DE19832226A1 - Vierquadrantenumrichter für mittlere und höhere Spannungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Umrichter für einen Vier-Quadranten-Betrieb für mittlere und höhere Eingangs- und Ausgangsspannungen. Die Entwicklung auf dem Sektor der Umrichter gewinnt bei der weiteren Erhöhung ihrer Leistungsdichte und Leistungsfähigkeit zunehmend an Bedeutung. Der Trend zu immer höheren Eingangs-, Arbeits- und/oder Ausgangsspannungen bei Umrichtern der Leistungsklasse ist erkennbar. DOLLAR A Es wird ein Vierquadrantenumrichter für ein- und mehrphasige Verbraucher zur Erzeugung von amplituden- und frequenzvariablen Ausgangsgrößen vorgestellt, der aus einer dreiphasigen Quelle (W¶R¶, W¶S¶, W¶T¶) eines Trenntransformators gespeist wird und aus einem Mehrfachen einer Einphasenumrichterzelle besteht. DOLLAR A Die Einphasenumrichterzellen sind in ihren Ausgängen in Reihe zur Erzeugung hoher einphasiger Spannungen geschaltet und können durch Parallelschalten von drei Reihen und durch Verbinden über Sternpunkt- bzw. Dreieckschaltung der entsprechenden Ausgänge zur Herstellung von Drehstrom ausgeführt sein.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Umrichter für einen Vier- Quadranten- Betrieb für mittlere und höhere Spannungen nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Umrichter sind mehrfach aus der Literatur bekannt. Die Entwicklung auf dem Sektor der Umrichter gewinnt bei der weiteren Erhöhung ihrer Leistungsdichte und Leistungsfähigkeit zunehmend an Bedeutung. Insbesondere ist der Trend zu immer höheren Eingangs-, Arbeits- und/oder Ausgangsspannungen bei Umrichtern der Leistungsklasse erkennbar.

In US 5,625,545 wird ein den Stand der Technik entsprechender und mit der eigenen Zielstellung vergleichbarer Umrichter vorgestellt. Bei Umrichtern nach dieser Veröffentlichung ist jedoch kein Vier-Quadranten-Betrieb möglich. Für einseitige Energieflußrichtungen, wie das beispielhaft bei Förderpumpen gegeben ist, ist eine solche Schaltung sehr sinnvoll anwendbar, wobei sehr große Zwischenkreiskondensatoren erforderlich sind.

Der Vier-Quadranten-Betrieb von Umrichtern wird in DE 40 26 955 C2 hinlänglich beschrieben. Dargestellt wird dort der gesamte Zusammenhang der Gestaltung von Umrichtern für ein- und mehrphasige-Versorgungsspannungen und ein- und mehrphasige Verbraucher, auch im Vier- Quadranten- Betrieb. Alle solchen Umrichtern zuzuordnenden Merkmale sind dort aufgezählt. Die Anwendung dieser Prinzipien endet mit Spannungsbereichen, die maximal als Sperrspannung der einzelnen Leistungsschalter der zwei in Reihe geschalteten Halbleiter­ schalter gegeben sind. Für die eigene Aufgabenstellung sind solche Arbeitsbereiche nicht interessant, wenn auch nach deren Prinzipien solche Umrichter aufgebaut werden können.

Von S. Malik und D. Kluge wird in der Zeitschrift ABB -Technik 2/98 ein Drehstromantrieb für den Mittelspannungsbereich bis zu 6.900 Volt vorgestellt, der den Stand der Technik auf dem Gebiet der eigenen Aufgabenstellung darstellt. Über einen Isolationstransformator wird die Eingangsspannung für eine für den Zweiquadrantenbetrieb geeignete Dioden- Eingangs­ brücke bereitgestellt. Über einen dreistufigen Spannungszwischenkreisinverter wird die Ausgangsspannung für die Last formatiert.

M. Spitz stellt in der Zeitschrift "engineering & automation" 2/98 in einem Beitrag "Innovation im Bereich Mittelspannungsantriebe" einen dem Stand der Technik entsprechenden Umrichter, der für einen Vier- Quadranten- Betrieb geeignet ist, vor. Solche Umrichter sollen für die genormten Mittelspannungen 2,3 kV, 3,3 kV, 4,16 kV und später auch für 6,9 kV geeignet sein und Ausgangsleistungen von 4 MVA erbringen. Im Aufbau besitzt diese Ansteuertechnik einen Eingangsstromrichter, der aus den Sekundärwicklungen des Trenntransformators gespeist wird und der im Bremsbetrieb eine Energierückspeisung ins Netz ermöglicht.

