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 CN 105720853 B offenbart eine Leistungselektronik für eine dreiphasige elektrische Maschine, wobei die Leistungselektronik drei H-Brückenschaltungen aufweist, die jeweils eine Vielzahl von Halbleiterschaltern und zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren umfassen. Die drei H-Brückenschaltungen stellen einen dreiphasigen Wechselspannungsausgang mit einem gemeinsamen Nullleiter bereit.The Chinese print CN 105720853B discloses power electronics for a three-phase electrical machine, the power electronics having three H-bridge circuits, each of which includes a multiplicity of semiconductor switches and two series-connected capacitors. The three H-bridge circuits provide a three-phase AC output with a common neutral.

In der Druckschrift DE 10 2016 201 283 A1 wird eine Leistungselektronik für eine dreiphasige elektrische Maschine offenbart, wobei die Leistungselektronik drei H-Brückenschaltungen aufweist, die jeweils vier Halbleiterschalter und einen Kondensator umfassen. Die drei H-Brückenschaltungen sind bezogen auf eine Gleichspannungsquelle elektrisch parallel geschaltet.In the pamphlet DE 10 2016 201 283 A1 discloses power electronics for a three-phase electrical machine, the power electronics having three H-bridge circuits, each of which includes four semiconductor switches and a capacitor. The three H-bridge circuits are electrically connected in parallel with respect to a DC voltage source.

Die US-amerikanische Druckschrift US 9,973,110 B2 beschreibt eine elektrische Schaltungsarchitektur zum Umwandeln von Gleichspannung in Wechselspannung und umgekehrt, bei der H-Brücken in parallel verschalteten Zweigen angeordnet sind. Einer jeden H-Brücke ist eine Steuerungseinheit zugeordnet.The US publication US 9,973,110 B2 describes an electrical circuit architecture for converting DC voltage into AC voltage and vice versa, in which H-bridges are arranged in parallel-connected branches. A control unit is assigned to each H-bridge.

Als weitere wichtige Druckschriften auf dem Gebiet der Multilevelkonverter sind US 9 496 799 B2 , US 10 473 728 B2 , US 10 442 309 B2 und US 10 700 587 B2 zu nennen.Other important publications in the field of multilevel converters are U.S. 9,496,799 B2 , U.S. 10,473,728 B2 , U.S. 10,442,309 B2 and U.S. 10,700,587 B2 to call.

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 US 9 876 456 B2 weist ein Brückenwandler mehrere in Reihe geschaltete Brückenzellen, jeweilig mit einem Controller versehen, auf. Der Brückenwandler umfasst einen Sensor, der mindestens einem Controller ein Kommutierungssignal bereitstellt.In the pamphlet U.S. 9,876,456 B2 a bridge converter has several bridge cells connected in series, each provided with a controller. The bridge converter includes a sensor that provides a commutation signal to at least one controller.

Die Druckschrift DE 10 2014 212 934 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Ladezustandsausgleich mit zumindest zwei Submodulen, welche jeweils ein Energiespeichermodul und ein Spannungswandlermodul aufweisen. Die mindestens zwei Submodule sind mit einer elektrischen Maschine und einer Steuereinrichtung verbunden. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, einen elektrischen Energiefluss zwischen zumindest einem der Submodule und der elektrischen Maschine zu steuern.The pamphlet DE 10 2014 212 934 A1 relates to a device for equalizing the state of charge with at least two submodules, each of which has an energy storage module and a voltage converter module. The at least two submodules are connected to an electrical machine and a control device. The control device is designed to control an electrical energy flow between at least one of the submodules and the electrical machine.

Die Druckschrift „ 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 “ offenbart eine modulare Inverter-Topologie mit Vollbrücken-Submodulen für eine elektrische Maschine. Eine Anzahl von Invertern pro Phase ist gekoppelt mit einer Anzahl von Polpaaren in der elektrischen Maschine.The pamphlet " 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 “ discloses a modular inverter topology with full bridge submodules for an electric machine. A number of inverters per phase are coupled to a number of pole pairs in the electric machine.

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 1). Dabei entspricht die Anzahl N der Module der Anzahl an Phasen der versorgten Multiphasenmaschine, weshalb der erfindungsgemäße modulare Multilevelkonverter auch kurz als Multiport-MMC bezeichnet werden kann.A topology of the modular multilevel converter according to the invention, also abbreviated as MMC, advantageously has a particularly low complexity of the modules or the switches and capacitors arranged in the modules, as is also evident from the reduced number of arranged compared to solutions from the prior art electronic components (see also 1 ). The number N of modules corresponds to the number of phases of the supplied multiphase machine, which is why the modular multilevel converter according to the invention can also be called a multiport MMC for short.

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, C 1 = C 2 = = C N ,

Figure DE102022109257B3_0001
wird intrinsisch die zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss anliegende Klemmenspannung der Spannungsquelle Vdc zwischen allen Modulen und damit allen Phasen gleichförmig aufgeteilt: V 1 = V 2 = = V N ,
Figure DE102022109257B3_0002
wobei gilt, dass V dc = i = 1 N V i
Figure DE102022109257B3_0003
und damit V i = 1 N V dc .
Figure DE102022109257B3_0004
The arrangement according to the invention of the modular multilevel converter in modules connected in series and the at least one capacitor of the modules connected in series with it, with a capacitance of the at least one capacitor preferably being the same for all N capacitors, C 1 = C 2 = = C N ,
Figure DE102022109257B3_0001
the terminal voltage of the voltage source V dc present between the input connection and the output connection is intrinsically divided equally between all modules and thus all phases: V 1 = V 2 = = V N ,
Figure DE102022109257B3_0002
where it holds that V DC = i = 1 N V i
Figure DE102022109257B3_0003
and thus V i = 1 N V DC .
Figure DE102022109257B3_0004

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.

