DE102022109257B3 - Modular multilevel converter for multiphase drives with compensation of capacitor voltages - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen modularen Multilevelkonverter, bei dem jedes Modul (110, 120, 130, 580) einen einer jeweiligen Phase zugeordneten Ausgang zu einer jeweiligen Windung (591, 592, 593, 598) einer Multiphasenmaschine (590) aufweist. Der vorgeschlagene modulare Multilevelkonverter macht sich eine intrinsische Kopplung zwischen Windungen in der Multiphasenmaschine zu Nutze, ist einfach und effizient, und bietet sich als verteiltes hochintegriertes System für elektrifizierte Fahrzeugantriebe an. Ferner wird zusammen mit einer Steuerung ein entsprechendes Gesamtsystem beansprucht.The present invention relates to a modular multilevel converter in which each module (110, 120, 130, 580) has a respective phase associated output to a respective winding (591, 592, 593, 598) of a multiphase machine (590). The proposed modular multilevel converter makes use of an intrinsic coupling between windings in the multiphase machine, is simple and efficient, and offers itself as a distributed highly integrated system for electrified vehicle powertrains. Furthermore, a corresponding overall system is claimed together with a controller.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen modularen Multilevelkonverter, bei dem jedes Modul einen einer jeweiligen Phase zugeordneten Ausgang zu einer Multiphasenmaschine aufweist. Der vorgeschlagene modulare Multilevelkonverter macht sich eine intrinsische Kopplung zwischen Windungen in der Multiphasenmaschine zu Nutze, ist einfach und effizient, und bietet sich als verteiltes hochintegriertes System für elektrifizierte Fahrzeugantriebe an.The present invention relates to a modular multilevel converter, in which each module has an output to a multiphase machine, associated with a respective phase. The proposed modular multilevel converter makes use of an intrinsic coupling between windings in the multiphase machine, is simple and efficient, and offers itself as a distributed highly integrated system for electrified vehicle powertrains.
Der Zuwachs an elektrischen Maschinen in einem breiten Spektrum der industriellen Fertigung kann durch zielgenaue Auswahl der Eigenschaften dieser Maschinen ergänzt werden. So besitzen elektrische Multiphasenmaschinen bzw. Multiphasenantriebe mit mehr als drei Phasen Vorteile, wie bspw. eine Leistungsaufteilung über mehrere Phasen oder eine niedrigere Drehmomentwelligkeit.The increase in electrical machines in a wide range of industrial production can be supplemented by targeted selection of the properties of these machines. Electrical multi-phase machines or multi-phase drives with more than three phases have advantages, such as power distribution over a number of phases or lower torque ripple.
Andererseits, da die Leistung auf mehr als die üblichen drei Phasen verteilt ist, benötigen Multiphasenmaschinen bei gleicher Nennleistung niedrigere Eingangsspannungen wie bspw. Drehstrommaschinen. Daher ist ein Einsatz eines Gleichspannungswandlers oder einer vergleichbaren Topologie zur Amplitudenverkleinerung der verfügbaren Multiphasenspannungen unabdingbar.On the other hand, since the power is distributed over more than the usual three phases, multi-phase machines require lower input voltages than, for example, three-phase machines for the same nominal power. It is therefore essential to use a DC-DC converter or a comparable topology to reduce the amplitude of the available multi-phase voltages.
Die chinesische Druckschrift
In der Druckschrift
Die US-amerikanische Druckschrift
Als weitere wichtige Druckschriften auf dem Gebiet der Multilevelkonverter sind
All diese voranstehend erwähnten Multilevelkonverter und Modultypologien haben aber die Limitierung, dass sie keine Mulitphasenmaschinen bzw. Multiphasenantriebe speisen können. Zudem sind sie auf einem Modullevel rein Gleichstrom-basiert.However, all of these multilevel converters and module typologies mentioned above have the limitation that they cannot feed multiphase machines or multiphase drives. In addition, they are purely DC-based on a module level.
Jedoch steht für einen auf multiple Phasen ausgelegten Multilevelkonverter im Allgemeinen kein entsprechendes Multiphasennetz zur Verfügung, weshalb eine Ansteuerung durch Leistungselektroniken notwendig ist. Im Gegensatz zur verhältnismäßig trivialen topologischen Umgestaltung eines dreiphasigen Stromumrichters zu einem Multiphasenkonverter durch Fortführen bzw. Kopieren der Schaltelemente pro jeweilige Phase, ist eine einfache Erweiterung einer jeweiligen Steuerungsarchitektur nicht immer durchführbar.However, there is generally no corresponding multi-phase network available for a multi-level converter designed for multiple phases, which is why control by power electronics is necessary. In contrast to the relatively trivial topological conversion of a three-phase power converter into a multi-phase converter by continuing or copying the switching elements for each phase, a simple extension of a respective control architecture is not always feasible.
