspannungen kleiner als 1 kV) ist der gebräuchlichste Wechselrichtertyp ein zweistufiger Wechselrichter, bei dem die Ausgangsspannung lediglich Werte des positiven Pols oder des negativen Pols der Gleichstromversorgungsspannung haben kann. Bei höheren Netzspannungen werden oft mehrstufige Wechselrichter verwendet, beispielsweise wegen den Spannungsfestigkeitsbegrenzungen von handelsüblichen Leistungskomponenten und einer besseren Wellenform der erzeugten Ausgangsspannung.
Mittlere Netzspannungspegel (z.B. Netzspannung mehr als 1 kV) werden oft in industriellen Anwendungen verwendet. Bei diesem Spannungspegel werden manchmal Wechselrichter, die in der Lage sind, Ausgangsspannungen mit 3 bis 5 Pegelstufen zu erzeugen, verwendet, weil es teilweise immer noch möglich ist, die Wechselrichterleistungsstufe unter Verwendung von kommerziell verfügbaren IGBT (Isolierte Gate Bipolar Transistoren) Komponenten zu realisieren. Eine Anzahl von bekannten Topologien existiert für diesen Zweck, z.B. NPC (Neutral Punkt geklemmt), MMC (modularer Mehrstufenwandler) und CHB (Kaskadierte H-Brücke), um einige zu nennen.
Nachteile der bekannten Topologien sind z.B. große Spannungsstufen, insbesondere bei NPC mit 3-Stufen Ausgangsspannung, die dazu tendieren, schädliche Überspannungsspitzen an dem Motorende eines langen Kabels zu bewirken, was die Lebensdauer von Wicklungsisolierung vermindert. Bei einigen Topologien begrenzt die Spannungsfestigkeitsfähigkeit von Leistungskomponenten ihre Verwendbarkeit. Weiterhin können bei MMC und CHB die Anzahl der Komponenten und die Komplexität der Steueranordnung einen Nachteil unter dem Gesichtspunkt der Systemkosten verursachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Wechselrichterschaltung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, eine fünfstufige Ausgangsspannungswellenform zu erzeugen. Lösungen nach der Erfindung haben Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, z.B. dadurch, dass die Leistungskomponentenanzahl niedrig ist und dass die meisten Leistungskomponenten in der Schaltung eine Spannungsbelastung von nur ungefähr ¼ des Versorgungsgleichstromzwischenkreisspannungniveaus erfahren. Das Folgende ist eine kurze Zusammenfassung, um ein besseres Verständnis von einigen Aspekten von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zur Verfügung zu stellen, eine detailliertere Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen folgt später. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch das, was in den unabhängigen Ansprüchen definiert ist, wobei andere bevorzugte Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen offenbart sind.
Nach der Erfindung ist die Wechselrichterschaltung mit einer externen Leistungsschaltung verbunden über vier Leistungsknoten, von denen der erste Knoten mit einer positiven, der zweite Knoten mit einer negativen und der dritte Knoten mit einem Mittelpunkt einer Versorgungsgleichstromzwischenkreisspannung verbunden ist, und der vierte Knoten ist ein Ausgangsknoten, der mit einer Last verbunden ist.
Die Wechselrichterschaltung weist eine Reihenschaltung von sechs unidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern (im Folgenden einfach als Schalter bezeichnet) auf, von denen jeder eine Anode und eine Kathode hat, und von denen jeder mit einer antiparallelen Diode verbunden ist. Die Anoden des zweiten bis sechsten Schalters sind mit den Kathoden des ersten bis fünften Schalters in Reihe geschaltet. Die Anode des ersten Schalters ist mit dem ersten Leistungsknoten verbunden, die Kathode des sechsten Schalters ist mit dem zweiten Leistungsknoten verbunden und die Kathode des dritten Schalters ist mit dem Ausgangsknoten verbunden. Die Wechselrichterschaltung weist weiterhin eine bidirektionale Leistungshalbleiterschaltung auf, die zwischen dem dritten Leistungsknoten und einem internen Knoten verbunden ist. Die Wechselrichterschaltung weist weiterhin eine Reihenschaltung von zwei internen Kondensatoren zwischen den Kathoden des ersten und fünften Schalters der Reihenschaltung auf, wobei der Verbindungspunkt der Kondensatoren mit den internen Knoten der Wechselrichterschaltung verbunden ist. Die Wechselrichterschaltung weist weiterhin eine Reihenschaltung von zwei internen Dioden in Durchlassrichtung von der Kathode des vierten Schalters zu der Kathode des zweiten Schalters der Reihenschaltung auf, wobei der Verbindungspunkt der Dioden mit dem internen Knoten der Wechselrichterschaltung verbunden ist.