  • 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.
The figures are described in a coherent and comprehensive manner, and the same reference symbols are assigned to the same components.
  • 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 1 wird ein Schaltschema 100 zu einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters gezeigt. Von einer Spannungsquelle 101 wird eine Klemmenspannung Vdc 102 bereitgestellt, welche sich gemäß Gleichung (2) über die in Reihe geschalteten Module 110, 120, 130 verteilt. In einem jeweiligen Modul 110, 120, 130 sind jeweils vier Schalter 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134 angeordnet, welche pro Modul jeweilig zwei Halbbrücken bilden. Die gezeigten Schalter 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134 sind jeweilig als n-Kanal Metall-Oxid-Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, welches durch eine Steuerung des modularen Multilevelkonverters angesteuert wird, dargestellt. Parallel zu den Halbbrücken und in Reihe zur Anordnung der Module 110, 120, 130 sind jeweilige Kondensatoren 115, 125, 135 geschaltet. Eine jeweilige Last wird durch eine jeweilige Windung 116, 126, 136, bspw. in einem Stator einer Multiphasenmaschine, gebildet. Dies entspricht gleichzeitig auch einer jeweiligen Phase, d. h. das jeweilige Modul 110, 120, 130 stellt den in der jeweiligen Windung 116, 126, 136 fließenden jeweiligen Phasenstrom bereit, welcher zu einem durch die Multiphasenmaschine bereitgestellten Referenzdrehmoment führt. In der gezeigten Ausgestaltung weist eine Verschaltung der Windungen 116, 126, 136 keinen Neutralpunkt auf. Durch eine intrinsisch gegebene elektromagnetische Kopplung zwischen jeweiligen bspw. im Stator verlaufenden Windungen, kommt es zu einem Energieübertrag aus Kondensatoren mit höheren Kondensatorspannungen zu Kondensatoren mit niedrigeren Kondensatorspannungen.In 1 a circuit diagram 100 for an embodiment of the modular multilevel converter according to the invention is shown. A voltage source 101 provides a terminal voltage V dc 102 which, according to equation (2), is distributed over the modules 110, 120, 130 connected in series. Four switches 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134 are arranged in each module 110, 120, 130, each of which forms two half-bridges per module. The switches 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134 shown are each an n-channel metal-oxide field effect transistor with an insulated gate, which is driven by a controller of the modular multilevel converter , shown. Respective capacitors 115 , 125 , 135 are connected in parallel with the half-bridges and in series with the arrangement of the modules 110 , 120 , 130 . A respective load is formed by a respective winding 116, 126, 136, for example in a stator of a multi-phase machine. At the same time, this also corresponds to a respective phase, ie the respective module 110, 120, 130 provides the respective phase current flowing in the respective winding 116, 126, 136, which leads to a reference torque provided by the multiphase machine. In the embodiment shown, an interconnection of the windings 116, 126, 136 has no neutral point. Due to an intrinsically given electromagnetic coupling between respective turns running in the stator, for example, there is a transfer of energy from capacitors with higher capacitor voltages to capacitors with lower capacitor voltages.

In 2 wird ein Schema 200 einer Pulsdauermodulation mit einer Ausgestaltung eines ersten Steuerungszusatzes 201 des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters gezeigt, wodurch ein jeweiliger Modulationsindex zu einer von einem jeweiligen Modul bereitgestellten jeweiligen Phase variiert wird. Der erste Steuerungszusatz 201 stellt ein jeweiliges Verhältnis aus einer jeweiligen Kondensatorspannung 211 und einer vorgegebenen Schwellenspannung 212, welche als Eingangsgrößen einem Multiplikator 210 vorliegen, bereit. Dabei wird ein Inverses der vorgegebenen Schwellenspannung 212 mit der jeweiligen Kondensatorspannung 211 multipliziert. Ein Ergebnis 213 des Multiplikators 210 bzw. des ersten Steuerungszusatzes 201 wird im weiteren Verlauf des dem jeweiligen Modul einzeln zugeordneten Schaltschemas 200 einer Pulsdauermodulation zugeführt, d. h. zunächst einem weiteren Multiplikator 220. Als zusätzliche Eingangssignale erhält der Multiplikator 220 ein Modulationsreferenzsignal 221, bspw. einen Sinusverlauf, und eine Referenzspannung 222, welche einem zu verwirklichenden Drehmoment entspricht. Ein Komparator 230 vergleicht ein Ergebnis 223 des Multiplikators 220 mit einem Trägersignal 231, welches bspw. als ein Sägezahnsignal ausgestaltet ist. Aus dem Komparator 230 geht ein Steuersignal 232 für die einzelnen Schalter des jeweiligen Moduls hervor. Ist die jeweilige Kondensatorspannung 211 größer als die Schwellenspannung 212, 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 211 kleiner als die Schwellenspannung 212, 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. Dadurch gleicht sich die jeweilige Kondensatorspannung zur Schwellenspannung hin an.In 2 a scheme 200 of a pulse duration modulation is shown with an embodiment of a first control supplement 201 of the modular multilevel converter according to the invention, whereby a respective modulation index is varied for a respective phase provided by a respective module. The first control supplement 201 provides a respective ratio of a respective capacitor voltage 211 and a predetermined threshold voltage 212, which are present as input variables in a multiplier 210. In this case, an inverse of the specified threshold voltage 212 is multiplied by the respective capacitor voltage 211 . A result 213 of the multiplier 210 or of the first control supplement 201 is supplied to a pulse duration modulation in the further course of the switching scheme 200 assigned individually to the respective module, ie initially to a further multiplier 220. The multiplier 220 receives a modulation reference signal 221, for example a sine curve, as an additional input signal , and a reference voltage 222 corresponding to a torque to be realized. A comparator 230 compares a result 223 of the multiplier 220 with a carrier signal 231, which is configured as a sawtooth signal, for example. A control signal 232 for the individual switches of the respective module emerges from the comparator 230 . If the respective capacitor voltage 211 is greater than the threshold voltage 212, the respective modulation index for this respective phase is increased, ie the respective capacitor is discharged to a greater extent than the capacitors in all other modules. If the respective capacitor voltage 211 is less than the threshold voltage 212, the respective modulation index for this respective phase is reduced, ie the respective capacitor discharges less than the capacitors in all other modules. As a result, the respective capacitor voltage equalizes towards the threshold voltage.