Das Anliegen der eigenen Aufgabenstellung besteht in der Gestaltung von Umrichteraus­ führungen für solch hohe-Spannungen, die durch hochsperrende Einzelschaltungen nach dem Stand der Technik nicht mehr ermöglicht werden können.

Die eigenen Erfahrungen als Stand der Technik haben zu hochsensiblen und sehr leistungsstarken Umrichtern mit Überlastschutz und hervorhebenswerten Ansteuerprogrammen der Ansteuertechnik geführt. Diese Erfahrungen sollen in der vorliegenden Erfindung voll genutzt werden.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Vierquadrantenumrichter für mittlere und höhere Spannungen darzustellen, der zur Erzeugung von amplituden- und frequenzvariablen Ausgangsgrößen geeignet ist.

Die Aufgabe wird bei Umrichtern der dargestellten Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Erfindungsgemäß wird ein für hohe Spannungen geeigneter Umrichter durch eine Reihenschaltung aus hier sogenannten "Zellen" dargestellt. Diese Zellen können bei Drehstrom über eine Sternpunktschaltung oder eine Dreieck- Schaltung aus Transformator- Sekundärwicklungen elektrisch versorgt werden. Eine ausgangsseitige Mehrphasigkeit wird durch entsprechende schaltungstechnische Verknüpfung erreicht.

Die auf solch einer Grundlage gebildeten Umrichter sind vielfältig darstellbar und somit vielseitig einsetzbar. So kann bei einreihiger Aufbauweise aus einer Drehstromversorgung Hochspannungs- Gleichstrom erzeugt werden und in umgekehrter Weise nach der Übertragung wiederum Drehstrom mittels eines gleichartigen Umrichters erzeugt werden, wobei Frequenz und Amplitude frei wählbar sind.

Erfindungsgemäße Umrichter können als Gleichrichter für Netz- oder Mittelhochspannungen für die Versorgung von Gleichstrommotoren arbeiten, jedoch im Bremsbetrieb als Generator rückspeisungsfähigen Strom in die Versorgungsleitung zurückspeisen, wenn eine-oder zwei Zellenreihen in der Umrichterschaltung aufgebaut wurden.

Bei Aufbau von drei parallelen Zellenreihen sind Schaltungsanordnungen herstellbar, die als Drehstrom-Drehstrom-Umrichter bei drehzahlgesteuerten Antrieben mit Asynchron- oder Synchronmotoren ohne Begrenzung der Eingangsspannung für Motoren arbeiten.

Sehr vorteilhaft ist die Anwendung der erfinderischen Lösung eines dreireihigen Zellenaufbaus als Drehstrom-Drehstrom-Umrichter zur Erzeugung bzw. zum direkten Verbinden von Versorgungsnetzen mit unterschiedlicher Frequenz, wie sich das beispielhaft bei dem Übergang vom 50 Hertz- zum 60 Hertz-Netz oder umgekehrt darstellt.

Nachfolgend werden die Erfindungsgedanken an Hand von skizzenhatten Darstellungen in den Fig. 1 bis 3 näher erläutert:

Fig. 1 erläutert einen Vierquadrantenumrichter nach dem Stand der Technik als Zelle.

Fig. 2 skizziert eine erfindungsgerechte einreihige Anordnung von-Zellen als Beispiel für die Erzeugung einer Summenspannung durch Reihenschaltung von Zeilen.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung für einen dreiphasigen Ausgang.

Fig. 1 erläutert einen Vierquadrantenumrichter nach dem Stand der Technik als Zelle. Diese Zelle ist der Grundbaustein für die erfinderische Lösung der Aufgabe. Zwischen der Quelle in Form einer Drehstrom- Versorgung (U_R, U_S, U_T) und Drehstrombrücke sind je Phase Drosseln (L_σR, L_σS, L_σT) als induktive Lasten vorgesehen.

Eingangseitig ist der Umrichter als bidirektionaler Gleichrichter aufgebaut. Dazu sind sechs Leistungsschalter in Form von MOSFET oder IGBT (T1 bis T6) mit antiparallelen Dioden als Freilaufdioden (D1 bis D6) aufgebaut. Über die Regler der Ansteuerung wird die Zwischenkreisspannung an den Kondensatoren (Cdc) des Zwischenkreises konstant gehalten.

