DE60120664T2

DE60120664T2 - Pwm-frequenzwandler

Info

Publication number: DE60120664T2
Application number: DE60120664T
Authority: DE
Inventors: Mikko Salama
Original assignee: Ricotec Oy
Current assignee: Ricotec Oy
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: US6801441B2; EP1269618B1; FI20000232A0; ATE330355T1; DK1269618T3; AU2001231804A1; FI20000232A; US20030112643A1; FI108819B; WO2001058000A1; EP1269618A1; DE60120664D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen spannungsgesteuerten Mehrphasen-PWM-Frequenzumsetzer, der eine Steuerungseinheit, eine Graetz-Schaltung, die dazu ausgelegt ist, an eine Mehrphasenversorgungsleitung angeschlossen zu sein, eine Gleichspannungszwischenschaltung und eine gesteuerte Wechselrichterbrücke zum Liefern einer Mehrphasenwechselspannung an einen Mehrphasenverbraucher aufweist.
Spannungsgesteuerte Dreiphasen-PWM-Frequenzumsetzer haben eine Graetz-Schaltung zum Gleichrichten der Dreiphasen-Wechselspannung einer Versorgungsleitung zum Erzeugen einer Gleichspannung für eine Gleichspannungszwischenschaltung, sowie eine Graetz-Schaltung für die Wechselrichtung der Gleichspannung der Zwischenschaltung in eine Drei-Phasen-Wechselspannung mit variabler Frequenz, während die Leistung in die Richtung von der Versorgungsleitung zu einem Verbraucher, wie zum Beispiel einem Käfiginduktionsmotor, fließt. Ein Käfiginduktionsmotor wird allgemein in vielen Anwendungen, z.B. Pumpen oder Lüftern, eingesetzt. Die Wechselrichterbrücke ist eine Vollwellenbrücke mit impulsdauermodulationsgesteuerten Halbleiterschaltern und mit Dioden, die invers parallel mit diesen geschaltet sind. Die Graetz-Schaltung kann eine ungesteuerte Vollwellenbrücke, wobei in diesem Fall nur die Dioden in ihr gebraucht werden, oder eine gesteuerte Vollwellenbrücke sein, wobei sie in diesem Fall mit gesteuerten Halbleiterschaltern sowie mit Dioden ausgestattet ist, die invers parallel mit diesen geschaltet sind. In dem Fall einer gesteuerten Graetz-Schaltung kann die Leistung, z.B. in Situationen, bei denen ein Motor gebremst wird, auch in der Richtung vom Verbraucher zur Versorgungsleitung fließen. Eine bekannte Möglichkeit zum Implementieren einer gesteuerten Graetz-Schaltung ist eine Dreiphasenschaltung, wie sie aus der US-Patentschrift Nr. 4,447,868 hervorgeht, die einen Leistungsfluss entweder von der Wechselstromschaltung in die Gleichstromschaltung oder umgekehrt erlaubt. Gemäß dem oben erwähnten Patent wird die Leitung durch die Transistoren der Gleichrichterbrücke so gesteuert, dass der Transistor im oberen Arm der Phase mit dem höchsten momentanen Wert der Versorgungsspannung und der Transistor im unteren Arm der Phase mit dem höchsten momentanen Wert der Versorgungsspannung leitend sind.
Die Lösungen des Standes der Technik haben zum Ziel, durch die Verwendung eines Gleichstromkondensators mit hoher Kapazität als Energiezwischenspeicher in der Gleichspannungszwischenschaltung eine konstante Spannung zu erhalten. Die Lösungen des Standes der Technik verwenden auch allgemein eine Dreiphasen-Wechselspannungs-Induktoreinheit oder eine Einzelphasen-Gleichspannungs-Induktoreinheit zusammen mit der Graetz-Schaltung, um Versorgungsleitungsstromspitzen zu begrenzen.
Das US-Patent Nr. 6,014,323 bezieht sich auf einen Frequenzumsetzer mit einer Zwischenschaltung, die mit einem Mehrphasentransformator ausgestattet ist. 14 stellt einen Schaltersatz dar, der mit einer Sekundärwicklung eines Transformators gekoppelt ist, und es kann eine gewünschte Anzahl von Schaltersätzen gekoppelt werden, um eine entsprechend hohe Ausgangsspannung zu erreichen. 14 stellt eine Implementierung dar, bei der jeder Schaltersatz einen Stromfluss nur in einer Richtung erlaubt und bei dem der zwischengeschaltete Kondensator weggelassen wurde. Die Schaltersätze wurden mit Verfahren implementiert, die bei Frequenzumsetzern üblich sind, und die Schaltersätze erzeugen eine Einzelphasen-Ausgangsspannung aus einer Einzel- oder Dreiphasen-Transformator-Sekundärspannung. Die Amplitude und Frequenz der Ausgangssignale der Schaltersätze können eingestellt werden. 1a aus dem US-Patent Nr. 6,014,323 stellt einen herkömmlichen Einzelquadranten-Frequenzumsetzer dar, bei dem der Kondensator in der Zwischen-Gleichstromschaltung als ein herkömmlicher Energiespeicher eingesetzt wird.