In 3 wird schematisch eine Ausgestaltung eines zweiten einen Referenzphasenstrom 332 variierenden Steuerungszusatzes 300 des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters gezeigt. Der zweite Steuerungszusatz 300 weist an einem ersten Addierer 310 als Eingangsgrößen eine Kondensatorreferenzspannung 312 und die jeweilige mit einem negativen Vorzeichen versehene Kondensatorspannung 311 auf, so dass als Ergebnis 313 eine erste Differenz aus Kondensatorreferenzspannung 312 und jeweiliger Kondensatorspannung 311 einem PID-Regler 320 (Proportional-Integral-Differential-Regler) zugeführt wird. Dessen Ausgangssignal 321 wird mit negativen Vorzeichen versehen einem zweiten Addierer 330 zugeführt und von dem Referenzstrom 331 abgezogen, so dass von dem zweiten Steuerungszusatz 300 ein je nach Kondensatorspannung 311 variierter Referenzphasenstrom 332 ausgegeben wird. Der zweite Steuerungszusatz 300 ist in die Steuerung des modularen Multilevelkonverters eingefügt. Einem in der Steuerung implementierten Modulationsverfahren liegt im Allgemeinen der Referenzstrom 331 als Grundlage zur Generierung eines jeweiligen Phasenstromes, welcher das angeforderte Referenzdrehmoment bewirkt, vor, bzw. wird zu einer Referenzspannungsvorgabe bspw. für die Pulsdauermodulation umgerechnet. Dabei ist ein Zusammenhang zwischen Phasenstrom und Drehmoment durch die elektrische Maschine beschreibende Gleichungen gegeben. Der erfindungsgemäß variierte Referenzphasenstrom 332 ist damit gegenüber dem Referenzstrom 331 um einen der ersten Differenz aus Kondensatorreferenzspannung 312 und jeweiliger Kondensatorspannung 311 entsprechenden Stromwert verringert. Dadurch hat eine niedrigere jeweilige Kondensatorspannung 311 des mindestens einen Kondensators des jeweiligen Moduls einen niedrigeren jeweiligen Referenzphasenstrom 332 zur Folge, womit sich der Energieabfluss aus dem jeweiligen Kondensator verringert und sich die jeweilige Kondensatorspannung 311 zur Kondensatorreferenzspannung 312 hin angleicht. Die Kondensatorreferenzspannung ist bspw. durch den Mittelwert über alle Kondensatorspannungen gegeben.In 3 an embodiment of a second control supplement 300 of the modular multilevel converter according to the invention, which varies a reference phase current 332, is shown schematically. At a first adder 310, the second control supplement 300 has as input variables a capacitor reference voltage 312 and the respective capacitor voltage 311 provided with a negative sign, so that as a result 313 a first difference between the capacitor reference voltage 312 and the respective capacitor voltage 311 is sent to a PID controller 320 (proportional integral-derivative controller) is supplied. Its output signal 321 is fed to a second adder 330 provided with a negative sign and is subtracted from the reference current 331 so that the second control supplement 300 outputs a reference phase current 332 that varies depending on the capacitor voltage 311 . The second control attachment 300 is included in the control of the modular multilevel converter. One in the controller imple mented modulation method, the reference current 331 is generally available as the basis for generating a respective phase current, which causes the requested reference torque, or is converted to a reference voltage specification, for example, for the pulse duration modulation. A relationship between phase current and torque is given by the equations describing the electric machine. The reference phase current 332 varied according to the invention is thus reduced compared to the reference current 331 by a current value corresponding to the first difference between the capacitor reference voltage 312 and the respective capacitor voltage 311 . As a result, a lower respective capacitor voltage 311 of the at least one capacitor of the respective module results in a lower respective reference phase current 332, which reduces the energy drain from the respective capacitor and the respective capacitor voltage 311 equalizes the capacitor reference voltage 312. The capacitor reference voltage is given, for example, by the mean value of all capacitor voltages.

