EP1771935A2 - Frequency converter comprising an intermediate circuit without a capacitor - Google Patents

Frequency converter comprising an intermediate circuit without a capacitor

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Publication number
EP1771935A2
EP1771935A2 EP05777727A EP05777727A EP1771935A2 EP 1771935 A2 EP1771935 A2 EP 1771935A2 EP 05777727 A EP05777727 A EP 05777727A EP 05777727 A EP05777727 A EP 05777727A EP 1771935 A2 EP1771935 A2 EP 1771935A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency converter
capacitor
intermediate circuit
converter
inverter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP05777727A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Manfred Bruckmann
Hubert Schierling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1771935A2 publication Critical patent/EP1771935A2/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0006—Arrangements for supplying an adequate voltage to the control circuit of converters

Definitions

  • the invention relates to a frequency converter with a capacitor-free DC link and a Stromversor ⁇ supply device for an electronic unit of this inverter, said power supply device has on the input side a Puf ⁇ Ferkondensator which is electrically connected in parallel to the capacitor-less DC link, and a Zu ⁇ line this Buffer capacitor has a decoupling diode auf ⁇ .
  • this voltage-frequency converter has a network-side and a load-side power converter 2 and 4, which are electrically conductively connected to one another on the DC voltage side by means of a slender intermediate circuit 6.
  • line-side converter 2 a diode rectifier is provided, whereas load-side converter 4 is a pulse-controlled inverter.
  • the slender intermediate circuit 6 has a foil capacitor as a DC link capacitor C z ⁇ .
  • the buffer capacitor C P is electrically connected in parallel to the slender intermediate circuit 6 and thus electrically parallel to the intermediate circuit capacitor C Z w, wherein a series circuit of decoupling diode 16 and current limiting means 18 is connected in a supply line 14 of the buffer capacitor Cp.
  • the current limiting means 18 By means of the current limiting means 18, the recharging current for the buffer capacitor C P can be set to a predetermined value.
  • this current limiting means 18 is an ohmic resistor, whereby a power dissipation occurs when a recharging current flows into the buffer capacitor C P.
  • the DC link capacitor C Z w and the buffer capacitor C P are no longer supplied with energy. Since the Pufferkon- capacitor C P from the intermediate circuit capacitor C zw is decoupled, it can not be discharged from the inverter load. As a result, the stored energy of the buffer capacitor C P alone is used to maintain the power supply of the electronics of the converter, in particular of the load-side converter 4. As a result, the voltage source inverter remains in operation so that it can be brought up again to its rated operating point when the power returns.
  • this F 3 E inverter shows such a frequency converter with a capacitor-free intermediate circuit with a power supply device 12 according to FIG.
  • An essential feature of this F 3 E inverter is that the network-side converter 2 to the diodes Dl to D6 also still turn-off semiconductor switches Tl to T6, which are each connected electrically parallel to korrespondieren ⁇ the diodes Dl to D6.
  • this F 3 E inverter on the input side, a line filter 20. So that the electronics of this F 3 E inverter can be supplied with a supply voltage Uv even with short-term Netz ⁇ failures of the feeding network, a buffered power supply device 12 is also provided here. It would also be possible to provide a power supply which would be connected to the feeding network. In the event of a power failure, the supply voltage Uv would then collapse at the two output terminals. Without sufficient supply voltage U v , the electronics and thus the F 3 E inverter will switch off.
  • frequency inverters of conventional design i. with a voltage intermediate circuit with at least one electrolytic capacitor as
  • KIP kineti ⁇ cal buffering
  • the drive In the operating mode "kinetic buffering", the drive is driven into the regenerative range just in case of a power failure, ie braked, that the losses of the motor and the converter are covered by the mechanical (kinetic) energy of the motor and the connected working machine become.
  • a regulator which regulates the intermediate circuit voltage U zw to a fixed value, for example 80% of its nominal value.
  • the manipulated variable is the torque setpoint or an addition to the speed setpoint for field-oriented control or an addition to the frequency setpoint for drives with V / f characteristic control.
  • the voltage supply to the signal processing of the converter is generated either separately from a safe source or preferably from the DC voltage intermediate circuit. In this way, signal processing and control remain active, whereby the motor remains energized and immediately after the return of Netz ⁇ voltage is accelerated back to its desired speed.
  • the voltage intermediate circuit requires an intermediate circuit capacitor which fulfills the aforementioned requirement.
  • DE 101 35 286 A1 discloses a method and a device for bridging short-term power failures in a matrix converter.
  • the matrix converter which has a filter on the network side, can be connected to a feeding network by means of a switch unit. If a power failure is detected, the matrix converter is immediately disconnected from the supply network and switches to a buffer operation, in which a determined capacitor voltage Istraum Garer is controlled to a vor ⁇ certain room pointer. When power returns this capacitor Istraum Attacher is synchronized. If the matrix converter is synchronous, it is switched back to the mains supply.
  • a switch unit which has to switch very fast, one can use the capacitors of the line-side filter of the matrix converter as storage capacitors in the operating mode "kinetic buffering".
  • these capacitors can be used as storage capacitors.
  • the prerequisite for successful operation of the "kinetic buffering" mode in the case of a matrix converter is the presence of a fast power switch unit.
  • the regulation for network synchronization is relatively complex.
