DE112015000929T5 - Einrichtung und Verfahren zum Reduzieren von Oberschwingungen - Google Patents

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung werden Systeme und Verfahren zum Reduzieren von Oberschwingungen geschaffen, zum Beispiel beim Verwenden eines AC/AC-Wandlers zum Antreiben einer Last, wie z. B. eines Motorantriebs. Bei einer ersten Ausführungsform ist eine Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen zwischen einer 3-Phasen-AC-Versorgung und einem DC-Link parallelgeschaltet, wobei jede der AC/DC-Stufen einen 3-Phasen-Gleichrichter aufweist, wobei die Gleichrichter der Lastantriebsschaltungen so ausgeführt sind, dass die Gleichrichtung der AC-Versorgung durch die Lastantriebsschaltungen gestaffelt ist. Blockierdioden werden zum Verhindern einer Stromzirkulation von einem Gleichrichter zu einem anderen verwendet.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Reduzierung von Oberschwingungen in Energieversorgungssystemen, die zum Beispiel beim Antreiben von nichtlinearen Lasten hervorgerufen werden.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine ideale AC-Energiequelle ist sinusförmiger Natur. Nichtlineare Lasten (wie z. B. Gleichrichter und Motorantriebe) tragen unterschiedliche Frequenzen in eine Energieversorgung ein. Diese unterschiedlichen Frequenzen werden als Oberschwingungen bezeichnet.
  • 1 zeigt ein System, das generell durch das Bezugszeichen 1 angezeigt ist, bei dem eine Last (wie z. B. ein Motor) unter der Steuerung eines Inverters angetrieben wird. Das System 1 umfasst eine 3-Phasen-AC-Energiequelle 2, einen 3-Phasen-Gleichrichter 4, einen DC-Link-Abschnitt 6, einen Inverter 8 und eine Last 10. Der DC-Link-Abschnitt 6 weist einen DC-Link-Kondensator 12 auf. Eine erste Induktivität 14 ist zwischen einem ersten Ausgang des Gleichrichters 4 und einem ersten Anschluss des DC-Link-Kondensators 12 geschaltet. Eine zweite Induktivität 15 ist zwischen einem zweiten Ausgang des Gleichrichters 4 und einem zweiten Anschluss des DC-Link-Kondensators 12 geschaltet. Die Induktivitäten 14, 15 (die auf der DC-Seite des Gleichrichters 4 vorgesehen sind) werden manchmal als DC-Drosseln bezeichnet.
  • Wie auf dem Sachgebiet bekannt ist, wird die AC-Versorgungsspannung, die von der AC-Energiequelle 2 geliefert wird, in eine DC-Spannung umgewandelt, die über den DC-Link-Kondensator 12 auftritt. Der Inverter 8 wandelt das DC-Signal an dem DC-Link-Kondensator in ein steuerbares AC-Signal zum Antreiben der Last 10 um (wobei dieses AC-Signal typischerweise hinsichtlich Amplitude, Phase und Frequenz steuerbar ist). Somit stellt das System 1 einen steuerbaren AC-AC-Wandler zu Antreiben der Last 10 bereit.
  • Der Gleichrichter 4 und der Inverter 8 weisen nichtlineare Charakteristiken auf. Entsprechend kann das System 1 bewirken, dass signifikante Oberschwingungsströme in die AC-Versorgung 2 eingetragen werden. Die Induktivitäten 14 und 15 sind zum Reduzieren von Frequenzkomponenten (d. h. Oberschwingungen), die in die AC-Versorgung 2 zurückkehren, vorgesehen.
  • Die Verwendung von Induktivitäten zum Reduzieren von Oberschwingungen ist eine etablierte Vorgehensweise. Induktivitäten können jedoch groß und teuer sein, insbesondere wenn versucht wird, Oberschwingungsströme mit relativ niedriger Frequenz zu filtern. Ferner können sich Induktivitäten bei höheren Strompegeln sättigen. Es besteht weiterhin Bedarf an einem System, bei dem Oberschwingungsströme auf andere Weise reduziert werden können.
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden die oben dargelegten Probleme behandelt. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind bei Motorantriebsanwendungen (wie z. B. den nachstehend beschriebenen Anwendungen) anwendbar. Die Prinzipien der Erfindung können jedoch auch bei vielen anderen Anwendungen angewendet werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Induktionsheizung und Lichtbogenofen-Systemen.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Lastantriebsschaltung bereit, die umfasst: einen AC/DC-Wandler, eine DC-Link-Stufe und einen Inverter, wobei der AC/DC-Wandler eine Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen umfasst, die zwischen einer 3-Phasen-AC-Versorgung und der DC-Link-Stufe parallelgeschaltet sind, und der Inverter einen Eingang, der mit der DC-Link-Stufe gekoppelt ist, und einen Ausgang zu Antreiben einer Last aufweist, wobei jede der AC/DC-Wandlerstufen umfasst: einen 3-Phasen-Gleichrichter, der einen Eingang aufweist, welcher mit der AC-Versorgung gekoppelt ist, wobei die Gleichrichter so angeordnet sind, dass die Gleichrichtung zumindest einiger der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen gestaffelt ist; und eine Diode, die so ausgeführt ist, dass sie verhindert, dass Strom, der von dem Gleichrichter der AC/DC-Wandlerstufe entnommen wird, über den Gleichrichter einer anderen AC/DC-Wandlerstufe zu der AC-Versorgung zurückkehrt. Das Staffeln der Gleichrichtung der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen ist vorgesehen, um Oberschwingungen in der AC-Versorgung zu reduzieren. Das Vorsehen einer Diode dient zum Verhindern der Zirkulation von Strömen zwischen den parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen, wodurch die Steuerung der Lastantriebsschaltungen verbessert wird.