In 4 wird schematisch eine Ausgestaltung eines dritten ein Referenzphasendrehmoment 432 variierenden Steuerungszusatzes 400 des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters gezeigt. Der dritte Steuerungszusatz 400 weist an einem drittem Addierer 410 als Eingangsgrößen die jeweilige Kondensatorspannung 411 und die mit einem negativen Vorzeichen versehene Kondensatorreferenzspannung 412 auf, so dass als Ergebnis 413 eine dritte Differenz aus jeweiliger Kondensatorspannung 411 und Kondensatorreferenzspannung 412 einem PID-Regler 420 zugeführt wird. Dessen Ausgangssignal 421 wird von einem vierten Addierer 430 dem Referenzdrehmoment 431 hinzugefügt und als Referenzphasendrehmoment 432 ausgegeben. Der dritte Steuerungszusatz 400 ist in die Steuerung des modularen Multilevelkonverters eingefügt. Einem in der Steuerung implementierten Modulationsverfahren liegt ein auf Grund eines (bspw. von einer Zentralsteuerung eines Fahrzeugs) angeforderten Referenzdrehmomentes 431 durch Maschinengleichungen berechneter Referenzstrom (Bezugszeichen 331 in 3) vor. Das erfindungsgemäße variierte Referenzphasendrehmoment 432 ist damit gegenüber dem Referenzdrehmoment 431 um einen der dritten Differenz aus jeweiliger Kondensatorspannung 411 und Kondensatorreferenzspannung 412 entsprechendem Drehmomentwert (PID-Ausgangssignal 421) vergrößert. Dadurch hat eine die Kondensatorreferenzspannung 412 übersteigende jeweilige Kondensatorspannung 411 des mindestens einen Kondensators des jeweiligen Moduls ein höheres jeweiliges Referenzphasendrehmoment 432 zur Folge, womit sich der Energieabfluss aus dem jeweiligen Kondensator erhöht und sich die jeweilige Kondensatorspannung 411 zur Kondensatorreferenzspannung 412 hin verringert.In 4 an embodiment of a third control supplement 400 of the modular multilevel converter according to the invention, which varies a reference phase torque 432, is shown schematically. At a third adder 410, the third control supplement 400 has the respective capacitor voltage 411 and the capacitor reference voltage 412 provided with a negative sign as input variables, so that as a result 413 a third difference between the respective capacitor voltage 411 and the capacitor reference voltage 412 is fed to a PID controller 420. Its output signal 421 is added to reference torque 431 by a fourth adder 430 and output as reference phase torque 432 . The third control attachment 400 is included in the control of the modular multilevel converter. A modulation method implemented in the controller is based on a reference torque 431 that is requested (e.g. by a central controller of a vehicle) and is calculated using machine equations (reference number 331 in 3 ) before. The varied reference phase torque 432 according to the invention is thus increased compared to the reference torque 431 by a torque value corresponding to the third difference between the respective capacitor voltage 411 and the capacitor reference voltage 412 (PID output signal 421). As a result, a respective capacitor voltage 411 of the at least one capacitor of the respective module that exceeds the capacitor reference voltage 412 results in a higher respective reference phase torque 432, which increases the energy drain from the respective capacitor and reduces the respective capacitor voltage 411 towards the capacitor reference voltage 412.

In 5 wird ein Schaltschema 500 zu einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters mit einer Steuerung mittels Pulsdauermodulation gezeigt. Der gezeigte Multilevelkonverter ist an eine N-phasige Multiphasenmaschine 590, bspw. zur Traktion in einem Fahrzeug, angeschlossen, wobei Windungen 591, 592, 593 bis 598, die bspw. im Stator der Multiphasenmaschine 590 verlaufen, von N jeweiligen Modulen 110, 120, 130 bis 580 mit einem jeweiligen Phasenstrom versorgt werden. Auch im N-ten Modul 580 sind vier FET-Schalter 581, 582, 583, 584 angeordnet, welche jeweilig zwei Halbbrücken bilden. Als Spannungsquelle dienen eine Reihe mit Anzahl M Gleichspannungsspeichern 501, 502 bis 509, welche eine Klemmenspannung Vdc 102 im Hochvolt-Bereich bereitstellen, die sich auf die jeweiligen Kondensatoren 115, 125, 135 bis 585 mit jeweiliger Kondensatorspannung 1 N V dc

Figure DE102022109257B3_0005
aufteilt. Eine geeignete Wechselstromausgabe wird bspw. über die gezeigte Ansteuerung per Pulsdauermodulation 5100, 5200, 5300, 5800 mit jeweiligem sinusförmigen Modulationsreferenzsignal 518, 528, 538, 588, jeweiligem Sägezahn-Trägersignal 519, 529, 539, 589 und Komparator 517, 527, 537, 587 erhalten, wobei die jeweilig erzeugten Steuersignale 516, 526, 536, 586 an die jeweiligen Module 110, 120, 130 bis 580 bzw. deren Schalter 111, 112, 113, 124 bis 581, 582, 583, 584 geleitet werden. Dementsprechend fluktuiert eine jeweilige Phasenspannung auf mehreren Stufen zwischen 1 N V dc  und  + 1 N V dc ,
Figure DE102022109257B3_0006
insbesondere wenn eine Topologie mit zusätzlichen Schaltern respektive Halbbrücken ausgestaltet werden würde. Die vom Schaltschema 500 umfasste HV-Spannungsquelle 501 bis 509 und die für eine vergleichsweise niedrigere Betriebsspannung ausgelegte Multiphasenmaschine 590 als Antriebsmaschine sind besonders vorteilhaft in einem Elektrofahrzeug umsetzbar.In 5 a circuit diagram 500 is shown for a further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention with control by means of pulse duration modulation. The multilevel converter shown is connected to an N-phase multiphase machine 590, e.g. 130 to 580 are supplied with a respective phase current. Four FET switches 581, 582, 583, 584 are also arranged in the Nth module 580, each of which forms two half-bridges. A row with a number M of DC voltage storage devices 501, 502 to 509, which provide a terminal voltage V dc 102 in the high-voltage range, are used as the voltage source 1 N V DC
Figure DE102022109257B3_0005
splits. A suitable AC output is provided, for example, via the illustrated pulse width modulation drive 5100, 5200, 5300, 5800 with respective sinusoidal modulation reference signal 518, 528, 538, 588, respective sawtooth carrier signal 519, 529, 539, 589 and comparator 517, 527, 537, 587, the respectively generated control signals 516, 526, 536, 586 being routed to the respective modules 110, 120, 130 to 580 or their switches 111, 112, 113, 124 to 581, 582, 583, 584. Accordingly, each phase voltage fluctuates at plural levels between 1 N V DC and + 1 N V DC ,
Figure DE102022109257B3_0006
in particular if a topology were to be designed with additional switches or half-bridges. The HV voltage source 501 to 509 included in the circuit diagram 500 and the multiphase machine 590 designed for a comparatively lower operating voltage as a drive machine can be implemented particularly advantageously in an electric vehicle.