  • the invention is based on the object of developing a generic frequency converter such that a known option "kinetic buffering" can be used without much effort.
  • the result would be a collapse of the magnetization current and thus of the motor voltage, followed by a discharge of the buffer capacitor by the power supply device, so that the current supply device shuts down when a predetermined minimum voltage at the buffer capacitor is exceeded.
  • the power supply device is switched off, the electronics of the converter are no longer to be kept in operation, so that these and the converter are switched off.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a generic Frequenzum ⁇ judge is illustrated
  • FIG. 3 shows a converter according to FIG. 2 with the embodiment according to the invention
  • FIG 4 shows an AC-AC sparse Martrix converter with the embodiment according to the invention.
  • FIG 3 shows an embodiment of a generic converter according to FIG 2 illustrates, which is developed according to the invention.
  • a turn-off semiconductor 22 in particular an insulated gate bipolar transistor (IGBT)
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • this switch-off semiconductor 22 is connected to an output of a power failure detection device 24.
  • This power failure detection device 24 detects a power failure from the intermediate circuit voltage U zw present on the input side. How this Netzausfallerkennungsein ⁇ device 24 is executed, can be removed, for example, the older national patent application with the official file number 10 2004 030 535.8.
  • a power failure detection device 24 may also be connected to the phases of the supplying network.
  • a control signal S NA for the controllable semiconductor 22 is present at the output of the power failure detection device 24. Because of this semiconductor signal S NA , the turn-off semiconductor 22 is turned on, so that the decoupling diode 16 is bridged.
  • an IGBT module may be used, which already contains a diode internally, a so-called inverse diode or freewheeling diode. As a result, a discrete diode 16 is no longer needed, whereby the link with the turn-off semiconductor 22 is omitted.
  • This inventive principle is also applicable to a so-called indirect matrix converter.
  • a so-called indirect matrix converter is described in the publication "Matrix Convert Topologies With Reduced Number of Switches", by Lixiang Wei, T.A. Lipo and Ho Chan, reprinted in 33rd Proc. Conf. Rec. IEEE PESC, 2002, pages 57 to 63, in particular in FIG 3, shown in more detail.
  • this inventive principle is also applicable to a so-called sparse matrix converter.
  • Such a sparse matrix converter is described in the publication entitled “Analytically Closed Calculation of the Conduction and Switching Losses of Three-Phase AC-AC Sparse Matrix Converters” by F. Schafmeister, M. Baumann and J.W.
  • a frequency converter with a capacitor-free intermediate circuit can be modified without much effort such that a commercial option “kinetic buffering” can be used, whereby these converters also have the advantages of the option “kinetic buffering”. can use.

Abstract

The invention relates to a frequency converter comprising an intermediate circuit (6) without a capacitor, and a power supply unit (12) for an electronic system of said converter. Said power supply unit (12) comprises an input-side back-up capacitor (CP) that is electrically mounted in parallel with the intermediate circuit (6) without a capacitor, a supply line (14) of the back-up capacitor (Cp) comprising a decoupling diode (16). According to the invention, a turn-off semiconductor (22) is electrically mounted in inverse-parallel with the decoupling diode (16), the control input of said semiconductor being connected to an output of a power failure detection device (24). In this way, a modified frequency converter comprising an intermediate circuit (6) without a capacitor can be provided, in which a standard option kinetic back-up supply can be used.

Description

Beschreibungdescription
Frequenzumrichter mit einem kondensatorlosen ZwischenkreisFrequency converter with a capacitor-free DC link
Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzumrichter mit einem kondensatorlosen Zwischenkreis und einer Stromversor¬ gungseinrichtung für eine Elektronik dieses Umrichters, wobei diese Stromversorgungseinrichtung eingangsseitig einen Puf¬ ferkondensator aufweist, der elektrisch parallel zum konden- satorlosen Zwischenkreis geschaltet ist, und wobei eine Zu¬ leitung dieses Pufferkondensators eine Entkopplungsdiode auf¬ weist.The invention relates to a frequency converter with a capacitor-free DC link and a Stromversor¬ supply device for an electronic unit of this inverter, said power supply device has on the input side a Puf¬ Ferkondensator which is electrically connected in parallel to the capacitor-less DC link, and a Zu¬ line this Buffer capacitor has a decoupling diode auf¬.
