DE69728028T2

DE69728028T2 - Verfahren zum Parallelschalten einer Vielzahl von Spannungsquellen-Leistungswandlern

Info

Publication number: DE69728028T2
Application number: DE69728028T
Authority: DE
Inventors: Jerzy Bolton Ontario Ferens
Original assignee: Siemens Canada Ltd
Current assignee: Siemens Canada Ltd
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: EP0851567B1; DE69728028D1; EP0851567A2; EP0851567A3; US5757634A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Multiparallelschalten von Spannungsquellenleistungswandlern und insbesondere auf ein Multiparallelwandlersystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und wie es von der EP-A-489971 bekannt ist.
Hintergrund der Erfindung
Es ist üblich, mehrere Standardspannungsleistungsquellenwandler parallel zu kombinieren, um eine zuverlässige PWM-Leistungsquelle (PWM = pulse width modulation = Pulsbreitenmodulation) mit großer Kapazität zu liefern. Ein typisches herkömmliches Multiparallelsystem umfasst eine Mastereinheit und eine Anzahl von Slaveeinheiten, die als „Stromverstärker" dienen. Die Mastereinheit liefert eine Systempegelsteuerung, während jede der Slaveeinheiten unter der Anweisung der Mastereinheit eine lokale Stromsteuerung durchführt. In jedem System, das einen hohen Leistungspegel und eine hohe Komplexität aufweist, ist es äußerst wünschenswert, die „Auszeit" zu minimieren, die einem Ausfall von einer der Komponenten desselben folgt. Herkömmliche Multiparallelsysteme sind normalerweise entworfen, um bei reduzierter Kapazität zu arbeiten, wenn eine der Slaveeinheiten ausfällt.
Ein Problem bei vielen herkömmlichen Systemen ist, dass dieselben einen Ausfall der Mastereinheit nicht überleben können. Obwohl sich von dem Ausfall einer Slaveeinheit somit eine sehr geringe oder keine Auszeit ergibt, kann sich von dem Ausfall der Mastereinheit eine ausgedehnte Auszeit ergeben, da das gesamte System abgeschaltet werden muss, um den Master zu reparieren.
Bei einigen bekannten Systemen ist eine Master- und Slaveeinheitaustauschbarkeit vorgesehen, aber es gibt keine Einrichtung zum genauen Steuern des Stroms, der durch das gesamte System erzeugt wird, wenn dasselbe normal oder bei reduzierter Kapazität läuft.
Das U.S.-Patent Nr. 4,734,844, das am 24. März 1988 an Rhoades erteilt wurde, mit dem Titel „Master/Slave Current Sharing, PWM Power Supply", offenbart ein System zum Parallelschalten von Leistungsversorgungen, bei dem jede der Leistungsversorgungseinheiten entweder als eine unabhängige Leistungsversorgung, eine Master/Slave-Kombination oder ein Slave einer Master/Slave-Kombination konfiguriert werden kann. Der Strom in dem Master wird mit einem PWM-Modulator gesteuert. Ein Rückkopplungssignal von innerhalb des Masters wird verwendet, um den PWM-Modulator zu steuern. Grundsätzlich wird das gleiche PWM-Signal in die Slaveeinheit eingespeist. Es gibt keine Rückkopplung von der Slaveeinheit an den Master, um eine Gesamtstromsteuerung zu liefern. Statt dessen wird angenommen, dass der Strom, der durch die Slaveeinheiten erzeugt wird, im wesentlichen identisch ist mit dem, der durch die Mastereinheit erzeugt wird.
Das U.S.-Patent Nr. 4,174,534, erteilt am 13. November 1979 an Kotlarewsky mit dem Titel „Master-Slave Voltage Regulator Employing Pulse Width Modulation", offenbart ein System zum Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung (Wechselstrom oder Gleichstrom) von einer Eingangsgleichspannung. Eine Master/Slave-Konfiguration ist offenbart, aber die Austauschbarkeit der Master- und Slavefunktionalität wird nicht vorgeschlagen.
Das U.S.-Patent Nr. 5,122,726, erteilt am 16. Juni 1992 an Elliott u. a. mit dem Titel „Overvoltage Protection for Redundant Power Supply", offenbart Parallellleistungsversorgungen, bei denen jede der Einheiten dynamisch eine Master- oder Slaveeinheit werden kann. Fehlerhafte Versor gungen schalten sich in dem Fall von Überspannungszuständen ab.
Das U.S.-Patent Nr. 4,886,981, erteilt am 12. Dezember 1989 an Lentini u. a., mit dem Titel „Synchronising Circuit for a Plurality of Power Units", offenbart ein Multiparallelsystem, bei dem durch eine Mastereinheit ein Taktsignal erzeugt wird und an jede der Slaveeinheiten weitergeleitet wird, wodurch eine Synchronisation erreicht wird, und wobei die Mastereinheit durch ein Polaritätssignal auf einem Bus ausgewählt wird. Wenn eine spezielle Einheit ein Master ist, erzeugt dieselbe eine Polarität auf dem Bus und kommuniziert dadurch an die anderen Einheiten, dass sich dieselben als Slaveeinheiten verhalten sollen. Diesem System fehlt ein Verfahren der genauen Puls-um-Puls-Stromverfolgung.
Das U.S.-Patent Nr. 5,157,269, erteilt am 20. Oktober 1992 an Jordan u. a. mit dem Titel „Load Current Sharing Circuit", offenbart ein Multiparallelsystem, bei dem jede einer Reihe von Leistungsversorgungen als ein Master wirken kann, wobei die verbleibenden Einheiten als Slaves wirken. Eine Einheit, die den höchsten Anteil des Laststroms hat, wird als Master ausgewählt und die verbleibenden Einheiten sind Slaves. Der Strom der Mastereinheit wird nach unten eingestellt und der Strom der Slaveeinheiten wird fortlaufend nach oben eingestellt, so dass alle die Einheiten im wesentlichen gleiche Ströme beibehalten.