Die bidirektionale Leistungshalbleiterschaltung der erfundenen Wechselrichterschaltung weist typischerweise zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete unidirektionale Leistungshalbleiterschalter auf, von denen jeder mit einer antiparallelen Diode verbunden ist, oder zwei entgegengesetzt parallel geschaltete unidirektionale Leistungshalbleiterschalter, die in Rückwärtsrichtung blockieren.
Ein Wechselrichtersystem nach der vorliegenden Erfindung weist eine Wechselrichterschaltung, wie oben beschrieben, auf und eine Steuereinheit, die in der Lage ist, den Betrieb von allen bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern der Wechselrichterschaltung zu steuern, und einen Sensor, der in der Lage ist, den Ausgangsstrom zu messen und diese Information an die Steuerschaltung zu senden.
Nach der Erfindung können die unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter so gesteuert werden, dass der Ausgangsstrom über einen internen Kondensator fließt, wobei seine Spannung innerhalb von vorbestimmten erlaubten Grenzwerten um einen Sollwert gehalten wird. In einigen Formen der Erfindung ist der Sollwert ¼ der Versorgungsgleichstromzwischenkreisspannung, was es möglich macht, die Spannung zwischen dem Ausgangsknoten und dem dritten Leistungsknoten so zu steuern, dass sie im Wesentlichen fünf unterschiedliche Werte hat.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Wechselrichtersystem eine Vielzahl von Wechselrichterschaltungen, wie oben beschrieben, auf, unter einer gemeinsamen Steuereinheit, um eine Mehrphasenausgangsspannung zu bilden. Vorteilhafterweise kann diese Art von Mehrstufenwechselrichtern beispielsweise in Frequenzwandlern verwendet werden, um eine Drei-Phasen-Spannung zum Steuern einer Motorlast zu bilden oder eine Drei-Phasen-Spannung in einem aktiven Front-End-Wandler zu bilden.
In einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wo die Steuereinheit auf einer digitalen Logik-Schaltung mit einer herunterladbaren Software, z.B. einem Mikroprozessor basiert, weist die Erfindung auch ein neues Computerprogramm auf, d.h. ein Softwarepaket, das in eine Speichereinrichtung heruntergeladen werden kann. Das Computerprogramm weist computerausführbare Anweisungen auf zum Implementieren des obigen Verfahrens zum Steuern des Betriebs der unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichterschaltung.
Die vorliegende Erfindung weist auch ein neues Computerprogrammprodukt auf, das ein nicht flüchtiges computerlesbares Medium aufweist, z.B. eine Kompaktdisk „CD“, die mit einem Computerprogramm zum Steuern des Betriebs der unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichterschaltung kodiert ist.
Die vorliegende Erfindung weist auch einen Leistungselektronikwandler auf, z.B. einen Frequenzwandler, der mindestens drei Wechselrichterschaltungen nach der vorliegenden Erfindung aufweist, um eine Drei-Phasen-Wechselspannung zu dem Ausgang, zu dem Eingang oder zu beiden externen Leistungsverbindungen für den Leistungselektronikwandler zu erzeugen.
Figurenliste
Im Folgenden erscheint die Erfindung mit einer genaueren Erläuterung unter Verwendung von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, worin

1 eine Wechselrichterschaltung nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 einen unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter mit einer antiparallelen Diode zeigt,
3A und 3B bidirektionale Leistungshalbleiterschaltungen zeigen,
4 eine Ausgangsspannung einer 5-Stufen-Wechselrichterschaltung zeigt,
5 ein Flussdiagramm zur Schaltzustandsbestimmung zeigt,
6 die Bestimmung von Schaltzuständen zeigt,
7 eine 3-phasige Wechselrichterschaltung nach der vorliegenden Erfindung zeigt, und
8 einen regenerativen Frequenzwandler zeigt.

Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wechselrichterschaltung 10 nach der vorliegenden Erfindung. Es sollte bemerkt werden, dass die Figur vereinfacht ist, um auf Elemente zu fokussieren, die für ein klares Verständnis der Erfindung relevant sind, während zum Zweck der Klarheit andere Elemente, wie Identifikationsmarkierungen von einigen Komponenten, Steueranordnungen von steuerbaren Komponenten etc. weggelassen sind, die für den Fachmann offensichtlich sind.
Die Wechselrichterschaltung ist mit einem externen Zwei-Pegel-Gleichstromzwischenkreis verbunden, der durch drei Leistungsknoten DC+, N und DC- zwei im Wesentlichen gleiche Spannungspegel U_DC/2 aufweist. Der DC+ Knoten ist mit einem positiven, der DC- Knoten ist mit einem negativen, und der N-Knoten ist mit einem Mittelpunkt der Gleichstromzwischenkreisspannung verbunden. Der Ausgangsknoten U der Wechselrichterschaltung ist mit einer Last verbunden. Die Gleichspannung über die Knoten DC+ und DC- kann bereitgestellt werden durch Gleichrichten eines Wechselspannungseingangs, in einer Art, die an sich bekannt ist.
Die Wechselrichterschaltung weist eine Reihenschaltung von sechs Leistungshalbleiterschaltern V₁ ...V₆ (nachfolgend einfach als Schalter bezeichnet) auf, von denen jeder eine Anode und eine Kathode aufweist. Weil die relevanten Schalter für diese Anwendung normalerweise Strom nur in eine Richtung leiten können, von der Anode zur Kathode, ist jeder Schalter mit einer antiparallelen Diode verbunden. Die Anoden des zweiten bis sechsten Schalters sind jeweils mit den Kathoden des ersten bis fünften Schalters in Reihe geschaltet. Die Anode des ersten Schalters ist mit dem ersten Leitungsknoten DC+ verbunden, die Kathode des sechsten Schalters ist mit dem zweiten Leistungsknoten DC- verbunden und die Kathode des dritten Schalters ist mit dem Ausgangsknoten U verbunden.
Die Wechselrichterschaltung weist ferner eine bidirektionale Leistungshalbleiterschaltung zwischen dem dritten Leistungsknoten N und einem internen Knoten P auf, wobei die Schaltung in dem Implementierungsbeispiel der 1 zwei Schalter V₇, V₈, ähnlich zu V₁... V₆ aufweist, die entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind, und jeder Schalter ist mit einer antiparallelen Diode verbunden.
Die Wechselrichterschaltung weist weiterhin eine Reihenschaltung von zwei internen Kondensatoren C₁, C₂ auf, die zwischen den Kathoden des ersten (V₁) und des fünften (V₅)-Schalters der Reihenschaltung verbunden sind, wobei der Verbindungspunkt der Kondensatoren mit dem internen Knoten P der Wechselrichterschaltung verbunden ist.
Die Wechselrichterschaltung weist ferner eine Reihenschaltung von zwei internen Dioden D₁, D₂ in Durchlassrichtung von der Kathode des vierten Schalters (V₄) zu der Kathode des zweiten Schalters (V₂) der Reihenschaltung auf, wobei der Verbindungspunkt der Dioden mit dem internen Knoten P der Wechselrichterschaltung verbunden ist.
2 zeigt einen Leistungshalbleiterschalter V, der mit einer antiparallelen Diode verbunden ist, wie in 1 dargestellt, im Detail. Der Schalter V hat zwei Leistungsanschlüsse, eine Anode A_v und eine Kathode K_v und ein Steueranschlussgate G_v. Der Schalter V kann vorteilhafterweise ein IGBT (Isolierter Gate Bipolar Transistor) sein, der in der Lage ist, Strom nur in eine Richtung von der Anode zur Kathode zu leiten. Um schädliche Effekte einer negativen Spannung zu verhindern, ist eine Diode D antiparallel mit dem Schalter V verbunden. Die Diode ist in der Lage, Strom nur in Durchlassrichtung zu leiten, d.h. von einem Anodenanschluss A_D zu einem Kathodenanschluss K_D.