Das US-Patent Nr. 4,774,650 bezieht sich auf eine Graetz-Schaltung mit einer Brückenkopplung, die einen Leistungsfluss in beide Richtungen erlaubt. Ein wesentliches Merkmal besteht darin, dass die Leitzeiten der Transistoren gekürzt sind. Dies ist nur mit einem herkömmlichen Gleichstromkondensator möglich, der als ein Energiespeicher eingesetzt wird.
Die Belastbarkeit der Kondensatoreinheit wird allgemein durch die Fähigkeit der Kondensatoren, dem elektrischen Strom zu widerstehen, sowie die Spannungslast, die an sie angelegt wird, und die erforderliche Lebensdauer in extremen Bedingungen bestimmt. Zum Bestimmen der elektrischen Belastung werden die durch die Gleichrichter- und Wechselrichterschaltungen erzeugten Komponenten allgemein zuerst getrennt berechnet und dann quadratisch summiert. Auf diese Weise wird vorgegangen, wenn die Kondensatoreinheit eine beträchtliche Kapazität hat, wobei in diesem Fall die Schaltungen als getrennte Schaltungen betrachtet werden können und ihre momentanen Werte keine Auswirkungen aufeinander haben. Ausgehend hiervon folgt, dass die Kapazität der Kondensatoreinheit ziemlich groß wird, weil der bevorzugte Kondensatortyp, der Elektrolytkondensator, eine relativ niedrige Stromtoleranz hat. Auf der anderen Seite ist ein großer Kapazitätswert hinsichtlich verschiedener Regelungsfunktionen (z.B. Stabilität der Motorspannung, Betrieb in Bremssituationen, Betrieb im Fall eines Stromausfalls) vorteilhaft.
Aufgrund der großen Kondensatoreinheit ist die Gleichspannung fast konstant. Wie aus der Richtung der Versorgungsleitung zu ersehen, hat dies zur Folge, dass zum Begrenzen der Versorgungsleitungstromspitzenwerte eine beträchtliche Induktivität an einem bestimmten Punkt entlang des Strompfads benötigt wird. Momentan wird diese Induktivität üblicherweise vor der Graetz-Schaltung angeordnet, so dass sie gleichzeitig auch die Graetz-Schaltung gegen Versorgungsleitungs-Spannungsspitzen schützt. Die Belastungsfähigkeit des Strombegrenzungsinduktors ist üblicherweise zum Beispiel so, dass bei nominalem Strom die am Induktor anliegende Spannung ungefähr 3 bis 5% der Versorgungsspannung beträgt.
Filterkomponenten des Standes der Technik sind groß und teuer. Daher sind sie ein großer Faktor, der sich auf die Größe und die Kosten eines Frequenzumsetzers auswirkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der Lösungen des Standes der Technik zu beheben und eine Steuerungsanordnung zu schaffen, welche sowohl den Kondensator, der in der Gleichspannungszwischenschaltung als ein Energiespeicher dient, als auch den Induktor, der zum Begrenzen von Versorgungsleitungsstromspitzen verwendet wird, überflüssig macht.
Die Steuerungsanordnung macht es möglich, die Graetz-Schaltung direkt mit der Wechselrichterbrücke zu verbinden, ohne dass eine Gleichspannungskondensatoreinheit als ein zwischengeschalteter Energiespeicher dienen muss, so dass der durch die Wechselrichterbrücke erzeugte Gleichstrom ohne Strombegrenzung durch eine Induktoreinheit direkt in die Versorgungsleitung fließt.
