EP4205271A1 - Vorrichtung und verfahren für den betrieb eines drei- oder mehrpunktumrichters - Google Patents

Vorrichtung und verfahren für den betrieb eines drei- oder mehrpunktumrichters

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EP4205271A1
EP4205271A1 EP21769124.5A EP21769124A EP4205271A1 EP 4205271 A1 EP4205271 A1 EP 4205271A1 EP 21769124 A EP21769124 A EP 21769124A EP 4205271 A1 EP4205271 A1 EP 4205271A1
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EP
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voltage
intermediate potential
potential
current
converter
Prior art date
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Application number
EP21769124.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Visosky
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Keba Industrial Automation Germany GmbH
Original Assignee
Keba Industrial Automation Germany GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Definitions

  • the invention relates to a device for balancing at least one intermediate potential of a DC intermediate circuit for the operation of a three-point or multipoint converter with the provision of an internal voltage supply.
  • the invention also relates to a method for operating a device for balancing an intermediate potential of at least one intermediate potential rail of a DC intermediate circuit with two ground potential rails for operating a three-point or multipoint converter in which an internal voltage supply is provided.
  • a supply voltage For the internal operation of the converter, a supply voltage must be provided, which keeps the microcontroller regulation electronics in operation for generating control voltage pulses for the semiconductor power switches. In the case of air-cooled converters with high power, high power is required, especially for the fans.
  • a switched-mode power supply is usually used for operation, which taps energy from the DC intermediate circuit with a normal voltage level of 500 V to 900 V and converts it into one or more graded low DC voltages. These low voltages provide the internal control electronics with a supply voltage and can operate a fan that is operated with voltages of up to 48 V DC and usually require a powerful separate isolating transformer in order to achieve galvanic isolation from the power section.
  • the isolating transformer has to provide sufficient power to operate a cooling device such as a fan or a compressor cooling system.
  • a cooling device such as a fan or a compressor cooling system.
  • Such separate power supplies increase the number of components, require additional space, increase the manufacturing costs and increase the susceptibility to errors. Due to the relatively high DC intermediate circuit voltage, a high level of circuitry complexity is necessary to provide DC operating extra-low voltages.
  • EP 1 315 227 A1 shows a device for carrying out a method for balancing a three-point DC link.
  • the device has two capacitors, the two capacitors being connected in series.
  • a converter circuit is connected to a connection terminal at which an intermediate circuit voltage of 0 V is provided. There is no information about the provision of a DC operating voltage for the internal power supply.
  • a method for reducing voltage fluctuations in a three-point intermediate circuit of a converter is known from EP 0 534 242 B1.
  • a first and a second three-point four-quadrant controller are provided on a single-phase side, which are each connected to the three-point intermediate circuit on the input side and which each generate a single-phase output voltage with a predetermined fundamental frequency by means of two fundamental frequency clock patterns.
  • the generation of an internal power supply for the control electronics is not discussed in this context.
  • US Pat. No. 5,621,628 A discloses a balancing circuit which is designed as a voltage-controlled and/or current-controlled balancing circuit connected in parallel thereto. The two control mechanisms can be combined in a parallel circuit.
  • the balancing circuit regulates not only DC drifts but also ripple voltages at a DC link center. This requires a lot of reactive power and expensive power electronics. This document is also silent on the efficient provision of an internal voltage supply.
  • a disadvantage of the prior art is that the capacitors have different leakage currents. Thus, an even voltage distribution cannot be ensured.
  • balancing resistors connected in parallel are usually used, in which case a transverse current flowing through the balancing resistors should be greater than an expected leakage current difference.
  • these shunt currents cause significant symmetry losses in high-power converters and lead to undesirably high interior temperatures. Since there are fundamentally undesirable asymmetries in the three-level converter hardware, this means that a parasitic direct current flows in the neutral point. The direct current is usually so large that passive balancing of the intermediate circuit with the balancing resistors is no longer possible.
  • a reliable and powerful DC operating voltage supply is particularly necessary for the fan supply of air-cooled converters with a high nominal power, because the fans can handle more than 100W have power consumption.
  • Such high-performance fans are usually operated with 24V or 48V.
  • Further DC voltage levels can be derived from the DC basic voltage, for example by DC-DC converters, for example the operating voltage for the control electronics can be derived by means of a step-down converter.
  • the invention relates to a device for balancing at least one intermediate potential of a DC link for the operation of a three-point or multipoint converter, a half-bridge with at least two electronic switches being switched on between two ground potential rails of the DC link and at least one intermediate potential rail.
  • a PWM switching generator is set up to switch the two switches with a variable duty cycle in such a way that a desired intermediate potential, in particular a symmetrical intermediate potential, of the intermediate potential rail can be set with respect to the potentials of the ground potential rails.
  • the half-bridge is connected to the intermediate potential rail via a smoothing inductor and the smoothing choke is the primary winding of an isolating transformer for operating a DC power pack.
  • the isolating transformer has at least one secondary winding, wherein the primary winding can be designed, for example, as a smoothing choke, i.e. storage choke with an air gap with at least one wound-up auxiliary winding as the secondary winding.
  • the auxiliary winding can advantageously provide the one or more different high and isolated AC supply voltages of the DC voltage power supply unit, it being possible for several electrically isolated secondary windings to be provided for different AC voltage levels. This means that several isolated AC output voltages can be provided for various applications, e.g. fan operation, electronic power supply, etc.
  • a device for balancing a DC intermediate potential is proposed.
  • a half-bridge consisting of at least two electronic switches, preferably MOSFET or IGBT power switches, is arranged on the DC intermediate circuit, with MOSFET switches or IGBT switches being able to be used as electronic switches. It is also possible to use more than two electronic switches, for example two switches connected in parallel in the half-bridge.
  • the half-bridge is connected via a smoothing choke to an intermediate potential rail at a neutral point or intermediate circuit center point, the potential being zero at the neutral point, or being the arithmetic mean of the intermediate circuit potential difference.
  • the device further comprises a PWM (pulse width modulation) switching generator.
  • the two switches can be switched with a variable duty cycle, so that a desired intermediate potential or a symmetrical intermediate potential of the intermediate potential rail is set.
  • the PWM switching generator provides a dead time that can be set variably, if necessary, and during which the switches are open. This prevents one Short circuit and takes into account at least a different switching time of the semiconductor power transistors.
  • the smoothing choke can advantageously be designed as a choke with an air gap for energy storage, which is also referred to as a storage choke. A direct current flows in the smoothing reactor, which is superimposed with a switching-frequency ripple current.
  • the smoothing choke is designed as the primary winding of an isolating transformer, which is provided for operating a DC power supply unit, in particular to provide an internal voltage supply for the three-point or multipoint converter, and in particular to operate a fan or an air conditioning device for cooling or air conditioning.
  • the secondary winding of the isolating transformer can be followed by a rectifier unit and possibly support capacitors in order to provide a fixed or variable DC supply voltage, in particular a multi-stage DC supply voltage for supplying the control electronics of the converter.
  • the smoothing choke therefore has two tasks: on the one hand, inductive coupling of the intermediate circuit to the actively operated half-bridge for setting the intermediate potential, and on the other hand, formation of an isolating transformer for decoupling a voltage supply for the internal electronics and the fan.