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Die Druckschrift „
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mehrphasigen Multilevelkonverter zur Verfügung zu stellen, der sowohl in seiner Zahl von bereitgestellten Phasenströmen wie auch in deren jeweiliger Steuerung eine einfache Umsetzung bietet. Änderungen im Anschluss verschiedenphasiger Multiphasenmaschinen sollen leicht durchführbar sein und keine Neuauslegung der Steuerungstopologie benötigen.Against this background, it is an object of the present invention to provide a polyphase multilevel converter that offers simple implementation both in terms of the number of phase currents provided and in their respective control. Changes in the connection of different-phase multi-phase machines should be easy to implement and do not require a redesign of the control topology.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein modularer Multilevelkonverter vorgeschlagen, wobei der modulare Multilevelkonverter eine Steuerung und eine Anzahl N an Modulen aufweist, wobei ein jeweiliges Modul eine Mehrzahl an Schaltern, einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist und zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss mindestens ein Kondensator geschaltet ist, wobei die Module seriell miteinander verbunden sind, wobei das erste Modul an seinem Eingangsanschluss mit einem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden ist und das N-te Modul an seinem Ausgangsanschluss mit einem Minuspol der Spannungsquelle verbunden ist, und wobei jedes Modul dazu konfiguriert ist, einen jeweiligen Phasenstrom für eine jeweilige Windung einer N-phasigen Multiphasenmaschine bereitzustellen, wodurch während eines Betriebes der N-phasigen Multiphasenmaschine jeweilige Windungen durch elektromagnetische Kopplung zwischen den jeweiligen Kondensatoren der entsprechenden Module Energie austauschen und sich jeweilige Kondensatorspannungen der jeweiligen Kondensatoren dabei einem Mittelwert aus allen Kondensatorspannungen angleichen.A modular multilevel converter is proposed to solve the above task, the modular multilevel converter having a controller and a number N of modules, each module having a plurality of switches, an input connection and an output connection and at least one capacitor connected between the input connection and the output connection wherein the modules are connected in series with each other, the first module being connected at its input terminal to a positive terminal of a voltage source and the Nth module being connected at its output terminal to a negative terminal of the voltage source, and each module being configured to have a provide the respective phase current for a respective winding of an N-phase multiphase machine, whereby during operation of the N-phase multiphase machine, respective windings exchange energy through electromagnetic coupling between the respective capacitors of the corresponding modules and the respective capacitor voltages of the respective capacitors are adjusted to a mean value from all capacitor voltages .
Eine Topologie des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters, auch als MMC abgekürzt, weist vorteilhaft eine besonders geringe Komplexität der Module bzw. der in den Modulen angeordneten Schalter und Kondensatoren auf, wie sich auch an der im Vergleich mit Lösungen aus dem Stand der Technik verringerten Anzahl der angeordneten elektronischen Bauelemente zeigt (s. auch
Auch sind in der Steuerung implementierte Verfahren zur Schaltung der Module bzw. der Schalter der Module vorteilhaft auf einfache Weise mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden in dem erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverter umsetzbar. Es bieten sich hierbei verschiedene Schaltverfahren an, wie bspw. konventionelle Pulsdauermodulation (PWM), sinusförmige Pulsdauermodulation (SPWM), Raumvektormodulation (SVM) bzw. Raumvektor-Pulsdauermodulation (SVPWM) oder auch jedes andere Steuerungsverfahren, welches zur Steuerung mehrphasiger Umrichter vorgeschlagen wurde. Unterschiedliche Schaltertopologien der Module haben zwar Einfluss auf eine ausgegebene Wellenform der bereitgestellten Phasenströme, beschränken aber nicht eine Wahl des Schaltverfahrens. Die Steuerung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist dabei bspw. über einen Bus mit einer Zentralsteuerung eines bspw. auch die Multiphasenmaschine umfassenden Gesamtsystems verbunden und erhält daraus bspw. Vorgaben für ein durch die Multiphasenmaschine zu verwirklichendes Drehmoment. Mittels allgemein bekannter Gleichungen für elektrische Maschinen lassen sich diese Drehmomentvorgaben in Vorgaben zu durch den Multilevelkonverter bereitzustellender Phasenströme bzw. Referenzphasenströme umrechnen.Methods implemented in the controller for switching the modules or the switches of the modules can also advantageously be implemented in a simple manner using methods known from the prior art in the modular multilevel converter according to the invention. Various switching methods are available here, such as conventional pulse width modulation (PWM), sinusoidal pulse width modulation (SPWM), space vector modulation (SVM) or space vector pulse width modulation (SVPWM) or any other control method that has been proposed for controlling multi-phase converters. Although different switch topologies of the modules have an influence on an output waveform of the phase currents provided, they do not restrict the choice of switching method. The controller of the modular multilevel converter according to the invention is connected, for example via a bus, to a central controller of an overall system, for example also including the multiphase machine, and receives from this, for example, specifications for a torque to be realized by the multiphase machine. Using generally known equations for electrical machines, these torque specifications can be converted into specifications for phase currents or reference phase currents to be provided by the multilevel converter.