DE19941170A1 - Self-symmetrising supply system has semiconducting switches in sub-converters that are loaded voltage symmetrically without active regulation or additional circuitry - Google Patents

Self-symmetrising supply system has semiconducting switches in sub-converters that are loaded voltage symmetrically without active regulation or additional circuitry

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DE19941170A1
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Abstract

The supply system has a frequency converter and a transformer with several similar converter modules, each with two sub-converters (F11,F12,..) in the form of 4-Q circuits and at least one transformer each, whereby the number of primary windings corresp. to the number of sub-converters and the primary windings are inductively coupled together and have good coupling to the single secondary per transformer. Semiconducting switches in the sub-converters are loaded voltage symmetrically without active regulation or additional circuitry.

Description

Die Ergebnisse der Entwicklung von neuen schnellschaltetenden Halbleiter-Schaltelementen mit Sperrspannungen von mehr als 2 kV führt auf die Ausführung von verlustarmen Stromkreisen der Leistungselektronik im MW-Bereich und somit auch auf massearme Konfigurationen von Stromrichtern. Mit steigender Sperrspannung nimmt die Zahl der erforderlichen Elemente und damit die Komplexität und Ausfallwahrscheinlichkeit auch bei Systemen mit hoher Spannung ab; es lassen sich somit Schaltungen für Umformaufgaben auch für neue Zielsetzungen angeben. Ein im Bereich der Bahn und Fahrzeugtechnik bekanntes Problem ist die massearme Ausführung der Hochspannungseinspeisung bei Frequenzen, die niedriger als 50 Hz sind. Bislang erfolgt die Einspeisung über besonders dimensionierte, aber doch gewichtsträchtige Transformatoren. Deren Aufgabe ist es, die hohe Eingangsspannung soweit zu reduzieren, daß Antriebsmotoren eine mit Blick auf ihre Masse und Verluste optimale Auslegung erfahren können. Neben dieser Hauptfunktion des Transformators erfüllt er auch die wichtige Zusatzbedingung einer aus der Sicherheitsbetrachtung gewünschten galvanischen Trennung vom speisenden Netz. Die gewichtsarme Auslegung der elektrischen Antriebsmaschinen hängt eng mit der thermischen Belastbarkeit der Wicklungen und damit mit deren Kühlfähigkeit und den isolationstechnischen Fragen zusammen. Auch eine preisgünstige Auslegung der den Motor speisenden Frequenzumrichter spricht für eine stark reduzierte Spannung. Die prinzipiell vorteilhafte Anwendung eines Transformators dürfte auch mittelfristig weiterbestehen, wobei der Sicherheitsaspekt der galvanischen Trennung von ganz besonderer Bedeutung ist. Er schließt den direkten Einsatz eines ausschließlich leistungselektronischen Einspeisesystems für Antriebseinheiten etwa entsprechend DE 196 14 627 A1 aus. Nach dieser Anmeldung wird ebenso wie in DE 196 15 855 A1 eine kaskadierte Stromrichterschaltung so betrieben, daß die an ihrem Ausgang liegenden Wicklungen von dreisträngigen elektrischen Maschinen mit einer frequenzvariablen Spannung versorgt werden können. Da die induktive Kopplung der (dreisträngigen) Maschinenwicklungen schwach und abhängig vom Betriebszustand ist, besteht keine Möglichkeit der Selbstsymmetrierung der Spannung. Der vorausgesetzte direkte Anschluß der Antriebsmaschinen läßt keine gleichmäßige Aufteilung auf die speisenden Teilwechselrichter zu und erfordert somit einen sehr hohen Isolationsaufwand mit allen Konsequenzen für die Auslegung der elektrischen Maschinen. An anderer Stelle sind Vorschläge für komplexe Schaltungsergänzungen beschrieben wie z. B. ein zusätzlicher Spannungsteiler vor dem Umrichter, mit dessen Hilfe eine gleichmäßige Spannungsaufteilung erzwungen werden soll. Solche und andere Vorschläge sind mit dem Grundgedanken, große Zuverlässigkeit durch hohe Einfachheit, nicht vereinbar.The results of the development of new fast switching semiconductor switching elements with reverse voltages of more than 2 kV leads to the execution of low-loss Power electronics circuits in the MW range and thus also on low-mass Configurations of power converters. With increasing reverse voltage, the number of necessary elements and thus the complexity and probability of failure Systems with high voltage; circuits can therefore be used for forming tasks also specify for new objectives. One in the field of rail and vehicle technology Known problem is the low-mass version of the high-voltage feed Frequencies that are lower than 50 Hz. So far, the feed has been particularly dimensioned but weighty transformers. Their job is to get the high Reduce input voltage to such an extent that drive motors have a view of their mass and losses can be optimally interpreted. In addition to this main function of It also fulfills the important additional condition of a transformer Safety consideration of the desired galvanic isolation from the supply network. The low-weight design of the electric drive machines depends closely on the thermal Resilience of the windings and thus with their cooling ability and isolation issues. Also an inexpensive design of the engine feeding frequency converter speaks for a greatly reduced voltage. The principle advantageous use of a transformer is likely to continue in the medium term, whereby the safety aspect of galvanic isolation is of particular importance. He closes the direct use of an exclusively power electronic feed system for drive units approximately according to DE 196 14 627 A1. After this registration As in DE 196 15 855 A1, a cascaded converter circuit is operated in such a way that that the windings of three-strand electrical machines lying at their output can be supplied with a frequency variable voltage. Because the inductive coupling the (three-strand) machine windings are weak and dependent on the operating state, there is no possibility of self-symmetrizing the voltage. The presupposed direct Connection of the drive machines does not allow an even distribution between the feeding ones Partial inverter and therefore requires a very high isolation effort with all Consequences for the design of electrical machines. Are elsewhere Proposals for complex circuit additions are described, such as B. an additional Voltage divider in front of the converter, with the help of which an even voltage distribution  to be enforced. These and other suggestions are great with the basic idea Reliability through high simplicity, not compatible.