Das U.S.-Patent Nr. 5,436,823, erteilt am 25. Juli 1995 an Araki mit dem Titel „Parallel Operation Controller for Power Converters", offenbart ein Dreiphasenmultiparallelsystem, bei dem jeder Leistungswandler durch ein PWM-Signal getrieben wird, das durch Subtrahieren eines Dreiphasenstroms eingestellt wird, der an dem Ausgang von einem Referenzbefehlsstromwert erfasst wird. Es wird keine Master-Slave-Austauschbarkeit vorgeschlagen. Der Bezugsstrom ist nicht der Strom, der in dem Master erzeugt wird, sondern eher ein Referenzbefehl, der extern eingegeben wird.
Das U.S.-Patent Nr. 5,253,155, erteilt am 12. Oktober 1993 an Yamamoto mit dem Titel „Circuit and Method for Controlling Output Current Balance Between Parallel Drive PWM-Type Power Inverting Units", offenbart ein Steuerverfahren, das die Ausgangsströme von zwei Invertern, die parallel geschaltet sind, ausgleicht. Dieses Verfahren ist auf nur zwei Inverter begrenzt. Ferner wird mit diesem Verfahren keine Master-Slave-Stromverfolgungsfunktion durchgeführt.
Das Dokument EP-A-489971 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer m-Puls-Inverteranordnung. Die Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens weist eine parallel verbundene Anordnung auf, an die tatsächliche Phasenstromwertunterschiede und m-Steuersignale an der Eingangsseite geliefert werden. Die Steuersignale des Slaveinverters liegen dann an der Ausgangsseite vor. Ein Subtraktor ist vorgesehen, um die tatsächlichen Phasenstromwertunterschiede zu bestimmen. Die parallel geschaltete Anordnung weist eine Zeitverzögerungsanordnung für jede bestimmte tatsächliche Phasenstromdifferenz auf.
Das Dokument DE-A-38 40 806 beschreibt eine Schaltungsanordnung für das Parallelschalten von jeder Anzahl von gewünschten Invertern. Zu diesem Zweck weist jeder Inverter eine Übertragungsvorrichtung auf, deren Ausgänge alle mit einer zentralen Signalverteilungsvorrichtung verbunden sind. Diese Signalverteilungsvorrichtung ist hintereinander mit einer Steuer- und Regelvorrichtung verbunden. Beispielsweise bereitet die Signalverteilungsvorrichtung die tatsächlichen Ausgangswerte der mehreren Inverter vor, um einen tatsächlichen Ausgangswert zu bilden. Die Steuer- und Regelvorrichtung erzeugt Steuersignale von diesen tatsächlichen Werten und voreingestellten Nennwerten, wobei die Steuersignale über die Signalverteilungsvorrichtung an die Inverter geliefert werden. Auf diese Weise empfangen alle parallel verbundenen Inverter die gleichen Steuersignale. Es gibt keine Verzögerung dieser Steuersignale in Abhängigkeit von einem tatsächlichen Ausgangswert, der bestimmt wurde.
Das Dokument DE-A-40 38 869 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Ausgleichen der Ströme in selbstkommutierenden Invertern, die in einem parallelen Antrieb arbeiten und deren Phasenausgänge über Drosselspulen miteinander verbunden sind, die es ermöglichen, dass Ströme einzeln durch die Zweige gemessen oder erfasst werden, durch Stromtransformatoren, jeweils mit einem in Reihe geschalteten Gleichrichterelement, und dass (N – 1) der N Stromwerte mit einem gemeinsamen Vergleichsreferenzwert verglichen werden. Die Stromzufuhrzeit des Halbleiterschalters in den einzelnen Zweigen ist gemäß der Abweichung der einzelnen gemessenen oder erfassten Stromwerte von dem Vergleichswert verschoben. Für jedes Verzweigungspaar ist ein Stromtransformator vorgesehen, um die Auslage auf den Drosselspulen zu reduzieren, da der Strom durch die Schaltungsanordnung ausgeglichen wird, d. h. die Halbleiterschalter (GTO-Thyristoren) haben unterschiedliche Schaltzeiten.
Es wird angemerkt, dass viele der oben erwähnten Referenzen Einzelheiten des Parallelschaltens von Schaltmodusversorgungen mit kleiner Leistung offenbaren, die eine Wechselstromausgabe erzeugen und bei hohen Schaltfrequenzen arbeiten. Puls-um-Puls-Stromverfolgung ist bei diesen Anwendungen nicht so effektiv wie bei Anwendungen mit höherer Leistung und niedrigerer Schaltfrequenz, beispielsweise Multikilowatt- bis Multimegawatt-Anwendungen, wo die Schaltfrequenz in dem niedrigen Kilohertzbereich liegt.
Keine der obigen Referenzen offenbart ein System zum Parallelschalten einer beliebigen Anzahl identischer PWM-Wandler, was das Steuern des Betriebs des gesamten Systems auf einer Puls-um-Puls-Basis ermöglicht und eine Master- Slave-Austauschbarkeit aufweist, die das System befähigt, mehrere Ausfälle zu überleben.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System von Multiparallelspannungsquellenleistungswandlern zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch das Multiparallelwandlersystem gelöst, wie es allgemein in Anspruch 1 definiert und charakterisiert ist, und wie es durch spezifische Ausführungsbeispiele in den angehängten Ansprüchen offenbart ist.
Es ist ein Vorteil des Multiparallelsystems gemäß der Erfindung, dass jede Einheit als eine Mastereinheit konfiguriert werden kann, wodurch das Multiparallelsystem in die Lage versetzt wird, selbst mehrere Ausfälle zu überleben.