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem Kondensatorspannungen eines modularen Multilevelkonverters mittels einer separaten Regelung ausgeglichen werden, wird im erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverter vorteilhaft die elektromagnetische Kopplung zwischen jeweiligen Windungen in der Multiphasenmaschine, die den jeweiligen Phasen bzw. den jeweiligen Modulen und damit den jeweiligen Kondensatoren zugeordnet sind, ausgenutzt. Die Zuordnung der jeweiligen Windungen ist dabei relativ frei von Vorgaben, weshalb bspw. nicht unbedingt benachbart in einem Stator verlaufenden Windungen auch benachbarten Modulen zugeordnet sein müssen. Es kann sogar Vorteile haben, eine solche Nachbarschaft zu vermeiden. Jeder einer jeweiligen Windung zugeordnete bzw. diese Windung mit dem jeweiligen Phasenstrom versorgende mindestens eine Kondensator eines jeweiligen Moduls, dessen Kondensatorspannung geringer als die Kondensatorspannungen in den anderen Modulen ist, wird im Betrieb der Multiphasenmaschine automatisch aufgeladen. Auf diese Art und Weise wird Energie von Kondensatoren mit höherer Kondensatorspannung bzw. höherem Kondensatorladungszustand zu Kondensatoren mit niedrigerem Kondensatorspannung bzw. niedrigerem Kondensatorladungszustand übertragen und vorteilhaft ein Ausgleich der Kondensatorspannungen hergestellt.In contrast to the prior art, in which the capacitor voltages of a modular multilevel converter are balanced by means of a separate control, the electromagnetic coupling between the respective windings in the multiphase machine, the respective phases or the respective modules and thus the respective capacitors is advantageously compensated in the modular multilevel converter according to the invention are assigned, exploited. The assignment of the respective windings is relatively free of specifications, which is why, for example, windings that do not necessarily run adjacently in a stator also have to be assigned to adjacent modules. There may even be benefits to avoiding such a neighborhood. Each at least one capacitor of a respective module assigned to a respective turn or supplying this turn with the respective phase current, whose capacitor voltage is lower than the capacitor voltages in the other modules, is automatically charged during operation of the multiphase machine. In this way, energy is transferred from capacitors with a higher capacitor voltage or higher capacitor charge state to capacitors with a lower capacitor voltage or lower capacitor charge state, and the capacitor voltages are advantageously balanced.
Damit vereint der erfindungsgemäße Multilevelkonverter vorteilhaft sowohl eine einfache Implementierung der Steuerung einer ausgegebenen Leistung wie auch einen Ausgleich der Kondensatorspannungen, wobei wiederum ausgeglichene Kondensatorladungszustände eine Grundlage für vielfältige Funktionalitäten des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters zur Leistungsversorgung von Multiphasenmaschinen darstellen.The multilevel converter according to the invention thus advantageously combines both a simple implementation of the control of an output power and a balancing of the capacitor voltages, balanced capacitor charge states in turn representing a basis for diverse functionalities of the modular multilevel converter according to the invention for power supply of multiphase machines.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des modularen Multilevelkonverters in seriell verschalteten Modulen und dem damit jeweilig gleichfalls in Reihe geschalteten mindestens einen Kondensator der Module, wobei eine Kapazität des mindestens einen Kondensators vorzugsweise für alle N Kondensatoren gleich ist,
Dadurch wird eine im i-ten Modul zu verschaltende Spannung Vi gegenüber der Klemmenspannung Vdc beträchtlich abgesenkt, womit der erfindungsgemäße modulare Multilevelkonverter für einen Hochvolt-Gleichstrom-Input und einen niederen Multiphasen-Wechselstrom prädestiniert ist.As a result, a voltage V i to be switched in the i-th module is significantly reduced compared to the terminal voltage V dc , which means that the modular multilevel converter according to the invention is predestined for a high-voltage direct current input and a low multiphase alternating current.
Einer solchen Spannungsaufteilung liegt genauso eine Anordnung von Kondensatoren mit gleicher Kapazität wie auch eine in jedem Modul gleiche Leistungsentnahme zu Grunde - andernfalls würden die Kondensatorspannungen auseinanderlaufen. Tatsächlich liegen aber auch bei gleicher Nennkapazität meist - und seien es auch nur geringfügige - Unterschiede in den Kapazitäten der jeweiligen Kondensatoren vor. Zudem ist die Leistungsentnahme allein schon auf Grund von Störeinflüssen in der Multiphasenmaschine unterschiedlich. Um daher unterschiedliche Kondensatorspannungen der Module zu vermeiden, ist ein fortwährender Ausgleich des Ladungszustandes der jeweiligen Kondensatoren bzw. dessen fortwährende Steuerung unvermeidlich. Dafür trägt der erfindungsgemäße modulare Multilevelkonverter Sorge, allerdings kann die elektromagnetische Kopplung der Windungen den Ausgleich von Kondensatorspannungen nur bis zu einem gewissen Grad gewährleisten, da die Kondensatorspannungen Restschwankungen von bis zu 5 % ihres Wertes aufweisen. Je nach Anwendung kann es notwendig sein, ein Ausmaß solcher Fluktuationen zu vermindern, wofür im Folgenden auch Ausgestaltungen der Steuerung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters vorgeschlagen werden.Such a voltage distribution is based on an arrangement of capacitors with the same capacity as well as the same power consumption in each module - otherwise the capacitor voltages would diverge. In fact, even with the same nominal capacity, there are usually - even if only minor - differences in the capacities of the respective capacitors. In addition, the power consumption is different simply due to interference in the multi-phase machine. Therefore, in order to avoid different capacitor voltages of the modules, a continuous equalization of the state of charge of the respective capacitors or its continuous control is unavoidable. The modular multilevel converter according to the invention takes care of this, but the electromagnetic coupling of the windings can only ensure the equalization of capacitor voltages to a certain extent, since the capacitor voltages have residual fluctuations of up to 5% of their value. Depending on the application, it may be necessary to reduce the extent of such fluctuations, for which purpose embodiments of the control of the modular multilevel converter according to the invention are also proposed below.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist die Steuerung dazu konfiguriert, sobald die jeweilige Kondensatorspannung des mindestens einen Kondensators des jeweiligen Moduls unterhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung fällt, im jeweiligen Entladungspfad des jeweiligen Kondensators einen Schalter mit einem vorgegebenen Tastgrad zu triggern. Dadurch verringert sich entsprechend zu einem kleineren Tastgrad ein weiterer Energieabfluss aus dem jeweiligen Kondensator. Die Schwellenspannung entspricht bspw. dem Mittelwert über alle Kondensatorspannungen oder ist bspw. aus dem mit einem vorgegebenen Faktor kleiner eins, bspw. 0.98, multiplizierten Mittelwert gebildet. Da es im Betrieb auf Grund einer Entladung der Spannungsquelle zu einer stetigen Absenkung des Mittelwertes kommt, wird der Schwellenwert fortwährend angepasst. Während sich also die Kondensatorspannungen in den anderen Modulen durch den Leistungsabfluss an die Multiphasenmaschine fortlaufend absenken, bleibt die jeweilige Kondensatorspannung des jeweiligen Moduls bei unterbrochenem Entladungspfades solange konstant, bis sie gleich der Schwellenspannung ist oder oberhalb der Schwellenspannung liegt. Ein komplett geöffneter Schalter (Tastgrad=0) würde dann im jeweiligen Entladungspfad wieder geschlossen. Denkbar ist auch ein umgekehrtes Vorgehen im generatorischen Betrieb, bei dem die jeweiligen Kondensatoren aus den Wicklungen heraus geladen werden.In one embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, the controller is configured to trigger a switch with a predetermined duty cycle in the respective discharge path of the respective capacitor as soon as the respective capacitor voltage of the at least one capacitor of the respective module falls below a predefined threshold voltage. As a result, a further energy outflow from the respective capacitor is reduced in accordance with a smaller duty cycle. The threshold voltage corresponds, for example, to the mean value across all capacitor voltages or is formed, for example, from the mean value multiplied by a predetermined factor of less than one, for example 0.98. Since the mean value is continuously lowered during operation due to a discharge of the voltage source, the threshold value is continuously adjusted. So while the capacitor voltages in the other modules continuously drop due to the power drain to the multiphase machine, the respective capacitor voltage of the respective module remains constant with an interrupted discharge path until it is equal to the threshold voltage or is above the threshold voltage. A completely open switch (duty cycle=0) would then be closed again in the respective discharge path. A reverse procedure is also conceivable in generator operation, in which the respective capacitors are charged from the windings.
Erfindungsgemäß ist die Steuerung dazu konfiguriert, einen jeweiligen Modulationsindex der bereitgestellten jeweiligen Phase entsprechend eines jeweiligen Verhältnisses aus der jeweiligen Kondensatorspannung und der vorgegebenen Schwellenspannung zu modifizieren. Dadurch gleicht sich die jeweilige Kondensatorspannung zur Schwellenspannung hin an. Ist die jeweilige Kondensatorspannung größer als die Schwellenspannung, so wird der jeweilige Modulationsindex für diese jeweilige Phase vergrößert, d. h. es kommt zu einer stärkeren Entladung des jeweiligen Kondensators im Vergleich zu den Kondensatoren in allen anderen Modulen. Ist die jeweilige Kondensatorspannung kleiner als die Schwellenspannung, so wird der jeweilige Modulationsindex für diese jeweilige Phase verkleinert, d. h. es kommt zu einer geringeren Entladung des jeweiligen Kondensators im Vergleich zu den Kondensatoren in allen anderen Modulen.According to the invention, the controller is configured to modify a respective modulation index of the respective phase provided according to a respective ratio of the respective capacitor voltage and the predefined threshold voltage. As a result, the respective capacitor voltage equalizes towards the threshold voltage. If the respective capacitor voltage is greater than the threshold voltage, the respective modulation index for this respective phase is increased, i. H. there is a stronger discharge of the respective capacitor compared to the capacitors in all other modules. If the respective capacitor voltage is lower than the threshold voltage, the respective modulation index for this respective phase is reduced, i. H. there is less discharge of the respective capacitor compared to the capacitors in all other modules.