Es bestehen somit folgende Hauptmerkmale für die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe:
The following main features therefore exist for the task set according to the invention:

  • - Schaltung, bestehend aus Frequenzumrichter und Transformator, der mit erhöhter Frequenz betrieben wird.- Circuit consisting of frequency converter and transformer with the increased Frequency is operated.
  • - Schaltung bestehend aus einer begrenzten Zahl von Teilkreisen mit möglichst gleichartigem Aufbau und identischen Schaltelementen sowie einer möglichst gleichartigen Belastung nach Strom und Spannung.- Circuit consisting of a limited number of sub-circles with as much as possible the same structure and identical switching elements and one if possible same load according to current and voltage.
  • - Vermeidung von Schaltungen, die im Fehlerfall z. B. bei Ausfall der Steuerung oder von Regelkreisen zur Instabilität und zu ungleicher Spannungsaufteilung führen. Hieraus abgeleitet besteht das Ziel, eine selbstsymmetrierende Schaltung anzugeben.- Avoiding circuits that, for example, in the event of a fault. B. in the event of control failure or Control loops lead to instability and uneven voltage distribution. Out of this derived is the goal of specifying a self-balancing circuit.
  • - Vermeidung von isolationstechnisch bzw. auslegungstechnisch schwierigen Anordnungen durch Verlegung von Funktionen von der Primär- auf die Sekundarseite.- Avoidance of difficult arrangements in terms of insulation or design by moving functions from the primary to the secondary side.
  • - Störfallbeherrschung durch Wegschaltung fehlerbehafteter Schaltungsteile und Schaltungsredundanz.- Accident control by disconnecting faulty circuit parts and Circuit redundancy.
  • - Funktion einer Mindestglättung des Stromeingangs und Blindstrombeeinflussung durch den Umrichter.- Function of minimum smoothing of the current input and influencing reactive current through the converter.
  • - Verlustarme Ausführung durch die Wahl begrenzter Schalt- und Betriebsfrequenzen bei Leistungselektronik und Transformator.- Low-loss design through the selection of limited switching and operating frequencies Power electronics and transformer.
  • - Transformator mit hochwertigem Magnetkreis für Grundschwingungen bis in den Bereich von 1 kHz und Auslegung mit gut gekoppelten Wicklungen der Primärseite und der Primärwicklungen mit der Sekundärwicklung.- Transformer with high quality magnetic circuit for fundamental vibrations up to the range of 1 kHz and design with well coupled windings of the primary side and the Primary windings with the secondary winding.
  • - Rückspeise- und Mehrsystemfähigkeit der Schaltung (Umkehr des Energieflusses).- Regenerative and multi-system capability of the circuit (reversal of the energy flow).
  • - Hochzuverlässige Ausführung der Treiberschaltung und Steuerung.- Highly reliable execution of the driver circuit and control.

Die erfindungsgemäße Darstellung wird in einer ausführlichen Beschreibung und der Darlegung der Schaltung durch 12 Figuren und deren Erläuterungen vorgenommen.The representation of the invention is described in a detailed description and Presentation of the circuit by 12 figures and their explanations made.

Fig. 1a zeigt die aus Glättungsdrossel, Umrichterschaltkreisen und Transformator bestehende Schaltung der Wandleranordnung. FIG. 1a shows the consisting of smoothing reactor, Umrichterschaltkreisen and transformer circuitry of the transducer assembly.

Fig. 1b stellt für eine Teilumrichteranordnung mit Primärwicklung dar, wie durch zwei Schalter die Anlage ergänzt werden kann, um partiell im Fehlerfall eine Abschaltung vornehmen zu können. FIG. 1b represents a Teilumrichteranordnung primary winding with which the installation can be completed by two switches, in order to make partially in case of failure a disconnection.