  • Ein erstes Steuermodul kann zum Steuern der Zeitsteuerung der Gleichrichtung von zumindest einigen der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlern zumindest mit einigen der Gleichrichter gekoppelt sein.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Zeitsteuerung der Gleichrichtung zumindest einiger der Gleichrichter der parallelgeschalteten AC/DC-Wandler einstellbar sein (z. B. unter der Steuerung eines Steuermoduls).
  • Bei vielen Formen der Erfindung sind zumindest einige der Gleichrichter thyristorbasierte Gleichrichter. Somit können die Thyristoren gesteuert werden, um die gestaffelte Gleichrichtung zu bieten. Bei einigen Formen der Erfindung weist eine der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen einen Diodengleichrichter auf und weisen die anderen parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen thyristorbasierte Gleichrichter auf.
  • Zumindest einige (typischerweise sämtliche) der AC/DC-Wandlerstufen können ferner eine elektronische Induktivität umfassen, die einen Eingang aufweist, der mit dem Gleichrichter gekoppelt ist, und die so ausgeführt ist, dass sie die Spannung und/oder den Strom steuert, die/der von dem jeweiligen Gleichrichter aus der AC-Versorgung entnommen wird. Beispielsweise kann jede elektronische Induktivität so gesteuert werden, dass von dem jeweiligen Gleichrichter im Wesentlichen Rechteckwellen-Stromimpulse aus der AC-Versorgung entnommen werden. Bei alternativen Formen der Erfindung können einer oder mehrere der elektronischen Gleichrichter gesteuert werden, damit von dem jeweiligen Gleichrichter unterschiedlich geformte Stromimpulse aus der AC-Versorgung entnommen werden. Zum Beispiel kann jede elektronische Induktivität so gesteuert werden, dass Stromimpulse, die von den jeweiligen Gleichrichtern aus der AC-Versorgung entnommen werden, jeweils ein gestuftes Profil aufweisen (das mathematisch zu der Summe des ersten, des zweiten und des dritten Impulses jeweils mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Phasenoffset äquivalent sein kann).
  • Jede elektronische Induktivität kann einen ersten Anschluss aufweisen, der mit einem ersten Anschluss der DC-Link-Stufe und mit einem ersten Eingang des Inverters verbunden ist, und jede Diode kann eine Kathode, die mit einem zweiten Anschluss der jeweiligen elektronischen Induktivität verbunden ist, und eine Anode aufweisen, die mit einem zweiten Anschluss der DC-Link-Stufe und mit einem zweiten Eingang des Inverters verbunden ist.
  • Ein zweites Steuermodul kann zum Steuern zumindest einiger der elektronischen Induktivitäten vorgesehen sein. Bei einigen Formen der Erfindung wird die Funktionalität des ersten Steuermoduls (zum Steuern der Zeitsteuerung der Gleichrichtung zumindest einiger der parallelgeschalteten AC/DC-Wandler) und des zweiten Steuermoduls (zum Steuern der elektronischen Induktivität) von einem einzelnen Steuermodul bereitgestellt.
  • Bei einigen Formen der Erfindung können zumindest einige der Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen unwirksam gemacht werden. Zum Beispiel kann die Anzahl von AC/DC-Wandlerstufen, die wirksam sind, von der Ausgangsleistung abhängig sein, welche von der Lastantriebsschaltung gefordert wird.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren geschaffen, das das Steuern einer Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen, die zwischen einer Dreiphasen-AC-Versorgung und der DC-Link-Stufe einer Lastantriebsschaltung parallelgeschaltet sind, umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Steuern der Gleichrichtung der AC-Versorgung durch die parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen, das das Steuern der Gleichrichtungs-Zeitsteuerung so umfasst, dass die Gleichrichtung zumindest einiger der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen gestaffelt ist; und Verhindern, dass Strom, der bei einer Gleichrichtung durch eine AC/DC-Wandlerstufe entnommen wird, über die andere AC/DC-Wandlerstufe zu der AC-Versorgung zurückkehrt. Die Gleichrichtung kann die Verwendung zumindest einiger thyristorbasierter Gleichrichter zum Bereitstellen der gestaffelten Gleichrichtung umfassen. Die Gleichrichtungs-Zeitsteuerung von zumindest einigen der Gleichrichter der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen kann einstellbar sein.