Erfindungsgemäß ist in die Steuerung am jeweiligen Modul ein jeweiliger erster Steuerungszusatz eingefügt, wobei der jeweilige erste Steuerungszusatz als Eingangsgrößen die jeweilige Kondensatorspannung und die Schwellenspannung aufweist und dazu konfiguriert ist, ein Analogsignal einer Pulsdauermodulation mit einem Verhältnis aus jeweiliger Kondensatorspannung und Schwellenspannung zu multiplizieren.According to the invention, a respective first control supplement is inserted into the controller on the respective module, with the respective first control supplement having the respective capacitor voltage and the threshold voltage as input variables and being configured to multiply an analog signal of a pulse duration modulation by a ratio of the respective capacitor voltage and threshold voltage.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist die Steuerung dazu konfiguriert, sobald die jeweilige Kondensatorspannung unterhalb einer vorgegebenen Kondensatorreferenzspannung liegt, einen gemäß einem angeforderten Referenzdrehmoment gebildeten Referenzphasenstrom um einen einer ersten Differenz aus Kondensatorreferenzspannung und jeweiliger Kondensatorspannung entsprechenden Stromwert zu verringern. Dadurch hat eine niedrigere jeweilige Kondensatorspannung des mindestens einen Kondensators des jeweiligen Moduls einen niedrigeren jeweiligen Phasenstrom zur Folge, womit sich der Energieabfluss aus dem jeweiligen Kondensator verringert und sich die jeweilige Kondensatorspannung zur Kondensatorreferenzspannung hin angleicht. Die Kondensatorreferenzspannung ist bspw. durch den Mittelwert über alle Kondensatorspannungen gegeben. Einem in der Steuerung implementierten Modulationsverfahren ist der Referenzphasenstrom als Grundlage zur Generierung eines jeweiligen Phasenstromes, welcher das angeforderte Referenzdrehmoment bewirkt, bereitgestellt.In a further refinement of the modular multilevel converter according to the invention, the controller is configured for this purpose as soon as the respective capacitor voltage is below a predefined capacitor reference voltage, according to a requested reference torque formed reference phase current to reduce a current value corresponding to a first difference between the capacitor reference voltage and the respective capacitor voltage. As a result, a lower respective capacitor voltage of the at least one capacitor of the respective module results in a lower respective phase current, which reduces the energy drain from the respective capacitor and the respective capacitor voltage adjusts to the capacitor reference voltage. The capacitor reference voltage is given, for example, by the mean value of all capacitor voltages. The reference phase current is provided to a modulation method implemented in the controller as a basis for generating a respective phase current which produces the requested reference torque.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist in die Steuerung ein zweiter Steuerungszusatz eingefügt. Der zweite Steuerungszusatz weist als Eingangsgrößen die Kondensatorreferenzspannung und die jeweilige Kondensatorspannung auf und ist dazu konfiguriert, die erste Differenz aus Kondensatorreferenzspannung und jeweiliger Kondensatorspannung einem PID-Regler zuzuführen und dessen Ausgangssignal von dem Referenzphasenstrom abzuziehen.In a continued further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, a second additional control is inserted into the control. The second control supplement has the capacitor reference voltage and the respective capacitor voltage as input variables and is configured to feed the first difference between the capacitor reference voltage and the respective capacitor voltage to a PID controller and to subtract its output signal from the reference phase current.
In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist die Steuerung dazu konfiguriert, sobald die jeweilige Kondensatorspannung oberhalb einer vorgegeben Kondensatorreferenzspannung liegt, ein angefordertes Referenzdrehmoment der jeweiligen Phase um einen einer zweiten Differenz aus jeweiliger Kondensatorspannung und Kondensatorreferenzspannung entsprechenden Drehmomentwert zu vergrößern. Dadurch hat eine die Kondensatorreferenzspannung übersteigende jeweilige Kondensatorspannung des mindestens einen Kondensators des jeweiligen Moduls ein höheres jeweiliges Phasendrehmoment zur Folge. Damit erhöht sich der Energieabfluss aus dem jeweiligen Kondensator, während sich die jeweilig erhöhte Kondensatorspannung zur Kondensatorreferenzspannung hin verringert.In yet another embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, the controller is configured to increase a requested reference torque of the respective phase by a torque value corresponding to a second difference between the respective capacitor voltage and the capacitor reference voltage as soon as the respective capacitor voltage is above a predetermined capacitor reference voltage. As a result, a respective capacitor voltage of the at least one capacitor of the respective module that exceeds the capacitor reference voltage results in a higher respective phase torque. The energy drain from the respective capacitor thus increases, while the respectively increased capacitor voltage decreases towards the capacitor reference voltage.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist in die Steuerung ein dritter Steuerungszusatz eingefügt. Der dritte Steuerungszusatz weist als Eingangsgrößen die jeweilige Kondensatorspannung und die Kondensatorreferenzspannung auf und ist dazu konfiguriert, die zweite Differenz aus jeweiliger Kondensatorspannung und Kondensatorreferenzspannung einem PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler) zuzuführen und dessen Ausgangssignal dem Referenzdrehmoment der jeweiligen Phase hinzuzufügen.In a still further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, a third additional control is inserted into the control. The third control supplement has the respective capacitor voltage and the capacitor reference voltage as input variables and is configured to feed the second difference between the respective capacitor voltage and the capacitor reference voltage to a PID controller (proportional-integral-derivative controller) and to add its output signal to the reference torque of the respective phase.
In einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters weist das jeweilige Modul vier Schalter auf. Die vier Schalter sind in zwei Halbbrücken angeordnet und die beiden Halbbrücken sind parallel zu dem jeweiligen Kondensator angeordnet. Die jeweilige Phase ist durch Mittenabgriff an den beiden Halbbrücken bereitgestellt. Ohne Beschränkung auf die voranstehende Ausgestaltung sind aber auch andere Schaltungstopologien mit gegebenenfalls anderer Zahl an Schalter pro Modul denkbar. Die Schalter sind bspw. durch Feldeffekttransistoren (FET) gebildet.In a further refinement of the modular multilevel converter according to the invention, the respective module has four switches. The four switches are arranged in two half-bridges and the two half-bridges are arranged in parallel with the respective capacitor. The respective phase is provided by the center tap on the two half-bridges. However, other circuit topologies with possibly a different number of switches per module are also conceivable without being restricted to the above embodiment. The switches are formed, for example, by field effect transistors (FET).
In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist die Spannungsquelle aus folgender Liste gewählt: Batterie, mit Wechselstromstromnetz verbundener Gleichspannungswandler, Gleichspannungsversorgung.In an even further developed embodiment of the modular multilevel converter according to the invention, the voltage source is selected from the following list: battery, DC-DC converter connected to the AC power grid, DC-voltage supply.
Ferner wird ein Multiphasensystem beansprucht, wobei das Multiphasensystem einen erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverter und eine Multiphasenmaschine umfasst. Die Multiphasenmaschine ist bspw. zur Traktion eines Fahrzeuges ausgelegt.Furthermore, a multiphase system is claimed, the multiphase system comprising a modular multilevel converter according to the invention and a multiphase machine. The multiphase machine is designed, for example, for traction of a vehicle.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
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1 zeigt ein Schaltschema zu einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters. -
2 zeigt ein Schema einer Pulsdauermodulation mit einer Ausgestaltung eines ersten einen Modulationsindex variierenden Steuerungszusatzes des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters. -
3 zeigt schematisch eine Ausgestaltung eines zweiten einen Referenzphasenstrom variierenden Steuerungszusatzes des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters. -
4 zeigt schematisch eine Ausgestaltung eines dritten ein Referenzphasendrehmoment variierenden Steuerungszusatzes des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters. -
5 zeigt ein Schaltschema zu einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters mit einer Steuerung mittels Pulsdauermodulation. -
6 zeigt ein Schaltschema zu einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters mit einer Regelungsstrecke zur Steuerung. -
7 zeigt ein Schaltschema zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters mit Steuerungszusätzen zu der Regelungsstrecke.
-
1 shows a circuit diagram for an embodiment of the modular multilevel converter according to the invention. -
2 shows a scheme of a pulse duration modulation with an embodiment of a first control addition varying a modulation index of the modular multilevel converter according to the invention. -
3 shows a schematic of an embodiment of a second control supplement, which varies a reference phase current, of the modular multilevel converter according to the invention. -
4 shows schematically an embodiment of a third control supplement, which varies a reference phase torque, of the modular multilevel converter according to the invention. -
5 shows a circuit diagram for a further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention with control using pulse duration modulation. -
6 shows a circuit diagram for yet another embodiment of the modular multilevel converter according to the invention with a control path for control. -
7 shows a circuit diagram for a still further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention with control add-ons for the controlled system.
In
In
In
In
In
In
In
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Schaltschema Multiport-MMCCircuit diagram multiport MMC
- 101101
- Spannungsquellevoltage source
- 102102
- Klemmenspannung Vdc Terminal voltage Vdc
- 110110
- Modulmodule
- 111111
- Oberer FET-Schalter linke H-BrückeTop FET switch left H-bridge
- 112112
- Unterer FET-Schalter linke H-BrückeLower FET switch left H-bridge
- 113113
- Oberer FET-Schalter rechte H-BrückeTop FET switch right H-bridge
- 114114
- Unterer FET-Schalter rechte H-BrückeLower right H-bridge FET switch
- 115115
- Kondensatorcapacitor
- 116116
- Windung als Lastwinding as a load
- 120120
- Modulmodule
- 121121