Fig. 2 stellt die Einspeiseschaltung zusammen mit einer Antriebsanlage für einen Fahrmotor dar. Es wird auf den zeitlichen Verlauf der Spannungen an verschiedenen Stellen Bezug genommen. Fig. 2 shows the feed circuit together with a drive system for a traction motor. It is referred to the time profile of the voltages at various points.

Fig. 2'.0 zeigt die sinusförmige Netzspannung niedriger Frequenz. Fig. 2.0 shows the sinusoidal mains voltage of low frequency.

Fig. 2'.1 zeigt die gepulste, oberwellenarme Spannung des Eingangsstromrichters. Fig. 2'.1 shows the pulsed, low harmonic voltage of the input converter.

Fig. 2'.2 zeigt die gepulste Spannung eines Stromrichters. Fig. 2'.2 shows the pulsed voltage of a converter.

Fig. 2'.3 zeigt den Spannungsverlauf im Zwischenkreis. Fig. 2'.3 shows the voltage curve in the intermediate circuit.

Fig. 2'.4 zeigt den gepulsten Spannungsverlauf an der Transformator-Primärwicklung. Fig. 2'.4 shows the pulsed voltage curve on the transformer primary winding.

Fig. 2'.5 zeigt den geglätteten Spannungsverlauf im Zwischenkreis des Antriebsumrichters. Fig. 2'.5 shows the smoothed voltage curve in the intermediate circuit of the drive converter.

Fig. 3 zeigt den mit der Eingangsfrequenz modulierten Ausgangsstrom des Transfor­ mators. Fig. 3 shows the modulated with the input frequency output current of the transformer.

Fig. 4a zeigt eine Wandlerschaltung, die aus zwei Umrichtergruppen und zwei gleich­ artigen Transformatoren zu direkten Speisungen von zwei Wicklungen eines Antriebsmotors eingesetzt sind. Die Ausgangsspannungen sind frequenzvariabel und phasenverschoben. Fig. 4a shows a converter circuit, which are used from two converter groups and two similar transformers for the direct supply of two windings of a drive motor. The output voltages are variable in frequency and out of phase.

Fig. 4b zeigt die weitgehend sinusförmigen Ausgangsspannungen an den beiden Wick­ lungen des Motors. Fig. 4b shows the largely sinusoidal output voltages at the two windings of the motor.

Voraussetzung für eine massearme Ausführung des Frequenzumrichters ist eine definierte Belastung nach Strom und Spannung, eine begrenzte Überlastung im Fehlerfall, bei dem Abschaltungen von Teilumrichtern vorgenommen werden können sowie eine verhältnismäßig hohe Ausgangsfrequenz, die zu einer Massenreduktion des Transformators eingesetzt werden kann. Um gleichzeitig der bestehenden Forderung nach einer oberschwingungsarmen Netzbelastung zu entsprechen, wird der Weg beschritten, den Eingangsstromrichter mit einer weitgehend sinusförmigen Spannung zu betreiben. Diese Zielsetzung kann am besten durch den pulsförmigen Betrieb mit Spannungsblöcken einer Frequenz entsprochen werden, die ein hohes Vielfaches der Netzfrequenz ist, etwa im Bereich von 1 kHz liegt, wenn von einer Netzfrequenz von 16 2/3 Hz ausgegangen wird. Mit Pulsen gleicher Spannungshöhe sowie identischen Pulsmustern der Teilumrichter und einer zeitlich sinusförmig verbreiterten Pulsdauer sowie einem Zeitversatz von Tp/2n (Tp-Periodendauer) der Pulsmuster einzelner Teilumrichter kann bei einer begrenzten Zahl von z. B. 3 Umrichtern bereits ein günstiger Wert zur Oberwellenreduktion erzielt werden. Die zusätzlich notwendige Induktivität, die ggf. für weitere Stromglättung erforderlich ist, dient damit ausschließlich der Reduktion von Oberschwingungen hoher Ordnungszahl und kann mit kleiner Masse ausgelegt werden. Durch eine Mindestzahl von drei Teilumrichtern kann somit bereits eine wirksame Minderung der Systemmasse erreicht werden.A prerequisite for a low-mass version of the frequency converter is a defined load according to current and voltage, a limited overload in the event of a fault, in which partial converters can be switched off, as well as a relatively high output frequency, which can be used to reduce the mass of the transformer. In order to simultaneously meet the existing requirement for low harmonic network load, the way is taken to operate the input converter with a largely sinusoidal voltage. This objective can best be met by pulsed operation with voltage blocks at a frequency that is a high multiple of the mains frequency, approximately in the range of 1 kHz, if a mains frequency of 16 2/3 Hz is assumed. With pulses of the same voltage level and identical pulse patterns of the partial converters and a temporally sinusoidally broadened pulse duration and a time offset of T p / 2n (T p period), the pulse pattern of individual partial converters can be used with a limited number of z. B. 3 converters can already achieve a favorable value for harmonic reduction. The additionally required inductance, which may be necessary for further current smoothing, is used exclusively to reduce harmonics with a high atomic number and can be designed with a small mass. With a minimum number of three partial converters, an effective reduction in the system mass can already be achieved.