  • Das Steuern der Gleichrichtung kann das Steuern der Spannung oder des Stroms umfassen, die/der bei der Gleichrichtung aus der AC-Versorgung entnommen wird. Dies kann zum Beispiel durch Verwendung von elektronischen Induktivitäten erreicht werden. Beispielsweise können elektronische Induktivitäten vorgesehen sein, die so gesteuert werden, dass von dem jeweiligen Gleichrichter im Wesentlichen Rechteckwellen-Stromimpulse aus der AC-Versorgung entnommen werden. Bei alternativen Formen der Erfindung können eine oder mehrere der elektronischen Induktivitäten gesteuert werden, damit von dem jeweiligen Gleichrichter unterschiedlich geformte Stromimpulse aus der AC-Versorgung entnommen werden. Zum Beispiel kann jede elektronische Induktivität so gesteuert werden, dass Stromimpulse, die von den jeweiligen Gleichrichtern aus der AC-Versorgung entnommen werden, jeweils ein gestuftes Profil aufweisen (das mathematisch zu der Summe des ersten, des zweiten und des dritten Impulses jeweils mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Phasenoffset äquivalent sein kann).
  • Das Verfahren kann ferner das Wirksammachen oder das Unwirksammachen zumindest einiger der Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen umfassen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden schematischen Zeichnungen näher erläutert, in denen:
  • 1 ein dem Stand der Technik entsprechendes System zeigt, bei dem eine Last unter der Steuerung eines Inverters angetrieben wird;
  • 2 eine Schaltung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der eine Last unter der Steuerung eines Inverters angetrieben wird;
  • 3 ein sehr schematisches Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Aspekt der Erfindung ist;
  • 4 eine Simulation einer beispielhaften Verwendung des Systems von 3 zeigt;
  • 5 ein detaillierteres schematisches Blockschaltbild des Systems von 3 ist;
  • 6 Ergebnisse einer Simulation des Systems von 5 zeigt;
  • 7 ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
  • 8 Ergebnisse einer Simulation des Systems von 7 zeigt;
  • 9 die Erzeugung eines Impulses gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 10 weitere Details des Impulses von 9 zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 2 zeigt eine Schaltung, die generell durch das Bezugszeichen 20 angezeigt ist, bei der einige der Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen.
  • Die Schaltung 20 weist die 3-Phasen-AC-Versorgung 2, den 3-Phasen-Gleichrichter 4, den DC-Link-Kondensator 12, den Inverter 8 und die Last 10 auf, die oben mit Bezug auf das System 1 beschrieben worden sind. Die DC-Induktivitäten 14 und 15 entfallen jedoch, und eine elektronische Induktivität, die generell durch das Bezugszeichen 22 angezeigt ist, ist zwischen dem Gleichrichter 4 und dem DC-Link-Kondensator 12 vorgesehen.
  • Die elektronische Induktivität 22 (die per se bekannt ist) umfasst eine Induktivität 24, einen Schalter 26 und eine Diode 28. Der Schalter 26 wird typischerweise unter Verwendung eines Transistors (wie z. B. eines IGBT) implementiert. Die elektronische Induktivität kann wie gewünscht zum präzisen Steuern von DC-Link-Strom und -Spannung auf eine Weise verwendet werden, die bei Verwendung eines Paars von DC-Induktivitäten nicht möglich ist. Des Weiteren kann die elektronische Induktivität kleiner und (bei einigen Anwendungen) kostengünstiger ausgeführt sein als solche DC-Induktivitäten.
  • 3 zeigt ein System, das generell durch das Bezugszeichen 30 angezeigt ist, zum Antreiben der Last 10 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das System 30 weist die 3-Phasen-AC-Versorgung 2, den Inverter 8, die Last 10 und den DC-Link-Kondensator 12 des oben beschriebenen Systems 20 auf.
  • Bei dem System 30 werden ein erster Gleichrichter 4a (der ein gesteuerter Gleichrichter ist) und eine erste elektronische Induktivität 32a (die der elektronischen Induktivität 22 des Systems 20 im Wesentlichen gleich ist) zum Liefern eines DC-Signals zu dem DC-Link-Kondensator 12 verwendet. Ein zweiter Gleichrichter 4b (der ein gesteuerter Gleichrichter ist) und eine zweite elektronische Induktivität 32b (die ebenfalls der elektronischen Induktivität 22 des Systems 20 im Wesentlichen gleich ist) werden ebenfalls zum Liefern eines DC-Signals zu dem DC-Link-Kondensator 12 verwendet.
  • 4 zeigt Ergebnisse, die generell durch das Bezugszeichen 40 angezeigt sind, einer Simulation einer beispielhaften Verwendung der Schaltung von 3.
  • Die erste Zeile der Simulation 40 zeigt den Strom (durch das Bezugszeichen 42 angezeigt), der von dem gesteuerten Gleichrichter 4a aus der AC-Versorgung 2 entnommen wird. Wie auf dem Sachgebiet bekannt ist, entnimmt dann, wenn ein 3-Phasen-Gleichrichter in Zusammenhang mit einer AC-Energieversorgung verwendet wird, der Gleichrichter einen positiven Impuls für 120 Grad des 360-Grad-Zyklus und einen negativen Impuls für 120 Grad des 360-Grad-Zyklus. Zwischen jedem positiven und negativen Impuls gibt es eine 60-Grad-Periode, in der von dem Rechteckwellen-Stromimpuls kein Strom aus der AC-Versorgung entnommen wird.