In der FIG 1 ist ein Spannungszwischenkreis-Umrichter mit höchstens einem schlanken Zwischenkreis, der aus der älteren nationalen Patentanmeldung mit dem amtliches Aktenzeichen 103 38 476.6 bekannt ist, näher dargestellt. Gemäß dieser darge¬ stellten Ausführungsform weist dieser Spannungsfrequenzum¬ richter einen netzseitigen und einen lastseitigen Stromrich- ter 2 und 4 auf, die gleichspannungsseitig mittels eines schlanken Zwischenkreises 6 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Als netzseitiger Stromrichter 2 ist ein Dio¬ dengleichrichter vorgesehen, wogegen der lastseitige Strom¬ richter 4 ein Pulswechselrichter ist. Der schlanke Zwischen- kreis 6 weist einen Folienkondensator als Zwischenkreis-Kon¬ densator Czκ auf. Die Kapazität dieses Zwischenkreis-Konden¬ sators CZK ist gegenüber einem Spannungszwischenkreis-Umrich¬ ter mit einem Elektrolyt-Kondensator als Zwischenkreis-Kon¬ densator CZK erheblich erniedrigt worden. Dies hat zur Folge, dass die Zwischenkreisspannung UZκ eine hohe Welligkeit auf¬ weist und sein Mittelwert gering ist. Wegen dieser geringen Kapazität sind jedoch die Netzrückwirkungen wesentlich gerin¬ ger, obwohl keine zusätzlichen Drosseln am Eingang oder im Spannungs-Zwischenkreis des Frequenzumrichters benötigt wer- den. Die Netzeingänge des Umrichters sind mit einem speisen¬ den Netz 8 verknüpft, wogegen an den Ausgangs-Anschlüssen dieses Umrichters ein Drehstrommotor 10 angeschlossen ist. Eine Stromversorgungseinrichtung 12 für eine Elektronik die¬ ses Spannungszwischenkreis-Umrichters weist eingangsseitig einen Pufferkondensator CP auf. Der Pufferkondensator CP ist elektrisch parallel zum schlanken Zwischenkreis 6 und damit elektrisch parallel zum Zwischenkreis-Kondensator CZw ge¬ schaltet, wobei in einer Zuleitung 14 des Pufferkondensators Cp eine Reihenschaltung aus Entkopplungsdiode 16 und Strombe¬ grenzungsmittel 18 geschaltet ist. Durch diese Entkopplungs¬ diode 16 sind die beiden Kondensatoren CZw und CP voneinander entkoppelt. Mittels des Strombegrenzungsmittels 18 kann der Nachladestrom für den Pufferkondensator CP auf einen vorbe¬ stimmten Wert eingestellt werden. Im einfachsten Fall ist dieses Strombegrenzungsmittel 18 ein ohmscher Widerstand, wo¬ durch beim Fließen eines Nachladestroms in den Pufferkonden- sator CP an diesem eine Verlustleistung anfällt. Bei der Di¬ mensionierung des Pufferkondensators CP kommt es darauf an, welche Netzausfallzeit überbrückt werden soll. Dabei ist au¬ ßerdem zu berücksichtigen, in welchen zeitlichen Abständen solche Netzunterbrechungen im speisenden Netz 8 auftreten bzw. auftreten können.In FIG 1, a voltage source inverter with at most a slender DC link, which is known from the earlier national patent application with the official file number 103 38 476.6, shown in more detail. According to this illustrated embodiment, this voltage-frequency converter has a network-side and a load-side power converter 2 and 4, which are electrically conductively connected to one another on the DC voltage side by means of a slender intermediate circuit 6. As line-side converter 2, a diode rectifier is provided, whereas load-side converter 4 is a pulse-controlled inverter. The slender intermediate circuit 6 has a foil capacitor as a DC link capacitor C zκ . The capacity of this intermediate circuit Konden¬ crystallizer ZK C has been compared to a voltage intermediate-circuit Umrich¬ ter significantly decreased with an electrolytic capacitor as a DC link capacitor C Kon¬ ZK. This has the consequence that the intermediate circuit voltage U Z κ has a high ripple auf¬ and its mean value is low. However, because of this low capacitance, the network perturbations are much lower, although no additional chokes are needed at the input or in the voltage intermediate circuit of the frequency converter. The mains inputs of the converter are linked to a supply network 8, whereas a three-phase motor 10 is connected to the output connections of this converter. A power supply device 12 for electronics die¬ ses voltage source inverter has on the input side a buffer capacitor C P on. The buffer capacitor C P is electrically connected in parallel to the slender intermediate circuit 6 and thus electrically parallel to the intermediate circuit capacitor C Z w, wherein a series circuit of decoupling diode 16 and current limiting means 18 is connected in a supply line 14 of the buffer capacitor Cp. By this decoupling diode 16, the two capacitors C Z w and C P are decoupled from each other. By means of the current limiting means 18, the recharging current for the buffer capacitor C P can be set to a predetermined value. In the simplest case, this current limiting means 18 is an ohmic resistor, whereby a power dissipation occurs when a recharging current flows into the buffer capacitor C P. When dimensioning the buffer capacitor C P , it depends on which power failure time should be bridged. In addition, it must be taken into account in what time intervals such network interruptions occur or may occur in the feeding network 8.