Bei Netzspannungen mit z. B. 15 kV und den heute verfügbaren IGBT-Modulen mit 3,3 kV Sperrspannung ergeben sich insgesamt 16 Teilumrichter, wenn dabei der Forderung entsprochen wird, daß im Fehlerfall zwei Einheiten abschaltbar sein sollen. Die sich mittelfristig abzeichnende Bereitstellung von Modulen mit 6,5 kV Sperrspannung läßt später eine Reduktion der Zahl der Teilumrichter auf 8 zu. Mit Spannungsreserve nach dem heutigen Stand dimensionierte Teilumrichter, die mit einer Zwischenkreisspannung von 1,5 kV betrieben werden, lassen sich mit einer spezifischen Masse von etwa 50 g/kW (oder weniger) herstellen. Hierbei ist ein verlustarmer Betrieb mit einer Pulsfrequenz von etwa 1 kHz und eine indirekte Kühlung der Halbleiterbauteile über die Bodenplatte vorgesehen. Der kaskadierte Umrichter für 15 kV ist somit z. B. durch eine leistungsbezogene Masse von etwa 0,8 kg/kW zu charakterisieren.For line voltages with z. B. 15 kV and the currently available IGBT modules with 3.3 kV Reverse voltage results in a total of 16 partial converters, if the requirement corresponds to the fact that two units should be able to be switched off in the event of an error. Which In the medium term, the provision of modules with 6.5 kV reverse voltage will be released later a reduction in the number of partial converters to 8. With voltage reserve according to today's  Stand-sized partial inverters with an intermediate circuit voltage of 1.5 kV can be operated with a specific mass of about 50 g / kW (or less) produce. Here is a low-loss operation with a pulse frequency of about 1 kHz and indirect cooling of the semiconductor components is provided via the base plate. The cascaded converter for 15 kV is thus z. B. by a performance-related mass of about To characterize 0.8 kg / kW.

Durch den Betrieb des Transformators mit einer Frequenz von 400 bis 500 Hz läßt die notwendige spezifische Masse sich auf weniger als 0,2 kg/kW reduzieren. Dies ist mit 2 bis 2,5 kg/kW beim konventionellen Transformator zu vergleichen und bedeutet eine Reduktion um mehr als einen Faktor 10.By operating the transformer at a frequency of 400 to 500 Hz, the the required specific mass can be reduced to less than 0.2 kg / kW. This is from 2 to Comparing 2.5 kg / kW with the conventional transformer means a reduction by more than a factor of 10.

Damit ist bei Leistungen von z. B. 2 MW die Systemmasse der Anlage auf etwa 1 kg/kW oder weniger zu veranschlagen. Neben der offensichtlichen Gewichtseinsparung besteht der besondere Anreiz einer beträchtlichen Reduktion der Verluste gegenüber einer konventionellen Transformatorlösung. Ungeachtet der mehrstufigen Anwendung der Umrichterschaltung läßt sich eine Halbierung der Verluste gegenüber der Bahnausführung der Transformatoren ohne größere Schwierigkeiten erzielen. Ein weiterer positiver Gesichtspunkt ist die mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Anlage mit geringer Bauhöhe.This is for services from z. B. 2 MW the system mass of the system to about 1 kg / kW or less to estimate. In addition to the obvious weight saving, the special incentive to significantly reduce losses compared to a conventional transformer solution. Regardless of the multi-stage application of Converter circuit can halve the losses compared to the web design of the Achieve transformers without much difficulty. Another positive point is the possible design of the system according to the invention with a low overall height.

In Fig. 1a ist die Schaltung der aus Umrichter F und Transformator T bestehenden Wandleranordnung W zusammen mit der Glättungsinduktivität Lg dargestellt. Erfindungsge­ mäß wird durch den versetzten Pulsbetrieb der kaskadierten Teilumrichter F11 bis Fn1 mit ihren entsprechenden Teilspannungen UF1 bis UFn in der Summe UFe weitgehend sinusförmig erreicht. Durch die Wahl bestimmter Pulsbreiten in der Folge einer Halbperiode, einer bestimmten Pulsfrequenz und eines geeigneten Pulsversatzes der Teilspannungen lassen sich gezielt bestimmte Oberschwingungen in der Spannungsaddition UFe und damit im Netzstrom unterdrücken. Zur Erzielung definierter Ergebnisse ist eine bestimmte Mindestzahl an Teilumrichtern n und eine bestimmte Pulsfrequenz fT notwendig.In Fig. 1a, the circuit of the converter arrangement W consisting of converter F and transformer T is shown together with the smoothing inductance L g . According to the invention, the cascaded partial converters F 11 to F n1 with their corresponding partial voltages U F1 to U Fn in the sum U Fe are achieved largely sinusoidally by the offset pulse operation. By choosing certain pulse widths in the sequence of a half period, a certain pulse frequency and a suitable pulse offset of the partial voltages, specific harmonics in the voltage addition U Fe and thus in the mains current can be suppressed. A certain minimum number of partial converters n and a certain pulse frequency f T are necessary to achieve defined results.