In 6 wird ein Schaltschema 600 zu einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters mit einer Regelungsstrecke 670 zur Steuerung mittels Pulsdauermodulation gezeigt. In dieser noch weiteren Ausgestaltung weist der modulare Multilevelkonverter fünf Module 110, 120, 130, 640, 650 zur Versorgung einer fünfphasigen elektrischen Maschine 690 mit Windungen 691, 692, 693, 694, 695 auf. Zur Steuerung der jeweiligen Schalter 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654 ist die Regelungstrecke 670 mit jeweiligen Einheiten zur Pulsdauermodulation 6100, 6200, 6300, 6400, 6500 verbunden. Neben den durch die Ausgestaltung als fünffacher Multiport-MMC nun jeweilig festlegbaren Modulationsreferenzsignale mit Vm sin(ωt) 618, Vm sin(ωt - 2π/5) 628, Vm sin(ωt - 4π/5) 638 (Spannungsamplitude Vm des Modulationsreferenzsignal), erhält auch das vierte Modul 640 und das fünfte Modul 650 Steuersignale 646, 656 aus der jeweiligen Pulsdauermodulation 6400, 6500 mit jeweiligem sinusförmigen Modulationsreferenzsignal Vm sin(ωt - 6π/5) 648, Vm sin(ωt - 8π/5) 658, jeweiligem Sägezahn-Trägersignal 649, 659 und Komparator 647, 657, um den jeweiligen Kondensator 645, 655 zu verschalten. Weiter notwendig ist hierzu eine Multiplikation 6110, 6210, 6310, 6410, 6510 mit einer Referenzspannung Va,ref 681, Vb,ref 682, Vc,ref 683, Vd,ref 684, Ve,ref 685, welche durch die Regelungsstrecke 670 bereitgestellt werden. Die Regelungsstrecke 670 erhält als Eingangsgrößen zu einem fünften Addierer 671 eine (bspw. von der Zentralsteuerung) angeforderte Drehfrequenz ω r

Figure DE102022109257B3_0007
661 und eine mit einem negativen Vorzeichen versehene tatsächlich vorliegende Drehfrequenz ωr 662. Eine dabei gebildete Differenz wird einem ersten PI-Regler 672 zugeführt, welcher ein gefordertes Referenzdrehmoment T e
Figure DE102022109257B3_0008
663 ausgibt. Dieses wird mittels Maschinengleichungen 673 zu einem dq-Referenzstrom I dq
Figure DE102022109257B3_0009
664 umgerechnet. Weiter wird der aktuell in den Modulen 110, 120, 130, 640, 650 fließende Phasenstrom Iabcde 665 mittels dq-Transformation 674 zu einem dq-Strom Idq 666 umgerechnet, mit einem negativen Vorzeichen versehen in einem sechsten Addierer 675 von dem dq-Referenzstrom I dq
Figure DE102022109257B3_0010
664 abgezogen und ein Ergebnis einem zweiten PI-Regler 676 zugeleitet. Eine dabei ermittelte dq-Referenzspannung V dq
Figure DE102022109257B3_0011
wird mittels dq-Rücktransformation 677 zu den Referenzspannungen Va,ref 681, Vb,ref 682, Vc,ref 683, Vd,ref 684, Ve,ref 685 für die Pulsdauermodulation umgerechnet. Das gezeigte Schaltschema 600 ist als eine allgemeine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters zu verstehen und ist für alle Multiphasenmaschinen einsetzbar.In 6 a circuit diagram 600 is shown for yet another embodiment of the modular multilevel converter according to the invention with a control path 670 for control by means of pulse duration modulation. In this still further refinement, the modular multilevel converter has five modules 110, 120, 130, 640, 650 for supplying a five-phase electrical machine 690 with windings 691, 692, 693, 694, 695. To control the respective switches 111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654, the control system 670 with respective Pulse width modulation units 6100, 6200, 6300, 6400, 6500 connected. In addition to those that can now be defined as a five-fold multiport MMC Modulation reference signals with V m sin(ωt) 618, V m sin(ωt - 2π/5) 628, V m sin(ωt - 4π/5) 638 (voltage amplitude V m of the modulation reference signal), also receives the fourth module 640 and the fifth Module 650 control signals 646, 656 from respective pulse width modulation 6400, 6500 with respective sinusoidal modulation reference signal V m sin(ωt - 6π/5) 648, V m sin(ωt - 8π/5) 658, respective sawtooth carrier signal 649, 659 and comparator 647, 657 to connect the respective capacitor 645, 655. This also requires a multiplication 6110, 6210, 6310, 6410, 6510 with a reference voltage V a,ref 681, V b,ref 682, V c,ref 683, V d,ref 684, V e,ref 685, which is the control path 670 can be provided. The control system 670 receives a rotational frequency requested (for example by the central controller) as an input variable to a fifth adder 671 ω right
Figure DE102022109257B3_0007
661 and an actual rotational frequency ω r 662 provided with a negative sign T e
Figure DE102022109257B3_0008
663 outputs. This becomes a dq reference current using machine equations 673 I dq
Figure DE102022109257B3_0009
664 converted. Furthermore, the phase current I abcde 665 currently flowing in the modules 110, 120, 130, 640, 650 is converted to a dq current I dq 666 by means of dq transformation 674, provided with a negative sign in a sixth adder 675 from the dq reference current I dq
Figure DE102022109257B3_0010
664 and a result is sent to a second PI controller 676. A dq reference voltage determined in the process V dq
Figure DE102022109257B3_0011
is converted by means of dq inverse transformation 677 to the reference voltages V a,ref 681, V b,ref 682, V c,ref 683, V d,ref 684, V e,ref 685 for the pulse width modulation. The circuit diagram 600 shown is to be understood as a general embodiment of the modular multilevel converter according to the invention and can be used for all multiphase machines.