Tritt im speisenden Netz 8 eine Netzunterbrechung auf, so wird der Zwischenkreis-Kondensator CZw und der Pufferkonden¬ sator CP nicht mehr mit Energie versorgt. Da der Pufferkon- densator CP vom Zwischenkreis-Kondensator Czw entkoppelt ist, kann dieser nicht von der Umrichterlast entladen werden. Da¬ durch wird die gespeicherte Energie des Pufferkondensators CP allein zur Aufrechterhaltung der Stromversorgung der Elektro¬ nik des Umrichters, insbesondere des lastseitigen Stromrich- ters 4, verwendet. Dadurch bleibt der Spannungszwischenkreis- Umrichter im Betrieb, so dass dieser bei Netzwiederkehr wie¬ der auf seinen Nennbetriebspunkt hochgefahren werden kann. Da der Zwischenkreis-Kondensator Czw einen geringeren Kapazi¬ tätswert aufweist, ist die Höhe des Nachladestromes derart minimal, dass die Dioden des netzseitigen Stromrichters 2 hinsichtlich ihres I2T-Wertes nicht mehr überdimensioniert werden müssen. Bei einem gattungsgemäßen Frequenzumrichter ist der schlanke Zwischenkreis so schlank, dass kein Zwischenkreis-Kondensator Czw mehr vorhanden ist. Eine derartige Topologie eines derar¬ tigen Frequenzumrichters mit kondensatorlosen Zwischenkreis ist in der Veröffentlichung mit dem Titel "Fundamental Fre- quency Front End Converter (F3E) - a DC-link drive Converter without electrolytic capacitor", von Kurt Göpfrich, Dr. Reb- bereh und Dr. Sack, abgedruckt in Tagungsband PCIM 2003, Nürnberg, Mai 2003, näher dargestellt. In der FIG 2 ist ein derartiger Frequenzumrichter mit kondensatorlosen Zwischen¬ kreis mit einer Stromversorgungseinrichtung 12 gemäß FIG 1 dargestellt. Ein wesentliches Merkmal dieses F3E-Umrichters ist, dass der netzseitige Stromrichter 2 zu den Dioden Dl bis D6 auch noch abschaltbare Halbleiterschalter Tl bis T6 aufweist, die jeweils elektrisch parallel zu korrespondieren¬ den Dioden Dl bis D6 geschaltet sind. Außerdem weist dieser F3E-Umrichter eingangsseitig ein Netzfilter 20 auf. Damit die Elektronik dieses F3E-Umrichters auch bei kurzzeitigen Netz¬ ausfällen des speisenden Netzes mit einer Versorgungsspannung Uv versorgt werden kann, ist hier ebenfalls eine gepufferte Stromversorgungseinrichtung 12 vorgesehen. Es wäre auch mög¬ lich, eine Stromversorgung vorzusehen, die an das speisende Netz angeschlossen wäre. Bei Netzausfall würde dann die Ver¬ sorgungsspannung Uv an den beiden Ausgangsanschlüssen zusam- menbrechen. Ohne eine ausreichende Versorgungsspannung Uv schaltet die Elektronik und damit der F3E-Umrichter ab.If a power interruption occurs in the feeding network 8, the DC link capacitor C Z w and the buffer capacitor C P are no longer supplied with energy. Since the Pufferkon- capacitor C P from the intermediate circuit capacitor C zw is decoupled, it can not be discharged from the inverter load. As a result, the stored energy of the buffer capacitor C P alone is used to maintain the power supply of the electronics of the converter, in particular of the load-side converter 4. As a result, the voltage source inverter remains in operation so that it can be brought up again to its rated operating point when the power returns. Since the DC link capacitor C zw has a smaller capaci¬ tätswert, the amount of the Nachladestromes is so minimal that the diodes of the network-side converter 2 with respect to their I 2 T value no longer need to be oversized. In a generic frequency converter, the slim DC link is so slim that no DC link capacitor Czw longer exists. Such a topology of such a frequency converter with a capacitor-free intermediate circuit is described in the publication titled "Fundamental Frequency Front End Converter (F 3 E) - a DC-link drive converter without electrolytic capacitor", by Kurt Göpfrich, Dr. med. Reb- bereh and dr. Sack, printed in conference proceedings PCIM 2003, Nuremberg, May 2003, in more detail. FIG. 2 shows such a frequency converter with a capacitor-free intermediate circuit with a power supply device 12 according to FIG. An essential feature of this F 3 E inverter is that the network-side converter 2 to the diodes Dl to D6 also still turn-off semiconductor switches Tl to T6, which are each connected electrically parallel to korrespondieren¬ the diodes Dl to D6. In addition, this F 3 E inverter on the input side, a line filter 20. So that the electronics of this F 3 E inverter can be supplied with a supply voltage Uv even with short-term Netz¬ failures of the feeding network, a buffered power supply device 12 is also provided here. It would also be possible to provide a power supply which would be connected to the feeding network. In the event of a power failure, the supply voltage Uv would then collapse at the two output terminals. Without sufficient supply voltage U v , the electronics and thus the F 3 E inverter will switch off.
Zur Überbrückung von Netzsausfällen gibt es bei Frequenzum¬ richtern herkömmlicher Bauart, d.h. mit einem Spannungszwi- schenkreis mit wenigstens einem Elektrolytkondensator alsTo bridge mains failures, frequency inverters of conventional design, i. with a voltage intermediate circuit with at least one electrolytic capacitor as
Zwischenkreis-Kondensator CZw/ eine Option, die sich "kineti¬ sche Pufferung (KIP)" nennt. Mittels dieser Option erreicht der Antrieb, bestehend aus Frequenzumrichter und Motor nach Netzwiederkehr seine Solldrehzahl umgehend. Ist eine solche Option im Frequenzumrichter nicht vorhanden, so schaltet der Antrieb ab, woraus sich eine längere Wiederanlaufszeit für den Betrieb ergibt, da nicht nur die Signalverarbeitung des Frequenzumrichters wieder hoch laufen und neu initialisiert werden muss, sondern auch der Motor neu erregt und eventuell die Drehzahl neu ermittelt werden muss.DC link capacitor C Z w / an option called "kineti¬ cal buffering (KIP)". By means of this option, the drive, consisting of frequency converter and motor, reaches its setpoint speed immediately after mains return. If such an option is not available in the frequency converter, the drive shuts down, resulting in a longer recovery time for operation, since not only the signal processing of the The frequency converter must run high again and reinitialize, but also the motor must be re-energized and possibly the speed must be redetermined.