In Fig. 2 ist das Schaltbild mit den wichtigsten Teilen von Netzeinspeisung N, Umrichter F, Transformator T sowie Antriebsumrichter A und Motor M wiedergegeben.In Fig. 2 the diagram with the most important parts of grid feed-N, converter F, transformer T as well as drive A and the motor M is shown.

Fig. 2'.1 zeigt für den Fall von drei Teilumrichtern ein entsprechendes Pulsmuster der Summenspannung UFe, während in Fig. 2'.2 die Eingangsspannung eines Teilumrichters UFn gezeigt ist. Die Höhe der Spannungspulse ist gleichartig, ihre Breite wird sinusförmig verändert. UF1 und andere Teilspannungen unterscheiden sich von UFn nur durch den zeitlichen Versatz des Pulsmusters. Der erzielbare Glättungsgrad steigt mit der Zahl der Teilumrichter und der Pulsfrequenz. Es wird damit erreicht, daß vornehmlich die durch den Pulsbetrieb verursachte hohe Störfrequenz von 2n . fT (mit fT der Pulsfrequenz) durch die Glättungsinduktivität Lg zu unterdrücken ist. Mit der damit erzielten Systemspannung sind gegenüber der sinusförmigen Netzspannung UN nach Fig. 2'.0 nur noch minimale Differenzen gegeben. Der somit sehr oberwellenarme Betrieb wird mit einer minimierten Glättungseinrichtung und kleinen Verlusten möglich. Fig. 2'.1 shows a corresponding pulse pattern of the sum voltage U Fe for the case of three partial converters, while the input voltage of a partial converter U Fn is shown in Fig. 2'.2. The height of the voltage pulses is of the same type, their width is changed sinusoidally. U F1 and other partial voltages differ from U Fn only in the temporal offset of the pulse pattern. The degree of smoothing that can be achieved increases with the number of partial converters and the pulse frequency. It is thus achieved that primarily the high interference frequency of 2n caused by the pulse operation. f T (with f T the pulse frequency) is to be suppressed by the smoothing inductance L g . With the system voltage thus achieved, there are only minimal differences compared to the sinusoidal mains voltage U N according to FIG. 2.0. The very low harmonic operation is possible with a minimized smoothing device and small losses.

Wie Fig. 2'.3, in der Udn den Spannungsverlauf im Zwischenkreis des Teilumrichters n darstellt, erkennen läßt, wird durch den Kondensator C die Schwankung ΔU mit der doppelten Speisefrequenz von UN in der Größe von 10÷15% des Mittelwerts zugelassen. Eine Saugdrosselschaltung auf der Primärseite des Transformators wäre aus isolationstechnischen Gründen aufwendig und ist hier nicht ausgeführt. Evtl. notwendige Glättungsmaßnahmen finden zweckmäßig auf der Sekundärseite mit geringem Aufwand statt. Im Zwischenkreis von Umrichter A, der aus Gleichrichter und Wechselrichter besteht, ist nach Fig. 2 eine Saugdrossel-Anordnung vorgesehen. Damit ist z. B. die Spannung UdM entsprechend Fig. 2'.5 im Zwischenkreis schwankungsarm darstellbar.As shown in Fig. 2'.3, in which U dn shows the voltage curve in the intermediate circuit of the partial converter n, the fluctuation .DELTA.U with twice the supply frequency of U N in the size of 10 ÷ 15% of the mean value is permitted by the capacitor C. . A suction throttle circuit on the primary side of the transformer would be complex for insulation reasons and is not implemented here. Possibly. necessary smoothing measures are expediently carried out on the secondary side with little effort. In the intermediate circuit of converter A, which consists of a rectifier and an inverter, a suction throttle arrangement is provided according to FIG . So that z. B. the voltage U dM according to Fig. 2'.5 in the intermediate circuit with little fluctuation.