  • an isolating transformer for decoupling a voltage supply for the internal electronics and the fan.
  • energy for the electronic power supply and for operating a fan or for air conditioning can be decoupled from the smoothing reactor as the primary side.
  • the use of an additional transformer can be dispensed with.
  • a relatively inexpensive rectifier stage with support ca- capacities, a stable and robust operating voltage can be generated with few components.
  • the device according to the invention enables active intermediate circuit balancing and the provision of operating voltage. In this way, the problems with balancing caused by converter software measures can be completely avoided.
  • the three- or multi-level converters can be operated cost-effectively on a load-free grid without restrictions. Balancing losses at high power levels can be largely avoided.
  • a high-impedance passive balancing can also be provided if required, in order to bridge the time until the active balancing starts up.
  • the smoothing choke is designed as a primary winding of an isolating transformer, so that a variable voltage is induced on one or more secondary windings of the isolating transformer.
  • the secondary voltage or a plurality of secondary voltages are provided for the AC supply of a DC voltage power pack.
  • the DC power supply can be designed, for example, as a rectifier with charging capacitor, full-bridge rectifier or voltage doubler according to Greinacher, and can preferably provide several DC voltage potentials to supply e.g. a fan with 48V and the electronics with 5V or 3.3V. No significant DC voltage can drop across the smoothing reactor or the isolating transformer.
  • the neutral point or the intermediate circuit center point of the intermediate potential is connected to an output of the half-bridge via the smoothing reactor as the primary side of an isolating transformer.
  • the primary side of the isolating transformers Via the primary side of the isolating transformers, no significant DC voltage can drop.
  • a potential-free and galvanically isolated supply voltage is made available to at least one secondary winding by means of the isolating transformer. Furthermore, it is possible to provide the active balancing of the intermediate circuit in a cost-effective and almost loss-free manner.
  • the DC voltage power supply includes at least one bridge rectifier and capacitors that are useful for voltage stabilization.
  • the DC voltage power supply can include a DC voltage converter for the regulated provision of one or more DC voltage levels, with which a low or high DC voltage is to be provided on an output side of the DC voltage power supply.
  • the DC voltage power supply can be designed either as a step-down converter or as a step-up converter, with the use of step-down converters being preferred.
  • the downstream step-down converter stabilizes the electrically isolated DC supply voltage of the converter, in particular of a fan for cooling or an air conditioning device.
  • the supply voltages generated on the secondary side of the isolating transformer by means of one or more potential-separated secondary windings can be stabilized and adapted to a required DC voltage potential or several required DC voltage potentials.
  • the DC voltage potential or potentials depend on the level of the intermediate circuit voltage, which can fluctuate within certain limits.
  • DC-DC converters in particular step-down converters, can advantageously be used.
  • the DC voltage power pack can provide a voltage in the range from 3.3 V to 48 V DC, usually 24 V or 48 V, with lower voltage levels being able to be derived from a higher DC voltage.
  • voltage levels eg 3.3 V, 5 V, 15 V and 24 V as well as 48 V, and voltage levels of opposite polarity, eg +/- 15 V, can be provided for the operation of a microcontroller as a control voltage and a fan blower.
  • the secondary side of the isolating transformer can advantageously include a plurality of secondary windings which are provided with the same or different transmission ratios to the primary winding in order to provide AC output voltages which are the same or different and are electrically isolated.
  • Different DC voltages can thus be made available on the secondary side, wherein an associated DC voltage can be derived from different AC voltages on the secondary side and one or more additional DC voltages can be derived from one or more of these DC voltages in a further optional step generated by DC-DC converters.
  • the DC voltage power supply can include a Greinacher voltage doubling circuit.
  • a Greinacher voltage doubler connected to the isolating transformer, comprises two capacitors and two diodes and, with purely passive components, enables the level of the DC voltage present at the output to be doubled compared to the amplitude of the AC voltage present at the input, which is emitted on the secondary side by the isolating transformer.
  • the output DC voltage can be provided independently of the duty cycle of the half bridge.
  • a Greinacher voltage doubler rectifier circuit can be connected downstream of the intermediate circuit voltage reduced with the transformation ratio of the isolating transformer, and enables a rectified DC output voltage of the isolating transformer to be doubled.
  • the intermediate potential rail can advantageously be connected to the two ground potential rails via smoothing capacitors.
  • the smoothing capacitors can reduce the ripple and reduce its fluctuation to a level so that the DC voltage can be used with as little residual ripple as possible.
  • One smoothing capacitor can be located as close as possible to a rectifier circuit and another as close as possible to the converter. Since no DC voltage can drop across the smoothing choke, there is automatically an even voltage distribution across the smoothing capacitors.
  • a reference ground for the control electronics can be advantageous be defined at the connection point of the series-connected smoothing capacitors.
  • the PWM switching generator can be set up to set a predefinable duty cycle, in particular a 50% duty cycle of the two switches.
  • the half-bridge can be operated with a fixed duty cycle of 50%, for example.
  • 50% duty cycle on average half the intermediate circuit voltage can drop across the first and second switches.
  • the generation of the PWM signal is followed by the insertion of the dead time, more precisely a switch-on delay for the switches. This is the same for both switches and results in a control signal for the switches whose duty cycle deviates slightly from 50%.
  • a fixed duty cycle in particular a 50% duty cycle, only makes sense for small converter powers below 10 kW.
  • this balancing current can advantageously be reduced to tolerable values by means of a damping resistor described below, without impairing the balancing effect.
  • Such a "soft balancing behavior" can be achieved with a fixed duty cycle, for example a 50% duty cycle, by a correspondingly large impedance of the series connection of the smoothing choke and the damping resistor. If an AC voltage is present at the neutral point, the resulting parasitic AC current due to the smoothing reactor is so small that oversizing of the components becomes unnecessary, especially if the RMS value of the AC current remains less than 10% of the DC current.
  • an auxiliary winding on the smoothing reactor can be used to provide an isolated voltage based on the active intermediate potential balancing, which leads to significant hardware savings. If an at least approximately 50% duty cycle is set, the voltage across the auxiliary winding is a square-wave voltage, with the duty cycle in the loaded converter fluctuating only slightly due to the alternating current being fed into the neutral point.
  • the smoothing choke can be connected in series with a damping resistor.
  • a compensating current can flow through the smoothing reactor until the symmetry can be restored. If the compensating current is not too high, an ohmic winding resistance of the smoothing reactor can be increased by an additional series resistance.
  • This series resistance can advantageously serve as a damping resistance for vibration damping, with losses in the damping resistance being very small.
  • a "soft" balancing behavior can be achieved by connecting the damping resistor with a sufficiently large inductance.
  • two in the half-bridge Damping resistors can be switched on in series, with their connection point, ie the center tap of the series connection of the damping resistors, being able to be connected to the intermediate potential rail by the smoothing choke.
  • the half-bridge In the case of high-power converters, the half-bridge cannot be operated with a constant duty cycle of 50%, since the losses in the damping resistor could become too large due to the significantly larger symmetry currents here.