Bei der Betriebsart "kinetische Pufferung" wird der Antrieb bei einem Netzausfall gerade so weit in den generatorischen Bereich gefahren, d.h., abgebremst, dass die Verluste des Mo¬ tors und des Umrichters aus der mechanischen (kinetischen) Energie des Motors und der angeschlossenen Arbeitsmaschine gedeckt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Reglers, der die Zwischenkreisspannung Uzw auf einen festen Wert, bei¬ spielsweise 80 % ihres Nennwertes, regelt. Die Stellgröße ist der Drehmomentsollwert oder ein Zusatz zum Drehzahlsollwert bei feldorientierter Regelung oder ein Zusatz zum Frequenz- Sollwert bei Antrieben mit U/f-Kennliniensteuerung. Die Span¬ nungsversorgung der Signalverarbeitung des Umrichters wird entweder separat aus einer sicheren Quelle oder vorzugsweise aus dem Gleichspannungszwischenkreis erzeugt. Auf diese Weise bleiben Signalverarbeitung und Regelung aktiv, wodurch der Motor erregt bleibt und unmittelbar nach Wiederkehr der Netz¬ spannung wieder auf seine Solldrehzahl beschleunigt wird.In the operating mode "kinetic buffering", the drive is driven into the regenerative range just in case of a power failure, ie braked, that the losses of the motor and the converter are covered by the mechanical (kinetic) energy of the motor and the connected working machine become. This is done with the aid of a regulator which regulates the intermediate circuit voltage U zw to a fixed value, for example 80% of its nominal value. The manipulated variable is the torque setpoint or an addition to the speed setpoint for field-oriented control or an addition to the frequency setpoint for drives with V / f characteristic control. The voltage supply to the signal processing of the converter is generated either separately from a safe source or preferably from the DC voltage intermediate circuit. In this way, signal processing and control remain active, whereby the motor remains energized and immediately after the return of Netz¬ voltage is accelerated back to its desired speed.
Die Voraussetzung für die Option "kinetische Pufferung" ist, dass der Zwischenkreiskondensator des Spannungszwischenkrei- ses eines Frequenzumrichters immer so groß sein muss, dass die in einer Schaltperiode auftretenden Zwischenkreisströme unterschiedlichen Vorzeichens abgepuffert werden können. Wird diese Voraussetzung erfüllt, so funktioniert die Option "ki¬ netische Pufferung".The prerequisite for the option "kinetic buffering" is that the DC link capacitor of the voltage intermediate circuit of a frequency converter must always be so large that the DC link currents of different sign appearing in a switching period can be buffered. If this condition is fulfilled, then the option "artificial buffering" works.
Bei einem Frequenzumrichter, der als netzseitigen Stromrich¬ ter einen Diodengleichrichter aufweist, benötigt der Span¬ nungszwischenkreis einen Zwischenkreiskondensator, der die zuvor genannte Voraussetzung erfüllt.In a frequency converter, which has a diode rectifier as the line-side current rectifier, the voltage intermediate circuit requires an intermediate circuit capacitor which fulfills the aforementioned requirement.
Bei Umrichtern der eingangs beschriebenen Art, bei denen kei¬ ne oder nur äußerst kleine Zwischenkreiskondensatoren vorhan- den sind, ist diese Option "kinetische Pufferung" nicht mög¬ lich. Die für einen Weiterbetrieb erforderlichen Kondensato¬ ren sind bei den eingangs beschriebenen Umrichtern entweder nicht vorhanden oder auf der Netzseite.For inverters of the type described in the introduction, in which no or only extremely small DC link capacitors are present. are, this option "kinetic buffering" is not possible. The condensers required for further operation are either not present in the converters described at the beginning or are on the network side.