In 7 wird ein Schaltschema 700 zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters mit Steuerungszusätzen 7111, 7211, 7311, 7411, 7511, 778, 779 zu der Regelungsstrecke 770 gezeigt. Während bei der weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters in 6 alleinig die intrinsisch gegebene elektromagnetische Kopplung zwischen jeweiligen Windungen 691, 692, 693, 694, 695 im Stator der elektrischen Multiphasenmaschine 690 für einen Ausgleich von Kondensatorspannungen der Kondensatoren 115, 125, 135, 645, 655 sorgt, kann durch Implementierung der in den 2, 3 und 4 gezeigten Steuerungszusätze 201, 300 und 400 der Ausgleich der Kondensatorspannungen strikt eingehalten werden. So wird der erste Steuerungszusatz 201 aus 2 als jeweiliger Steuerungszusatz M1 7111, 7211, 7311, 7411, 7511 zu der jeweiligen Pulsdauermodulierung 7100, 7200, 7300, 7400, 7500 der fünf Module 110, 120, 130, 640, 650 angeordnet, um eine Amplitude der Referenzspannung 681, 682, 683, 684, 685 je nach Kondensatorspannung zu modifizieren. Der zweite Steuerungszusatz 300 aus 3 wird als Steuerungszusatz M2 778 in der Regelungstrecke 770 zur Modifizierung des Referenzstroms 664 angeordnet. Der dritte Steuerungszusatz 400 aus 4 wird als Steuerungszusatz M3 779 in der Regelungstrecke 770 zur Modifizierung des Referenzdrehmomentes 663 angeordnet.In 7 a circuit diagram 700 for a continued further embodiment of the modular multilevel converter according to the invention with control add-ons 7111, 7211, 7311, 7411, 7511, 778, 779 for the control path 770 is shown. While in the further development of the modular multilevel converter according to the invention in 6 only the intrinsically given electromagnetic coupling between respective windings 691, 692, 693, 694, 695 in the stator of the electric multiphase machine 690 for a compensation of capacitor voltages of the capacitors 115, 125, 135, 645, 655 provides, can by implementing in the 2 , 3 and 4 With the control add-ons 201, 300 and 400 shown, the balancing of the capacitor voltages must be strictly observed. So the first control option 201 becomes off 2 as the respective control supplement M1 7111, 7211, 7311, 7411, 7511 on the respective pulse duration modulation 7100, 7200, 7400, 7500 of the five modules 110, 120, 130, 640, 650 arranged for an amplitude of the reference voltage 681, 682, 683 , 684, 685 to be modified depending on the capacitor voltage. The second control add-on 300 off 3 is arranged as a control supplement M2 778 in the controlled system 770 for modifying the reference current 664. The third control add-on 400 off 4 is arranged as a control supplement M3 779 in the controlled system 770 for modifying the reference torque 663.

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

Claims (8)

