DE19617048C1 - Verfahren zur Energierückspeisung für Puls-Umrichter mit Spannungs-Zwischenkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Puls-Umrichters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur verlustarmen Leistungsregelung von elektrischen Verbrauchern, insbeson­ dere elektromotorischen Antrieben, werden immer häufiger statische Umrichter eingesetzt.

Die grundsätzliche Wirkungsweise eines Umrichters besteht darin, daß ein zur Verfügung stehender Wechselstrom in einem Gleichrichter (Netzstromrichter) in einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung umgewandelt wird, der anschlie­ ßend in einem Wechselrichter (Maschinenstromrichter) in einen Wechselstrom mit anderen Parametern (Strom, Spannung, Frequenz) umgewandelt wird. Je nachdem ob der Strom oder die Spannung in diesem Zwischenkreis beeinflußt wird, spricht man von einem Strom- bzw. Spannungszwischenkreis.

Zur verbraucherunabhängigen Bereitstellung eines bedarfsgerechten Wechsel­ stromes hat sich der Umrichter mit Spannungszwischenkreis besonders bewährt. Er ist einer Wechselspannungsquelle am ähnlichsten.

Der Netzstromrichter von Spannungszwischenkreis-Umrichtern besteht meist aus einer ungesteuerten Diodenbrücke, die nur in einer Richtung, bei motorischem Betrieb des Antriebs vom Netz zum Verbraucher, Energie übertragen kann. Wird der Antrieb durch die Last getrieben, tritt also generatorischer Betrieb auf, so muß der Umrichter so ausgestattet werden, daß die Energie aus dem Zwischenkreis abgeführt werden kann.

Das erfolgt üblicherweise entweder durch einen Brems-Chopper, der die rück­ gespeiste Energie gepulst über einen Widerstand in Wärme umsetzt oder durch Rückspeisung der anfallenden Energie ins Netz.

Es sind mehrere Möglichkeiten zur Rückspeisung der Bremsenergie bekannt:
Die erste Möglichkeit besteht in der kreisstrombehafteten Antiparallelschaltung eines netzgeführten ungesteuerten Stromrichters und eines gesteuerten Stromrichters. Der ungesteuerte (Netz-)Stromrichter entnimmt bei motorischem Betrieb des Umrichters Leistung aus dem Netz, während der gesteuerte (Netz-) Stromrichter bei generatorischem Betrieb Leistung ins Netz zurückspeist. Beide Stromrichter sind durch einen Trenntransformator und Drosselspulen entkoppelt. Diese Anordnung ist für einen schnellen Richtungswechsel geeignet.

Die Nachteile bestehen insbesondere in der großen Blindleistung des netz­ geführten Wechselrichters, die bei größerer Leistung eine Kompensationsanlage erforderlich machen. Weiterhin bedingt diese Variante eine große Masse, großes Volumen und zusätzliche Kosten für den Transformator und die Drosseln.

Eine zweite Möglichkeit besteht in der kreisstromfreien Antiparallelschaltung von zwei netzgeführten gesteuerten Stromrichtern. Bei Wechsel zwischen moto­ rischem und generatorischem Betrieb des Umrichters wird der jeweils nicht be­ nötigte Netzstromrichter gesperrt. Diese Variante eignet sich ausschließlich für einen langsameren Richtungswechsel des Energieflusses, da die Dynamik auf­ grund der Totzeit netzgeführter Stromrichter eingeschränkt ist. Weitere Nachteile bestehen in dem höheren Aufwand von Informations-und Leistungselektronik.

Eine dritte Möglichkeit der Energierückspeisung in das Netz bietet der Puls­ stromrichter in der Ausführung als Vierquadrantensteller mit sinusförmig geregel­ tem Netzstrom.

Der Nachteil dieser Ausführungsvariante besteht in dem sehr hohen Aufwand und den Kosten für die Informationselektronik (Steuerung der Stromrichter) gemessen an der übertragbaren Leistung durch den Leistungsteil.