Aus der DE 101 35 286 Al ist ein Verfahren und eine Vorrich¬ tung zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei ei¬ nem Matrixumrichter bekannt. Der Matrixumrichter, der netz- seitig ein Filter aufweist, ist mittels einer Schaltereinheit mit einem speisenden Netz verbindbar. Wird ein Netzausfall detektiert, wird der Matrixumrichter umgehend vom speisenden Netz getrennt und wechselt in einen Pufferbetrieb, in dem ein ermittelter Kondensatorspannungs-Istraumzeiger auf einen vor¬ bestimmten Raumzeiger geregelt wird. Bei Netzwiederkehr wird dieser Kondensator-Istraumzeiger synchronisiert. Bei Synchro- nität des Matrixumrichters wird dieser wieder ans speisende Netz geschaltet. Durch die Vorschaltung einer Schalterein¬ heit, die sehr schnell schalten muss, kann man die Kondensa¬ toren des netzseitigen Filters des Matrixumrichters als Spei- cherkondensatoren bei der Betriebsart "kinetische Pufferung" benutzen. Durch das Wegschalten des gestörten Netzes können diese Kondensatoren als Speicherkondensatoren verwendet wer¬ den. Voraussetzung zum gelingen der Betriebsart "kinetische Pufferung" bei einem Matrixumrichter ist das Vorhandensein einer schnellen Netzschaltereinheit. Außerdem ist die Rege¬ lung zur Netzsynchronisation relativ komplex.DE 101 35 286 A1 discloses a method and a device for bridging short-term power failures in a matrix converter. The matrix converter, which has a filter on the network side, can be connected to a feeding network by means of a switch unit. If a power failure is detected, the matrix converter is immediately disconnected from the supply network and switches to a buffer operation, in which a determined capacitor voltage Istraumzeiger is controlled to a vor¬ certain room pointer. When power returns this capacitor Istraumzeiger is synchronized. If the matrix converter is synchronous, it is switched back to the mains supply. By connecting a switch unit, which has to switch very fast, one can use the capacitors of the line-side filter of the matrix converter as storage capacitors in the operating mode "kinetic buffering". By switching off the faulty network, these capacitors can be used as storage capacitors. The prerequisite for successful operation of the "kinetic buffering" mode in the case of a matrix converter is the presence of a fast power switch unit. In addition, the regulation for network synchronization is relatively complex.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen gattungs¬ gemäßen Frequenzumrichter derart weiterzubilden, dass eine bekannte Option "kinetische Pufferung" ohne großen Aufwand verwendet werden kann.The invention is based on the object of developing a generic frequency converter such that a known option "kinetic buffering" can be used without much effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass elektrisch antiparallel zur Entkopplungsdiode ein abschaltbarer Halbleiterschalter geschaltet ist, ist es möglich, dass der Pufferkondensator der Stromversorgungsein¬ richtung bei einem Netzausfall bei der Betriebsart "kineti- sehe Pufferung" als Speicherkondensator für diese Betriebsart verwendet werden kann. Mittels diesem abschaltbaren Halblei¬ terschalter wird die Entkopplungsdiode während des Netzaus¬ falls überbrückt, so dass während der Betriebsart "kinetische Pufferung" ein generatorischer Strom aufrechterhalten werden kann. Ohne diese steuerbare Überbrückung der Entkopplungsdio¬ de würden diese Abschnitte des Motorstromes ausgeblendet (lü- ckender Strom) . Die Folge wäre ein Zusammenbrechen des Magne¬ tisierungsstromes und damit der Motorspannung, gefolgt von einer Entladung des Pufferkondensators durch die Stromversor- gungseinrichtung, so dass bei Unterschreiten einer vorbe¬ stimmten minimalen Spannung am Pufferkondensator die Strom¬ versorgungseinrichtung abschaltet. Mit Abschaltung der Strom¬ versorgungseinrichtung ist die Elektronik des Umrichters nicht mehr in Betrieb zu halten, so dass diese und der Um- richter sich abschalten.This object is achieved with the characterizing feature in connection with the features of the preamble of claim 1. Characterized in that a turn-off semiconductor switch is connected electrically anti-parallel to the decoupling diode, it is possible that the buffer capacitor of the power supply can be used as a storage capacitor for this mode in a power failure in the mode "kinetic buffering". By means of this turn-off semiconductor switch, the decoupling diode is bypassed during the power failure, so that a regenerative current can be maintained during the operating mode "kinetic buffering". Without this controllable bridging of the decoupling diode, these sections of the motor current would be faded out (blanking current). The result would be a collapse of the magnetization current and thus of the motor voltage, followed by a discharge of the buffer capacitor by the power supply device, so that the current supply device shuts down when a predetermined minimum voltage at the buffer capacitor is exceeded. When the power supply device is switched off, the electronics of the converter are no longer to be kept in operation, so that these and the converter are switched off.
Mit der erfindungsgemäßen Weiterbildung eines gattungsgemäßen Umrichters ist man nun ohne großen Aufwand in der Lage, eine im Handel erhältliche Option "kinetische Pufferung" auch bei dem gattungsgemäßen Umrichter zu verwenden.With the development of a generic converter according to the invention, it is now possible, without much effort, to use a commercially available option "kinetic buffering" even in the generic converter.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Spannungszwischenkreis- Umrichters sind den Unteransprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.Advantageous embodiments of the voltage source inverter can be found in the dependent claims 2 to 7.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform nach der Erfin¬ dung schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which an embodiment according to the Erfin tion is illustrated schematically.
FIG 1 zeigt eine Ausführungsform eines bekannten Spannungs- zwischenkreis-Umrichters, wobei in der1 shows an embodiment of a known voltage intermediate circuit converter, wherein in the
FIG 2 eine Ausführungsform eines gattungsgemäßen Frequenzum¬ richters veranschaulicht ist, die FIG 3 zeigt einen Umrichter gemäß FIG 2 mit der erfindungsge¬ mäßen Ausgestaltung und die2 shows an embodiment of a generic Frequenzum¬ judge is illustrated, the FIG. 3 shows a converter according to FIG. 2 with the embodiment according to the invention and FIG
FIG 4 zeigt einen AC-AC-Sparse-Martrix-Umrichters mit der er¬ findungsgemäßen Ausgestaltung.4 shows an AC-AC sparse Martrix converter with the embodiment according to the invention.