Ein Mehrphasen-PWM-Frequenzumsetzer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine Graetz-Schaltung, die vollständig steuerbare Halbleiterschalter hat, und parallel zu diesen, invers parallel geschaltete Dioden, wobei eine Steuerungseinheit das Leiten der vollständig steuerbaren Halbleiterschalter in der Graetz-Schaltung steuert, so dass der vollständig steuerbare Halbleiterschalter im oberen Arm der Phase mit dem am positivsten momentanen Wert der Versorgungsspannung und der vollständig steuerbare Halbleiterschalter im unteren Arm der Phase mit dem negativsten momentanen Wert der Versorgungsspannung immer leitend sind. Auf diese Weise kann unabhängig von seiner Richtung der Strom der Zwischenschaltung frei in die Versorgungsleitung fließen. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumsetzer keine Kondensatoreinheit mit großer Kapazität, die als ein Energiespeicher zum Glätten der Zwischenschaltungsspannung dient, keine Induktoreinheit mit großer Induktivität zum Begrenzen der Spitzenwerte der Versorgungsleitungsphasenströme und keine Messung der Versorgungsleitungsphasenströme oder des Gleichstroms wie bei Lösungen des Standes der Technik benötigt.
Ein spannungsgesteuerter Mehrphasen-PWM-Frequenzumsetzer gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in seiner Graetz-Schaltung Dioden aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit das Ausgangsspannungsimpulsmuster über die steuerbaren Halbleiterschalter der Wechselrichterbrücke durch ein vorbestimmtes Verfahren unabhängig von der Frequenz und der Last derart erzeugt, dass der Ausgangsleistungsfaktor über einem voreingestellten Minimalwert bleibt, was dazu führt, dass nur positive Stromwerte im Zwischenschaltungsstrom erscheinen. Daher braucht der Frequenzumsetzer weder eine Kondensatoreinheit mit großer Kapazität, die als ein Energiespeicher zum Glätten der Zwischenschaltungsspannung dient, noch eine Induktoreinheit mit einer hohen Induktivität zum Begrenzen der Spitzenwerte der Versorgungsleitungsphasenströme aufzuweisen.
Die Einzelheiten der Merkmale, die für den Frequenzumsetzer der vorliegenden Erfindung kennzeichnend sind, sind in den beiliegenden Ansprüchen dargestellt.
Auch wenn der PWM-Frequenzumsetzer der vorliegenden Erfindung keinen Kondensator zum Glätten der Zwischenschaltungs-Gleichspannung und keinen Induktor zum Begrenzen der Spitzenwerte des Netzstroms benötigt, kann trotzdem ein Kondensator mit einem niedrigen Kapazitätswert eingesetzt werden, um die Spannungsspitzen zu begrenzen, die durch die in Streukapazitäten der Gleichspannungsschaltung in Schaltungssituationen latente Energie erzeugt werden. In ähnlicher Weise kann auch eine Filtereinheit, die aus Induktoren mit einem niedrigen Induktivitätswert und Kondensatoren mit einem niedrigen Kapazitätswert bestehen, auf der Versorgungsleitungsseite verwendet werden, um hochfrequente Harmonische aus dem Versorgungsstrom herauszufiltern. Diese Komponenten haben jedoch hinsichtlich der vorliegenden Erfindung keine wesentliche Bedeutung.
Es folgt eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Einzelnen anhand einiger Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt:
1 einen spannungsgesteuerten PWM-Frequenzumsetzer,
2 die Bildung des Stroms in der Gleichspannungs-Zwischenschaltung,
3 den ungefilterten Gleichstrom sowie den Wechselstrom und die Spannung,
4 den Gleichstrom bei kleineren Leistungsfaktorwerten,
5 die Schaltsequenz der Phasenschaltung in einer Sinuswellen-Dreieckswellen-Modulation,
6 eine Ebenen-Dreieckswellen-Modulation,
7 eine Zwei-Impuls-Modulation,
8 den Motorleistungsfaktor mit konstantem Drehmoment,
9 den Motorleistungsfaktor mit quadratischem Drehmoment und einer linearen und optimierten Spannung,
10 einen zweiten spannungsgesteuerten PWM-Frequenzumsetzer gemäß der vorliegenden Erfindung,
11 die Steuerung der Graetz-Schalter eines Frequenzumsetzers, wie er in 10 dargestellt ist, sowie seinen Gleichstrom und einen seiner Phasenströme, und
12 die Steuerelektronik.