In der DE 43 19 254 A1 wird ein gattungsgemäßer Umrichter mit einem Gleichspannungs- Zwischenkreis beschrieben, der rückspeisefähig ist. Der Netzstromrichter enthält eine Brückenschaltung aus Transistoren, wobei eine der beiden Brückenhälften gesperrt wird, wenn der Rückspeisestrom einen Schwellwert übersteigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren zur Energie­ rückspeisung bei Pulsumrichtern mit Spannungszwischenkreis zu schaffen, die das die Nachteile der bekannten Einrichtungen insbesondere bei Geräten kleiner Leistung vermeidet. Die Netzrückwirkungen sollen bezüglich des Grund­ schwingungsblindstromes verringert werden, wobei der Aufwand an informations­ elektronischen Mitteln gering zu halten ist und der leistungselektronische Auf­ wand gegenüber den bekannten Lösungen reduziert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Netzgleichrichter des Puls-Umrichters mit Spannungs-Zwischenkreis besteht aus einer aus sechs IGBT bestehenden IGBT-Brücke sowie einer Diodenbrücke. Die ungesteuerten Dioden übertragen die Energie aus dem Netz in den Zwischenkreis und von dort über den Maschinenstromrichter zum Antrieb, während die gesteuerten Ventile der IGBT-Brücke die Rückspeisung der Energie vom Antrieb zum Netz gewährleisten. Die drei auf positivem Gleichspannungs­ potential liegenden IGBT′s der IGBT-Brücke werden stromunabhängig stets netz­ synchron, jeweils für eine Zeitdauer von 120° der Netzspannung, durch an sich bekannte Einrichtungen aufgesteuert. Die drei auf negativem Gleich­ spannungspotential liegenden IGBT′s werden nur dann, ebenfalls netzsynchron, aufgesteuert, wenn durch Energierückspeisung aus dem Maschinenstromrichter die Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator über einen eingestellten ersten Ansprechwert ansteigt. Diese IGBT′s werden bei Über­ schreiten eines voreingestellten Stromwertes kurzzeitig gesperrt um den Strom­ fluß vom Maschinenstromrichter über den Zwischenkreis zum Netz zu unter­ brechen. Bei Absinken der Zwischenkreisspannung unter einen zweiten Ansprechwert erfolgt keine Aufsteuerung dieser IGBT′s mehr.

Die Schaltungsanordnung dient der Realisierung des Ver­ fahrens nach Anspruch 1. Der Netzgleichrichter ist über eine Netzdrossel mit dem Netz verbunden. Der Netzgleichrichter besteht aus einer Brückenschaltung von sechs Dioden, denen jeweils ein IGBT antiparallel geschaltet ist. Jeweils der Kollektor der ersten drei IGBT′s ist mit der positiven Schiene des Netzgleich­ richters und die Emitter der zweiten drei IGBT′s sind mit der negativen Schiene verbunden. Der Zwischenkreis besteht aus einem Kondensator, dem der Maschinenstromrichter nachgeordnet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den rückbezogenen Ansprüchen 2 und 3 zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Prinzipschaltung des Netzstromrichters

Fig. 2 Darstellung der Zündpunkte und Leitdauern der IGBT′s und der zugehörigen Spannungen.

In der Fig. 1 wird die Schaltungsanordnung eines Netzstromrichters mit der Möglichkeit einer einfachen Energierückspeisung dargestellt. Als Netzstromrichter 2 wird eine Brückenschaltung bestehend aus sechs IGBT V1 bis V6 eingesetzt. Ein solcher IGBT-Block wird üblicherweise im Maschinenstromrichter eines Um­ richters verwendet. Parallel zu jedem IGBT V1 bis V6 ist eine Diode D1 bis D6 in entgegengesetzter Durchlaßrichtung angeordnet. In der vorliegenden Ausführung wird ein handelsüblicher IGBT-Block verwendet, der aus sechs IGBT′s V1 bis V6 mit jeweils parallelgeschalteter Diode D1 bis D6 besteht. Da die in den IGBT- Blöcken verwendeten Dioden eigentlich nur als Freilaufdioden ausgelegt sind, werden auftretende Stromspitzen nicht immer beherrscht. Zur Verbesserung des Stoßstromverhaltens am Netz wird parallel zu den Dioden D1 bis D6 eine Dioden­ brücke 1 bestehend aus sechs Netzdioden N1 bis N6 geschaltet. Die Ankopplung der Diodenbrücke 1 an den Netzstromrichter 2 erfolgt über eine strom­ kompensierte Drossel LK.

Bei motorischem Betrieb des Antriebs, bei einem Energiefluß vom Netz in den Spannungszwischenkreis 3, der aus einem Zwischenkreiskondensator C besteht, und′ den sich anschließenden Maschinenstromrichter 4 sind die ungesteuerten Ventile D1 bis D6 sowie die Netzdioden N1 bis N6 in der Reihenfolge leitend, die der natürlichen Kommutierung bei Gleichrichtung entspricht. Die anti­ parallelgeschalteten steuerbaren Ventile V1, V3, V5 sind während der natürlichen (theoretischen) Leitdauer der Netzdioden N1 bis N6 durch eine geeignete Steuereinrichtung entsprechend Fig. 2 netzsynchron, für jeweils 120°, leitend geschaltet. Da die IGBT′s V1, V3, V5 den Strom nur in einer Richtung führen können, bei der gewählten Schaltung entgegengesetzt der Stromrichtung in den Netzdioden N1, N3, N5, sind die IGBT′s V1, V3, V5 im motorischen Betrieb des Umrichters nicht an der Stromführung beteiligt.