3A und 3B zeigen alternative Implementierungsbeispiele für die bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltungen, wie in 1 dargestellt. 3A weist dieselben Komponenten, wie in 1 gezeigt, auf, aber hier ist die Reihenfolge der Schalter V₇, V₈, die jeweils mit einer antiparallelen Diode verbunden sind, umgekehrt. In 3B ist jeder Schalter V₇, V₈ in Reihe mit einer Diode geschaltet und diese unidirektional in Umkehrrichtung blockierenden Leistungshalbleiterschalter sind entgegengesetzt parallel geschaltet. Einrichtungen mit integrierten Umkehrblockierungseigenschaften können ebenfalls in der Fig. 3B-Konfiguration verwendet werden, wobei in diesem Fall getrennte Dioden unnötig sind.
Das Schlüsselbetriebsmerkmal, das dasselbe ist bei allen dargestellten Variationen der bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltungen, ist, dass, wenn der Schalter V₇ angeschaltet wird, ein Strom vom Knoten N zum Knoten P fließen kann, aber nicht anders herum. Und wenn der Schalter V₈ angeschaltet wird, kann der Strom vom Knoten P zum Knoten N fließen, aber nicht umgekehrt. Wenn V₇ und V₈ angeschaltet sind, kann der Strom in beide Richtungen fließen.
4 erläutert ein Beispiel einer Ausgangsspannungswellenform u_U-N, d.h. die Spannung zwischen dem Ausgangsknoten U und dem Leistungsknoten N, einer Wechselrichterschaltung von 1. Der Spannungswert kann sich stufenweise ändern zwischen Werten +U_DC/2, +U_DC/4, 0, -U_DC/4 und -U_DC/2. Zur Klarheit ist die dargestellte Wellenform vereinfacht, in Praxis kann jede Spannungsstufe eine Anzahl von Impulsen mit Breitenmodulation aufweisen.
Zum Beispiel während der Zeitperiode von t₁ bis t₂ kann die Ausgangsspannung mehrere Male zwischen 0 und +U_DC/4 wechseln und während der Zeitperiode von t₂ bis t₃ kann sie zwischen +U_DC/4 und +U_DC/2 wechseln. Ein generelles Ziel der Wechselrichterausgangsspannung ist normalerweise, der Form einer Sinusgrundwelle SIN zu folgen.
Die Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung von 1 wird bestimmt durch Steuerung der unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter V₁... V₈. Ein allgemeines Flussdiagramm der Schaltersteuerlogik ist in 5 gezeigt und eine genauere Erläuterung in 6.
In der ersten Phase I der Schaltersteuerung wird die gewünschte Ausgangsspannung bestimmt. Dies wird normalerweise durch eine so genannte Modulator Funktion in einer Steuereinheit vorgenommen, und die Bestimmungsweise kann auf der Ausgangsstromsteuerung einer Drei-Phasen-Wechselrichteranordnung basieren. Die Ausgangsspannung kann fünf unterschiedliche Werte +U_DC/2, +U_DC/4, 0, -U_DC/4, -U_DC/2 haben.
In bestimmten Betriebszuständen fließt der Ausgangsstrom über die internen Kondensatoren C₁, C₂ und lädt oder entlädt sie in Übereinstimmung mit der Stromrichtung. In der zweiten Phase II der Schaltersteuerung werden die Kondensatorspannungen u_C1, u_C2 und die Richtung des Ausgangsstroms i_U gemessen und auf der Basis dieser Messungen wird die Notwenigkeit zum Laden/Entladen der Kondensatoren bestimmt. In 6 ist die Abhängigkeit der Kondensatorspannungsänderungsrichtungen (du_c1, du_c2) als eine Funktion der Ausgangsstromrichtung (positiv i_U>oder negativ i_U<0) und des Schaltzustandes markiert durch ein + Zeichen (Kondensatorspannung nimmt zu) und durch ein - Zeichen (nimmt ab) markiert. Der Zielwert für die Spannung von beiden Kondensatoren ist U_DC/4, aber in der Praxis ist eine kleine Toleranz ΔU um diesen Wert notwendig. Somit ist z.B. Laden des Kondensators notwendig, wenn seine Spannung kleiner ist als U_DC/4 - ΔU, und Laden, wenn die Spannung höher ist als U_DC/4 + ΔU.