In der FIG 3 ist eine Ausführungsform eines gattungsgemäßen Umrichters nach FIG 2 veranschaulicht, der erfindungsgemäß weitergebildet ist. Dazu ist elektrisch antiparallel zur Ent¬ kopplungsdiode 16 ein abschaltbarer Halbleiter 22, insbeson- dere ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), geschal¬ tet. Steuerseitig ist dieser abschaltbare Halbleiter 22 mit einem Ausgang einer Netzausfall-Erkennungseinrichtung 24 ver¬ bunden. Diese Netzausfall-Erkennungseinrichtung 24 detektiert einen Netzausfall aus der eingangsseitig anstehenden Zwi- schenkreisspannung Uzw. Wie diese Netzausfall-Erkennungsein¬ richtung 24 ausgeführt ist, kann beispielsweise der älteren nationalen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2004 030 535.8 entnommen werden. Eine Netzausfall-Erken¬ nungseinrichtung 24 kann auch mit den Phasen des speisenden Netzes verbunden sein. In diesem Fall werden dann die anste¬ henden Netzphasenspannungen ausgewertet. Für die erfindungs¬ gemäße Weitergestaltung eines gattungsgemäßen Umrichters ist es unerheblich, wie ein Netzausfall detektiert wird, wichtig ist, dass ein derartiger Netzausfall erkannt wird. Mit der Detektierung eines Netzausfalls des speisenden Netzes steht am Ausgang der Netzausfall-Erkennungseinrichtung 24 ein Steu¬ ersignal SNA für den steuerbaren Halbleiter 22 an. Aufgrund dieses Halbleitersignals SNA wird der abschaltbare Halbleiter 22 durchgesteuert, so dass die Entkopplungsdiode 16 über- brückt ist. Als abschaltbarer Halbleiter 22 kann ein IGBT- Modul verwendet werden, das intern bereits eine Diode, eine sogenannte Inversdiode bzw. Freilaufdiode, enthält. Dadurch wird eine diskrete Diode 16 nicht mehr benötigt, wodurch auch die Verknüpfung mit dem abschaltbaren Halbleiter 22 entfällt.3 shows an embodiment of a generic converter according to FIG 2 illustrates, which is developed according to the invention. For this purpose, a turn-off semiconductor 22, in particular an insulated gate bipolar transistor (IGBT), is switched electrically in anti-parallel to the depletion diode 16. On the control side, this switch-off semiconductor 22 is connected to an output of a power failure detection device 24. This power failure detection device 24 detects a power failure from the intermediate circuit voltage U zw present on the input side. How this Netzausfallerkennungsein¬ device 24 is executed, can be removed, for example, the older national patent application with the official file number 10 2004 030 535.8. A power failure detection device 24 may also be connected to the phases of the supplying network. In this case, the upcoming mains phase voltages are then evaluated. For the refinement of a generic converter according to the invention, it is irrelevant how a power failure is detected, it is important that such a power failure is detected. With the detection of a power failure of the supplying network, a control signal S NA for the controllable semiconductor 22 is present at the output of the power failure detection device 24. Because of this semiconductor signal S NA , the turn-off semiconductor 22 is turned on, so that the decoupling diode 16 is bridged. As a turn-off semiconductor 22, an IGBT module may be used, which already contains a diode internally, a so-called inverse diode or freewheeling diode. As a result, a discrete diode 16 is no longer needed, whereby the link with the turn-off semiconductor 22 is omitted.
Mit der Überbrückung der Entkopplungsdiode 16 entsteht eine Topologie, die der eines herkömmlichen Frequenzumrichters mit Zwischenkreiskondensatoren entspricht. Dadurch kann nun die bekannte Option "kinetische Pufferung" ausgeführt werden. Nach Wiederkehr der Netzspannung wechselt das Steuersignal SNA derart seinen Pegel, dass der abschaltbare Halbleiter 22 sperrt.With the bridging of the decoupling diode 16 creates a topology that of a conventional frequency converter with DC link capacitors corresponds. This allows the well-known option "kinetic buffering" to be executed. After return of the mains voltage, the control signal S NA changes its level so that the turn-off semiconductor 22 blocks.