Beispiel 1: Einzel-Quadranten-Ansteuerungen
1 stellt einen spannungsgesteuerten Dreiphasen-PWM-Frequenzumsetzer dar, der eine Graetz-Schaltung 10 für das Gleichrichten einer Dreiphasen-Wechselspannung umfasst, die von einer Versorgungsleitung kommt und die Phasenspannungen U_U, U_V, U_W aufweist, um so eine Gleichspannungszwischenschaltungs-Gleichspannung U_DC zu erzeugen, sowie eine Wechselrichterbrücke 11 zum Wechselrichten der Gleichspannung der Gleichspannungszwischenschaltung, um so eine Dreiphasen-Wechselspannung mit variabler Frequenz zu erzeugen, die aus den Phasenspannungen U_R, U_S und U_T besteht. Bei einem derartigen Frequenzumsetzer kann die Leistung nur in der Richtung von der Versorgungsleitung zum Verbraucher 12 (einem Dreiphasen-Käfiginduktionsmotor M) fließen. Die Wechselrichterbrücke 11 ist eine Vollwellenbrücke, in der eine Steuerungseinheit 13 die Phasenschalter der jeweiligen Phase über Impulsdauermodulation steuert. "Phasenschalter" bezieht sich auf einen Schalter, der von den vollständig steuerbaren Halbleiterschaltern im oberen und im unteren Arm der jeweiligen Phase gebildet wird (Phase R: V11, V14; Phase S: V12, V15; Phase T: V13, V16; mit invers parallel verschalteten Dioden D11 bis D16 parallel zu diesen). Die Graetz-Schaltung 10 ist eine ungesteuerte Vollwellenbrücke, die aus einer Diodenbrücke mit den Dioden D1 bis D6 besteht.
In der bisher bekannten Technik ist die Gleichspannungszwischenschaltung mit einem Kondensator C_DC zum Filtern der Gleichspannung und einer Induktoreinheit L_AC am Eingang der Graetz-Schaltung 10 zum Begrenzen von Versorgungsstromspitzen ausgerüstet. Wie später gezeigt wird, sind in der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl C_DC als auch L_AC überflüssig, und ist die Graetz-Schaltung 10 ohne eine Gleichspannungskondensatoreinheit, die als ein Energiezwischenspeicher dient, direkt mit der Wechselrichterbrücke 11 verbunden, und fließt der von der Wechselrichterbrücke erzeugte Gleichstrom I_DC ohne eine durch eine Induktoreinheit bewirkte Strombegrenzung direkt in die Versorgungsleitung.
Die Richtung des Gleichspannungszwischenschaltungs-Stroms I_DC, der von der Wechselrichterbrücke 11 erzeugt wird, hat bezüglich der Notwendigkeit zum Filtern in Einzel-Quadranten-Ansteuerungen eine entscheidende Bedeutung. Für den Zwischenschaltungsstrom, der von der Wechselrichterbrücke erzeugt wird, gelten die folgenden Grundregeln, wenn die positive Richtung der Ströme zum Motor 12 gerichtet ist:

1. Wenn alle Phasenschalter in derselben Position sind, dann ist I_DC = 0.
2. Wenn einer der Schalter in der hohen Position und zwei andere in der niedrigen Position sind, dann ist I_DC = der Strom der Phase mit dem Phasenschalter in der hohen Position als ein positiver Strom.
3. Wenn einer der Schalter in der niedrigen Position und die beiden anderen in der hohen Position sind, dann ist I_DC = der Strom der Phase mit dem Phasenschalter in der niedrigen Position als ein negativer Strom.

2 stellt ein Beispiel dafür dar, wie der Strom I_DC erzeugt wird, wenn davon ausgegangen wird, dass die Vorrichtung mit einer vollen Spannung (einer Ausgangsspannung, die einen Impuls pro Halbzyklus enthält) betrieben wird, dass der Strom eine Sinuswelle und der Leistungsfaktor cosφ = 0,87 ist.
In dieser Situation ist der Strom I_DC immer positiv. Wenn nun die Gleichspannungszwischenschaltung überhaupt keinen Filterkondensator aufweist, dann besteht der Versorgungsstrom, z.B. I_U wie im Beispiel von 3, direkt aus dem Gleichstrom. Da es keinen Energiezwischenspeicher gibt, ist der Versorgungsstromspitzenwert auf die Stärke des Gleichstroms begrenzt, auch wenn keine Induktivitäten zum Begrenzen des Stroms mit der Graetz-Schaltung verbunden sind.