Wie Fig. 2'.4 andeutet, sind die. Wechselrichter F12 bis Fn2 alle mit gleichartigen und zeitgleichen Pulsmustern, also synchron gepulst. Die Spannungen UTn als Eingangsspannung der gleichartig mit der Windungszahl wp ausgeführten Primärwicklungen haben magnetische Flüsse zur Folge, die sich im Transformator-Magnetkreis E identisch überlagern und die gemeinsame Sekundärwicklung mit der Windungszahl ws induzieren. Die dort erzeugte Spannung UTa weist die gleiche Grundfrequenz wie UT auf, ist aber im Verhältnis der Windungszahlen ws/nwp gegenüber der Eingangsspannung UN reduziert.As indicated in Fig. 2'.4, these are. Inverters F 12 to F n2 all with identical and simultaneous pulse patterns, that is, pulsed synchronously. The voltages U Tn as the input voltage of the primary windings of the same type with the number of turns w p result in magnetic fluxes which are superimposed identically in the transformer magnetic circuit E and induce the common secondary winding with the number of turns w s . The voltage U T a generated there has the same fundamental frequency as U T , but is reduced in relation to the input voltage U N in the ratio of the number of turns w s / nw p .

Wie Fig. 3 zeigt, ist der pulsierenden Leistung entsprechend, der Transformatorstrom so beschaffen, daß sein Anteil der Grundfrequenz mit der Eingangsfrequenz moduliert ist. Die Auslegung von Transformator und der ihn speisenden Teilwechselrichter haben den dadurch größeren Strommaximalwert zu berücksichtigen.As shown in FIG. 3, the pulsating power corresponds to the transformer current in such a way that its share of the fundamental frequency is modulated with the input frequency. The design of the transformer and the partial inverters feeding it must take into account the larger maximum current value.

Eine Ergänzung der Umrichterschaltung von F durch die Schalter S1 und S2 ist in der Fig. 1b angedeutet. In der geschlossen gezeichneten Schalterstellung von S1 und S2 befindet sich der Umrichter F in funktionsfähigem Zustand und liefert die eben beschriebenen Spannungen in pulsförmiger Form an die Primärwicklungen wp des Transformators. Wird durch die Überwachungsschaltung eine Fehlfunktion im Gleichrichter GR oder im Wechselrichter WR festgestellt, so kann die Wicklung wp durch Öffnen der beiden Schalter S1 und S2 stromlos geschaltet werden. Es folgt daraufhin eine Neusymmetrierung der Spannungen mit im Verhältnis n/n - 1 höheren Spannungspulsen in der betriebsfähig verbleibenden Schaltung. Wird durch fehlerhafte Ansteuerung oder allgemein durch Schaltvorgänge eine Störung der bestehenden symmetrischen Spannungsaufteilung angeregt, so lassen die vorgesehene Schaltung des Umrichters F, dessen 4-Q-Konfiguration (Fig. 1b) mit IGBT-Modulen und deren antiparallele Dioden sowie die erwähnte hochwertige induktive Kopplung des Transformators T ein instabiles Verhalten, auch bei nicht vorgesehener Regelung, nicht zu. Es wird vorausgesetzt, daß mindestens die Hälfte der Primärwicklungen im Falle eines rahmenförmigen Magnetkreises auf einem Schenkel axial in enger Nachbarschaft und mit geringer magnetischer Streuung positioniert sind. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Wicklung ihre Spannungsänderung einer größeren Gruppe von Primärwicklungen schnell im ausgleichenden Sinne mitteilt. Diese Symmetrierungswirkung wird dadurch verstärkt, daß die richtungsbezogene Stromführung der Dioden den Ausgleichsvorgang noch weiter beschleunigt.A supplement to the converter circuit of F by the switches S1 and S2 is indicated in FIG. 1b. In the closed switch position of S1 and S2, the converter F is in a functional state and supplies the voltages just described to the primary windings w p of the transformer in a pulsed form. If the monitoring circuit detects a malfunction in the rectifier GR or in the inverter WR, the winding w p can be switched off by opening the two switches S1 and S2. This is followed by a resymmetry of the voltages with higher voltage pulses in the ratio n / n - 1 in the operationally remaining circuit. If a fault in the existing symmetrical voltage distribution is excited by faulty control or generally by switching processes, the proposed switching of the converter F, its 4-Q configuration ( FIG. 1b) with IGBT modules and their antiparallel diodes, and the aforementioned high-quality inductive coupling of the transformer T does not cause unstable behavior, even when control is not provided. It is assumed that in the case of a frame-shaped magnetic circuit on at least one half of the primary windings are positioned axially in close proximity and with little magnetic scatter. This ensures that the winding quickly communicates its change in voltage to a larger group of primary windings in a compensatory sense. This balancing effect is reinforced by the fact that the directional current flow of the diodes accelerates the compensation process even further.

Systemanwendungen, bei denen Antriebsmotoren mit gegenüber der Netzspannung UN reduzierter und vom Transformator übertragenen Spannung direkt und begrenzt frequenzvariabel gespeist werden, sind grundsätzlich möglich und ebenfalls in zweckmäßiger Form ausführbar.System applications in which drive motors are fed directly and to a limited extent with a variable frequency compared to the mains voltage U N and transmitted by the transformer are also possible and can also be carried out in a suitable form.