Dieses erfindungsgemäße Prinzip ist ebenfalls auf einen soge¬ nannten indirekten Matrixumrichter anwendbar. Ein derartig ausgebildeter indirekter Matrixumrichter ist in der Veröf- fentlichung "Matrix Convert Topologies With Reduced Number of Switches", von Lixiang Wei, T.A. Lipo und Ho Chan, abgedruckt in 33rd Proc. Conf. Rec. IEEE PESC, 2002, Seiten 57 bis 63, insbesondere in der FIG 3, näher dargestellt. Außerdem ist dieses erfindungsgemäße Prinzip auch auf einen sogenannten Sparse-Matrixumrichter anwendbar. Ein derartiger Sparse-Ma- trixumrichter ist in der Veröffentlichung mit dem Titel "Ana- lytically Closed Calculation of the Conduction and Switching Losses of Three-Phase AC-AC Sparse Matrix Converters" von F. Schafmeister, M. Baumann und J.W. Kolar, abgedruckt im Ta- gungsband "EPE 2002 Dubrovnik", näher beschrieben und schema¬ tisch in der FIG 4 dargestellt. Beim Erkennen eines Netzaus¬ falls wird hier der netzseitige Stromrichter auf "Diodenbe¬ trieb" geschaltet, d.h., die Transistoren Tx2 und Tx4 mit x=l, 2, 3 werden eingeschaltet. Anschließend wird wie beim Spannungszwischenkreis-Umrichter gemäß FIG 3 verfahren. Nach Wiederkehr der Netzspannung wird zuerst der abschaltbare Halbleiter 22 wieder gesperrt. Vorteilhafterweise wird dazu im lastseitigen Stromrichter ein Nullzeiger geschaltet. Da¬ nach ist dieser indirekte Matrixumrichter wieder für den Normalbetrieb bereit.This inventive principle is also applicable to a so-called indirect matrix converter. Such a trained indirect matrix converter is described in the publication "Matrix Convert Topologies With Reduced Number of Switches", by Lixiang Wei, T.A. Lipo and Ho Chan, reprinted in 33rd Proc. Conf. Rec. IEEE PESC, 2002, pages 57 to 63, in particular in FIG 3, shown in more detail. In addition, this inventive principle is also applicable to a so-called sparse matrix converter. Such a sparse matrix converter is described in the publication entitled "Analytically Closed Calculation of the Conduction and Switching Losses of Three-Phase AC-AC Sparse Matrix Converters" by F. Schafmeister, M. Baumann and J.W. Kolar, reprinted in the volume "EPE 2002 Dubrovnik", described in more detail and shown schematically in FIG. When a mains failure is detected, the network-side converter is switched to "diode operation", that is, the transistors Tx2 and Tx4 with x = 1, 2, 3 are switched on. Subsequently, the procedure is as in the voltage source converter of FIG 3. After return of the mains voltage of the turn-off semiconductor 22 is first locked again. Advantageously, a zero pointer is switched in the load-side converter. Da¬ after this indirect matrix converter is ready for normal operation again.
Mit dieser Erfindung kann ohne großen Aufwand auch ein Fre¬ quenzumrichter mit einem kondensatorlosen Zwischenkreis der¬ art modifiziert werden, dass eine handelsübliche Option "ki- netische Pufferung" verwendet werden kann, wodurch auch die¬ ser Umrichter die Vorteile der Option "kinetisch Pufferung" nutzen kann. With this invention, a frequency converter with a capacitor-free intermediate circuit can be modified without much effort such that a commercial option "kinetic buffering" can be used, whereby these converters also have the advantages of the option "kinetic buffering". can use.

Claims

Patentansprüche claims
1. Frequenzumrichter mit einem kondensatorlosen Zwischenkreis (6) und einer Stromversorgungseinrichtung (12) für eine Elek- tronik dieses Umrichters, wobei diese Stromversorgungsein¬ richtung (12) eingangsseitig einen Pufferkondensator (CP) aufweist, der elektrisch parallel zum kondensatorlosen Zwi¬ schenkreis (6) geschaltet ist, und wobei eine Zuleitung (14) des Pufferkondensators (CP) eine Entkopplungsdiode (16) auf- weist, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch antiparallel zur Entkopplungsdiode (16) ein abschaltbarer Halbleiter (22) geschaltet ist, dessen Steuereingang mit einem Ausgang einer Netzausfall-Erkennungseinrichtung (24) verbunden ist.1. Frequency converter with a capacitor-free intermediate circuit (6) and a power supply device (12) for an electronics of this converter, this Stromversorgungsein¬ direction (12) on the input side a buffer capacitor (C P ), the electrically parallel to the condenser Zwi¬ schenkreis ( 6), and wherein a feed line (14) of the buffer capacitor (C P ) has a decoupling diode (16), characterized in that a turn-off semiconductor (22) is connected electrically antiparallel to the decoupling diode (16) whose control input with an output of a power failure detection device (24) is connected.
2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abschaltbare Halbleiter (22) und die Entkopplungsdioden (16) in einem Halbleitermodul in¬ tegriert sind.2. Frequency converter according to claim 1, characterized in that the turn-off semiconductor (22) and the decoupling diodes (16) are integrated in a semiconductor module in¬.
3. Frequenzumrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzausfall-Erkennungsein¬ richtung (24) eingangsseitig elektrisch parallel zum konden¬ satorlosen Zwischenkreis (6) geschaltet ist.3. Frequency converter according to claim 1 or 2, characterized in that the Netzausfall -erkennungsein¬ device (24) on the input side is electrically connected in parallel to konden¬ satorlosen intermediate circuit (6).
4. Frequenzumrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzausfall-Erkennungsein¬ richtung (24) eingangsseitig mit einem speisenden Netz (8) des Umrichters verknüpft ist.4. Frequency converter according to claim 1 or 2, characterized in that the Netzausfall-Erkennungssein¬ direction (24) on the input side is connected to a feeding network (8) of the inverter.
5. Frequenzumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul ein Insula- ted-Gate-Bipolar-Transistor-Modul ist.5. Frequency converter according to claim 2, characterized in that the semiconductor module is an Insulated ted gate bipolar transistor module.
6. Frequenzumrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter ein F3E-Umrichter ist. 6. Frequency converter according to one of the preceding claims, characterized in that the inverter is a F 3 E inverter.
7. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter ein indirekter Matrixumrichter ist.7. Frequency converter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inverter is an indirect matrix converter.
8. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch gekennzeichnet, dass der Umrichter ein dreiphasiger AC- AC Sparse-Matrixumrichter ist. 8. Frequency converter according to one of claims 1 to 5, da¬ characterized in that the inverter is a three-phase AC AC sparse matrix converter.
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