Modularer Multilevelkonverter, wobei der modulare Multilevelkonverter eine Steuerung (670, 770, 5100, 5200, 5300, 5800, 6100, 6200, 6300, 6400, 6500) und eine Anzahl N an Modulen (110, 120, 130, 580, 640, 650) aufweist, wobei ein jeweiliges Modul (110, 120, 130, 580, 640, 650) eine Mehrzahl an Schaltern (111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 581, 582, 583, 584, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654), einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist und zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss mindestens ein Kondensator (115, 125, 135, 585, 645, 655) geschaltet ist, wobei die Module (110, 120, 130, 580, 640, 650) seriell miteinander verbunden sind, wobei das erste Modul (110) an seinem Eingangsanschluss mit einem Pluspol einer Spannungsquelle (101, 501) verbunden ist und das N-te Modul (580, 650) an seinem Ausgangsanschluss mit einem Minuspol der Spannungsquelle (101, 509) verbunden ist, und wobei jedes Modul (110, 120, 130, 580, 640, 650) dazu konfiguriert ist, eine jeweilige Phase für eine jeweilige Windung (591, 592, 593, 598, 691, 692, 693, 694, 695) einer N-phasigen Multiphasenmaschine (590, 690) bereitzustellen, wodurch während eines Betriebes der N-phasigen Multiphasenmaschine (590, 690) jeweilige Windungen (591, 592, 593, 598, 691, 692, 693, 694, 695) durch elektromagnetische Kopplung zwischen den jeweiligen Kondensatoren (115, 125, 135, 585, 645, 655) der entsprechenden Module (110, 120, 130, 580, 640, 650) Energie austauschen und sich jeweilige Kondensatorspannungen (211, 311, 411) der jeweiligen Kondensatoren (115, 125, 135, 585, 645, 655) dabei einem Mittelwert aus allen Kondensatorspannungen (211, 311, 411) angleichen, wobei die Steuerung (670, 770, 5100, 5200, 5300, 5800, 6100, 6200, 6300, 6400, 6500, 7100, 7200, 7300, 7400, 7500) dazu konfiguriert ist, einen jeweiligen Modulationsindex der bereitgestellten jeweiligen Phase entsprechend eines jeweiligen Verhältnisses aus der jeweiligen Kondensatorspannung (211) und der Schwellenspannung (212) zu modifizieren, wodurch sich die jeweilige Kondensatorspannung (211) zur Schwellenspannung (212) hin angleicht, wobei in die Steuerung (5100, 5200, 5300, 5800, 6100, 6200, 6300, 6400, 6500, 7100, 7200, 7300, 7400, 7500) am jeweiligen Modul (110, 120, 130, 580, 640, 650) ein jeweiliger erster Steuerungszusatz (201, 7111, 7211, 7311, 7411, 7511) eingefügt ist, wobei der jeweilige erste Steuerungszusatz (201, 7111, 7211, 7311, 7411, 7511) als Eingangsgrößen die jeweilige Kondensatorspannung (211) und die Schwellenspannung (212) aufweist und dazu konfiguriert ist, ein Analogsignal einer Pulsdauermodulation mit einem Verhältnis aus jeweiliger Kondensatorspannung (211) und Schwellenspannung (212) zu multiplizieren.Modular multilevel converter, wherein the modular multilevel converter comprises a controller (670, 770, 5100, 5200, 5300, 5800, 6100, 6200, 6300, 6400, 6500) and a number N of modules (110, 120, 130, 580, 640, 650 ), wherein a respective module (110, 120, 130, 580, 640, 650) has a plurality of switches (111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 581 , 582, 583, 584, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654) has an input connection and an output connection and at least one capacitor (115, 125, 135, 585, 645, 655 ) with the modules (110, 120, 130, 580, 640, 650) connected in series with the first module (110) being on Nem input connection is connected to a positive pole of a voltage source (101, 501) and the N-th module (580, 650) is connected at its output connection to a negative pole of the voltage source (101, 509), and wherein each module (110, 120, 130, 580, 640, 650) configured to provide a respective phase for a respective winding (591, 592, 593, 598, 691, 692, 693, 694, 695) of an N-phase multiphase machine (590, 690), whereby during operation of the N-phase multiphase machine (590, 690) respective turns (591, 592, 593, 598, 691, 692, 693, 694, 695) are formed by electromagnetic coupling between the respective capacitors (115, 125, 135, 585 , 645, 655) of the corresponding modules (110, 120, 130, 580, 640, 650) exchange energy and the respective capacitor voltages (211, 311, 411) of the respective capacitors (115, 125, 135, 585, 645, 655) thereby aligning a mean value from all capacitor voltages (211, 311, 411), whereby the controller (670, 770, 5100, 5200, 5300, 5800, 6100, 6200, 6300, 6400, 6500, 7100, 7200, 7300, 7400, 750 0 ) is configured to modify a respective modulation index of the provided respective phase according to a respective ratio of the respective capacitor voltage (211) and the threshold voltage (212), whereby the respective capacitor voltage (211) equalizes the threshold voltage (212), wherein in the controller (5100, 5200, 5300, 5800, 6100, 6200, 6300, 6400, 6500, 7100, 7200, 7300, 7400, 7500) on the respective module (110, 120, 130, 580, 640, 650) a respective first Control supplement (201, 7111, 7211, 7311, 7411, 7511) is inserted, the respective first control supplement (201, 7111, 7211, 7311, 7411, 7511) having the respective capacitor voltage (211) and the threshold voltage (212) as input variables and configured to multiply an analog pulse width modulation signal by a ratio of the respective capacitor voltage (211) and threshold voltage (212). Modularer Multilevelkonverter nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, sobald die jeweilige Kondensatorspannung (211, 311, 411) des mindestens einen Kondensators (115, 125, 135, 585, 645, 655) des jeweiligen Moduls (110, 120, 130, 580, 640, 650) unterhalb einer vorgegebenen Schwellenspannung (212) fällt, im jeweiligen Entladungspfad des jeweiligen Kondensators (115, 125, 135, 585, 645, 655) einen Schalter (111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 581, 582, 583, 584, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654) mit einem vorgegebenen Tastgrad zu öffnen, wodurch ein weiterer Energieabfluss aus dem jeweiligen Kondensator (115, 125, 135, 585, 645, 655) sich gemäß des vorgegebenen Tastgrades verringert.Modular multilevel converter according to claim 1 , wherein the controller is configured as soon as the respective capacitor voltage (211, 311, 411) of the at least one capacitor (115, 125, 135, 585, 645, 655) of the respective module (110, 120, 130, 580, 640, 650) falls below a predetermined threshold voltage (212), a switch (111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131) in the respective discharge path of the respective capacitor (115, 125, 135, 585, 645, 655). , 132, 133, 134, 581, 582, 583, 584, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654) with a predetermined duty cycle, causing a further outflow of energy from the respective capacitor (115, 125 , 135, 585, 645, 655) decreases according to the specified duty cycle. Modularer Multilevelkonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (770) dazu konfiguriert ist, sobald die jeweilige Kondensatorspannung (311) unterhalb einer vorgegebenen Kondensatorreferenzspannung (312) liegt, einen gemäß einem angeforderten Referenzdrehmoment (663) gebildeten Referenzstrom (331, 664) um einen einer ersten Differenz