Der Zwischenkreis besteht aus einer untereinander eng benachbarten flächigen Verschienung mit den in zwei Reihen aufgebauten Kondensatoren (Cdc). Die Dimensionierung dieses Zwi­ schenkreises sorgt in jeder Betriebsphase für eine genügend große Reserve, so daß in beiden Richtungen ein sinusförmiger Ausgang von Strom und Spannung gewährleistet werden kann.

Der ausgangsseitige Wechselrichter besteht aus einer H-Brücke mit vier Leistungsschaltern (Ta, Tb, Tc, Td) in Form von Leistungshalbleiterbauelementen der Typen IGBT oder MOSFET und antiparallel eingebauten Freilaufdioden (Da, Db, Dc, Dd). Die Ausgänge des Umrichters (L und K) liefern die in Frequenz und Spannung durch die Ansteuerung modulierte sinusförmige einphasige Ausgangsspannung.

Fig. 2 skizziert eine erfindungsgerechte einreihige Anordnung von Zellen als Beispiel für die Erzeugung einer Summenspannung durch Reihenschaltung von n Zellen. Die dargestellten Zeilen werden durch die Sekundärwicklungen des Drehstrom- Transformators (TR) versorgt. Durch Reihenschaltung eines Vielfachen von Zellen können aus einer Energiequelle mit den dreiphasigen Eingängen und der Frequenz und Spannung der Sekundärwicklungen dieses Trenntransformators (TR) Energien als einphasige Ausgänge mit einer beliebig hohen, durch die Anzahl (n) der in Reihe geschalteten Zellen bestimmten Spannung zwischen den Schaltpunkten K₁ und L_N(wobei n eine natürliche Zahl darstellt) mit einer beliebig eingestellten Frequenz gewonnen werden. Schaltungstechnisch werden die Ausgänge L1 mit K2 und L2 mit K3 usw. verbunden.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung für einen dreiphasigen Ausgang. Aufbauten nach Fig. 2 können beispielhaft in drei Reihen, verbunden über eine Sternschaltung, einen dreiphasigen Wechselstrom (der Reihen A, B, C) mit beliebig eingestellter Frequenz und beliebig, durch die Anzahl n der in Reihe geschalteten Zellen, hoher Spannung liefern. Eingangsseitig ist es möglich, eine Mittel- Spannung (R, S, T) über entsprechende Primärwicklungen (Reihenschaltung TR1 bis TRN) bereitzustellen.

Jeder Teil der Primärwicklungen (TR1 bis TRN) wird sekundärseitig mit drei Wicklungen gekoppelt, so daß für drei Phasen je eine Zelle versorgt wird. Als Mittelspannungs- Frequenzumrichter sind die drei Phasen der Sekundärseite in Sternschaltung verbunden. Die Lastausgänge werden in den drei Reihen A, B und C durch die Anschlüsse Ka1, Kb1 und Kc1 gebildet. Die Ausgänge KaN, KbN und KcN sind Sternpunkt der sekundärseitigen Schaltung.

Zur Veranschaulichung der Dimensionierung eines solchen Umrichters wird beispielhaft aufgezeigt, daß mit den Mitteln des Standes der Technik nur wesentlich kostenungünstigere oder überhaupt keine Lösungen dieser Problematik realisiert werden können.

Unterschiedliche Mittelspannungsnetze erfordern eine unterschiedliche Anzahl von Primärwicklungen (W_R; W_S; W_T), jede der drei Wicklungen ist für eine Spannung von 660 V_eff geeignet. Dazugehörig besitzen die drei Wicklungen sekundärseitig ein Spannungspotential von 400 V_eff, eingangsseitig werden beispielhaft IGBT mit einer Sperrspannungsbelastbarkeit von 1.200 Volt eingesetzt. Es wird eine Zwischenkreis- Gleichspannung von 850 Vds erreicht.

Bei Sternschaltung der Sekundärwicklungen sind bei sonst gleichen Voraussetzungen 1,3 kV Zwischenkreisspannung aufbaubar. Bei Einsatz von Halbleiterschaltern mit einer Sperrspannungsbelastbarkeit von 1.700 Volt sind Ausgangsspannungen von bis zu 1.100 Volt bei variablen und einstellbaren Frequenzen erreichbar.

Die ausgangsseitig einphasige Zelle erzeugt amplituden- und frequenzvariable Ausgangsspannungen von 0 bis zu 660 V_eff. Bei Sternschaltung nach Fig. 3 die Netz- bzw. Motorleistung 3 X n (Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen) X Zellenleistung. In Dreieckschaltung benötigt man 1,732 mal mehr Zellen, entsprechend wächst die Leistung.