- Oberer FET-Schalter linke H-BrückeTop FET switch left H-bridge
- 122122
- Unterer FET-Schalter linke H-BrückeLower FET switch left H-bridge
- 123123
- Oberer FET-Schalter rechte H-BrückeTop FET switch right H-bridge
- 124124
- Unterer FET-Schalter rechte H-BrückeLower right H-bridge FET switch
- 125125
- Kondensatorcapacitor
- 126126
- Windung als Lastwinding as a load
- 130130
- Modulmodule
- 131131
- Oberer FET-Schalter linke H-BrückeTop FET switch left H-bridge
- 132132
- Unterer FET-Schalter linke H-BrückeLower FET switch left H-bridge
- 133133
- Oberer FET-Schalter rechte H-BrückeTop FET switch right H-bridge
- 134134
- Unterer FET-Schalter rechte H-BrückeLower right H-bridge FET switch
- 135135
- Kondensatorcapacitor
- 136136
- Windung als Lastwinding as a load
- 200200
- Steuerungsschema zur PulsdauermodulationPulse width modulation control scheme
- 201201
- Erster Steuerungszusatz zum ModulationsindexFirst control addition to the modulation index
- 210210
- Multiplikatormultiplier
- 211211
- Kondensatorspannungcapacitor voltage
- 212212
- Schwellenspannungthreshold voltage
- 213213
- Ergebnis erster MultiplikatorScore first multiplier
- 220220
- Multiplikatormultiplier
- 221221
- Modulationsreferenzsignalmodulation reference signal
- 222222
- Referenzspannungreference voltage
- 223223
- Ergebnis zweiter MultiplikatorResult of second multiplier
- 230230
- Komparatorcomparator
- 231231
- Sägezahnsignalsawtooth signal
- 232232
- Steuersignalcontrol signal
- 300300
- Zweiter Steuerungszusatz zum ReferenzstromSecond control addition to reference current
- 310310
- Differenzbildung in erstem AddiererDifference formation in the first adder
- 311311
- Kondensatorspannungcapacitor voltage
- 312312
- Kondensatorreferenzspannungcapacitor reference voltage
- 313313
- Ergebnis erster AddiererResult of first adder
- 320320
- PID-ReglerPID controller
- 321321
- Ergebnissignal PID-ReglerResult signal PID controller
- 330330
- Differenzbildung in zweitem AddiererDifference formation in second adder
- 331331
- Referenzstromreference current
- 332332
- Referenzphasenstromreference phase current
- 400400
- Dritter Steuerungszusatz zum ReferenzdrehmomentThird control addition to reference torque
- 410410
- Differenzbildung in drittem AddiererDifference formation in third adder
- 411411
- Kondensatorspannungcapacitor voltage
- 412412
- Kondensatorreferenzspannungcapacitor reference voltage
- 413413
- Ergebnis dritter AddiererResult of third adder
- 420420
- PID-ReglerPID controller
- 421421
- Ergebnissignal PID-ReglerResult signal PID controller
- 430430
- Vierter AddiererFourth adder
- 431431
- Referenzdrehmomentreference torque
- 432432
- Referenzphasendrehmomentreference phase torque
- 500500
- Schaltschema zur AnsteuerungCircuit diagram for control
- 501501
- Erste EnergiespeichereinheitFirst energy storage unit
- 502502
- Zweite EnergiespeichereinheitSecond energy storage unit
- 509509
- M-te EnergiespeichereinheitMth energy storage unit
- 516516
- Steuersignale für erstes SubmodulControl signals for first submodule
- 517517
- Komparatorcomparator
- 518518
- Referenzsignalreference signal
- 519519
- Sägezahnsignalsawtooth signal
- 51005100
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 526526
- Steuersignale für erstes SubmodulControl signals for first submodule
- 527527
- Komparatorcomparator
- 528528
- Referenzsignalreference signal
- 529529
- Sägezahnsignalsawtooth signal
- 52005200
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 536536
- Steuersignale für erstes SubmodulControl signals for first submodule
- 537537
- Komparatorcomparator
- 538538
- Referenzsignalreference signal
- 539539
- Sägezahnsignalsawtooth signal
- 53005300
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 580580
- N-tes SubmodulNth submodule
- 581581
- Oberer FET-Schalter linke H-BrückeTop FET switch left H-bridge
- 582582
- Unterer FET-Schalter linke H-BrückeLower FET switch left H-bridge
- 583583
- Oberer FET-Schalter rechte H-BrückeTop FET switch right H-bridge
- 584584
- Unterer FET-Schalter rechte H-BrückeLower right H-bridge FET switch
- 585585
- Kondensatorcapacitor
- 586586
- Steuersignale für n-tes SubmodulControl signals for the nth submodule
- 587587
- Komparatorcomparator
- 588588
- Referenzsignalreference signal
- 589589
- Sägezahnsignalsawtooth signal
- 58005800
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 590590
- Multiphasenmaschine als N-phasige LastMultiphase machine as N-phase load
- 591591
- Windung als Last zum ersten SubmodulWinding as a load to the first submodule
- 592592
- Windung als Last zum zweiten SubmodulWinding as a load to the second submodule
- 593593
- Windung als Last zum dritten SubmodulWinding as a load to the third submodule
- 598598
- Windung als Last zum N-ten SubmodulWinding as a load to the Nth submodule
- 600600
- Schaltschema fünf-phasige ElektromaschineCircuit diagram of a five-phase electric machine
- 61006100
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 61106110
- Multiplikatormultiplier
- 62006200