In der dritten Phase III der Schaltungssteuerung wird bestimmt werden, welcher Schalter angeschaltet werden muss, um die gewünschte Ausgangsspannung zu haben und zum Ändern der Spannungen der internen Kondensatoren entsprechend des Bedarfs. Die Wechselrichterschaltung nach der Erfindung erlaubt neun unterschiedliche Schaltzustände SS für diesen Zweck, wie in 6 dargestellt. Beschreibung des Wechselrichterschaltungsbetriebszustands wird im Folgenden gegeben:
In dem Schaltzustand 1 (SS1) sind die Schalter V₁, V₂, V₃ und V₇ angeschaltet (markiert als 1 in dem Diagramm von 6), somit ist der Ausgangsknoten U mit dem Eingangsknoten DC+ verbunden und die Ausgangsspannung ist +U_DC/2 unabhängig von der Ausgangsstromrichtung.
Der An-Zustand von V₇ hat keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung, sondern stellt lediglich einen glatten Übergang von SS2 oder SS3 sicher, wenn notwendig.
In SS2 sind die Schalter V₁, V₃, V₄ und V₇ angeschaltet. Ein positiver Laststrom fließt von DC+ über V₁, C₁, D₁ und V₃ zu dem Ausgangsknoten U, durch den der Kondensator C₁ geladen wird. Ein negativer Ausgangsstrom fließt von U über V₄, D₂, C₁ und V₁ nach DC+, wobei der Kondensator C₁ entladen wird. Unabhängig von der Richtung des Ausgangsstroms ist die Ausgangsspannung +U_DC/4 (Spannung des DC+ Knotens minus der Spannung von Kondensator C₁). Der An-Zustand von V₇ hat keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung, sondern stellt nur einen glatten Übergang nach SS3 sicher, wenn notwendig.
In SS3 sind die Schalter V₂, V₃, V₇ und V₈ angeschaltet. Ein positiver Laststrom fließt von N über V₇, die antiparallele Diode von V₈, C₁, V₂ und V₃ nach U und entlädt somit C1. Ein negativer Laststrom fließt von U über die antiparallelen Dioden von V₃ und V₂, C₁, V₈ und die antiparallele Diode von V₇ nach U und entlädt somit C1. Unabhängig von der Ausgangsstromrichtung ist die Ausgangsspannung +U_DC/4 (C₁ Spannung).
In SS4 sind die Schalter V₃, V₄, V₇ und V₈ angeschaltet, wobei es unabhängig von der Ausgangsstromrichtung immer einen Gleichstrompfad zwischen dem Gleichstromzwischenkreismittelpunktknoten N und dem Ausgangsknoten U gibt, wobei die Ausgangsspannung 0 ist. Kondensatorspannungen bleiben unverändert.
In SS5 sind die Schalter V₂, V₃, V₆ und V₈ angeschaltet. Ein positiver Laststrom fließt von DC- über die antiparallele Diode von V₆, C₂, C₁, V₂ und V₃ nach U, und entlädt damit beide Kondensatoren. Ein negativer Laststrom fließt von U über die antiparallelen Dioden von V₂ und V₃, C₁, C₂ und V₆ nach UDC- und lädt somit beide Kondensatoren. Die Ausgangsspannung ist 0 (Spannungen von beiden Kondensatoren addiert zu der DC- Spannung).