Es ist ein weiterer Vorteil bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, dass ein Puls-Un-Puls-Stromverfolgungssystem verwendet wird, das es ermöglicht, dass ein Pegel der dynamischen Leistungsfähigkeit in dem Multiparallelsystem bei dem gleichen Pegel gehalten wird wie die Leistungsfähigkeit eines einzelnen Inverters. Dies ermöglicht auch die Verwendung kleinerer Zwischenphasenreaktanzen und eine geringe Rationierung parallel geschalteter Inverter im Vergleich zu Systemen, die bekannte asynchrone Verfolgungsverfahren verwenden. Das System kann beispielsweise für vektorgesteuerte Motorantriebe mit großer Kapazität, statische Hochleistungsgeneratoren oder synchrone Gleichrichter verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun mit Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Spannungsquelleninverters;
2 ein Blockdiagramm eines Multiparallelsystems gemäß der Erfindung;
3 ein Blockdiagramm einer Parallelschnittstelle für die Verwendung bei dem Multiparallelsystem von 2;
4 ein Blockdiagramm einer PM-Pulsverarbeitungsschaltung für die Verwendung bei der Parallelschnittstelle von 3;
5 ein Zeitgebungsdiagramm für lokale PWM-Pulsverarbeitung;
6 ein Blockdiagramm eines Dreiphasenspannungsquelleninverters; und
7 ein Blockdiagramm eines Systems für Multiparalleldreiphasenspannungsquelleninverter gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Es ist der Zweck eines herkömmlichen PM-Spannungsquellenleistungswandlers (PWM = pulse width modulation = Pulsbreitenmodulation), ein Eingangsleistungssignal eines Typs in ein Ausgangsleistungssignal eines anderen Typs umzuwandeln. 1 ist ein Schema eines Leistungswandlertyps, der allgemein bei 18 angezeigt ist und als Spannungsquellenwandler bezeichnet wird, bei dem Leistung, die von einer Gleichstromquelle 2 geliefert wird, über eine Last 4 in eine Wechselstromleistungsausgabe 3 umgewandelt wird. Wenn ein erster Schalter 5 aktiviert ist, verbindet derselbe den Ausgang des positiven Anschlusses der Gleichstromquelle 2, und wenn ein zweiter Schalter 6 aktiviert ist, verbindet derselbe den Ausgang 3 mit dem negativen Anschluss der Gleichstromquelle 2. Die Schalter 5, 6 sind Leistungsschalter, beispielsweise Transistoren, IGBTs (insulated gate bipolar transistors = Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode) oder GTOs (gate turn on = Gateanschaltschalter). Die Schalter 5, 6 werden durch Signale getrieben, die auf jeweiligen Modulationskanälen 7, 8 getragen werden. Ein erstes Modulationssignal PWM POS wird auf dem Modulationskanal 7 getragen, und ein zweites Modulationssignal PWM NEG wird auf dem Modulationskanal 8 getragen. Diese Modulationssignale sind Pulssequenzen mit einer variablen Dauer von Ein- und Aus-Perioden. Die Pulssequenzen werden verwendet, um die Verbindung der Gleichstromleistungsquelle mit dem Leistungswandlerausgang zu steuern oder zu modulieren, was dazu führt, dass der Ausgang die gewünschten Wechselstromcharakteristika aufweist. Die beiden Schalter 5, 6 werden alternativ EIN- und AUS-geschaltet, um das Kurzschließen der Gleichstromquelle zu vermeiden. Normalerweise wird der treibenden Pulsstruktur ein „Sicherheits"-Spielraum hinzugefügt, in der Form einer „Verriegelungszeit" (oder „Todzeit"), was zu kurzen Zeitperioden führt, wenn beide Schalter aus sind. Zusätzliche Bedingungen (minimal/maximal) werden ebenfalls auf die Dauer der Pulse auferlegt. Zahlreiche topologische und Antriebs-Variationen von PWM-Spannungsinvertern existieren, aber das zugrundeliegende Prinzip des Erzeugens der Ausgangsspannung durch Variieren der Dauer von Ein- und Aus-Zuständen der Leistungsschalter wird beibehalten. Eine detailliertere Beschreibung der Leistungswandler befindet sich in „Power Semiconductor Circuits" von S. B. Dewan und A. Straughan, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-21190-X.
Mit Bezugnahme auf 2 wird ein Multiparallelsystem gemäß der Erfindung gezeigt, bei dem eine Mehrzahl N von Leistungseinheiten parallel geschaltet ist, wobei nur drei der Leistungseinheiten 10, 12, 14 dargestellt sind. Jede Leistungseinheit hat eine Parallelschnittstelle 16, einen Spannungsquellenleistungswandler, der beispielsweise ein Spannungswandler 18 sein kann, und einen Zwischenphasenreaktor 20 in Reihe geschaltet. An den Ausgängen der N Leistungseinheiten sind die entsprechenden Ausgänge aller Zwischenphasenreaktoren 20 miteinander und mit einer Last 22 verbunden. An den Eingängen der N Leistungseinheiten sind benachbarte Parallelschnittstellen 16 miteinander verbunden. Eine Hauptsteuerung 24 ist mit der Parallelschnittstelle 16 der Leistungseinheit 10 verbunden. Die Leistungseinheit 10, mit der die Hauptsteuerung 24 verbunden ist, wird als die Mastereinheit bezeichnet, während die verbleibenden Leistungseinheiten als Slaveeinheiten bezeichnet werden. Es wird angemerkt, dass die Mastereinheit tatsächlich die erste aktive Einheit in der Sequenz von Leistungseinheiten 10, 12, 14 von links nach rechts ist. Falls somit die Leistungseinheit 10 ausfällt, übernimmt die Leistungseinheit 12 die Rolle der Mastereinheit. Dies wird nachfolgend näher erörtert.
Es ist der Zweck der Zwischenphasenreaktoren 20, einen Puffer zu liefern, der die Ausgangsspannungsunterschiede von kurzer Dauer auffangen kann, die zwischen den Leistungseinheiten 10, 12, 14 aufgrund lokaler Stromregelung bestehen.