  • a damping resistor should not be used here, and the duty cycle of the half-bridge should be adaptively tracked or readjusted to the AC voltage at the neutral point in such a way that no symmetry current with three times the rotary frequency or three times the mains frequency can flow.
  • the duty cycles of T1 and T2 can be different. In particular, they can be adjusted so that their sum is one, neglecting the dead time described above.
  • a shunt resistor is preferably provided for current measurement. An unnecessarily high current load on the half-bridge and the choke can thus be avoided. Only a direct current flows in the choke, superimposed with a switching-frequency ripple current. In this respect, adaptive control of the duty cycle is advantageous
  • a current controller can be included, which sets the duty cycle on the basis of a current variable through the smoothing inductor, which can be tapped off, for example, by measuring the voltage at the damping resistor or at a shunt resistor. For example, a current difference in a current between the switch half-bridge and the bridge of the smoothing capacitors can be determined by the smoothing inductor in the intermediate potential rail. In addition, a neutral point input current of the three-level or multi-level converter can be measured.
  • a current difference between the inductor current and the neutral point input current can be corrected by means of the duty factor, in particular regulated to zero, so that a parasitic compensating current between the switch half bridge and the capacitor half bridge can be minimized, and the inductor current corresponds to the neutral point Input current is adjustable.
  • the current controller can be designed in such a way that it works particularly quickly.
  • the setpoint of the current controller should advantageously be limited by a limit value in order to prevent the components from being overloaded. This embodiment can also be used advantageously if no isolating transformer is formed by the smoothing reactor for operating the DC voltage power supply.
  • a voltage regulator can be included, which can regulate the duty cycle of at least one PWM signal of the PWM switching generator with regard to a desired intermediate potential on the basis of a voltage difference between the ground potential rails and the intermediate potential rail, with a symmetrical intermediate potential of the intermediate potential rail preferably being controllable is.
  • the voltage regulator can be designed in such a way that it works particularly sluggishly.
  • the voltage regulator can be designed so sluggishly that an AC voltage that occurs operationally at the neutral point is largely ignored.
  • the voltage regulator requests an average direct current between the half-bridge and the intermediate circuit by controlling the duty cycle of at least one PWM signal, in particular both PWM signals of the PWM switching generator, which can completely eliminate the asymmetry after a while. It is advantageous if the voltage regulator can influence the duty cycle of the PWM switch generator according to the voltage difference between the ground potential rails and the intermediate potential rail in order to regulate the intermediate potential at the neutral point as desired and in particular a voltage difference between the potential differences +ZK to NP and NP to -ZK bring zero. This embodiment can also be used advantageously if no isolating transformer is formed by the smoothing reactor for operating the DC voltage power supply.
  • the voltage regulator and the current regulator can be connected in series as a cascade regulator, with the current regulator in particular having faster control behavior than the voltage regulator. ruler.
  • the current controller preferably considers a current flow through the smoothing inductor between the switch half-bridge and a smoothing capacitor half-bridge as an input variable for this purpose.
  • Cascade control is a cascading of several controllers, with the associated control loops being nested within one another.
  • the cascade controller is provided in the form of the voltage controller with the subordinate current controller, the manipulated variable of the voltage controller providing the input variable of the current controller. It is advantageous that a reference ground of a controlling microcontroller is arranged at the neutral point.
  • an actual current value can be obtained inexpensively with a shunt current measurement at the “electronics ground”.
  • a voltage measurement can be carried out inexpensively by means of a voltage divider.
  • the voltage divider can consist of at least two passive electrical resistors across which the potential differences between +ZK (positive intermediate circuit potential) and NP (intermediate potential) and between NP (intermediate potential) and -ZK (negative intermediate circuit potential) drop.
  • the superimposed voltage regulator requests a direct current from the current regulator, which in turn influences the duty cycle of the half-bridge power switches in such a way that the asymmetry can be completely eliminated after a while.
  • a current setpoint for the current controller can be limited to prevent overloading of the components.
  • an overcurrent shutdown can be provided in the event of a fault.
  • the two controllers can be designed as PT1 controllers, for example.
  • the two cascaded controllers and the PWM switch generator can be designed using software measures. This embodiment can also be used advantageously if no isolating transformer is formed by the smoothing reactor for operating the DC voltage power supply.
  • a variable duty cycle in particular controlled by means of the aforementioned cascade control can be used.
  • the duty cycle of the half-bridge of the AC voltage at the neutral point can be tracked or defined in such a way that no symmetry current with three times the rotational frequency or three times the mains frequency can flow.
  • a soft balancing behavior can be achieved, for example, by using a fast current controller and a slow voltage controller in a controller cascade.
  • a method for operating a previously described device for balancing an intermediate potential of at least one intermediate potential rail of a DC intermediate circuit with respect to two ground potential rails for operating a three-point or multipoint converter is proposed.
  • a half bridge with at least two electrical switches is provided, the center tap of which connects the intermediate potential rail to the two ground potential rails via a smoothing reactor and the switches.
  • a desired intermediate potential, in particular a symmetrical intermediate potential is set by setting a variable duty cycle of the electrical switches.
  • An output voltage for the operation of a DC voltage power pack, in particular for a fan or for an air conditioning operation for cooling, is provided via the smoothing choke designed as the primary winding of an isolating transformer.
  • the duty cycles can be set symmetrically, in particular a 50% duty cycle can be set.
  • At least one duty cycle can be set by means of voltage regulation of a voltage regulator on the basis of a voltage difference between the intermediate potential and the two basic potentials.
  • This embodiment can also be used to advantage if, in the device shown above, there is no isolating transformer through the smoothing reactor for operating the DC voltage voltage power supply is formed.
  • At least one duty cycle can be set by means of a differential current regulation of a current controller based on a current difference between the current through the smoothing reactor, which connects the half bridge with a smoothing capacitor half bridge of the intermediate potential rail, and the neutral point input current of the three- or multipoint converter, can be set.
  • This can also be used advantageously if no isolating transformer is formed by the smoothing choke for operating the DC power supply unit in the device shown above.
  • a three-level inverter impresses an alternating current with three times the mains frequency - for motors with three times the rotating field frequency - in the intermediate circuit center point (neutral point NP).
  • This alternating current can cause a sinusoidal dynamic voltage asymmetry (voltage ripple) at the neutral point, because the intermediate circuit capacitors are recharged with this current.
  • the half-bridge can be operated with a fixed duty cycle of 50%.
  • An unavoidable sinusoidal compensating current in the smoothing reactor with three times the mains frequency - in motors with three times the rotating field frequency - is usually limited to an acceptable amplitude by a damping resistor.
  • a cascade control is not required.
  • At least one duty cycle can be set by cascade control of the voltage control and current control, with the current control based on the inductor current as an input variable having a faster control behavior than the voltage control, and the voltage control and the current control preferably having a PT1 control behavior .
  • This embodiment can also be used advantageously if no Isolation transformer is formed by the smoothing choke to operate the DC power supply.
  • the duty cycle of the half-bridge can be adjusted so that no sinusoidal compensating current of the same frequency can flow through the smoothing choke.
  • the duty cycle can advantageously be made variable and deviate slightly from 50%.