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 62106210
- Multiplikatormultiplier
- 618618
- Referenzspannung erste Phase mit Vm sin(ωt)Reference voltage first phase with V m sin(ωt)
- 628628
- Referenzspannung zweite Phase mit Vm sin(ωt - 2π/5)Second phase reference voltage with V m sin(ωt - 2π/5)
- 638638
- Referenzspannung dritte Phase mit Vm sin(ωt - 4π/5)Third phase reference voltage with V m sin(ωt - 4π/5)
- 63006300
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 63106310
- Multiplikatormultiplier
- 640640
- viertes Submodulfourth submodule
- 641641
- Oberer FET-Schalter linke H-BrückeTop FET switch left H-bridge
- 642642
- Unterer FET-Schalter linke H-BrückeLower FET switch left H-bridge
- 643643
- Oberer FET-Schalter rechte H-BrückeTop FET switch right H-bridge
- 644644
- Unterer FET-Schalter rechte H-BrückeLower right H-bridge FET switch
- 645645
- Kondensatorcapacitor
- 646646
- Steuersignale für viertes SubmodulControl signals for fourth submodule
- 647647
- Komparatorcomparator
- 648648
- Referenzspannung vierte Phase mit Vm sin(ωt - 6π/5)Reference voltage fourth phase with V m sin(ωt - 6π/5)
- 649649
- Sägezahnsignalsawtooth signal
- 64006400
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 64106410
- Multiplikatormultiplier
- 650650
- fünftes Submodulfifth submodule
- 651651
- Oberer FET-Schalter linke H-BrückeTop FET switch left H-bridge
- 652652
- Unterer FET-Schalter linke H-BrückeLower FET switch left H-bridge
- 653653
- Oberer FET-Schalter rechte H-BrückeTop FET switch right H-bridge
- 654654
- Unterer FET-Schalter rechte H-BrückeLower right H-bridge FET switch
- 655655
- Kondensatorcapacitor
- 656656
- Steuersignale für fünftes SubmodulControl signals for fifth submodule
- 657657
- Komparatorcomparator
- 658658
- Referenzspannung vierte Phase mit Vm sin(ωt - 8π/5)Reference voltage fourth phase with V m sin(ωt - 8π/5)
- 659659
- Sägezahnsignalsawtooth signal
- 65006500
- Pulsdauermodulationpulse width modulation
- 65106510
- Multiplikatormultiplier
- 661661
- angeforderte Drehfrequenzrequested rotation frequency
- 662662
- aktuelle Drehfrequenzcurrent rotation frequency
- 663663
- gefordertes Referenzdrehmoment Te*required reference torque T e *
- 664664
- angeforderter Referenzstrom Idq*requested reference current I dq *
- 665665
- Phasenstrom Iabcde in den fünf WindungenPhase current I abcde in the five windings
- 666666
- transformierter dq-Strom Idq transformed dq current I dq
- 667667
- Referenzspannung vd,q*Reference voltage v d,q *
- 670670
- Regelungstrecke zur SteuerungControl section for control
- 671671
- Fünfter AddiererFifth adder
- 672672
- Erster PI-ReglerFirst PI controller
- 673673
- Maschinengleichungenmachine equations
- 674674
- dq-Transformationdq transformation
- 675675
- Differenzbildung in sechstem AddiererDifference formation in sixth adder
- 676676
- Zweiter PI-ReglerSecond PI controller
- 677677
- dq-Rücktransformationdq inverse transformation
- 681681
- Va,ref Va ,ref
- 682682
- Vb,ref Vb ,ref
- 683683
- Vc,ref Vc ,ref
- 684684
- Vd,ref Vd ,ref
- 685685
- Ve,ref V e,ref
- 690690
- Fünf-phasige ElektromaschineFive-phase electric machine
- 691691
- Kabelwindung als Last zum ersten SubmodulCable winding as load to the first submodule
- 692692
- Kabelwindung als Last zum zweiten SubmodulCable winding as a load to the second submodule
- 693693
- Kabelwindung als Last zum dritten SubmodulCable winding as a load to the third submodule
- 694694
- Kabelwindung als Last zum vierten SubmodulCable winding as a load to the fourth submodule
- 695695
- Kabelwindung als Last zum fünften SubmodulCable winding as a load to the fifth submodule
- 700700
- Zweites Schaltschema fünf-phasige ElektromaschineSecond circuit diagram of a five-phase electric machine
- 71007100
- modifizierte Pulsdauermodulationmodified pulse width modulation
- 71117111
- M1M1
- 72007200
- modifizierte Pulsdauermodulationmodified pulse width modulation
- 72117211
- M1M1
- 73007300
- modifizierte Pulsdauermodulationmodified pulse width modulation
- 73117311
- M1M1
- 74007400
- modifizierte Pulsdauermodulationmodified pulse width modulation
- 74117411
- M1M1
- 75007500
- modifizierte Pulsdauermodulationmodified pulse width modulation
- 75117511
- M1M1
- 770770
- modifizierte Regelungstrecke zur Steuerungmodified control system for control
- 778778
- M2M2
- 779779
- M3M3
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-
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A. RUSELER, [et.al]:Modular inverter topology with full-bridge sub-modules for open-end split winding three-phase induction motor driveIn: 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT)Year: 2015 | Conference Paper | Publisher: IEEE |
A. RUSELER, et.al: Modular inverter topology with full-bridge submodules for open-end split winding three-phase induction motor drive; In: 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT); Year: 2015, Conference Paper, Publisher: IEEE |
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