  • Die Form des Impulses in dem Strom 42 wird von der elektronischen Induktivität 32a bestimmt. Durch Steuern des Schaltens der elektronischen Induktivität 32a so, dass ein konstanter Strom aus dem gesteuerten Gleichrichter 4a entnommen wird, wird der in 4 gezeigte Rechteckwellenimpuls 42 entnommen.
  • Die zweite Zeile der Simulierung 40 zeigt den Strom (der durch das Bezugszeichen 44 angezeigt ist), der von dem gesteuerten Gleichrichter 4b aus der AC-Versorgung entnommen wird. Wie bei dem Stromimpuls 42 entnimmt der gesteuerte Gleichrichter 4b einen positiven Impuls für 120 Grad des 360-Grad-Zyklus und einen negativen Impuls für 120 Grad des 360-Grad-Zyklus. Der gesteuerte Gleichrichter 4b wird so gesteuert, dass der Impuls 44 relativ zu dem Impuls 42 verschoben wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Impuls 44 um 30 Grad relativ zu dem Impuls 42 verschoben (bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch andere Phasenverschiebungen zum Aufheben oder zum Reduzieren von ausgewählten Oberschwingungen verwendet werden).
  • Die Stromimpulse 42 und 44 werden beide aus der AC-Versorgung 2 entnommen. Die dritte Zeile der Simulation 40 (die durch das Bezugszeichen 46 angezeigt ist) zeigt die Summe der Ströme 42 und 44, die aus der Versorgung 2 entnommen werden. Es ist eindeutig, dass der Strom 46 stärker sinusförmig ist als die Ströme 42 und 44. Entsprechend weist der Strom 46 eine geringere Oberschwingungsverzerrung auf als der Strom 42 und 44, der jeweils von dem Gleichrichter 4a und 4b entnommen wird.
  • Eine mathematische Nachbildung der Schaltung 30 hat gezeigt, dass dann, wenn die Gleichrichter 4a und 4b so gesteuert werden, dass sie identische Stromwellenformen mit Ausnahme einer Phasenverschiebung (z. B. 30-Grad-Phasenverschiebung) aufweisen, die Gesamt-Oberschwingungsverzerrung (total harmonic distortion – THD) für das System 30 (das keine AC-Drossel auf der Eingangsseite der Gleichrichter aufweist) ungefähr 17 % für einen weiten Bereich von Lastvariationen beträgt. Wenn eine 1mH-AC-Drossel auf der Eingangsseite jedes Gleichrichters vorgesehen ist, reduziert sich die THD auf ungefähr 6 %. Obwohl eine Verallgemeinerung schwierig ist, kann die oben beschriebene dem Stand der Technik entsprechende Schaltung 1 eine THDi von 45 % oder sogar noch mehr aufweisen (obwohl dieser Wert in hohem Maße von Variablen, wie z. B. Induktivitätsgrößen und Lastleistungen abhängig ist). Somit kann das System 30 zum signifikanten Reduzieren einer Oberschwingungsverzerrung verwendet werden.
  • Die oben mit Bezug auf 1 und 2 beschriebene Gleichrichterschaltung 4 würde typischerweise unter Verwendung einer Diodenbrückenschaltung implementiert werden. Durch Ersetzen der Dioden in der Diodenbrückenschaltung durch gesteuerte Siliziumgleichrichter (silicon controlled rectifiers – SCRs) oder Thyristoren kann eine Gleichrichterschaltung erzeugt werden, bei der die Phase gesteuert werden kann. Entsprechend kann ein thyristorbasierter Gleichrichter zum Bereitstellen der Phasenverschiebungs-Funktionalität der oben beschriebenen Gleichrichter 4a und 4b verwendet werden.
  • 5 ist ein detaillierteres schematisches Blockschaltbild des Systems 30. Wie oben diskutiert worden ist, sind die erste elektronische Induktivität 32a und die zweite elektronische Induktivität 32b der oben mit Bezug auf 2 beschriebenen elektronischen Induktivität 22 im Wesentlichen gleich. Die erste und die zweite elektronische Induktivität 32a und 32b sind jedoch nicht mit der elektronischen Induktivität 22 identisch, da, wie in 5 gezeigt ist, die erste elektronische Induktivität eine erste Diode 52 aufweist und die zweite elektronische Induktivität eine zweite Diode 54 aufweist.
  • Ein erster Ausgang der ersten elektronischen Induktivität 32a ist mit einem ersten Eingang des Inverters (und somit dem ersten Anschluss des Kondensators 12) verbunden. Auf im Wesentlichen gleiche Weise ist ein erster Ausgang der zweiten elektronischen Induktivität 32b mit dem ersten Eingang des Inverters 8 verbunden, so dass die ersten Ausgänge der ersten und der zweiten elektronischen Induktivität miteinander verbunden sind.