  • Adaptive tracking of the duty cycle can be performed by the current controller.
  • the current controller receives a current setpoint from the superimposed slow voltage controller that does not contain an alternating component.
  • the current controller is so fast in its control behavior that it can track the duty cycle quickly enough to suppress the undesired alternating component through the smoothing reactor. This means that no alternating component with three times the mains frequency - in motors with three times the rotating field frequency - can flow in the smoothing reactor.
  • the voltage regulator can ignore the dynamic unbalance because it is so slow that it cannot correct the dynamic unbalance.
  • the voltage regulator can correct the static asymmetry. In this way, cost-effective power electronics can be achieved that only have to be designed for the DC component in the NP current, which is very small compared to the AC component.
  • An advantageous application of the invention is the charging and/or discharging of a vehicle traction battery:
  • a vehicle is connected via an at least two-wire cable to a charging station, which has at least one intermediate circuit with balancing according to the invention and at least one DC arranged between the intermediate circuit and the at least two-wire cable -DC converter features.
  • the vehicle contains at least one traction battery from which it can draw energy for its locomotion.
  • the la destation can provide the vehicle with a DC voltage or a direct current via the at least two-wire cable for the purpose of storing electrical energy in the vehicle traction battery.
  • the charging station can draw electrical energy from the traction battery via the at least two-wire electrical cable.
  • the energy drawn from the traction battery by the charging station can be fed at least partially into an electrical energy supply network connected to the charging station, so the charging station can be used bidirectionally for charging and discharging, for buffering preferably regenerative energy for network support.
  • FIG. 1 shows another prior art converter
  • FIG. 3 shows a device for balancing an intermediate potential of a DC intermediate circuit for the operation of a three-level converter
  • FIG. 5 shows a first embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 6 shows a second embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 7 shows a third embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 8 shows a fourth embodiment of a device according to the invention.
  • FIG 9 shows a fifth embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 1 and 2 show converter circuits 100.1, 100.2 which are known from the prior art.
  • the converter circuits 100.1, 100.2 can be provided for the supply of a three-phase load L 38 in FIG. 1 and in FIG.
  • a smoothing capacitor C_ZK+ and a smoothing capacitor C_ZK- are connected in series between two ground potential rails ZK+, ZK- of a DC intermediate circuit 12, with an intermediate potential rail 14 being connected to their center tap to provide a neutral point NP. Since the smoothing capacitors C_ZK+, C_ZK- can have different leakage currents, an even voltage distribution cannot be ensured. To eliminate this problem, voltage divider resistors R_ZK+, R_ZK- are connected in parallel, the sizes of which cannot be exactly identical.
  • a three-level converter 34 is connected to the smoothing capacitors C-ZK+, C-ZK- via the intermediate potential rail. closed. Between the three-point converter 34 and the three-phase consumer L or three-phase network G or three-phase motor M 38, a filter 104 is set up to damp unwanted harmonics.
  • a rectifier 36 is also arranged between a three-phase system G 106 and the intermediate circuit 12 in the converter 100.2.
  • the converter configurations known from the prior art require a separate, powerful DC voltage supply to operate the control electronics, not shown, which provide switching pulses to operate the power semiconductor switches of the three-point or multi-point converter 34 and to supply energy-intensive cooling with a fan or a cooling device.
  • the cooling regularly has high power consumption of 100 W and more and requires a powerful and reliable power supply.
  • FIG. 3 and FIG. 4 initially show devices for balancing potential in the intermediate circuit 10.1, 10.2 for the operation of a three-point converter 34.
  • the three-point converter 34 is set up for energizing a three-phase motor M 38 .
  • a half-bridge 16 is connected between two ground potential rails ZK+, ZK- of the DC intermediate circuit 12 and the intermediate potential rail 14, the half-bridge 16 being provided with two electronic switches T1, T2.
  • the two electronic switches T1, T2 can be designed as power transistors.
  • a PWM switching generator 18 is provided in each of the devices 10.1, 10.2, which switches the two switches T1, T2 with a variable duty cycle such that a desired intermediate potential, in particular a symmetrical intermediate potential, of the intermediate potential rail 14 is set.
  • a predefinable duty cycle, preferably a 50% duty cycle, of the two switches T1, T2 can be set with the PWM switching generator 18 .
  • An application-specific asymmetry can also be statically compensated by modifying the duty cycle.
  • an inverter Inv Between the PWM Switching generator 18 and the electronic switch T2 is switched on an inverter Inv.
  • a dead time is usually provided during which both switches are switched off, in order to avoid a short circuit in the bridge due to a delay in switching off the semiconductors.
  • the inverter has at least one dead time switchover delay.
  • the intermediate potential rail 14 is connected to the two ground potential rails ZK+, ZK- via smoothing capacitors C_ZK+, C_ZK-.
  • the half-bridge 16 is connected to the intermediate potential rail 14 via a smoothing inductor Lt and a damping resistor Rd, with the smoothing inductor Lt and the damping resistor Rd being connected in series.
  • the intermediate potential rail 14 is connected via the smoothing inductor Lt to a common connection point of the damping resistors Rd1, Rd2.
  • the two damping resistors Rd1, Rd2 are of the same size.
  • FIG. 5 shows a first embodiment of a device according to the invention for balancing potential in the intermediate circuit 10.3 for the operation of a three-point converter 34.
  • This essentially corresponds to the device shown in FIG. 3 , with the three-point converter 34 supplying a three-phase motor M 38 .
  • the smoothing choke Lt is used as a primary winding of an isolating transformer 20 for operating a DC voltage power pack 22 .
  • power supply diodes D11, D12 and power supply diodes D21, D22 are connected with the correct polarity between the buffer capacitor C_DC and the secondary side of the isolating transformer 20, which carry out a bridge DC voltage conversion. .
  • a stabilized DC low voltage can thus be provided for the operation of the control electronics of the converter 34, with a separate high-voltage power pack being able to be dispensed with.
  • 6 shows a perspective view of a second embodiment of a device according to the invention for intermediate circuit potential balancing 10.4 for operating a three-point converter 34 for energizing a motor M 38.
  • the DC voltage power pack 22 includes a DC voltage converter 40 .
  • the DC-DC converter 40 can be in the form of a buck converter or boost converter, so that a supply voltage generated on the secondary side of the isolating transformer 20 can be stabilized.
  • the supply voltage can thus be adapted individually to a voltage level of the DC power supply unit 22 .
  • one or more stabilized voltage levels for example 3.3 V, 5 V and 24 V or 48 V, can be made available, which can be made available even when the input voltage fluctuates and independently of the duty cycle of the switches T1, T2.
  • FIG. 7 shows a third embodiment of a device according to the invention for balancing potential in the intermediate circuit 10.5 for the operation of a three-point converter 34, which is essentially the same as the exemplary embodiment in FIG. 5 or 6.
  • an adaptive, voltage-controlled regulation of the duty cycle of the half-bridge is presented.
  • voltage divider resistors R_ZK+, R_ZK- are connected in parallel behind the smoothing capacitors C_ZK+, C_ZK- in order to ensure an even voltage distribution when the converter and the balancing are switched off.