Wie den 2 und 3 zu entnehmen ist, ist der Gleichstrom I_DC ständig positiv, solange die Motorschaltung cosφ ≥ 0,5 (d.h. φ ≤ 60°) ist. Wenn cosφ kleiner als dieser Wert ist, was in der Situation bei kleinen Lasten (4) der Fall ist, dann ist der Gleichstrom über einen Teil der Zeit negativ. Um die Gleichspannung U_DC daran zu hindern, zu stark anzusteigen, ist es notwendig, zu der Schaltung einen Spannungsbegrenzer hinzuzufügen, der zum Beispiel aus einer Reihenschaltung einer Diode und eines Kondensators besteht. Eine Begrenzungsschaltung mit einer kleinen Kapazität kann sogar während Situationen eines vollständig positiven Stroms notwendig sein, weil beim Auftreten abrupter Veränderungen im Gleichstrom die in den Versorgungsleitungsinduktivitäten gespeicherte Energie irgendwo entladen werden muss. Die Spannung des Begrenzungskondensators kann zum Beispiel dadurch entladen werden, dass sie zur Ansteuerung der Steuerungseinheits-Leistungsversorgung verwendet wird.
Im Fall von Teilspannungen ist, wenn die Ausgangsspannung mehrere Impulse pro Halbzyklus enthält, die Situation hinsichtlich einer Berücksichtigung des Stroms der Gleichspannungszwischenschaltung etwas komplizierter als im Bereich einer beim vorhergehenden Beispiel beschriebenen vollen Spannung. Die oben genannten Grundregeln 1 bis 3 gelten jedoch in allen Situationen, so dass das Modulationsverfahren eine entscheidende Auswirkung auf die letztendliche Form des Zwischenschaltungsstroms hat. Hinsichtlich der Verringerung der Begrenzungsschaltung, die zum Begrenzen der Gleichspannungsschaltungsspannungsspitzen verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn negative Gleichstromimpulse erst dann erscheinen, wenn der cosφ-Wert so klein wie möglich ist. In den folgenden Abschnitten wird der Gleichstrom I_DC unter Bezugnahme auf ein paar unterschiedliche Modulationsverfahren betrachtet.
Bei der Sinuswellen-Dreieckswellen-Modulation, die derzeit üblicherweise bei Teilspannungen zum Steuern der Phasenschalter verwendet wird, wird eine Sinuswelle R, S, T (5) für jede Phase mit einer gewöhnlichen Dreieckswelle verglichen. Wenn die Sinuswelle einen höheren Wert als die Dreieckswelle hat, ist der betreffende Phasenschalter in der hohen Position und umgekehrt. Auf der Grundlage des in der Figur gezeigten Beispiels kann ersehen werden, dass die Schaltsequenz der Phasenschalter, z.B. vom Nullpunkt der Phase R ausgehend, so ist, wie in Tabelle 1 gezeigt:
Tabelle 1
Die Spalte "Gleichstrom" in der Tabelle gibt diejenigen Ausgangsphasen an, von deren Strömen in dem Zwischenschaltungsstrom während der Modulation Abtastungen erscheinen. Zum Beispiel erscheinen Abtastungen des R-Phasenstroms im Zwischenschaltungsstrom I_DC unmittelbar nach 30°, was bedeutet, dass bei cosφ ≤ 0,87 der Zwischenschaltungsstrom negative Impulse enthält. Daher ist die Sinuswellen-Dreieckswellen-Modulation kein gutes Modulationsverfahren in dem Fall von Teilspannungen, weil Käfiginduktionsmotoren allgemein einen niedrigeren cosφ-Wert als diesen Wert haben.
Eine Ebenen-Dreieckswellen-Modulation ist ein weiteres allgemein bekanntes Modulationsverfahren für die Steuerung von Phasenschaltern. Die Modulation funktioniert z.B. mit dem Hauptspannungsimpuls Nr. 5, wie in 6 gezeigt. Wie aus der Figur ersichtlich, nimmt der Phasenschalter für die Phase R erst im Bereich von 60° bis 120° eine andere Position als die beiden anderen Schalter ein, was bedeutet, dass lediglich dann negative Impulse in I_DC erscheinen, wenn die Motorschaltung cosφ ≤ 0,5 ist. Daher wird mit diesem Modulationsverfahren dasselbe Ergebnis erzielt wie in einem vollen Spannungsbereich. Der Nachteil dieses Modulationsverfahrens besteht darin, dass es Harmonische im Ausgangsstrom erzeugt, die sich bei sehr niedrigen Frequenzen durch eine unregelmäßige Rotation des Motors bemerkbar machen können.
Es ist möglich, den cosφ-Bereich weiter auszudehnen, wobei dann keine negativen Impulse im Gleichstrom erscheinen, indem im Fall von Teilspannungen ein wie in 7 gezeigtes Zwei-Impuls-Modulationsverfahren eingesetzt wird, bei dem die Hauptspannung zwei Impulse für jeden Halbzyklus enthält. Wie aus der Figur hervorgeht, nimmt der Phasenschalter je nach dem erreichten Modulationsgrad für die Phase R lediglich nach einem Winkel von 60° + α eine andere Position als die beiden anderen Phasenschalter ein, d.h. wenn cosφ < 0,5 ist. Daher ist es mit diesem Modulationsverfahren möglich, mit einem positiven Gleichstrom mit ziemlich niedrigen Spannungs- und cosφ-Werten zu arbeiten.