  • Der Schalter der ersten elektronischen Induktivität 32a ist mit der Kathode der ersten Diode 52 verbunden. Die Anode der ersten Diode 52 ist mit einem zweiten Eingang des Inverters 8 (und somit dem zweiten Anschluss des Kondensators 12) verbunden. Auf im Wesentlichen gleiche Weise ist der Schalter der zweiten elektronischen Induktivität 32b mit der Kathode der zweiten Diode 54 verbunden. Die Anode der zweiten Diode 54 ist mit dem zweiten Eingang des Inverters verbunden, so dass die Anoden der ersten und der zweiten elektronischen Induktivität miteinander verbunden sind.
  • Die Dioden 52 und 54 verhindern die Zirkulation von Strömen von einem Paar von Gleichrichter/elektronischer Induktivität zum anderen. Es werde zum Beispiel ein Strom, der von einer Phase des Gleichrichters 4a aus einer 3-Phasen-AC-Versorgung 2 entnommen wird, in Betracht gezogen. Es sei angenommen, dass der Schalter der elektronischen Induktivität 32a geschlossen ist, so dass der Strom durch diesen Schalter fließen kann. Die Diode 52 verhindert, dass dieser Strom aus der elektronischen Induktivität 32a in Richtung des DC-Link-Kondensators fließt, so dass Strom durch den Gleichrichter 4a zurückfließen muss, um zu der AC-Versorgung 2 zurückzukehren. Somit kehrt der gesamte Strom, der von dem Gleichrichter 4a aus der AC-Versorgung 2 entnommen worden ist, über denselben Gleichrichter zu der AC-Versorgung zurück.
  • Es werde nun überlegt, was passieren würde, wenn die Diode 52 durch einen Kurzschluss ersetzt würde. Es werde wieder ein Strom, der von einer Phase des Gleichrichters 4a aus der AC-Versorgung 2 entnommen wird, in Betracht gezogen. Es sei wieder angenommen, dass der Schalter der elektronischen Induktivität 32a geschlossen ist, so dass der Strom durch diesen Schalter fließen kann. Da die Diode 52 nicht vorhanden ist, kann der Strom, der durch den Schalter fließt, entweder über den Gleichrichter 4a oder über den Gleichrichter 4b zu der AC-Versorgung 2 zurückfließen. Somit erfolgt eine Stromzirkulation zwischen den parallelen Stufen aus Gleichrichter/elektronischer Induktivität.
  • Eine Stromzirkulation zwischen parallelen Stufen aus Gleichrichter/elektronischer Induktivität führt zu einem Verlust an Steuerung über das System. Es ist schwierig, die von der vorliegenden Erfindung gebotenen Vorteile der Oberschwingungsreduzierung zu realisieren, wenn eine Stromzirkulation auftritt.
  • 6 zeigt den Strom, der aus der AC-Versorgung 2 entnommen wird, bei einer beispielhaften Simulation der Schaltung 30. Der Impuls, der generell durch das Bezugszeichen 60 angezeigt ist, ist dem in 4 gezeigten im Wesentlichen gleich. Der Impuls ist effektiv die Summe aus zwei gestaffelten Rechteckwellenimpulsen, wobei die Zeitsteuerung der Stufen in dem Impuls abhängig ist von der Phasenverschiebung zwischen den Gleichrichtern 4a und 4b und der präzisen Form der Kurve in Abhängigkeit von den Parametern der elektronischen Induktivitäten 32a und 32b.
  • Das oben beschriebene System 30 weist zwei parallel arbeitende Schaltungen aus Gleichrichter/elektronischer Induktivität auf, die eine einzelne Last antreiben. Es ist offensichtlich, dass die Prinzipien der Erfindung auf die Parallelschaltung jeder Anzahl von Schaltungen aus Gleichrichter/elektronischer Induktivität angewendet werden können. Beispielsweise ist 7 ein Blockschaltbild eines Systems, das generell durch das Bezugszeichen 70 angezeigt ist und das drei parallelgeschaltete Schaltungen aus Gleichrichter/elektronischer Induktivität aufweist.
  • Wie in 7 gezeigt ist, weist das System 70 die AC-Versorgung 2, den Inverter 8, die Last 10 und den DC-Link-Kondensator 12 der oben beschriebenen Systeme 20 und 30 auf. Des Weiteren sind ein erster AC/DC-Wandler 72a (der den gesteuerten Gleichrichter 4a und die elektronische Induktivität 32a enthält), ein zweiter AC/DC-Wandler 72b (der den gesteuerten Gleichrichter 4b und die elektronische Induktivität 32b enthält) und ein dritter AC/DC-Gleichrichter 72c (der ein im Wesentlichen gleiches Paar aus gesteuertem Gleichrichter und elektronischer Induktivität enthält) parallel zwischen der AC-Versorgung 2 und dem DC-Link-Kondensator 12 vorgesehen.