  • two voltmeters U_ZK+, U_ZK- are provided, which determine the voltages between the potential differences +ZK and NP or NP and -ZK.
  • the two voltmeters U_ZK+, U_ZK- are connected to a differential amplifier 30 in order to increase a potential difference between the intermediate potential and the ground potential AU and to make it available for a voltage regulator 28 as the actual differential voltage value.
  • the voltage regulator 28 can regulate the duty cycle of the PWM switching generator 18 with regard to a desired intermediate potential on the basis of the potential difference between the ground potential rails ZK+, ZK- and the intermediate potential rail 14, so that the potential difference is minimized or regulated to zero.
  • the DC voltage power supply 22 is connected in the manner of a Greinacher voltage doubler with two diodes D1, D2 and two capacitors C_DC1 and C_DC2. Due to the Greinacher circuit topology, also known as the Delon circuit, the DC output voltage is doubled compared to the AC amplitude of the secondary side of the isolation transformer and can therefore be set independently of the duty cycle of the switches.
  • FIG. 8 shows a fourth embodiment of a device according to the invention for intermediate circuit potential balancing 10.6 for operating a three-point converter 34.
  • This is essentially comparable to the structure of the exemplary embodiment according to FIG.
  • this exemplary embodiment differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 7 in that, instead of the voltage regulator 28 and the voltmeter U_ZK+, U_ZK-, a current regulator 26 with an input variable as the difference between a shunt resistor voltage measurement U_rd at the shunt resistor R_s1, ie the inductor current l_s , and a further shunt resistor voltage measurement U_np at the shunt resistor R_s2, ie the neutral point input current l_np of the converter 34 is provided.
  • the current controller 26 regulates the duty cycle based on the difference in the equalizing current l_s between the half bridge 16 and the bridge of the smoothing capacitors C_zk+-C_zk- and the neutral point input current l_np of the three-point converter 34 in the intermediate potential rail 14.
  • the shunt resistor Rs1 serves as a current measuring shunt for the equalizing current l_s to measure U_rd
  • the shunt resistor Rs2 as a current measurement shunt R_s2 of the neutral point input current l_np to measure U_np.
  • the current controller 26 can determine the duty cycle of the PWM Regulate switching generator 18 such that the inductor current l_s essentially corresponds to the neutral point input current l_np of the converter 34 at the connection point Np.
  • FIG. 9 shows a fifth embodiment of a device according to the invention for balancing potential in the intermediate circuit 10.7 for the operation of a three-level converter 34.
  • this is a combination of the structure of the embodiment of FIG. 7 and the structure of the embodiment of FIG. 8 with Greinacher voltage doubler.
  • the voltage controller 28 and the current controller 26 are connected in series as a cascade controller, with the current controller 26, which has the current through the smoothing inductor Lt as the first input variable, advantageously being able to have a faster control behavior than the voltage controller 28.
  • the second input variable of the current controller 26 is connected to the setpoint output of the voltage controller 28 via a current limiter 32, which can ensure that the current permitted for the components is not exceeded.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises (12) für den Betrieb eines Dreioder Mehrpunktwechselrichters (34), wobei zwischen zwei Grundpotential- schienen (ZK+, ZK-) des DC-Zwischenkreises (12) und zumindest einer Zwischenpotentialschiene (14) eine Halbbrücke (16) mit zumindest zwei elektronischen Schaltern (T1, T2) eingeschaltet ist. Des Weiteren ist ein PWM- Schaltgenerator (18) eingerichtet, die beide Schalter (T1, T2) in einem veränderlichen Tastgrad derart zu schalten, dass ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential, der Zwischenpotentialschiene (14) einstellbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Halbbrücke (16) über eine Glättungsdrossel (Lt) mit der Zwischenpotentialschiene (14) verbunden ist und die Glättungsdrossel (Lt) eine Spulenseite eines Trenntransformators (20) zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils (22) bildet. Das Gleichspannungsnetzteil (22) stellt eine interne Spannungsversorgung für den Betrieb der Steuerelektronik des Drei- oder Mehrpunktumrichters, insbesondere eines Lüfters zur Kühlung, bereit. Daneben wird ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung (10) vorgeschlagen.

Description

Vorrichtung und Verfahren für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters mit Bereitstellung einer internen Spannungsversorgung.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials zumindest einer Zwischenpotenti- alschiene eines DC-Zwischenkreises mit zwei Grundpotentialschienen für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters, bei dem eine interne Spannungsversorgung bereitgestellt wird.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur Symmetrierung einer DC-Zwischenkreisspannung für den Betrieb eines Umrichters bekannt, der als ein Zweipunkt-, Dreipunkt- oder Mehrpunktumrichter für die Versorgung eines Motors, eines Verbrauchers oder für einen Netzeinspeisebetrieb eingesetzt wird. In der Regel werden bei einem Zweipunktumrichter im DC- Zwischenkreis Elektrolytkondensatoren in Reihe geschaltet, da für eine üblicherweise hohe Zwischenkreisspannung von 500 V bis 900 V keine Elektrolytkondensatoren zur Glättung am Markt verfügbar sind. Bei einem Dreipunktumrichter ist es aus funktionalen Gründen grundsätzlich erforderlich, im Zwischenkreis Kondensatoren in Reihe zu schalten, die einen Mittelabgriff eines Zwischenpotentials als Neutralpunkt aufweisen. Da ein Leistungsteil des Dreipunktumrichters an einen Neutralpunkt der Kondensatoren angeschlossen ist, spielt eine an dem Neutralpunkt verfügbare halbe Zwischenkreisspannung für den Dreipunktumrichter eine wichtige Rolle. Dabei wird angestrebt, die Gleichspannungspotentiale der Zwischenkreisschienen symmetrisch zum Neutralpunktpo- tential zu wählen.
Zum internen Betrieb des Umrichters ist die Bereitstellung einer Versorgungsspannung notwendig, die die Mikrokontroller- Regelungselektronik zur Erzeugung von Steuerspannungsimpulsen für die Halbleiter-Leistungsschalter in Betrieb hält. Bei luftgekühlten Umrichtern großer Leistung wird besonders für die Lüfter eine große Leistung benötigt. Zum Betrieb wird in der Regel ein Schaltnetzteil eingesetzt, das Energie aus dem DC-Zwischenkreis mit einem üblichen Spannungsniveau von 500 V bis 900 V abgreift, und in eine oder mehrere abgestufte DC-Kleinspannungen wandelt. Diese Kleinspannungen versorgen die interne Regelungselektronik mit einer Versorgungsspannung und können ein Lüftergebläse betreiben, das mit Spannungen bis zu 48 V DC betrieben wird, und benötigen in der Regel einen leistungsstarken separaten Trenntransformator, um eine galvanische Trennung zum Leistungsteil zu erreichen. Dabei hat der Trenntransformator genügend Leistung zum Betrieb einer Kühlungseinrichtung wie beispielsweise eines Lüfters oder einer Kompressorkühlung vorzuhalten. Derartige separate Netzteile erhöhen die Bauteilzahl, benötigten zusätzlichen Bauraum, erhöhen die Herstellkosten und erhöhen die Fehleranfälligkeit. Aufgrund der relativ hohen DC-Zwischenkreisspannung ist ein hoher schaltungstechnischer Aufwand zur Bereitstellung von DC-Betriebskleinspannungen notwendig.