Die IGBT′s V2, V4, V6 sind nicht leitend geschaltet, so daß auch diese im motorischen Betrieb des Umrichters nicht an der Stromführung beteiligt sind. Die IGBT′s V1, V3, V5 sind mit der positiven Schiene und die IGBT′s V2, V4, V6 sind mit der negativen Schiene des Gleichrichterblocks verbunden.

Steigt durch Energierückspeisung vom Antrieb über den Maschinenstromrichter 4 die Spannung U_zK im Zwischenkreis an, so werden die IGBT′s V2, V4, V6 durch eine geeignete Steuereinrichtung entsprechend Fig. 2 netzsynchron leitend geschaltet, wodurch sich, entsprechend den augenblicklichen Spannungs­ verhältnissen im Zwischenkreis in Bezug zur Netzspannung U_N, ein Stromfluß über die in beschriebener Weise angesteuerten Ventile V1 bis V6 vom Zwischen­ kreis ins Netz ergibt. Die Netzdioden N1 bis N6 sowie die Dioden D1 bis D6 sind nicht an dieser Stromführung beteiligt.

Die Stromumkehr ergibt sich somit ohne aufwendige steuerungstechnische Eingriffe entsprechend den Spannungsverhältnissen. Dieses Verfahren der Ansteuerung der IGBT′s, daß die IGBT′s V1, V3, V5 immer netzsynchron auf­ gesteuert sind, unabhängig von der Stromrichtung und eine Aufsteuerung der IGBT′s V2, V4, V6 nur dann erfolgt, wenn eine Energierückspeisung erfolgen soll, hat zwei wesentliche Vorteile.

Da die stromrichtungsabhängig gesteuerten Ventile V2, V4, V6 auf negativem Gleichspannungspotential liegen, ist eine einfache Ansteuerung dieser IGBT′s möglich. Da die auf positivem Gleichspannungspotential liegenden Ventile stromunabhängig, ausschließlich spannungsabhängig und netzsynchron ge­ steuert werden, ist auch die Ansteuerung dieser IGBT′s einfach zu realisieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß beim "Abschalten" der IGBT′s V2, V4, V6 während des Stromflusses durch das jeweilige Ventil eine Kommutierung des Stromes über das entsprechende Ventil V1, V3, V5, und die entsprechende Diode D1, D3, D5 sowie die Netzdrossel L_N und das Netz erfolgt. Würde man gleichzeitig das entsprechende Ventil V1, V3, V5 "abschalten", würde die Kommutierung über den Zwischenkreis 3 erfolgen und eine ungewollte Aufladung des Zwischenkreiskondensators C bewirken.

Eine vorteilhafte Ausführung der beschriebenen Rückspeiseeinrichtung besteht in der spannungsabhängigen Regelung der Rückspeisung, wobei eine Rück­ speisung nur erfolgen soll, wenn die Zwischenkreisspannung U_zK eine vor­ gewählte Größe U_zK1 erreicht hat. Bei dieser voreingestellten Spannung U_zK1 setzt die Steuerung der steuerbaren Ventile V2, V4, V6 in der oben beschriebenen Weise ein, wodurch eine Energierückspeisung bei gleichzeitiger Verringerung der Zwischenkreisspannung U_zK erfolgt. Bei einer zweiten gerin­ geren Spannung U_zK2 wird die Steuerung der steuerbaren Ventile und damit die Rückspeisung unterbrochen. Auf diese Weise wird während der Rückspeisung aus dem Wechselrichter die Zwischenkreisspannung U_zK in den genannten Ansprechgrenzen U_zK1 und U_zK2 konstant gehalten sowie der ins Netz zurück­ gespeiste Strom trotz einer größeren Differenz zwischen (gleichgerichteter) Netz­ spannung und Zwischenkreisspannung auf eine zulässige Größe begrenzt. Die Wechselspannungsamplitude der Zwischenkreisspannung U_zK und die Strompulse bei Netzrückspeisung sind durch die gewählten Spannungsgrenzen U_zK1 und U_zK2 sowie die Dimensionierung der Kommutierungsinduktivität der Netzdrossel L_N bestimmbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Rückspeiseeinrichtung läßt die Rück­ speisung nicht bei einer festen Zwischenkreisspannung U_zK1 beginnen, was bei sehr geringen Netzspannungen U_N zu großen Differenzen zwischen Netz­ gleichrichterspannung und Zwischenkreisspannung U_zKführt, sondern von einer festgelegten Differenz ΔU_zK zwischen Netzspannung U_N und Zwischen­ kreisspannung U_zK. Damit bleibt der rückgespeiste Strom unabhängig von der jeweiligen Netzspannung U_N.