Fig. 4a stellt ein Beispiel dar, bei dem die Transformatoren T1 und T2 in gleicher Ausführung mit den Sekundärwicklungen ws1 und ws2 mlt Eisenkernen E1 und E2 und mit zwei Gruppen von Primärwicklungen wp1 bis wp3 sowie wp4 bis wp6 aufgeteilt sind. Auch die Frequenzumrichter F sind in die beiden Gruppen FG1 und FG2 unterteilt; die Eingangsspannungen sind UFe1 und UFe2, die sich zur Summenspannung UFe addieren, Fig. 4b. FIG. 4a illustrates an example in which the transformers T1 and T2 w of the same design with the secondary windings S1 and w s2 mlt iron cores E1 and E2, and with two groups of primary windings w p1 to w p3 and w p4 to w p6 divided are . The frequency converters F are also divided into the two groups F G1 and F G2 ; the input voltages are U Fe 1 and U Fe 2, which add up to the total voltage U Fe , FIG. 4b.

Weiter ist in Fig. 4a vorausgesetzt, daß der Antriebsmotor M beispielsweise mit zwei um 90° versetzt betriebenen Wicklungen ausgestattet ist, deren Windungen wma und wmb mit entsprechend phasenverschobenen Spannungen UT1a und UT2a Fig. 4c zu speisen sind. Es soll auch berücksichtigt sein, daß der Motor nicht mit der Frequenz 0 betrieben werden muß, sondern daß erst oberhalb einer bestimmten Minimalfrequenz f0 vom Transformator genügend Leistung zum Betrieb des Antriebs zur Verfügung steht. Mit zunehmend höherer Frequenz steigt die Spannung am Transformator UT an, so daß der Antrieb mit steigender Leistung versorgt werden kann. Der Maximalwert der Leistung wird bei einer Frequenz f1 erreicht, die bereits um ein Mehrfaches höher als die Eingangsfrequenz bzw. die Speisefrequenz des Netzes ist. Damit kann auch bei Anwendung von mehreren Transformatoreinheiten und der auf der Netzseite kaskadierten Umrichterschaltung ein ähnlicher Gewichtsvorteil wie bei einer Transformatorausführung mit nur einer Einheit erreicht werden. Die Auswirkungen einer Leistungseinschränkung bei kleinen Frequenzen sind z. B. bei Asynchronmotoren leicht tolerierbar und lassen sich bei bestimmten Voraussetzungen auch bei Synchronmotoren minimieren.It is further assumed in FIG. 4a that the drive motor M is equipped, for example, with two windings which are operated offset by 90 °, the windings wma and wmb of which are to be fed with correspondingly phase-shifted voltages U T1a and U T2a FIG. 4c. It should also be taken into account that the motor does not have to be operated at frequency 0, but that sufficient power for operating the drive is only available from the transformer above a certain minimum frequency f 0 . The voltage at the transformer U T rises with increasing frequency, so that the drive can be supplied with increasing power. The maximum value of the power is reached at a frequency f 1 , which is already several times higher than the input frequency or the feed frequency of the network. This means that a weight advantage similar to that of a transformer with only one unit can be achieved even when using several transformer units and the converter circuit cascaded on the network side. The effects of a power restriction at low frequencies are e.g. B. easily tolerable with asynchronous motors and can be minimized under certain conditions even with synchronous motors.

Claims (7)