Obwohl dies in 2 nicht gezeigt ist, weist jeder Leistungswandler ein Paar von Schaltern für eine Verbindung mit einer gemeinsamen Gleichstromquelle auf, wie es in 1 dargestellt ist. Die Schalter werden durch Modulationssignale gesteuert, die an jeden Leistungswandler 18 geliefert werden, durch die jeweilige Parallelschnittstelle 10 derselben, wie es nachfolgend näher beschrieben ist.
Mit Bezugnahme auf 2 und 3 kann jede Parallelschnittstelle 16 als eine Viertorschaltung moduliert werden, wobei die Viertorschaltung vier Tore 30, 32, 34, 36 aufweist, die auch als Tor Nr. 1, Tor Nr. 2, Tor Nr. 3 bzw. Tor Nr. 4 bezeichnet werden. Das Tor Nr. 1 ist für die Verbindung mit der Hauptsteuerung 24 in dem Fall, in dem die Parallelschnittstelle einen Teil der Mastereinheit bildet, und ist nicht mit irgendetwas verbunden in dem Fall, in dem die Parallelschnittstelle einen Teil von einer der Slaveeinheiten bildet. Das Tor Nr. 2 ist für die Verbindung mit dem jeweiligen Leistungsinverter 18. Das Tor Nr. 3 der Leistungseinheit 10 ist nicht mit irgendetwas verbunden, während das Tor Nr. 3 der verbleibenden Leistungseinheiten für die Verbindung mit dem Tor Nr. 4 einer jeweiligen benachbarten Leistungseinheit ist. Das Tor Nr. 4 der letzten Leistungseinheit ist nicht mit irgendetwas verbunden.
Jede Parallelschnittstelle 16 weist eine PWM-Schaltungsanordnung auf, um PWM-Abfeuerungspulssignale zwischen benachbarten Parallelschnittstellen weiterzuleiten und um verarbeitete PWM-Abfeuerungspulssignale an die Leistungswandler weiterzuleiten. Außerdem weist jede Parallelschnittstelle Stromüberwachungs- und Rückkopplungsschaltungsanordnungen auf. Es wird angemerkt, dass bei den Figuren eine einzige Linie verwendet wird, um zwei Modulationskanäle darzustellen, wobei diese der positive und der negative Modulationskanal sind, sofern dies nicht explizit anders gezeigt ist, obwohl für diese Kanäle zwei physikalische Leitungen erforderlich sind.
Die PWM-Schaltungsanordnung umfasst PWM-Pulseingangsleitungen 38, 40 von dem Tor Nr. 1 bzw. Tor Nr. 3, die mit einem Addierer 42 verbunden sind, der alle Signale auf den Leitungen 38, 40 addiert. Ein Ausgang des Addierers 42 ist durch die PWM-Pulsausgangsleitung 44 mit dem Tor Nr. 4 verbunden, und durch eine Leitung 47 mit einer Pulsverarbeitungsschaltung 46. Eine PWM-Pulsausgangsleitung 48 der Pulsverarbeitungsschaltung 46 ist mit dem Tor Nr. 2 verbunden.
Die verschiedenen Signale, die durch die PWM-Schaltungsanordnung getragen werden, werden nun beschrieben. Hauptstrombefehlssignale, die aus PWM-Signalen bestehen, die von der Hauptsteuerung 24 stammen, werden als „Haupt-PWM" bezeichnet, und kommen entweder von der Hauptsteuerung 24 selbst durch die Leitung 38, falls die bestimmte Leistungseinheit die Mastereinheit ist, oder von einer benachbarten Parallelschnittstelle durch die Leitung 40, falls die Schnittstelle 16 Teil einer Slaveeinheit ist. Der Zweck der PWM-Eingangsleitungen 38, 40, des Addierers 42 und der PWM-Ausgangsleitung 44 ist es, dieses gleiche Haupt-PWM-Signal an die Pulsverarbeitungsschaltung 46 von jeder der Parallelschnittstellen 16 zu liefern. Bei jeder Parallelschnittstelle trägt nur eine der Leitungen 38, 40, die mit dem Addierer 42 verbunden sind, das Haupt-PWM-Signal, und die andere der Leitungen ist inaktiv, was dazu führt, dass das Ausgangssignal des Addierers 42 immer gleich dem Haupt-PWM-Signal ist. Die Addierer 42 von allen Parallelschnittstellen sind zusammen in Reihe geschaltet, durch das jeweilige Tor Nr. 3 und Tor Nr. 4 jeder Parallelschnittstelle. Somit hat die Pulsverarbeitungsschaltung 46 jeder Parallelschnittstelle das gleiche Haupt-PWM-Eingangssignal. Die Pulsverarbeitungsschaltung 46 verarbeitet das Haupt-PWM-Eingangssignal, wie es nachfolgend näher erörtert wird, und erzeugt ein lokales Befehlssignal „Lokale-PWM" auf der PWM-Ausgangsleitung 48. Dieses lokale PWM-Signal treibt tatsächlich den Leistungsinverter 18.
Die Stromüberwachungs- und Rückkopplungsschaltungsanordnung umfasst eine Stromeingangsleitung 50 von dem Tor Nr. 2 zum Tragen eines Signals, das den Strom darstellt, der durch den jeweiligen Leistungsinverter erzeugt wird. Die Stromeingangsleitung 50 ist durch eine Skaliererschaltung 52 mit einem Eingang eines Addierers 54 verbunden. Außerdem ist eine Eingangsstromrückkopplungsleitung 56 von dem Tor Nr. 4 mit einem Eingang des Addierers 54 verbunden. Der Ausgang des Addierers 54 ist durch eine Ausgangsstromrückkopplungsleitung 58 mit dem Tor Nr. 3 verbunden. Die Stromeingangsleitung 50 ist. auch durch einen Schalter 60 mit einer Bezugsstromleitung 62 verbunden, die sowohl mit dem Tor Nr. 3 als auch dem Tor Nr. 4 verbunden ist. Die Stromeingangsleitung 50 und die Bezugsstromleitung 62 sind auch mit zwei Eingängen einer Differenzschaltung 64 verbunden, von der ein Ausgang mit der Pulsverarbeitungsschaltung 46 verbunden ist.