aus Kondensatorreferenzspannung (312) und jeweiliger Kondensatorspannung (311) entsprechenden Stromwert (321) zu verringern, wodurch eine niedrigere jeweilige Kondensatorspannung (311) des mindestens einen Kondensators (115, 125, 135, 585, 645, 655) des jeweiligen Moduls (110, 120, 130, 580, 640, 650) einen niedrigeren jeweiligen Phasenstrom (332) zur Folge hat, sich damit der Energieabfluss aus dem jeweiligen Kondensator (115, 125, 135, 585, 645, 655) verringert und sich die jeweilige Kondensatorspannung (311) zur Kondensatorreferenzspannung (312) hin angleicht.Modular multilevel converter according to one of the preceding claims, wherein the controller (770) is configured to, as soon as the respective capacitor voltage (311) is below a predetermined capacitor reference voltage (312), a reference current (331, 664) formed according to a requested reference torque (663). to reduce a current value (321) corresponding to a first difference between the capacitor reference voltage (312) and the respective capacitor voltage (311), resulting in a lower respective capacitor voltage (311) of the at least one capacitor (115, 125, 135, 585, 645, 655) of the respective Module (110, 120, 130, 580, 640, 650) has a lower respective phase current (332) result, so that the energy drain from the respective capacitor (115, 125, 135, 585, 645, 655) is reduced and the respective capacitor voltage (311) to the capacitor reference voltage (312) is adjusted. Modularer Multilevelkonverter nach Anspruch 3, wobei in die Steuerung ein zweiter Steuerungszusatz (300, 778) eingefügt ist, wobei der zweite Steuerungszusatz (300, 778) als Eingangsgrößen die Kondensatorreferenzspannung (312) und die jeweilige Kondensatorspannung (311) aufweist und dazu konfiguriert ist, die erste Differenz (313) aus Kondensatorreferenzspannung (312) und jeweiliger Kondensatorspannung (311) einem PID-Regler (320) zuzuführen und dessen Ausgangssignal (321) von dem Referenzstrom (331) abzuziehen.Modular multilevel converter according to claim 3 , wherein a second control supplement (300, 778) is inserted into the controller, wherein the second control supplement (300, 778) has the capacitor reference voltage (312) and the respective capacitor voltage (311) as input variables and is configured to calculate the first difference (313 ) from the capacitor reference voltage (312) and the respective capacitor voltage (311) to a PID controller (320) and to subtract its output signal (321) from the reference current (331). Modularer Multilevelkonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (770) dazu konfiguriert ist, sobald die jeweilige Kondensatorspannung (411) oberhalb einer vorgegebenen Kondensatorreferenzspannung (412) liegt, ein angefordertes Referenzdrehmoment (431) der jeweiligen Phase um einen einer zweiten Differenz aus jeweiliger Kondensatorspannung (411) und Kondensatorreferenzspannung (412) entsprechenden Drehmomentwert (421) zu vergrößern, wodurch eine die Kondensatorreferenzspannung (412) übersteigende jeweilige Kondensatorspannung (411) des mindestens einen Kondensators (115, 125, 135, 585, 645, 655) des jeweiligen Moduls (110, 120, 130, 580, 640, 650) ein höheres jeweiliges Referenzphasendrehmoment (432) zur Folge hat, sich damit der Energieabfluss aus dem jeweiligen Kondensator (115, 125, 135, 585, 645, 655) erhöht und sich die jeweilig erhöhte Kondensatorspannung (411) zur Kondensatorreferenzspannung (412) hin verringert.Modular multilevel converter according to one of the preceding claims, wherein the controller (770) is configured to, as soon as the respective capacitor voltage (411) is above a predetermined capacitor reference voltage (412), a requested reference torque (431) of the respective phase by a second difference from the respective To increase the torque value (421) corresponding to the capacitor voltage (411) and capacitor reference voltage (412), whereby a capacitor voltage (411) of the at least one capacitor (115, 125, 135, 585, 645, 655) of the respective module that exceeds the capacitor reference voltage (412). (110, 120, 130, 580, 640, 650) results in a higher respective reference phase torque (432), thus increasing the energy drain from the respective capacitor (115, 125, 135, 585, 645, 655) and increasing the respective increased capacitor voltage (411) decreased towards the capacitor reference voltage (412). Modularer Multilevelkonverter nach Anspruch 5, wobei in die Steuerung (770) ein dritter Steuerungszusatz (400, 779) eingefügt ist, wobei der dritte Steuerungszusatz (400, 779) als Eingangsgrößen die jeweilige Kondensatorspannung (411) und die Kondensatorreferenzspannung (412) aufweist und dazu konfiguriert ist, die zweite Differenz (413) aus jeweiliger Kondensatorspannung (411) und Kondensatorreferenzspannung (412) einem PID-Regler (420) zuzuführen und dessen Ausgangssignal (421) dem Referenzdrehmoment (431) der jeweiligen Phase hinzuzufügen.Modular multilevel converter according to claim 5 , wherein in the controller (770) a third additional control (400, 779) is inserted, wherein the third additional control (400, 779) as input variables, the respective capacitor voltage (411) and the Has capacitor reference voltage (412) and is configured to feed the second difference (413) from the respective capacitor voltage (411) and capacitor reference voltage (412) to a PID controller (420) and to add its output signal (421) to the reference torque (431) of the respective phase . Modularer Multilevelkonverter nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Modul (110, 120, 130, 580, 640, 650) vier Schalter (111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 581, 582, 583, 584, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654) aufweist, wobei die vier Schalter (111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 581, 582, 583, 584, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654) in zwei Halbbrücken angeordnet sind und die beiden Halbbrücken parallel zu dem jeweiligen Kondensator (115, 125, 135, 585, 645, 655) angeordnet sind, wobei die jeweilige Phase durch Mittenabgriff an den beiden Halbbrücken bereitgestellt ist.Modular multilevel converter according to one of the preceding claims, wherein the respective module (110, 120, 130, 580, 640, 650) has four switches (111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131, 132, 133, 134, 581, 582, 583, 584, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654), the four switches (111, 112, 113, 114, 121, 122, 123, 124, 131 , 132, 133, 134, 581, 582, 583, 584, 641, 642, 643, 644, 651, 652, 653, 654) are arranged in two half-bridges and the two half-bridges are parallel to the respective capacitor (115, 125, 135, 585, 645, 655) are arranged, the respective phase being provided by center tapping on the two half-bridges. Multiphasensystem, wobei das Multiphasensystem einen modularen Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Multiphasenmaschine (590, 690) umfasst.Multiphase system, the multiphase system having a modular multilevel converter according to one of Claims 1 until 7 and a multi-phase machine (590, 690).
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