In der EP 1 315 227 A1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Symmetrierung eines Dreipunktgleichspannungszwischenkreises gezeigt. Die Vorrichtung weist zwei Kondensatoren auf, wobei die beiden Kondensatoren in Serie geschaltet sind. Eine Stromrichterschaltung ist an einen Verbindungsanschluss angeschlossen, an dem eine Zwischenkreisspannung von 0 V vorgesehen ist. Einen Hinweis zur Bereitstellung einer DC-Betriebsspannung für die interne Spannungsversorgung ist nicht gegeben.
Aus der EP 0 534 242 B1 ist ein Verfahren zur Reduzierung von Spannungsschwingungen eines Dreipunkt-Zwischenkreises eines Umrichters bekannt. Auf einer Einphasenseite sind ein erster und ein zweiter Dreipunkt-Vierquadranten- Steller vorgesehen, die jeweils eingangsseitig mit dem Dreipunkt-Zwischenkreis verbunden sind und die jeweils mittels zweier Grundfrequenztaktmuster eine einphasige Ausgangsspannung mit vorbestimmter Grundfrequenz erzeugen. Die Erzeugung einer internen Spannungsversorgung der Regelungselektronik ist in diesem Zusammenhang nicht diskutiert.
Die US 5,621 ,628 A offenbart eine Symmetrierschaltung, die als spannungsgeführte und / oder als parallel dazu geschaltete stromgeführte Symmetrierschaltung ausgebildet ist. Die beiden Regelmechanismen sind in einer Parallelschaltung kombinierbar. Die Symmetrierschaltung regelt nicht nur DC-Driften sondern auch Ripplespannungen an einem Zwischenkreismittelpunkt aus. Dazu werden viel Blindleistung und eine teure Leistungselektronik benötigt. Auch diese Schrift schweigt über eine effiziente Bereitstellung einer internen Spannungsversorgung.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die Kondensatoren unterschiedliche Leckströme aufweisen. Somit kann eine gleichmäßige Spannungsaufteilung nicht sichergestellt werden. Um eine ungleichmäßige Spannungsaufteilung zu verringern, werden üblicherweise parallelgeschaltete Symmetrierwiderstände eingesetzt, wobei ein durch die Symmetrierwiderstände fließender Querstrom größer als eine zu erwartende Leckstromdifferenz sein sollte. Allerdings verursachen diese Querströme erhebliche Symmetrierverluste bei Umrichtern großer Leistung und führen zu unerwünscht hohen Innenraumtemperaturen. Da in der Dreipunktumrichter-Hardware grundsätzlich unerwünschte Unsymmetrien vorhanden sind, führt dies dazu, dass im Neutralpunkt ein parasitärer Gleichstrom fließt. Der Gleichstrom ist in der Regel so groß, dass eine passive Symmetrierung des Zwischenkreises mit den Symmetrierwiderständen nicht mehr möglich ist. Wird die Symmetrierung des Zwischenkreises bei den laufenden Umrichtern durch die Umrichter-Software gewährleistet, indem diese die Ansteuerung der Umrichter-Schalter zeitlich so verschiebt, dass durch eine geeignete asymmetrische Energieentnahme aus dem Zwischenkreis durch den Umrichter der Asymmetrie des Zwischenkreises entgegengewirkt wird, ergibt sich das Problem, dass eine Mindest-Wirkleistung aus dem Zwischenkreis zur Symmetrierung gezogen werden muss. Das heißt, dass die Symmetrierung in den Betriebszuständen schwierig durchzuführen ist, in denen zwischen dem angeschlossenen Umrichter und dem an diesen angeschlossenen Netz oder Motor oder Verbraucher nur Blindleistung fließt. Daneben ist notwendig, dass für eine erfolgreiche Symmetrierung Richtungen von Motorströmen bzw. Netzströmen bekannt sein müssen. Ein zur Strommessung eingesetzter Stromsensor weist in der Regel einen Offset in einem Messsignal auf. Dies kann bei kleinen Strömen dazu führen, dass im Fall einer Symmetrierung durch die Umrichter-Software Unsymmetrien des Zwischenkreises verstärkt werden und der Neutralpunkt wegdriftet. Aufgrund des für alle Phasen in der Regel unterschiedlichen Offsets des Stromsensors ist dieses Problem kaum lösbar.
Diese Probleme sind besonders bei den zur Versorgung eines Inselnetzes dienenden Dreipunktumrichtern beispielsweise in Blockheizkraftwerken für Einfamilienhäuser nachteilig. Hierbei kann ein vollständiger Leerlauf auftreten, wenn beispielsweise in der Nacht alle Verbraucher ausgeschaltet sind. Eine Einspeisung von Blindströmen in das Inselnetz ist unmöglich, da eine Spannung vom Dreipunktumrichter vorgegeben werden muss.
Schließlich ist für die interne Spannungsversorgung ein zusätzliches, leistungsfähiges DC-Kleinspannungsnetzteil bereitzustellen, wobei dieses durch die hohe Wärmeentwicklung beeinträchtigt wird, und die Gesamtkosten erhöht. Dieses Netzteil setzt in der Regel die sehr hohe Zwischenkreisspannung auf eine DC-Betriebsspannung von beispielsweise 24 V herab, um die Regelungselektronik zum Betrieb der internen Leistungshalbleiter oder einen Lüfter zur Kühlung zu versorgen.
Dabei ist insbesondere für die Lüfterversorgung von luftgekühlten Umrichtern mit hoher Nennleistung eine zuverlässige und leistungsfähige DC- Betriebsspannungsversorgung notwendig, denn die Lüfter können über 100W Leistungsaufnahme haben. Derartige Lüfter für hohe Leistung werden üblicherweise mit 24 V oder 48 V betrieben. Weitere DC-Spannungsniveaus können aus der DC-Grundspannung, beispielsweise durch DC-DC-Wandler abgeleitet werden, so kann z.B. die Betriebsspannung für die Steuerelektronik mittels eines Tiefsetzstellers abgeleitet werden.
Ausgehend von dem obigen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Betriebsverfahren zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters vorzuschlagen, wodurch kostengünstig eine Versorgungsspannung der Steuerelektronik und der Kühleinrichtung bereitstellbar wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters mit Bereitstellung einer internen Spannungsversorgung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters, wobei zwischen zwei Grundpotentialschienen des DC- Zwischenkreises und zumindest einer Zwischenpotentialschiene eine Halbbrücke mit zumindest zwei elektronischen Schaltern eingeschaltet ist. Ein PWM- Schaltgenerator ist eingerichtet, die beide Schalter in einem veränderlichen Tastgrad derart zu schalten, dass ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential, der Zwischenpotentialschiene bezüglich der Potentiale der Grundpotentialschienen einstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Halbbrücke über eine Glättungsdrossel mit der Zwischenpotentialschiene verbunden ist und die Glät- tungsdrossel die Primärwicklung eines Trenntransformators zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils ist.