Die verschiedenen Signale, die durch die Stromüberwachungs- und Steuerschaltungsanordnung getragen werden, werden nun beschrieben. Die Stromeingangsleitung 50 trägt ein lokales Stromrückkopplungssignal „I_in", das den Strom darstellt, der durch den jeweiligen Leistungsinverter 18 erzeugt wird. Der Schalter 60 ist für die Mastereinheit geschlossen und ist für die Slaveeinheiten geöffnet, mit der Folge, dass die Bezugsstromleitung 62 ein Bezugsstromsignal „I_ref" trägt, das gleich I_in der Mastereinheit ist. Die Bezugsstromleitungen 62 aller Parallelschnittstellenschaltungen sind durch das Tor Nr. 3 und das Tor Nr. 4 miteinander verbunden, mit der Folge, dass alle Parallelschnittstellenschaltungen Zugriff auf das gleiche I_ref-Signal haben. Das lokale Stromrückkopplungssignal I_in jeder Parallelschnittstelle wird mit der Skaliererschaltung 52 um einen Faktor von 1/N skaliert, und dem Addierer 54 zugeführt, wo dasselbe zu einem Eingangsstromrückkopplungssignal I_fbk-in auf der Leitung 56 addiert wird, um ein Ausgangsstromsignal I_fbk-out auf der Leitung 58 zu erzeugen, das effektiv die Summe der skalierten Eingangsstromsignale I_in aller Parallelschnittstellen rechts von der bestimmten Parallelschnittstelle ist. Es ist vorzuziehen, dass das lokale Stromsignal I_in für jede Leistungseinheit „normiert wird" durch die Wandler, so dass ein Ausgangsnennstrom immer durch den gleichen definierten Wert dargestellt wird. Dies ermöglicht eine einheitliche Verarbeitung aller Steuervariablen unabhängig von den echten Werten der physikalischen Größen, die dieselben darstellen. Auf diese Weise senden Inverter mit unterschiedlichen Stromangaben das gleiche I_in-Signal zurück, wenn dieselben bei ihren jeweiligen Nennströmen arbeiten. Ein zweiter Normierungspegel wird durch die Skaliererschaltung 52 geliefert, die das Stromsignal normiert, das durch das System als Ganzes erzeugt wird, das zurück zu der Mastereinheit 24 geleitet wird. Ein System aus N identischen Invertern wird ein Gesamtstromrückkopplungssignal an die Steuerung 24 zurücksenden, das den Strom darstellt, der durch jede Einheit erzeugt wird, wenn alle N Inverter bei dem gleichen Nennstrom arbeiten. Bei diesem System muss die Mastereinheit 24 nicht wissen, wie viele Leistungsinverter es gibt oder wie die Nennleistung jedes Inverters ist, obwohl es sinnvoll sein kann, der Mastersteuerung diese Informationen zu liefern. Der Wert N kann automatisch mit einer Erfassungsschaltung (nicht gezeigt) erhalten werden oder manuell eingestellt werden. Dieser Wert kann durch die Hauptsteuerung für Anzeigezwecke, Fehlererfassung und zusätzliche Signalverarbeitung verwendet werden. Die Differenzschaltung 64 erzeugt ein Regelungsfehlersignal ε für jede Phase, das gleich dem Bezugsstrom I_ref minus dem Eingangsstromsignal I_in ist. Das Regelungsfehlersignal ε wird durch die Pulsverarbeitungsschaltung 46 beim Erzeugen des lokalen Strombefehlssignals verwendet, das aus einem lokalen PWM-Signal besteht, wie es nachfolgend näher erörtert wird. Das Ausgangsstromrückkopplungssignal I_fbk-out wird auch an das Tor Nr. 1 und an die Hauptsteuerung 24 weitergeleitet, falls die bestimmte Einheit die Mastereinheit ist.
Mit Bezugnahme auf 4 umfasst die Pulsverarbeitungsschaltung 46 einen Stromregler 70, der verbunden ist, um das Regelungsfehlersignal ε zu empfangen, das an dem Ausgang des Addierers 64 erzeugt wird, der in 3 gezeigt ist. Der Stromregler 70 ist mit einem Teiler 72 verbunden, der mit zwei Pulsverzögerungsschaltungen 74, 76 verbunden ist. Die Pulsverzögerungsschaltungen 74, 76 weisen Eingänge auf, die mit der PWM-Ausgangsleitung 44 verbunden sind, um das Haupt-PWM-Signal zu empfangen. Der Teiler 72 trennt den Ausgang des Stromreglers 70, so dass die Pulsverzögerungsschaltung 74 die abfallende Flanke der positiven PWM-Pulssignale verzögert, wenn der Reglereingang positiv ist, und die Pulsverzögerungsschaltung 76 die abfallende Flanke der negativen PWM-Pulssignale verzögert, wenn der Reglereingang negativ ist. Ein Ausgang jeder Pulsverzögerungsschaltung 74, 76 ist mit einem Prozessor 78 verbunden, von dem ein Ausgang mit der PWM-Ausgangsleitung 48 zum Tragen des lokalen PWM-Signals verbunden ist.