Die erfinderische Lösung hat den Vorteil, daß die konventionellen Ansteuerungen durch Treiber mit Schutzfunktionen und Regler adaptiert werden können.

Durch die Erfindung ist es möglich, eine bidirektionale Umformung von Eingangsgrößen zu Ausgangsgrößen ohne obere Spannungsbegrenzung vorzunehmen. Durch den Vierquadrantenbetrieb ist eine verlustarme Rückspeisung in das Versorgungsnetz möglich. Eine sinusförmige Netzstromaufnahme ist dabei durch ein Hochfrequenz- Pulsverfahren der Leistungsschalter im Gleichrichterbereich deshalb möglich, weil mit versetzten Taktzeiten innerhalb der einzelnen Zellen und der Zellen untereinander gearbeitet werden kann.

Es kann ein Eingangsleistungsfaktor von 0,99 bei einem Grundschwingungsleistungsfaktor von eins und bei einem Stromoberwellenanteil von kleiner als 2% erreicht werden. Somit erübrigen sich zusätzliche Eingangsnetzfilter. Der Faktor für den Wirkungsgrad einer erfinderischen Umrichtereinheit beträgt 0,97.

Es treten bei dem Betrieb einer solchen Umrichtereinheit geringe Durchlaßspannungs- und Schaltverluste auf. Durch versetzte Taktzeiten und hohe Pulsfrequenzen werden nahezu sinusförmige Ausgangsspannungen erreicht. Niedrige zeitliche Spannungsänderungen (kleine Werte von ^dV/_dt) in der Lastansteuerungsspannung sind realisierbar, weshalb Spannungsfilter am Lastausgang überflüssig sind.

Sehr vorteilhaft ist die galvanische Trennung der Eingangs- und Ausgangsgrößen durch den Einsatz der beschriebenen Trenntransformatoren. Es sind keine negativen Eigenschaften durch einen Mittel- und Hochspannungsbetrieb gegenüber den konventionellen Niederspannungs­ antrieben gegeben, denn sowohl im Drehmoment- als auch im Drehzahlverhalten sind gleichartige Betriebsweisen in Relation zu konventionellen Niederspannungsantrieben möglich.

Claims (5)

1. Vierquadrantenumrichter für mittlere und höhere Drehstrom- Versorgungsspannungen aus entsprechenden Sekundärwicklungen eines bzw. mehrerer Trenntransformatoren zur Erzeugung von amplituden- und frequenzvariablen Ausgangsgrößen für ein und mehrphasige Verbraucher, aufgebaut aus Einphasenumrichterzellen, die aus einem Vierquadrantengleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Vierquadrantenwechselrichter bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einphasenumrichterzellen aus zugehörigen Drehstrom- Transformator- Sekundärwicklungen gespeist werden und über ihre einphasigen Lastausgänge (K und L) in Reihe geschaltet sind.

2. Vierquadrantenumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe der Einphasenumrichterzellen aus einer Menge (n) von Einzelzellen nach Fig. 1 besteht und die Zahl n durch die Höhe der zu gewinnenden Ausgangsspannung bestimmt wird.

3. Vierquadrantenumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reihen der aus n Gliedern bestehenden Einphasenumrichterzellen parallel geschaltet worden sind, um einen mehrphasigen Ausgang zu realisieren, wobei bei drei parallelen Reihen, wie in Fig. 3 skizziert, der eine gleichartige Ausgang (LaN, LbN, LcN) in Sternschaltung zusammengeführt ist und der zweite Ausgang der Reihen (Ka1, Kb1, Kc1) die Drehstromausgänge A, B und C bilden.

4. Vierquadrantenumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Reihen der aus n Gliedern bestehenden Einphasenumrichterzellen parallel geschaltet worden sind, um einen dreiphasigen Ausgang in Dreieckschaltung zu realisieren, wobei der eine Ausgang (LaN) mit (Kb1) sowie der zweite gleichartige Ausgang (LbN) mit (Kc1) und der dritte gleichartige Ausgang (LcN) mit (Ka1) verbunden sind, so daß die drei Verbindungspunkte die Drehstromausgänge A, B und C bilden.

5. Vierquadrantenumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Drosseln (L_σR, L_σS, L_σT), zwischen Versorgungsquellen und Drehstrombrücke konstruktiv im Trenntransformator eingebaut sind.