Der Trenntransformator weist mindestens eine Sekundärwicklung auf, wobei die Primärwicklung beispielsweise als Glättungsdrossel, d.h. Speicherdrossel mit Luftspalt mit zumindest einer aufgewickelten Hilfswicklung als Sekundärwicklung ausgeführt sein kann. Vorteilhaft kann die Hilfswicklung die eine oder mehrere, verschiedene hohe und potentialgetrennte AC-Versorgungsspannungen des Gleichspannungsnetzteils bereitstellen, wobei vorteilhaft mehrere, galvanisch getrennte Sekundärwicklungen für verschiedene AC-Spannungshöhen vorgesehen sein können. Hierdurch können mehrere potentialgetrennte AC- Ausgangsspannungen für verschiedene Anwendungen, z.B. Lüfterbetrieb, Elektronikspannungsversorgung etc. bereitgestellt werden.
Mit anderen Worten wird eine Vorrichtung zur Symmetrierung eines DC- Zwischenpotentials vorgeschlagen. In der Vorrichtung ist eine aus zumindest zwei elektronischen Schaltern, bevorzugt MOSFET- oder IGBT- Leistungsschalter, bestehende Halbbrücke am DC-Zwischenkreis angeordnet, wobei MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter als elektronische Schalter eingesetzt werden können. Es können auch mehr als zwei elektronische Schalter, beispielsweise zweimal zwei Schalter in Parallelschaltung in der Halbbrücke eingesetzt werden. Die Halbbrücke ist über eine Glättungsdrossel mit einer Zwischenpotentialschiene an einem Neutralpunkt bzw. Zwischenkreismittelpunkt verbunden, wobei am Neutralpunkt das Potential Null ist, bzw. das arithmetische Mittel der Zwischenkreispotentialdifferenz ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen PWM (Pulsweitenmodulation)-Schaltgenerator. Dadurch, dass unterschiedliche pulsweitenmodulierte Signale vom PWM-Schaltgenerator erzeugt werden können, können die beiden Schalter in einem variablen Tastgrad geschaltet werden, so dass ein gewünschtes Zwischenpotential bzw. ein symmetrisches Zwischenpotential der Zwischenpotentialschiene eingestellt wird. Vorteilhafterweise sieht der PWM-Schaltgenerator eine Totzeit vor, die ggf. variabel einstellbar ist, und in der die Schalter geöffnet sind. Dies verhindert ein Kurzschluss und trägt zumindest einer unterschiedlichen Schaltzeit der Halbleiter-Leistungstransistoren Rechnung. Vorteilhaft kann die Glättungsdrossel als Drossel mit Luftspalt zur Energiespeicherung, die auch als Speicherdrossel bezeichnet wird, ausgeführt sein. In der Glättungsdrossel fließt ein Gleichstrom der mit einem schaltfrequenten Ripplestrom überlagert ist.
Da über die Glättungsdrossel keine Gleichspannung abfallen kann, ergibt sich eine gleichmäßige Spannungsaufteilung über die in der Regel vorhandenen beiden Glättungskondensatoren, die die Zwischenpotentialschiene mit den Grundpotentialschienen verbindet. Bei einer Unsymmetrie fließt solange ein Gleichstrom über die Glättungsdrossel, bis die Symmetrie wiederhergestellt wird.
Erfindungsgemäß ist die Glättungsdrossel als Primärwicklung eines Trenntransformators ausgebildet, der zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils vorgesehen ist, um insbesondere eine interne Spannungsversorgung des Drei- oder Mehrpunktumrichters bereitzustellen, und um insbesondere einen Lüfter oder eine Klimatisierungseinrichtung zur Kühlung bzw. Klimatisierung zu betreiben. Hierzu kann der Sekundärwicklung des Trenntransformators eine Gleichrichtereinheit und ggf. Stützkondensatoren nachgeschaltet werden, um eine fixe oder variable DC-Versorgungsspannung, insbesondere eine mehrstufige DC- Versorgungsspannung zur Versorgung der Regelungselektronik des Umrichters bereitzustellen. Somit kommen der Glättungsdrossel zwei Aufgaben zu, einerseits eine induktive Ankopplung des Zwischenkreises an die aktiv betriebene Halbbrücke zur Einstellung des Zwischenpotentials, andererseits die Bildung eines Trenntransformators zur Auskopplung einer Spannungsversorgung der internen Elektronik und des Lüfters. Über die eine oder die mehreren Hilfswicklungen als Sekundärseite des Trenntransformators kann aus der Glättungsdrossel als Primärseite Energie für die Elektronik-Spannungsversorgung und für einen Lüfterbetrieb bzw. für eine Klimatisierung ausgekoppelt werden. Hierdurch kann auf den Einsatz eines zusätzlichen Transformators verzichtet werden. Durch eine verhältnismäßig kostengünstige Gleichrichterstufe mit Stützka- pazitäten lässt sich mit geringem Bauteilaufwand eine stabile und robuste Betriebsspannung erzeugen.
Es ist vorteilhaft, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine aktive Zwischenkreissymmetrierung und Betriebsspannungsbereitstellung ermöglicht wird. Damit können die Probleme bei der Symmetrierung durch Umrichter-Software- Maßnahmen vollständig vermieden werden. Daneben ist zur Speisung von Inselnetzen der Betrieb der Drei- oder Mehrpunktumrichter auf ein lastfreies Netz ohne Einschränkungen kostengünstig möglich. Symmetrierverluste bei großen Leistungen können weitgehend vermieden werden. Vorteilhafterweise kann eine hochohmige passive Symmetrierung bei Bedarf zusätzlich vorgesehen sein, um die Zeit bis zum Aufstarten der aktiven Symmetrierung zu überbrücken.
Somit ist erfindungsgemäß die Glättungsdrossel als eine Primärwicklung eines Trenntransformators ausgebildet, so dass eine variable Spannung auf einer, oder mehreren Sekundärwicklungen des Trenntransformators induziert wird. Die Sekundärspannung bzw. eine Mehrzahl von Sekundärspannungen sind zur AC-Versorgung eines Gleichspannungsnetzteils vorgesehen. Das Gleichspannungsnetzteil kann beispielsweise als Gleichrichter mit Ladekondensator, Vollbrückengleichrichter oder Spannungsverdoppler nach Greinacher ausgeführt sein, und kann bevorzugt mehrere DC-Spannungspotentiale zur Versorgung z.B. eines Lüfters mit 48V sowie der Elektronik mit 5 V oder 3,3 V zur Verfügung stellen. Über die Glättungsdrossel bzw. den Trenntransformator kann keine wesentliche Gleichspannung abfallen. Bei einer Zwischenkreis-Unsymmetrie fließt somit ein Gleichstrom durch die Drossel bzw. den Trenntransformator zum Ausgleich der Unsymmetrie. Die Symmetrierleistung wird von der Halbbrücke in den Zwischenkreis zurückgespeist, somit tritt nahezu keine Verlustleistung auf. Ein zusätzliches Netzteil kann somit eingespart werden.