Das cosφ von Motoren bei Nennlast variiert abhängig vom Modell und von der Motorleistung, wobei typische Werte bei ungefähr 0,7 bis 0,9 liegen. Für Teilleistungen ist cosφ kleiner. Die Frequenz hat keine deutliche Auswirkung auf cosφ, während sich die Last (das Drehmoment) entscheidender auswirkt, wie durch das in 8 gezeigte Beispiel für einen Motor im Konstantdrehmoment-Betrieb angegeben ist.
Im Fall kleiner Lasten kann die Verkleinerung von cosφ durch Verringern der Motorspannung gemäß einer im Voraus berechneten Spannungskurve aufgehalten werden, die von der Frequenz und der Last abhängt. Durch dieses Verfahren ist es möglich, cosφ beständig z.B. über dem Grenzwert von 0,5 zu halten, der hinsichtlich einer Ebenen-Dreieckswellen-Modulation kritisch ist. 9 zeigt ein Beispiel, in dem das Verhalten von cosφ im Fall eines quadratischen Lastdrehmoments T (Pumpen- und Lüfterantriebe) und einer linearen (Ulin) und optimierten (Uopt) Spannung veranschaulicht ist.
Unter den besten Prozessen, die mit einem einzelnen Quadranten funktionieren, bei dem ein Frequenzumsetzer gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ohne einen Energie speichernden Kondensator in der Gleichspannungszwischenschaltung und ohne einen Strom begrenzenden Induktor in der Versorgung anwendbar ist, sind Pumpen- und Lüfterantriebe, weil bei diesen die Richtung des Leistungsflusses immer zum Motor hin ist, die Last immer quadratisch ist und der Betriebspunkt immer bei hohen Frequenzen liegt, so dass z.B. die Fluktuation der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, die durch Ebenen-Dreieckswellen-Modulation bei niedrigen Frequenzen erzeugt wird, kein Problem ist.
Beispiel 2: Vier-Quadranten-Ansteuerungen
10 zeigt einen spannungsgesteuerten Dreiphasen-PWM-Frequenzumsetzer gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, der eine Graetz-Schaltung 20 zum Gleichrichten einer Dreiphasen-Wechselspannung, die aus den Phasenspannungen U_U, U_V, U_W besteht, um eine Gleichspannungs-Zwischenschaltungs-Gleichspannung U_DC zu erzeugen, sowie eine Wechselrichterbrücke 21 zum Wechselrichten des Gleichstroms der Zwischenschaltung zum Erzeugen einer Dreiphasen-Wechselspannung mit variabler Frequenz aufweist, die aus den Phasenspannungen U_R, U_S, U_T besteht. Der Frequenzumsetzer speist einen Dreiphasen-Induktionsmotor (M) 22. Die Wechselrichterbrücke 21 ist eine Vollwellenbrücke, bei der eine Steuerungseinheit 23 über Impulsdauermodulation die vollständig steuerbaren Halbleiterschalter V11 bis V16 einer jeden Phase (Phase R: V11, V14; Phase S: V12, V15; und Phase T: V13, V16) steuert, wobei jeder Schalter mit einer Diode D11 bis D16 invers parallel verschaltet ist.
Auch bei dieser Ausführungsform ist die Graetz-Schaltung 20 direkt ohne eine Gleichspannungs-Kondensatoreinheit, die als ein Energiezwischenspeicher fungiert, mit der Wechselrichterbrücke 21 verbunden, und wird der von der Wechselrichterbrücke erzeugte Gleichstrom I_DC ohne eine durch eine Induktoreinheit bewirkte Strombegrenzung direkt an die Wechselspannungs-Versorgungsleitung geliefert.
Um einen Verzicht auf Filterung in der Gleichspannungsschaltung ohne Begrenzung hinsichtlich der Richtung des Zwischenschaltungsstroms zu ermöglichen, ist es notwendig, eine Graetz-Schaltung zu verwenden, die den Fluss des negativen Zwischenschaltungsstroms in der Richtung zur Versorgungsleitung erlaubt.