  • Das System 70 umfasst des Weiteren ein Steuermodul 74, das zum Steuern der relativen Phasen der Gleichrichter der AC/DC-Wandler 72a, 72b und 72c verwendet wird.
  • Das System 70 kann so ausgeführt sein, dass es eine feste Phasenverschiebung zwischen den AC/DC-Wandlern vorsieht (zum Beispiel kann der zweiten AC/DC-Wandler 72b eine Phasenverschiebung von 15 Grad relativ zu dem ersten AC/DC-Wandler 72a aufweisen und kann der dritte AC/DC-Wandler 72c eine Phasenverschiebung von 30 Grad relativ zu dem ersten AC/DC-Wandler aufweisen). Durch Vorsehen eines Steuermoduls 74 ist es jedoch möglich, unterschiedliche Phasenverschiebungen zu definieren oder sogar zu ermöglichen, dass die Phasenverschiebungen variabel sind in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Systems 70.
  • Das Steuermodul 74 kann des Weiteren die Impulsformung jeder elektronischen Induktivität steuern, die von den AC/DC-Wandlern 72a, 72b und 72c bereitgestellt wird, wie nachstehend beschrieben wird.
  • 8 zeigt den Strom, der bei einer beispielhaften Simulation der Schaltung 70 aus der AC-Versorgung 2 entnommen wird. Der Impuls, der generell durch das Bezugszeichen 80 angezeigt ist, ist dem in 6 gezeigten im Wesentlichen gleich. Der Impuls ist effektiv die Summe von drei gestaffelten Rechteckwellenimpulsen, wobei die Zeitsteuerung der Stufen in dem Impuls abhängig ist von der Phasenverschiebung zwischen den Gleichrichtern der AC/DC-Wandler 72a, 72b und 72c und der präzisen Form der Kurven in Abhängigkeit von den Parametern der elektronischen Induktivitäten der AC/DC-Wandler 72a, 72b und 72c.
  • Da sich die Phasenverschiebung der Ströme relativ zueinander verhalten sollte, kann einer der Gleichrichter ein Diodengleichrichter sein, wobei die anderen gesteuerte Gleichrichter sind. Durch diese Konfiguration können die Gesamtkosten des Systems verringert werden.
  • Das System 70 umfasst die Bereitstellung eines zentralen Steuermoduls 74. Dies ist nicht bei allen Formen der Erfindung unbedingt erforderlich. In dem Fall, in dem eine dynamische Einstellung der Phasenverschiebung nicht erforderlich ist, kann die Phasenverschiebung voreingestellt sein, so dass ein Steuermodul nicht nötig sein kann. Ferner umfasst eine alterative Form der Steuerung, dass die AC/DC-Wandlermodule miteinander statt über das zentrale Steuermodul 74 kommunizieren. Ein Fachmann kennt viele Steuerungsanordnungen, die vorgesehen sein können. Zum Beispiel das Verwenden von willkürlichen Phasenverschiebungswerten für mehrfach unabhängige Antriebssysteme oder das Verwenden von Phasenverschiebungswerten, die auf der Basis von Lastbedingungen und/oder Energiepegeln unter Verwendung einer Lookup-Tabelle bestimmt werden.
  • Obwohl in 3 und 5 nicht gezeigt, ist offensichtlich, dass das System 30 mit einem im Wesentlichen gleichen Steuermodul zum Steuern der relative Phasen der Gleichrichter 4a und 4b und/oder zum Steuern des Schaltens der elektronischen Induktivitäten 32a und 32b versehen sein kann.
  • Es sind Systeme beschrieben worden, die zwei oder drei Parallelschaltungen von Gleichrichtern und elektronischen Induktivitäten aufweisen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind auf jede Anzahl solcher Parallelschaltungen anwendbar. Im Prinzip wird dann, wenn die Anzahl von Parallelschaltungen steigt, die Oberschwingungsverzerrung reduziert. Durch Erhöhen der Anzahl von parallelen elektronischen Induktivitäten können sich jedoch bei einigen Implementierungen der Erfindung die Schaltverluste erhöhen.
  • Das System 70 kann zum Bereitstellen eines modularen Systems verwendet werden, bei dem die Anzahl von parallelen AC/DC-Wandlern, die bei jeder speziellen Anwendung verwendet werden, je nach Erfordernis variiert werden kann. Zum Beispiel können zwei oder mehr parallele AC/DC-Wandler zum Antreiben von Hochleistungslasten verwendet werden, wohingegen ein einzelner AC/DC-Wandler bei niedrigeren Leistungen verwendet werden kann.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf dem parallelen Vorsehen von mehreren Einheiten, um die Oberschwingungsverzerrung, die in eine Energieversorgung eingetragen wird, zu reduzieren. Dieser Effekt wird durch Summieren von Rechteckimpulsen, die gestaffelt sind, um die Gesamt-Oberschwingungskomponente des summierten Impulses zu reduzieren, erzielt.
  • Wie in der früheren Patentanmeldung PCT/IB2014/064925 beschrieben ist, hat der Erfinder erkannt, dass die Oberschwingungskomponenten auch durch Formen der Impulse, die aus einer 3-Phasen-AC-Versorgung entnommen sind, reduziert werden können.