In SS6 sind die Schalter V₁, V₄, V₅ und V₇ angeschaltet. Ein positiver Laststrom fließt von DC+ über V₁, C₁, C₂, V₂ und antiparallele Dioden von V₅ und V₄ nach U und lädt damit beide Kondensatoren. Ein negativer Laststrom fließt von U über V₄, V₅, C₂, C₁ und die antiparallele Diode von V₁ nach UDC+ und entlädt damit beide Kondensatoren. Die Ausgangsspannung ist 0 (DC+ Spannung minus Spannungen von beiden Kondensatoren).
In SS7 sind die Schalter V₄, V₅, V₇ und V₈ angeschaltet. Ein positiver Laststrom fließt von N über V₇, die antiparallele Diode von V₈, C₂ und antiparallele Dioden von V₅ und V₄ zu dem Ausgangsknoten U und lädt somit den Kondensator C₂. Ein negativer Ausgangsstrom fließt von U über V₄, V₅, C₂, V₈ und die antiparallele Diode von V₇ nach N und entlädt damit den Kondensator C₂. Unabhängig von der Ausgangsstromrichtung ist die Ausgangsspannung -U_DC/4 (Spannung des N-Knotens minus der Spannung von Kondensator C₂).
In SS8 sind die Schalter V₃, V₄, V₆ und V₈ angeschaltet. Ein positiver Laststrom fließt von DC- über die antiparallele Diode von V₆, C₂, D₁ und V₃ zum Ausgangsknoten U und entlädt somit den Kondensator C₂. Ein negativer Ausgangsstrom fließt von U über V₄, D₂, C₂ und V₆ zu DC- und lädt somit den Kondensator C₂. Unabhängig von der Ausgangsstromrichtung ist die Ausgangsspannung -U_DC/4 (Spannung des DC- Knotens plus die Spannung von Kondensator C₂). Der An-Zustand von V₈ hat keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung, sondern stellt nur einen glatten Übergang nach SS7 sicher, wenn notwendig.
In SS9 sind die Schalter V₄, V₅, V₆ und V₈ angeschaltet und somit ist der Ausgangsknoten U mit dem Eingangsknoten DC- verbunden und die Ausgangsspannung ist -U_DC/2 unabhängig von der Ausgangsstromrichtung. Der An-Zustand von V₈ hat keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung, sondern stellt lediglich einen glatten Übergang auf SS7 oder SS8 sicher, wenn notwendig.
Man stelle sich beispielhaft das Szenario vor, in dem die gewünschte Ausgangsspannung +U_DC/4 und der Ausgangsstrom i_u positiv ist. Wenn in diesem Szenario der Kondensator C1 geladen werden muss, dann zeigt 6, dass der geeignete zu wählende Schaltzustand SS2 ist. Wenn hingegen der Kondensator C1 entladen werden muss, dann zeigt 6, dass der geeignete zu wählende Schaltzustand SS3 ist.
Ähnliche Bestimmungen können für andere Umstände gemacht werden. Wenn man z.B. das Szenario betrachtet, in dem die gewünschte Ausgangsspannung 0 ist und der Ausgangsstrom i_u negativ ist. In diesem Szenario ist, wenn beide Kondensatoren C1 und C2 geladen werden müssen, der zu wählende geeignete Schaltzustand SS5, wenn beide Kondensatoren C1 und C2 entladen werden müssen, dann ist der zu wählende geeignete Schaltzustand SS6 und wenn kein Kondensator zu laden oder zu entladen ist, dann ist der geeignete Schaltzustand SS4.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Drei-Phasen-Wechselrichter-Systems 70 nach der vorliegenden Erfindung, der drei Einzelphasen Wechselrichterschaltungen INU_U, INU_V, INU_W aufweist, die mit einer gemeinsamen Zwei-Pegel-Gleichspannungsquelle DC+, N, DCverbunden sind in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben. In diesem Beispiel ist die Steuereinheit CU gemeinsam für alle Wechselrichter, und empfängt Ausgangsstrominformationen i_U, i_V, i_W von allen Ausgangsphasen-spezifischen Stromsensoren. CU führt die örtlichen Messungen durch durch die Steuerung der Last (nicht dargestellt), die mit den Ausgangsknoten U, V, W verbunden ist und sendet Steuersignale g_U, g_V, g_W zu Einzelphasenwechselrichtern, um die erforderlichen phasenspezifischen Schaltzustände zu setzen.