Eine derartige Schaltung für die Graetz-Schaltung 20 wird durch Verbinden einer vollständig steuerbaren Halbleiterkomponente, z.B. eines IGBT, V1 bis V6, parallel mit jeder Gleichrichter-Brücken-Diode D1 bis D6 erreicht. Wie in 11 gezeigt ist, sind die Regeln für ihre Steuerung die folgenden:

– Der IGBT im oberen Arm der Phase, die den höchsten momentanen Spannungswert hat, leitet, und
– der IGBT im unteren Arm der Phase, die den niedrigsten momentanen Spannungswert hat, leitet.

Mit anderen Worten, wenn die parallel mit dem IGBT geschaltete Diode leitet, wenn die Leistung zum Motor hin fließt, wird der IGBT ebenfalls leitend gehalten. Wegen der IGBTs kann Leistung genauso leicht in die andere Richtung fließen.
Durch das fernere Schalten z.B. eines LC-Filters, das aus Induktoren und Kondensatoren besteht, zwischen die Versorgungsleiter und die Graetz- Schaltung können hochfrequente Harmonische des Netzstroms herausgefiltert werden, wie in 11 gezeigt ist.
12 zeigt ein Beispiel dafür, wie die oben beschriebene Graetz-Schaltungs-Steuerungslogik unter der Verwendung von Optokopplern implementiert werden kann. In diesem Kontext wird nur die Schaltung auf der Seite der Leuchtdioden der Optokoppler beschrieben. Die Impulsverstärkerschaltung auf der Seite der Lichtdetektoren, welche die tatsächlichen Spannungs- und Stromimpulse erzeugt, die zum Steuern der Leistungshalbleiter gemäß dem Signal, das vom Optokoppler erhalten wird, benötigt werden, kann auf viele bekannte Weisen implementiert werden und wird hier nicht weiter beschrieben.
Die in 12 gezeigte Schaltung ist an dieselben Versorgungsspannungsklemmen U_U, U_V, U_W angeschlossen, die in 10 gezeigt sind, an die auch die Graetz-Schaltung 20 angeschlossen ist. Die Schaltung umfasst eine Diodenbrücke D21 bis D26, Optokoppler-Emitterdioden V1c bis V6c, die mit den Dioden in Reihe geschaltet sind, sowie einen Widerstand R1, der mit den Gleichstromklemmen der Diodenbrücke verbunden ist. In der Schaltung fließt ein vom Widerstand R1 bestimmter Strom durch diejenigen Emitterdioden, die gemäß der in 11 dargestellten Steuerungslogik einen Steuerungsbefehl an diejenigen Halbleiterschalter V1 bis V6 abgeben sollen, die ihnen entsprechen. Zum Beispiel fließt nur dann ein Strom durch die Emitterdiode V1c, wenn die Phasenspannung U_U positiver als die anderen Phasenspannungen ist. Auf diese Weise leitet der Halbleiterschalter V1, der dieser Diode entspricht, genau zum richtigen Zeitpunkt.
Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterliegt keinen Einschränkungen hinsichtlich den Anwendungen des Frequenzumsetzers.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Implementierung der Graetz-Schaltungs-Steuerungslogik keine Messung des Netzstroms oder des Gleichstroms benötigt, wie das bei gemäß dem Stand der Technik implementierten Schaltungen der Fall ist.
Die Erfindung kann auch in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen mehrere Drei-Phasen-Systeme eine gemeinsame Gleichspannungszwischenschaltung speisen (z.B. 12-Impuls- und 18-Impuls-Brücken), oder bei denen mehrere Wechselrichterbrücken mit derselben Gleichspannungszwischenschaltung verbunden sind, um mehrere getrennte Verbraucher zu speisen.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist offensichtlich, dass die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die oben gegebenen Beispiele eingeschränkt ist, sondern dass diese im Umfang der folgenden Ansprüche variiert werden können. Die verwendeten vollständig steuerbaren Halbleiterschalter können neben IGBTs auch aus anderen vollständig netzgesteuerten Halbleiterschaltern, d.h. Schaltern, die ein- und ausgeschaltet werden können, wie zum Beispiel Transistoren, bestehen.