Der Betrieb der Masterleistungseinheit wird zuerst beschrieben. Die Hauptsteuerung 24 erzeugt PWM-Abfeuerungspulse und leitet diese in der Form des Haupt-PWM-Signals an die Parallelschnittstelle 16 der Masterleistungseinheit (Einheit 10 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel). Das Haupt-PWM-Signal wird durch das Tor Nr. 4 ohne Verzögerung oder Verzerrung, an die Slaveeinheiten weitergeleitet, so dass alle der Leistungseinheiten Zugriff auf das Haupt-PWM-Signal haben. Das Haupt-PWM-Signal wird durch die Pulsverzögerungsschaltung 46 als eine Funktion des Regelungsfehlers ε verarbeitet. In der Mastereinheit ist der Schalter 60 geschlossen, so dass der Bezugsstrom I_ref gleich dem Eingangsstromsignal I_in ist. Sowohl I_ref als auch I_in werden in die Differenzschaltung 64 eingespeist und voneinander abgezogen, mit der Folge, dass der Regelungsfehler ε in der Mastereinheit immer Null ist. Somit verlassen in dem Fall der Mastereinheit die Pulse in dem Haupt-PWM-Signal die Pulsverzögerungsschaltung 46 unverändert und verlaufen entlang der PWM-Ausgangsleitung 48, um den zugeordneten Leistungsinverter 18 zu treiben. Der Leistungsinverter 18 erzeugt das lokale Stromrückkopplungssignal I_in, das eine normierte Darstellung des Stroms ist, der durch diesen Inverter erzeugt wird, und leitet dasselbe durch das Tor Nr. 2 an die Parallelschnittstelle 16 weiter. Da der Schalter 60 in der Mastereinheit geschlossen ist und in allen Slaveeinheiten offen ist, wird das Eingangssignal I_in der Mastereinheit in allen Leistungseinheiten als Bezugsstromsignal I_ref verwendet. Das Eingangsstromsignal I_in wird auch mit der Skaliererschaltung 52 um einen Faktor von 1/N skaliert und wird mit dem Addierer 54 zu dem Eingangsrückkopplungssignal I_fbk-in addiert. Das Ausgangssignal des Addierers 54 in der Mastereinheit stellt den durchschnittlichen normierten Strom dar, der durch jede Einheit in dem Multiparallelsystem erzeugt wird, und dieses Signal wird durch das Tor Nr. 1 an die Hauptsteuerung geleitet, die dasselbe verwendet, um den Pulsinhalt des Haupt-PWM-Signals zu steuern.
Als nächstes wird der Betrieb der Slaveleistungseinheiten beschrieben. Die Slaveeinheiten empfangen das Haupt-PWM-Signal ohne Verzögerung oder Verzerrung durch das Tor Nr. 3. Das Haupt-PWM-Signal wird durch die Pulsverzögerungsschaltung 46 als eine Funktion des Regelungsfehlers ε verarbeitet. In einer Slaveeinheit ist der Schalter 60 offen, so dass das Bezugsstromsignal I_ref gleich dem lokalen Stromrückkopplungssignal I_in der Mastereinheit ist. Sowohl I_ref als auch das lokale Slavestromrückkopplungssignal I_in werden in die Differenzschaltung 64 eingespeist und voneinander subtrahiert, um den Regelungsfehler ε zu erzeugen, der die Differenz zwischen I_ref (was das gewünschte lokale Stromrückkopplungssignal ist) und I_in darstellt, das das tatsächliche Rückkopplungsstromsignal ist. Falls der Regelungsfehler ε nicht Null ist, werden die Pulse in dem Haupt-PWM-Signal um einen Betrag verzögert, der abhängig ist von dem Vorzeichen und dem Betrag des Regelungsfehlers ε. Die abfallenden Flanken der positiven Pulse werden durch die Pulsverzögerungsschaltung 74 nur verzögert, wenn das Ausgangssignal von dem Regler positiv ist, während die abfallenden Flanken der negativen Pulse durch die Verzögerungsschaltung 76 nur verzögert werden, wenn das Ausgangssignal des Reglers negativ ist. In den meisten Fällen kann ein einfacher proportionaler Regler verwendet werden, um eine gute Verfolgungsgenauigkeit zu erreichen, wobei der Betrag der Verzögerung proportional ist zu der Größe des Regelungsfehlers ε. Die verzögerten Pulssignale werden dann an den Prozessor 78 geleitet, der die Pulssignale, falls notwendig, modifiziert, um sicherzustellen, dass dieselben eine ordnungsgemäße minimale EIN-Zeit, eine minimale AUS-Zeit und eine ordnungsgemäße Verriegelungszeit aufweisen. Wenn die abfallenden Flanken der Pulse von einem der PWM-Kanäle eingestellt werden, werden folglich die ansteigenden Flanken der Pulse auf den anderen Kanälen ebenfalls verzögert. Ein Beispiel dessen ist in 5a–5c gezeigt. Das Haupt-POS-PWM-Signal 80 und das Haupt-NEG-PWM-Signal 82 sind in 5a gezeigt. Während der Verriegelungszeit, tv, sind sowohl der POS-PWM-Puls als auch der NEG-PWM-Puls aus. In 5b wurde die abfallende Flanke 84 des POS-PWM-Signals 80' durch die Verzögerungsschaltung 74 verzögert. Als Folge dessen wird die ansteigende Flanke 86 des NEG-PWM-Signals 82' ebenfalls durch den Prozessor 78 verzögert, um eine minimale Verriegelungszeit beizubehalten. In 5c wurde die abfallende Flanke 88 des NEG-PWM-Signals 82'' verzögert. Als Folge wird die ansteigende Flanke 90 des POS-PWM-Signals 80'' ebenfalls durch den Prozessor 78 verzögert. Die Pulssignale, die so verarbeitet werden, werden zu dem lokalen PWM-Signal und dies wird durch das Tor Nr. 2 geleitet, um den Leistungsinverter 18 anzutreiben. Wie in dem Fall der Mastereinheit erzeugt der Leistungsinverter 20 das Eingangsstromsignal I_in und leitet dieses durch das Tor Nr. 2 zu der Parallelschnittstelle. Da in den Slaveeinheiten der Schalter 60 offen ist, hat das lokale Stromrückkopplungssignal I_in keine Auswirkung auf das Bezugsstromsignal I_ref. Das Eingangsstromsignal I_in wird mit der Skaliererschaltung 52 um einen Faktor von 1/N skaliert, und mit dem Addierer 54 zu dem Eingangsrückkopplungssignal I_fbk-in addiert. Das Ausgangssignal des Addierers 54 I_fbk-out stellt den Gesamtstrom dar, der in der bestimmten Slaveeinheit erzeugt wird, und jeder der Slaveeinheiten rechts von dieser Slaveeinheit. I_fbk-out wird durch das Tor Nr. 3 an die Leistungseinheit links von dieser bestimmten Leistungseinheit geleitet.