1. Einspeisesystem, bestehend aus Frequenzumrichter und Transformator zur massearmen Umwandlung einer hohen Wechselspannung niedriger Frequenz in eine oder mehrere niedrigere Spannungen erhöhter Frequenz durch Verwendung mehrerer gleichartiger Umrichtermodule die aus je zwei Teilumrichtern bestehen, die ihrerseits über einen Gleichstrom-Zwischenkreis verbunden sowie eingangsseitig kaskadiert sind und deren Ausgang eine Spannung führt, die in ihrer Höhe einen Bruchteil der Eingangsspannung beträgt und deren Frequenz bei voller Leistung ein Mehrfaches der Eingangsfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichartigen Teilumrichter in 4-Q-Schaltung ausgeführt und mit mindestens einem Transformator verbunden sind, wobei die Zahl der Primärwicklungen der Zahl der Teilumrichter entspricht, die Primärwicklungen je Transformator induktiv hochwertig gekoppelt sind und ihrerseits eine gute Kopplung mit jeweils einer gemeinsamen Sekundärwicklung je Transformator aufweisen, wobei die Spannung der Primärwick­ lungen so gewählt ist, daß in den Teilumrichtern hochsperrende Halbleiterschalter einstufig eingesetzt werden können, die ohne aktive Regelung bezüglich der Spannungsaufteilung oder eine zusätzliche Schaltung spannungssymmetrisch bean­ sprucht sind, dabei aber die Zahl der Teilumrichter je Transformator mindestens 3 beträgt.1.Infeed system consisting of frequency converter and transformer for low-mass conversion of a high alternating voltage of low frequency into one or more lower voltages of higher frequency by using several similar converter modules, each consisting of two partial converters, which in turn are connected via a DC link and cascaded on the input side and the output of which carries a voltage which is a fraction of the input voltage and whose frequency at full power is a multiple of the input frequency, characterized in that the similar partial converters are designed in a 4-Q circuit and are connected to at least one transformer, where the number of primary windings corresponds to the number of partial converters, the primary windings per transformer are inductively coupled with high quality and in turn have good coupling with one common secondary winding per transformer, d The voltage of the primary windings is selected so that high-blocking semiconductor switches can be used in one stage in the partial inverters, which are stress-balanced without active regulation with regard to voltage distribution or an additional circuit, but the number of partial inverters per transformer is at least 3. 2. Einspeisesystem nach A1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Eingangsstromrichter aus einer Folge gleichartiger Pulsmuster besteht die gegeneinander versetzt sind und die Pulsfrequenz etwa 1 kHz beträgt, während die Ausgangsstromrichter mit synchronisierten Pulsfolgen und etwa doppelter Pulsfrequenz betrieben werden, wobei der Grundfrequenz der Sekundärspannung die Frequenz der Eingangsspannung überlagert ist.2. Feed system according to A1, characterized in that the voltage of the input converter consists of a sequence of similar pulse patterns which are offset from each other and the pulse frequency is about 1 kHz, while the Output converter with synchronized pulse trains and approximately twice the pulse frequency are operated, the fundamental frequency of the secondary voltage being the frequency of the Input voltage is superimposed. 3. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrom-Zwischenkreise der Frequenzumrichter mit gleichgroßen Zwischen­ kreis-Kondensatoren C ausgestattet sind, die begrenzte Spannungsschwankungen von 10 bis 15% des Mittelwerts mit der doppelten Speisefrequenz erlauben und eine Transformatorauslegung gewählt ist, die den mit dieser Frequenz modulierten Strom und somit einen entsprechend erhöhten Effektivwert elektromagnetisch und thermisch berücksichtigt, wobei die Spannungsschwankungen in nachgeschalteten Siebgliedern auf der Niederspannungsseite aufgenommen werden.3. feed system according to the above claims, characterized in that the DC intermediate circuits of the frequency inverters with the same size intermediate circuit capacitors C are equipped, the limited voltage fluctuations of  Allow 10 to 15% of the mean with double the feed frequency and one Transformer design is selected which is the current modulated with this frequency and thus a correspondingly increased effective value electromagnetic and thermal taken into account, the voltage fluctuations in downstream filter elements be included on the low voltage side. 4. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fehlern von Teilumrichtern, diese durch zusätzliche Schalter außer Betrieb genommen werden, und die verbleibenden Umrichter den Betrieb übernehmen, wobei die Auslegung der Schaltelemente für den Höchstwert der im Fehlerfall auftretenden Spannung erfolgt.4. feed system according to the above claims, characterized in that in the event of faults in partial inverters, these are deactivated by additional switches be taken, and the remaining inverters take over the operation, whereby the design of the switching elements for the maximum value of those occurring in the event of a fault Tension occurs. 5. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspannung so gewählt wird, daß die Stromrichter der Antriebsmaschine (oder Maschinen) mit einstufig angeordneten Halbleiter-Schaltelementen (ohne Reihenschaltung) ausgestattet sind und aus isolationstechnischer und thermischer Sicht zu einer zweckmäßigen Maschinenauslegung mit geringer Masse bei hohem Drehmoment führt.5. feed system according to the above claims, characterized in that the secondary voltage is chosen so that the converter of the prime mover (or machines) with single-level semiconductor switching elements (without Series connection) are equipped and from an insulation and thermal point of view for an appropriate machine design with low mass and high Torque leads. 6. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltungen für die IGBT-Module über Lichtwellenleiter und damit mit galvanischer Trennung angesteuert werden, ihre Stromversorgung ebenfalls galvanisch getrennt durch Übertrager erfolgt, und daß Zusatzfunktionen wie Kurzschlußab­ schaltung und die Abgabe von Überwachungssignalen mit Hilfe von Lichtleitern integriert sind.6. feed system according to the above claims, characterized in that the driver circuits for the IGBT modules via optical fibers and thus with galvanic isolation can be controlled, their power supply also galvanic separated by transformer, and that additional functions such as short circuit circuit and the delivery of monitoring signals with the help of optical fibers are integrated. 7. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Umrichter und Transformator mit getrennten Kühlkreisläufen so ausgeführt und der Umrichter durch modulare Reihenanordnung so gegliedert wird, daß Montage und Auswechselung von Teilkreisen des Umrichters einfach ermöglicht werden.7. feed system according to the above claims, characterized in that The converter and transformer with separate cooling circuits are designed in this way Inverter is structured by modular series arrangement so that assembly and Replacement of partial circles of the converter can be easily made.
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