7 stellt ein Beispiel eines Drei-Phasen-Wechselrichtersystems bereit. Viele alternative Anordnungen existieren. Es könnte beispielsweise eine getrennte Steuereinheit für jede der Einzelphasen-Wechselrichterschaltungen vorgesehen sein. Natürlich können andere Systeme vorgesehen sein mit mehr oder weniger als drei Phasen.
8 stellt ein Beispiel einer bekannten Anwendung dar, worin Drei-Phasen-Wechselrichter, wie in 7 dargestellt, verwendet werden können. Hier wird ein erster Wechselrichter, INU, verwendet, um eine variable Frequenz/variable Spannung dem Motor M zuzuführen. Der andere Wechselrichter AFE, ist ein so genannter aktiver Front-End-Wandler zwischen dem zwischengeschalteten Gleichstromzwischenkreis mit Knoten DC+, N und DC- und einer Filtereinheit LFU über die AFE mit dem Netz verbunden ist, das Phasen L₁, L₂, L₃ hat. Natürlich sind, obwohl hier Einzelphasen- und Drei-Phasen-Wechselrichteranordnungen beschrieben sind, die Prinzipien der Erfindung sind auf Wechselrichtersysteme anwendbar, die irgendeine Anzahl von Phasen haben. Andere Varianten der Anordnung von 8 werden für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein; beispielsweise könnte eine Gleichrichterschaltung anstelle der AFE, die in 8 gezeigt ist, vorgesehen sein.
Die besonderen Beispiele, die in der obigen Beschreibung bereitgestellt worden sind, sind nicht erschöpfend, solange nicht auf andere Weise ausdrücklich beschrieben, noch sollten sie den Schutzumfang und/oder die Anwendbarkeit der beigefügten Ansprüche beschränkend ausgelegt werden. Die in den beigefügten abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind untereinander frei kombinierbar, solange nicht anderweitig ausdrücklich dargestellt. Die Verben „aufweisen“ und „einschließen“ werden in diesem Dokument als offene Begrenzungen verwendet, die weder die Existenz von ebenfalls nicht genannten Merkmalen ausschließen noch erfordern. Weiterhin sollte verstanden werden, dass die Verwendung von „ein“ oder „einem“, d.h. einer Singularform, in diesem Dokument eine Mehrzahl nicht ausschließt.

Claims

Wechselrichterschaltung mit einem ersten Leistungsknoten, der mit einer positiven Gleichstromzwischenkreisspannung verbunden ist, einem zweiten Leistungsknoten, der mit einer negativen Gleichstromzwischenkreisspannung verbunden ist, einem dritten Leitungsknoten, der mit einem Mittelpunkt zwischen der positiven und negativen Gleichstromzwischenkreisspannung verbunden ist, und einem Ausgangsknoten, wobei die Wechselrichterschaltung aufweist: eine Reihenschaltung von sechs unidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern, von denen jeder eine Anode und eine Kathode aufweist, und wobei jeder mit einer antiparallelen Diode verbunden ist, wobei die Anode des ersten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters mit dem ersten Leistungsknoten verbunden ist, die Kathode des sechsten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters mit dem zweiten Leistungsknoten verbunden ist und Anoden des zweiten bis sechsten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters mit den Kathoden des ersten bis fünften unidirektionalen Halbleiterschalters jeweils in Reihe geschaltet sind, wobei die Kathode des dritten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters mit dem Ausgangsknoten der Wechselrichterschaltung verbunden ist; eine bidirektionale Halbleiterschaltung, die zwischen dem dritten Leistungsknoten der Wechselrichterschaltung und einem internen Knoten der Wechselrichterschaltung geschaltet ist; eine Reihenschaltung von zwei internen Kondensatoren, zwischen der Kathode des ersten und des fünften unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters der Reihenschaltung verbunden sind und wobei der Verbindungspunkt der Kondensatoren mit dem internen Knoten der Wechselrichterschaltung verbunden ist; eine Reihenschaltung von zwei internen Dioden, die in Durchlassrichtung von der Kathode des vierten zu der Kathode des zweiten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters der Reihenschaltung geschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt der Dioden mit dem internen Knoten der Wechselrichterschaltung verbunden ist.
Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, worin die bidirektionale Leistungshalbleiterschaltung zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete unidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit antiparallelen Dioden aufweist.
Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, worin die bidirektionale Leistungshalbleiterschaltung zwei entgegengesetzt parallel geschaltete unidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit Blockierung der Umkehrrichtung aufweist.
Wechselrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter so geschaltet sind, dass der Ausgangsstrom der Wechselrichterschaltung über die internen Kondensatoren der Wechselrichterschaltung fließt.
Wechselrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter so gesteuert sind, dass die Spannung der internen Kondensatoren in vorbestimmten Grenzwerten um einen Sollwert bleiben.
Wechselrichterschaltung nach Anspruch 5, wobei der Schwellwert für die interne Kondensatorspannung ¼ der Gleichstromzwischenkreisspannung ist.
Wechselrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter so gesteuert sind, dass die Spannung zwischen dem Ausgangsknoten und dem dritten Leistungsknoten der Wechselrichterschalter auf einen von fünf unterschiedlichen Werten gesetzt werden kann.
Wechselrichtersystem, das eine Wechselrichterschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist und weiterhin einen Sensor zum Messen des Wechselrichterausgangsstroms, und eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit in der Lage ist, alle unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter der Wechselrichterschaltung zu steuern und den gemessenen Ausgangsstromwert in ihrer Steuerfunktion zu verwenden.
Wechselrichtersystem, das eine Mehrzahl von Wechselrichterschaltungen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei jeder Wechselrichter einen Sensor zum Messen des Wechselrichterausgangsstroms und eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit in der Lage ist, alle unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter von allen Wechselrichterschaltungen zu steuern und die gemessenen Ausgangsstromwerte in ihrer Steuerfunktion zu verwenden.
Verfahren zum Steuern einer Wechselrichterschaltung, wobei die Wechselrichterschaltung eine Reihenschaltung von sechs unidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern aufweist, wobei jeder eine Anode und eine Kathode aufweist und jeder mit einer antiparallelen Diode verbunden ist, wobei die Anode des ersten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters mit dem ersten Leistungsknoten verbunden ist, die Kathode des sechsten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters mit dem zweiten Knoten verbunden ist und die Anoden des zweiten bis sechsten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters jeweils mit den Kathoden des ersten bis fünften unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters in Reihe geschaltet sind, wobei die Kathode des dritten unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters mit dem Ausgangsknoten der Wechselrichterschaltung verbunden ist, wobei die Wechselrichterschaltung weiterhin eine Reihenschaltung von zwei internen Kondensatoren aufweist, die zwischen den Kathoden des ersten und des fünften unidirektionalen Leistungshalbleiterschalters der Reihenschaltung geschaltet sind; wobei das Verfahren aufweist das Steuern der unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter, um die Spannung zwischen dem Ausgangsknoten und dem dritten Ausgangsknoten der Wechselrichterschaltung auf einen von fünf unterschiedlichen Werten zwischen den positiven und negativen Gleichstromzwischenspannungswerten zu setzen.
Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin aufweist das Steuern der unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter so, dass der Ausgangsstrom der Wechselrichterschaltung über die internen Kondensatoren der Wechselrichterschalter fließt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, das weiterhin aufweist die Steuerung der unidirektionalen Leistungshalbleiterschalter so, dass die Spannung der internen Kondensatoren innerhalb von vorbestimmten erlaubten Grenzwerten um einen Sollwert bleibt.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Steuereinheit auf einer digitalen Logikschaltung mit einer herunterladbaren Software beruht, beispielsweise Mikroprozessor.
Computerprogramm, das in eine Speichereinrichtung einer Steuereinheit heruntergeladen werden kann, das computerausführbare Anweisungen zum Implementieren des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12 aufweist.
Computerprogrammprodukt, das ein nicht flüchtiges computerlesbares Medium aufweist, z.B. eine Compactdisk „CD“, das mit einem Computerprogramm nach Anspruch 14 beschrieben ist.