Wenn eine der Slaveeinheiten ausfällt, wird die Leistungsschaltungsanordnung derselben von dem Rest des Systems getrennt. In diesem Fall umgeht das Haupt-PWM-Signal die Parallelschnittstelle der ausgefallenen Einheit zu der Parallelschnittstelle der Einheit rechts davon, und das Rückkopplungsstromsignal umgeht die Parallelschnittstelle der ausgefallenen Slaveeinheit und wird mit der Leistungseinheit links davon verbunden. Der Betrieb des Systems kann somit bei einer reduzierten Leistung fortfahren. Wenn die Mastereinheit ausfällt, wird die Hauptsteuerung 24 von der Mastereinheit getrennt und mit der ersten Slaveeinheit rechts von der vorhergehenden Mastereinheit verbunden. Der Schalter 60 der ersten Slaveeinheit ist geschlossen und bewirkt somit, dass dieselbe die Rolle der Mastereinheit übernimmt. Erneut wird der Betrieb des Systems bei reduzierter Kapazität wiederhergestellt. Diese Neuverbindung kann automatisch oder manuell sein.
Es wird angemerkt, dass ein Dreiphasensystem drei identische Multiparallelschaltungen erfordert. Ein Blockdiagramm einer Dreiphasenspannungsquelleninvertertopologie ist in 6 gezeigt. Eine Eingangsgleichstromquelle 100 ist mit drei Zweigen 102, 104, 106 verbunden, die Teil einer Dreiphasenspannungsinverterschaltung bilden, die allgemein mit 150 bezeichnet wird. Jeder der drei Zweige 102, 104, 106 arbeitet wie der Leistungswandler von 1, der ein Einzelphasenleistungsinverter ist. Das heißt, ein Paar von PWM-Signalen 108, 110 treiben ein Paar von Schaltern in dem Zweig 102, ein Paar von PWM-Signalen 112, 114 treiben ein Paar von Schaltern in dem Zweig 104 und ein Paar von PWM-Signalen 116, 118 treiben ein Paar von Schaltern in dem Zweig 106. Drei getrennte Parallelschnittstellenschaltungen 16 wie diejenigen, die in 3 dargestellt ist, werden verwendet, um die PWM-Signale zu erzeugen, die die drei Signalphasenleistungswandler treiben sollen, die einen Dreiphasenleistungswandler bilden, obwohl die Funktionalität der drei Schnittstellenschaltungen in eine einzige physikalische Dreiphasenparallelschnittstellenschaltung 140 kombiniert werden kann. Eine Mastersteuerung (nicht gezeigt) erzeugt positive und negative Haupt-PWM-Signale, die verwendet werden, um die drei Zweige zu treiben. Die PWM-Pulsstruktur, die verwendet wird, um eine Phase zu treiben, wird verwendet, um die verbleibenden Phasen zu treiben, nachdem dieselben um 120 bzw. 240 elektrische Grad verschoben wurden. Diese Signale sind die Antriebseingänge 108, 110 für den Zweig 102, die Antriebseingänge 112, 114 für den Zweig 104 und die Antriebseingänge 116, 118 für den Zweig 106. Der Dreiphasenspannungsquelleninverter 150 erzeugt ein Ausgangssignal, das aus den Phasen R, S und T besteht. Hier wird angemerkt, dass in 6 nur die Antriebseingangssignale zwischen den Parallelschnittstellenschaltungen 16 und den Zweigen 102, 104 und 106 gezeigt sind. Es ist jedoch klar, dass jeder dieser Zweige mit der jeweiligen Schnittstellenschaltung auf eine Weise interagiert, die identisch ist mit derjenigen, die vorher mit Bezugnahme auf einen einzigen Kanal von 2 beschrieben wurde.
Mehrere Dreiphasenspannungsquelleninverter, wie z. B. der in 6 gezeigte, werden in einem Multiparallelsystem gemäß der Erfindung in 7 kombiniert. Wie vorher ist eine Hauptsteuerung 24 vorgesehen, um eine Anzahl von Parallelschnittstellen 140, 142, 144 (es sind nur drei gezeigt) zu steuern, von denen jede mit einem jeweiligen Dreiphasenspannungsquelleninverter 150, 152, 154 verbunden ist. Jede Dreiphasenparallelschnittstelle 140, 142, 144 enthält drei identische Versionen der Funktionalität einer Parallelschnittstelle für einen Einphasenspannungsquellenwandler, obwohl der Einfachheit halber nur eine einzige Version gezeigt ist. Die Ausgänge aller Reaktoren der gleichen Phase sind miteinander und mit der entsprechenden Phase der Last verbunden.
Zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind mit Bezug auf die obigen Lehren möglich. Es ist daher klar, dass die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche anders praktiziert werden kann als es hierin spezifisch beschrieben ist.