  • 9 zeigt einen Impuls, der generell durch das Bezugszeichen 92 angezeigt ist und der aus der oben beschriebenen 3-Phasen-AC-Quelle 2 entnommen werden kann. Der Impuls 92 kann als Summe eines ersten Impulses 94, eines zweiten Impulses 96 und eines dritten Impulses 98, die ebenfalls in 9 gezeigt sind, modelliert werden.
    Figure DE112015000929T5_0002
  • Der Gesamtimpuls 92 (in) ist einfach die Summe der Impulse 94, 96 und 98 und kann wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure DE112015000929T5_0003
  • Der Impuls 92 ist flexibel und kann durch Steuern der Variablen Idc1, Idc2, α1 und α2 eingestellt werden.
  • Die Größe des Basiseingangsstroms und seine Oberschwingungen können anhand der Gleichung in berechnet werden.
  • Durch mathematisches Ausdrücken spezieller Oberschwingungen ist es möglich, die Variablen der Gleichung (d. h. Idc1, Idc2, α1 und α2) so auszuwählen, dass die Oberschwingungen reduziert (oder sogar eliminiert) werden können. Zum Beispiel können eine oder mehrere der 5. und der 7. Oberschwingung auf null reduziert werden, wie nachstehend diskutiert wird. Durch Manipulieren der Stromimpulse, die aus der AC-Versorgung entnommen werden, um die Oberschwingungen zu reduzieren, kann die Oberschwingungsverzerrung, die in die Energieversorgung eingetragen wird, reduziert werden, ohne dass große DC-Induktivitäten erforderlich sind.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass bei dem oben beschriebenen Beispiel Idc1 und Idc2 beide positiv sind. Dies ist nicht unbedingt erforderlich. Zum Beispiel kann Idc2 negativ sein. Dadurch ergibt sich eine größere Anzahl von Möglichkeiten zum Erzeugen der Stromwellenformen.
  • Die folgenden Gleichungen zeigen, dass wir in der Lage sein können, die 5. und die 7. Oberschwingung zu entfernen und den gewünschten Laststrom zu erzeugen. Die nichtlineare Gleichung sollte jedoch gelöst werden, um einen Referenzstrom für den DC-Strom ausfindig zu machen.
  • Die erste Stufe ist das Feststellen des Basisstromwerts anhand der vorstehenden Gleichung.
    Figure DE112015000929T5_0004
  • Die anderen Gleichungen können auf der Basis der Aufhebung der Oberschwingungen niedriger Ordnung definiert werden:
    Figure DE112015000929T5_0005
  • Das Lösen der ersten Gleichung (i5) würde dazu führen, dass die fünfte Oberschwingung null ist. Das Lösen der zweiten Gleichung (i7) würde dazu führen, dass die siebte Oberschwingung null ist. Das Lösen beider Gleichungen gleichzeitig (wenn dies mathematisch möglich ist) würde dazu führen, dass sowohl die fünfte als auch die siebte Oberschwingung null ist.
  • 10 zeigt weitere Details des Impulses 92 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Impuls 92, der in 10 gezeigt ist, ist so geformt, dass sichergestellt ist, dass Impulse in einem Dreiphasensystem (bei dem drei Impulse in einem Abstand von 120 Grad vorgesehen sind) symmetrisch sind. Der in 10 gezeigte Impuls 92 bietet gewisse mathematische Einschränkungen, die beim Lösen der vorstehend dargelegten Oberschwingungs-Gleichungen verwendet werden können.
  • Der positive Gesamtimpuls 92 ist ein 120-Grad-Impuls. Dies ist ein Erfordernis des 3-Phasen-Gleichrichtungsprozesses, bei dem der Impuls zu verwenden ist (wie oben diskutiert worden ist). Der Impuls 92 weist eine gestufte Form mit zwei symmetrischen Vorsprüngen auf, die in Fig. 10 als 102 und 103 bezeichnet sind. Wie in 10 gezeigt ist, wird die Zeit vom Anfang des Impulses bis zum Anfang des ersten Vorsprungs durch β angegeben, dauert jeder Vorsprung eine Zeit θ, wird die Zeit zwischen den zwei Vorsprüngen durch 2β angegeben und wird die Zeit vom Ende des zweiten Vorsprungs bis zum Ende des Impulses durch β angegeben.
  • Da der Gesamtimpuls eine Dauer von 120 Grad aufweist, kann angegeben werden, dass:
    120 = β + θ + β + β + θ + β = 4β + 2θ
  • Dies kann auf die folgende einfache Einschränkung der oben dargelegten Oberschwingungseliminierungs-Gleichungen reduziert werden: β2 + θ = 60.