Werden die steuerbaren Ventile V1 bis V6 über Zündmodule mit integrierter Überstromlöschung der Ventile angesteuert, so werden die Ventile in Fehlerfällen schnell abgeschaltet und damit ohne Abschmelzen von Sicherungen geschützt.

In der Fig. 2 sind die Spannungen und die Zündzeitpunkte sowie -dauern der IGBT′s dargestellt. Die IGBT′s V1, V3, V5 werden, unabhängig von der Höhe der Zwischenkreisspannung U_zK und der Stromrichtung, netzsynchron für jeweils 120° aufgesteuert. Es fließt ein Strom vom Netz in Richtung Maschinen­ gleichrichter. Übersteigt die Zwischenkreisspannung U_zK zum Zeitpunkt t1 den Ansprechwert U_zk1, durch Rückspeisung von Energie aus dem Maschinen­ stromrichter 4 in den Zwischenkreis 3, wird der zuständige IGBT V2 für die Rest­ dauer der theoretischen Leitdauer gezündet, bis der Strom auf den IGBT V4 kommutiert. Sinkt die Zwischenkreisspannung U_zK zum Zeitpunkt t2 unter den unteren Ansprechwert U_zk2, so wird der Stromführende IGBT V6 gelöscht. Der seit dem Zeitpunkt t1 fließende Rückstrom wird unterbrochen. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 fließt wieder ein Vorwärtsstrom in Richtung Antrieb. Zum Zeitpunkt t3 übersteigt die Zwischenkreisspannung U_zK wieder den eingestellten Ansprechwert U_zK1 und es wird der IGBT V4 gezündet. Übersteigt der am Shunt S gemessene, hier nicht dargestellte Rückstrom I zum Zeitpunkt t4 einen ein­ gestellten Wert, so wird zum Schutz der IGBT′s der Strom I durch kurzzeitiges "Abschalten" des Stromführenden IGBT V6 unterbrochen. Zum Zeitpunkt t5 wird der IGBT V6 wieder eingeschaltet ist der Strom I unter den eingestellten Abschaltwert gesunken, wird der Strom durch den IGBT V6 wieder übernommen und kommutiert dann auf den IGBT V2.

Claims (3)

1. Verfahren zur Steuerung eines Puls-Umrichters, der aus einem Netzstromrichter (2), einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) und einem lastseitigen Stromrichter (4) besteht, mit der Möglichkeit der Energierückspeisung ins Netz, unter Verwendung einer aus sechs IGBT (V₁ - V₆) bestehenden IGBT- Brücke sowie einer dazu antiparallelen Diodenbrücke (D₁ - D₆) des Netzstromrichters (2), wobei die drei mit dem positiven Pol des Gleichspannungs- Zwischenkreises (3) verbundenen IGBT′s (V1, V3, V5) unabhängig von den drei mit dem negativen Pol verbundenen IGBT′s (V2, V4, V6) angesteuert werden und letztere bei Überschreiten eines voreingestellten Stromwertes (I) kurzzeitig gesperrt werden, um den Stromfluß vom lastseitigen Stromrichter (4) über den Zwischenkreis (3) zum Netz zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, daß die drei mit dem positiven Pol verbundenen IGBT′s (V1, V3, V5) des Netzstromrichters (2) stromunabhängig stets netzsynchron, jeweils für eine Zeitdauer von 120° der Netzspannung, durch an sich bekannte Einrichtungen aufgesteuert werden, während die drei mit dem negativen Pol verbundenen IGBT′s (V2, V4, V6) nur dann, ebenfalls netzsynchron, aufgesteuert werden, wenn durch Energierückspeisung aus dem lastseitigen Stromrichter (4) die Zwischenkreisspannung (U_zK) an einem Zwischenkreiskondensator (C) über einen eingestellten ersten Ansprechwert (U_zK1) ansteigt und gleichzeitig der voreingestellte Stromwert (I) nicht überschritten wird, und bei Unterschreiten eines eingestellten zweiten Ansprechwertes (U_zK2) eine Aufsteuerung dieser IGBT′s (V2, V4, V6) unterbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsteuerung der IGBT′s (V2, V4, V6) in Abhängigkeit von einer festgelegten Differenz (ΔU_zK) zwischen Netzspannung (U_N) und Zwischenkreisspannung (U_zK) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenschaltung von sechs Dioden (D1 bis D6) über eine stromkompensierte Drossel (LK) eine weitere Diodenbrücke (1), bestehend aus sechs Netzdioden (N1 bis N6), parallelgeschaltet ist.