Die automatische Neukonfiguration kann ohne weiteres durch eine Schaltungsanordnung (nicht gezeigt) implementiert werden, die das Vorliegen der Hauptsteuerung an dem Tor Nr. 1 und die Abwesenheit von Aktivität an dem Tor Nr. 3 erfasst. Die fehlende Verbindung mit dem Tor Nr. 1 qualifiziert eine bestimmte Einheit als Slaveeinheit. Jede andere Situation an dem Tor Nr. 1 und dem Tor Nr. 3 sollte eine Fehlerbedingung aktivieren. Falls auf die Erfassung einer Fehlerbedingung hin die fehlerhafte Einheit der Master ist, wird dieselbe von der Hauptsteuerung getrennt, und die erste Slaveeinheit wird mit der Hauptsteuerung verbunden. Der Schalter des ersten Slaves wird geschlossen, damit derselbe die Rolle des Master annehmen kann. Falls die fehlerhafte Einheit ein Slave ist, wird der Leistungsinverter dieser Einheit einfach abgetrennt. Die Stromsteuersignale und die Stromrückkopplungssignale verlaufen außerhalb der Parallelschnittstelle der fehlerhaften Einheit, ohne modifiziert zu werden. Diese Funktionen können alle automatisch implementiert werden.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden PWM-Spannungsquelleninverter verwendet. Allgemeiner gesagt können alle Spannungsquellenleistungswandler verwendet werden, die Pulsbreitenmodulation verwenden. Spannungsquelleninverter und synchrone Gleichrichter sind typische Beispiele solcher Wandler. Mit einer gewissen Vereinfachung können Gleichstromchopper bzw. -zerhacker verwendet werden. Spannungsquelleninverter wandeln Gleichstromspannung in Wechselstromspannung um, einzel- oder mehrphasig; synchrone Gleichrichter führen die Umwandlung von Wechselstromspannungen in Gleichstromspannungen durch; Gleichstromchopper wandeln Gleichstromspannung in eine Gleichstromspannung eines anderen Werts um. Für jeden anderen Leistungswandlertyp sind andere Reaktortypen erforderlich.

Claims

Ein Multiparallelwandlersystem, das eine Hauptsteuerung (24) zum Liefern eines Haupt-PWM-Signals (MAIN PWM), eine Mastereinheit und zumindest eine Slaveeinheit umfaßt, wobei jede Einheit einen Spannungsquellenleistungswandler (18) umfaßt, der Steuerverbindungen und Phasenausgänge aufweist, wobei jeder Phasenausgang durch einen Zwischenphasenreaktor (20) in einer richtigen Phasenbeziehung mit einer Phase einer gemeinsamen Last (22) verbunden ist, wobei das Haupt-PWM-Signal von der Hauptsteuerung (24) an die Mastereinheit geliefert wird, wobei jeder Wandler ein lokales Stromrückkopplungssignal (Iin) ausgibt, das den Strom darstellt, der durch den Wandler erzeugt wird, und wobei eine PWM-Signalmodifikationseinrichtung (46) zum Erzeugen eines lokalen PWM-Signals (Local PWM) für jeden Wandler vorgesehen ist, das eine Version des Haupt-PWM-Signals ist, das modifiziert ist als Funktion der Differenz zwischen einem Referenzstromsignal (Iref) und dem lokalen Stromrückkopplungssignal des jeweiligen Wandlers, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wandler des Multiparallelwandlersystems pro Phase eine Schnittstellenkarte (16) zugewiesen ist, wobei jede der Schnittstellenkarten vier Verbindungstore (30, 32, 34, 36) aufweist, wobei die Schnittstellenkarten einer Lastphase durch die Verbindungstore (34, 36) miteinander verbunden sind, wobei die Steuerverbindungen jedes Wandlers (18) mit einem (32) der Verbindungstore einer Schnittstellenkarte verbunden sind, wobei die Hauptsteuerung (24) mit einem Verbindungstor (30) einer Schnittstellenkarte eines Wandlers der Mas tereinheit verbunden ist, wobei jeder Wandler (18) das lokale Stromrückkopplungssignal (Iin) an die jeweiligen Schnittstellenkarte an dem Verbindungstor (32) ausgibt, und wobei jede Schnittstellenkarte die PWM-Signalmodifikationseinrichtung (46) aufweist, und wobei eine Mastereinheitauswahleinrichtung (60) zum Auswählen des aktuellen Rückkopplungssignals von einem der Wandler als das Referenzstromsignal vorgesehen ist, wodurch die Einheit, die diesen Wandler umfaßt, als die Mastereinheit ausgewählt wird.
Ein System gemäß Anspruch 1, bei dem das Haupt-PWM-Signal aus einer ersten Reihe von PWM-Pulsen besteht, die auf einem positiven Kanal getragen werden, und einer zweiten Reihe von PWM-Pulsen, die auf einem negativen Kanal getragen werden, wobei die Breite der Pulse ausgewählt ist, um den Strom zu steuern, der durch das System erzeugt wird, wobei jeder PWM-Puls eine ansteigende Flanke und eine abfallende Flanke aufweist, und die PWM-Signalmodifikationseinrichtung (46) die abfallenden Flanken der Pulse in der ersten Reihe von Pulsen verzögert, falls die Differenz positiv ist, und die abfallenden Flanken der Pulse in der zweiten Reihe von Pulsen verzögert, falls die Differenz negativ ist.
Ein System gemäß Anspruch 2, bei dem die Menge der Verzögerung proportional zu der Größe der Differenz ist.
Ein System gemäß Anspruch 3, bei dem das System eine Einrichtung (46) aufweist zum Einstellen der ansteigenden Flanken der Pulse nach der Einstellung der abfallenden Flanken zum Sicherstellen, daß eine minimale EIN-Zeit, eine minimale AUS-Zeit und eine Verriegelungszeit existieren.
Ein System gemäß Anspruch 1, bei dem die Mastereinheitauswahleinrichtung einen Schalter (60) in jeder Schnittstellenkarte umfaßt, wobei, wenn ein spezieller Schalter geschlossen wird, das lokale Stromrückkopplungssignal für die jeweilige Leistungseinheit verbunden ist, um das Referenzsignal zu sein.
Ein System gemäß Anspruch 5, bei dem die Schalter miteinander verbunden sind, so daß der Schalter für die Mastereinheit geschlossen ist, und die verbleibenden Schalter offen sind.
Ein System gemäß Anspruch 1, bei dem nur Wandler, die mit einer Seite des Masters verbunden sind, betreibbar sind.