  • Durch Steuern der elektronischen Induktivitäten 32a und 32b in dem System 30 zum Entnehmen von Stromimpulsen, wie z. B. des oben beschriebenen Impulses 92, kann die Oberschwingungsverzerrung, die in die AC-Energieversorgung 2 eingetragen wird, noch weiter reduziert werden. Eine solche Impulsformung kann selbstverständlich auch bei den AC/DC-Wandlern 72a, 76b und 72c des Systems 70 angewendet werden.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur beispielhaft dargelegt worden. Ein Fachmann erkennt viele Modifikationen, Veränderungen und Ersetzungen, die durchgeführt werden können, ohne dass dadurch vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die Ansprüche bezüglich der vorliegenden Erfindung decken sämtliche solcher Modifikationen, Veränderungen und Ersetzungen ab, die in das Wesen und den Umfang der Erfindung fallen.

Claims (16)

  1. Lastantriebsschaltung, die umfasst: einen AC/DC-Wandler, eine DC-Link-Stufe und einen Inverter, wobei der AC/DC-Wandler eine Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen umfasst, die zwischen einer AC-Versorgung und der DC-Link-Stufe parallelgeschaltet sind, und der Inverter einen Eingang, der mit der DC-Link-Stufe gekoppelt ist, und einen Ausgang zu Antreiben einer Last aufweist, wobei jede der AC/DC-Wandlerstufen umfasst: einen 3-Phasen-Gleichrichter, der einen Eingang aufweist, welcher mit der AC-Versorgung gekoppelt ist, wobei die Gleichrichter so angeordnet sind, dass die Gleichrichtung zumindest einiger der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen gestaffelt ist; und eine Diode, die so ausgeführt ist, dass sie verhindert, dass Strom, der von dem Gleichrichter der AC/DC-Wandlerstufe entnommen wird, über den Gleichrichter einer anderen AC/DC-Wandlerstufe zu der AC-Versorgung zurückkehrt.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, die ferner ein erstes Steuermodul umfasst, das zumindest mit einigen der Gleichrichter gekoppelt ist, um die Zeitsteuerung der Gleichrichtung zumindest einiger der parallelgeschalteten AC/DC-Wandler zu steuern.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Zeitsteuerung der Gleichrichtung zumindest einiger der Gleichrichter der parallelgeschalteten AC/DC-Wandler einstellbar ist.
  4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest einige der Gleichrichter thyristorbasierte Gleichrichter sind.
  5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der AC/DC-Wandlerstufen ferner eine elektronische Induktivität mit einem Eingang aufweisen, der mit dem Gleichrichter gekoppelt ist, und die so ausgeführt sind, dass sie die Spannung und/oder den Strom steuern, die/der von dem jeweiligen Gleichrichter aus der AC-Versorgung entnommen wird.
  6. Schaltung nach Anspruch 5, wobei jede elektronische Induktivität einen ersten Anschluss aufweist, der mit einem ersten Anschluss der DC-Link-Stufe und mit einem ersten Eingang des Inverters gekoppelt ist, und jede Diode eine Kathode, die mit einem zweiten Anschluss der jeweiligen elektronischen Induktivität verbunden ist, und eine Anode aufweist, die mit einem zweiten Anschluss der DC-Link-Stufe und mit einem zweiten Eingang des Inverters verbunden ist.
  7. Schaltung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei jede elektronische Induktivität so gesteuert wird, dass im Wesentlichen Rechteckwellen-Stromimpulse von dem jeweiligen Gleichrichter aus der AC-Versorgung entnommen werden.
  8. Schaltung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei jede elektronische Induktivität so gesteuert wird, dass Stromimpulse, die von den jeweiligen Gleichrichtern aus der AC-Versorgung entnommen werden, jeweils ein gestuftes Profil aufweisen.
  9. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, die ferner ein zweites Steuermodul zum Steuern der elektronischen Induktivitäten umfasst.
  10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen unwirksam gemacht werden können.
  11. Verfahren, das das Steuern einer Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen, die zwischen einer 3-Phasen-AC-Versorgung und einer DC-Link-Stufe einer Lastantriebsschaltung parallelgeschaltet sind, umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Steuern der Gleichrichtung der AC-Versorgung durch die parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen, das das Steuern der Gleichrichtungs-Zeitsteuerung so umfasst, dass die Gleichrichtung zumindest einiger der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen gestaffelt ist; und Verhindern, dass Strom, der bei einer Gleichrichtung durch eine AC/DC-Wandlerstufe entnommen wird, über die andere AC/DC-Wandlerstufe zu der AC-Versorgung zurückkehrt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Steuern der Gleichrichtung das Steuern der Spannung und/oder des Stroms, die/der bei der Gleichrichtung aus der AC-Versorgung entnommen wird, umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Gleichrichtung so gesteuert wird, dass bei der Gleichrichtung im Wesentlichen Rechteckwellen-Steuerimpulse aus der AC-Versorgung entnommen werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Gleichrichtung so gesteuert wird, dass bei der Gleichrichtung gestufte Stromimpulse aus der AC-Versorgung entnommen werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Gleichrichtungs-Zeitsteuerung von zumindest einigen der Gleichrichter der parallelgeschalteten AC/DC-Wandlerstufen einstellbar ist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, das ferner das Wirksammachen oder das Unwirksammachen zumindest einiger der Vielzahl von AC/DC-Wandlerstufen umfasst.
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