Claims

Mehrphasenspannungsgesteuerter PWM-Frequenzumsetzer, mit mindestens einer Steuerungseinheit (23), mindestens einer Graetz-Schaltung (20), die dazu ausgelegt ist, an eine Mehrphasenversorgungsleitung (U_U, U_V, U_W) angeschlossen zu sein, einer Gleichspannungszwischenschaltung und mindestens einer gesteuerten Wechselrichterbrücke (21) zum Speisen mindestens eines Mehrphasenverbrauchers (22) mit einer Wechselspannung (U_S, U_R, U_T) variierender Stärke und Frequenz, wobei die Wechselrichterbrücke impulsdauermodulationsgesteuerte Halbleiterschalter (V11–V16) und parallel zu diesen, invers parallel geschaltete Dioden (D11–D16) aufweist, wobei die Graetz-Schaltung vollständig steuerbare Halbleiterschalter (V1–V6) und parallel zu diesen invers parallel geschaltete Dioden (D1–D6) aufweist, und wobei die Steuerungseinheit die vollständig steuerbaren Halbleiterschalter der Graetz-Schaltung so steuert, dass im oberen Arm der Schalter der Phase im Wesentlichen so lange leitet, wie der momentane Wert der entsprechenden Versorgungsleitungs-Phasenspannung (U_U, U_V, U_W) der positivste der drei Versorgungsleitungs-Phasenspannungen (U_U, U_V, U_W) ist, und im unteren Arm der Schalter der Phase im Wesentlichen so lange leitet, wie der momentane Wert der Versorgungsleitungs-Phasenspannung (U_U, U_V, U_W) der negativste der drei Versorgungsleitungs-Phasenspannungen (U_U, U_V, U_W) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Graetz-Schaltung (20) ohne eine Gleichspannungskondensatoreinheit, die als ein Energiezwischenspeicher dient, direkt mit der Wechselrichterbrücke (21) verbunden ist, und der von der Wechselrichterbrücke erzeugte Gleichstrom konstruktionsgemäß ohne eine durch eine Induktoreinheit bewirkte Stromspitzenbegrenzung direkt in die Versorgungsleitung fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (23) mit Steuerungsvorrichtungen zum Steuern der Halbleiterschalter (V1–V6) der Graetz-Schaltung (20) versehen ist, wobei die Steuerungsvorrichtungen an dieselben Anschlüsse (U_U, U_V, U_W) der Versorgungsleitungs-Phasenspannungen wie die Graetz-Schaltung angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtungen Optokoppler sind und dass die Steuerungseinheit eine Diodenbrücke (D21–D26), mit den Diodenbrückendioden in Reihe geschaltete Optokoppler-Emitterdioden (V1c–V6c) und einen mit den Gleichspannungsanschlüssen der Diodenbrücke verbundenen Widerstand (R1) aufweisen, wobei ein vom Widerstand (R1) bestimmter Strom durch diejenigen Emitterdioden fließt, die dazu dienen, gemäß der Steuerungslogik an die ihnen entsprechenden Halbleiterschalter (V1–V6) der Graetz-Schaltung (20) einen Steuerbefehl abzugeben.
Mehrphasenspannungsgesteuerter PWM-Frequenzumsetzer, mit mindestens einer Steuerungseinheit (13), mindestens einer ungesteuerten Graetz-Schaltung (10), die dazu ausgelegt ist, an eine Mehrphasenversorgungsleitung (U_U, U_V, U_W) angeschlossen zu sein, einer Gleichspannungszwischenschaltung und mindestens einer gesteuerten Wechselrichterbrücke (11) zum Speisen mindestens eines Mehrphasenverbrauchers (12) mit einer Wechselspannung (U_S, U_R, U_T) variierender Stärke und Frequenz, wobei die Wechselrichterbrücke impulsdauermodulationsgesteuerte Halbleiterschalter (V11–V16) und parallel zu diesen, invers parallel geschaltete Dioden (D11–D16) aufweist, wobei die Graetz-Schaltung Dioden (D1–D6) aufweist, und wobei die Steuerungseinheit ein Ausgangsspannungsimpulsmuster derart erzeugt, dass während eines einzigen Halbzyklus einer Phasenspannung der entsprechende Phasenschalter nur im Bereich von 60° bis 120° in einer anderen Position als die anderen beiden Phasenschalter sein kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit die Ausgangsspannung (U_S, U_R, U_T) der Wechselrichterbrücke (11) mittels der steuerbaren Halbleiterschalter derart steuert, dass unabhängig von Frequenz und Last der Leistungsfaktor über einem vorbestimmten Mindestwert, z.B. 0,5, bleibt, und die Graetz-Schaltung (10) ohne eine Gleichspannungskondensatoreinheit, die als ein Energiezwischenspeicher dient, direkt mit der Wechselrichterbrücke (11) verbunden ist und der von der Wechselrichterbrücke erzeugte Gleichstrom konstruktionsgemäß ohne eine durch eine Induktoreinheit bewirkte Stromspitzenbegrenzung direkt in die Versorgungsleitung fließt.