Somit ist der Neutralpunkt bzw. der Zwischenkreismittelpunkt des Zwischenpotentials über die Glättungsdrossel als Primärseite eines Trenntransformators mit einem Ausgang der Halbbrücke verbunden. Über die Primärseite des Trenn- transform ators kann keine wesentliche Gleichspannung abfallen. Mittels des Trenntransformators wird eine potentialfreie und galvanisch getrennte Versorgungsspannung an zumindest einer Sekundärwicklung zur Verfügung gestellt. Weiterhin wird ermöglicht, die aktive Symmetrierung des Zwischenkreises kostengünstig und nahezu verlustfrei bereitzustellen.
In der Regel umfasst das Gleichspannungsnetzteil zumindest einen Brückengleichrichter und zur Spannungsstabilisierung dienliche Kondensatoren. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Gleichspannungsnetzteil einen Gleichspannungswandler zur geregelten Bereitstellung einer oder mehrerer DC- Spannungsniveaus umfassen, mit welchem eine niedrige oder hohe Gleichspannung an einer Ausgangsseite des Gleichspannungsnetzteils bereitzustellen ist. Nach Bedarf kann das Gleichspannungsnetzteil entweder als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet sein, wobei der Einsatz von Tiefsetzstellern bevorzugt wird. Der nachgeschaltete Tiefsetzsteller stabilisiert die potenti- algetrennte DC-Versorgungsspannung des Umrichters, insbesondere eines Lüfters zur Kühlung oder einer Klimatisierungseinrichtung. Mit dem Gleichspannungsnetzteil wird vorteilhaft erreicht, dass die auf der Sekundärseite des Trenntransformators mittels einer oder mehreren potentialgetrennten Sekundärwicklungen generierten Versorgungsspannungen stabilisiert und einem geforderten DC-Spannungspotential oder mehreren geforderten DC- Spannungspotentiale angepasst werden können. Das bzw. die DC- Spannungspotentiale sind allerdings abhängig von der Höhe der Zwischenkreisspannung, die in gewissen Grenzen schwanken kann. Zum Ausgleich schwankender Zwischenkreisspannung können DC-DC-Wandler, insbesondere Tiefsetzsteller vorteilhaft eingesetzt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Gleichspannungsnetzteil eine Spannung im Bereich 3,3 V bis 48 V DC bereitstellen, in der Regel 24 V oder 48 V, wobei geringere Spannungsniveaus aus einer höheren DC-Spannung abgeleitet werden können. Insbesondere können mehrere Spannungsniveaus, z.B. 3,3 V, 5 V, 15V und 24 V sowie 48 V, auch gegenpolige Spannungsniveaus, z.B. +/- 15V für den Betrieb eines Mikrokontrollers als Steuerspannung sowie eines Lüftergebläses bereitgestellt werden.
Weiterhin vorteilhaft kann die Sekundärseite des Trenntransformators mehrere Sekundärwicklungen umfassen, die gleiche oder unterschiedliche Überset- zungsverhältnisse zur Primärwicklung zur Bereitstellung gleich oder verschieden hoher und galvanisch getrennter AC-Ausgangsspannungen bereitgestellt sind. Somit können sekundärseitig verschiedene DC-Spannungen zur Verfügung gestellt werden, wobei aus sekundärseitigen unterschiedlichen AC- Spannungen jeweils eine zugehörige DC-Spannung abgeleitet werden kann und in einem weiteren optionalen Schritt aus einer oder mehrerer dieser DC- Spannungen jeweils eine oder mehrere zusätzliche DC-Spannungen durch DC- DC-Wandler erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Gleichspannungsnetzteil eine Greinacher-Spannungsverdopplungsschaltung umfassen. Ein Greinacher- Spannungsverdoppler umfasst angeschlossen an den Trenntransformator zwei Kondensatoren und zwei Dioden und ermöglicht mit rein passiven Bauteilen eine Verdopplung der Höhe der am Ausgang anstehenden DC-Spannung gegenüber der am Eingang anstehenden Amplitude der AC-Spannung, die sekundärseitig vom Trenntransformator abgegeben wird. Dadurch kann die Ausgangsgleichspannung unabhängig vom Tastgrad der Halbbrücke bereitgestellt werden. Eine Greinacher-Spannungsverdoppler-Gleichrichterschaltung kann der mit dem Übersetzungsverhältnis des Trenntransformators herabgesetzten Zwischenkreisspannung nachgeschaltet sein, und ermöglicht eine Verdopplung einer gleichgerichteten DC-Ausgangsspannung des Trenntransformators. Eine weitere Spannungsstabilisierung ist durch einen kostengünstigen nachgeschalteten Tiefsetzsteller vorteilhaft möglich, und kann insbesondere in den Anwendungsfällen sinnvoll sein, in denen eine Variabilität der Zwischenkreisspannung vorliegt, so dass aus der Abhängigkeit der DC-Ausgangsspannung von der Zwischenkreisspannung in diesen Fällen eine Variabilität der DC- Ausgangsspannung folgt. Somit ermöglicht ein Greinacher- Spannungsverdoppler eine kostengünstige und robuste Bereitstellung einer Versorgungsspannung im Vergleich mit einem direkt am Zwischenkreis betriebenen potentialgetrennten Hochvoltnetzteil.
Vorteilhaft kann die Zwischenpotentialschiene mit den beiden Grundpotential- schienen über Glättungskondensatoren verbunden sein. Die Glättungskondensatoren können die Welligkeit reduzieren und deren Schwankungen auf ein Niveau reduzieren, so dass die Gleichspannung mit möglichst wenig Restwelligkeit genutzt kann. Dabei kann sich ein Glättungskondensator möglichst nah an einer Gleichrichterschaltung und ein andere möglichst nah am Umrichter befinden. Da über die Glättungsdrossel keine Gleichspannung abfallen kann, ergibt sich automatisch eine gleichmäßige Spannungsaufteilung über die Glättungskondensatoren. Eine Bezugsmasse der Regelungselektronik kann vorteilhaft am Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Glättungskondensatoren definiert sein.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der PWM-Schaltgenerator eingerichtet sein, einen vordefinierbaren Tastgrad, insbesondere einen 50%- Tastgrad der beiden Schalter einzustellen. Mit anderen Worten kann die Halbbrücke mit einem fixen Tastgrad von beispielsweise 50% betrieben werden. Bei einem 50%-Tastgrad kann über den ersten und zweiten Schalter im Mittel jeweils die halbe Zwischenkreisspannung abfallen. Allerdings kann es in der Praxis durchaus üblich vorkommen und notwendig sein, dass beide Schalter kurzzeitig ausgeschaltet sind, und somit eine Totzeit im Schaltverhalten vorgesehen ist. Der Erzeugung des PWM-Signals ist die Einfügung der Totzeit nachgeschaltet, genauer gesagt eine Einschaltverzögerung für die Schalter. Diese ist für beide Schalter gleich und führt im Resultat zu einem Steuersignal für die Schalter, dessen Tastgrad geringfügig von 50 % abweicht. Die Folgen dieser geringfügigen Abweichung sind in der praktischen Anwendung jedoch vernachlässigbar und werden daher im Weiteren außer Acht gelassen. Im Folgenden wird daher zur Vereinfachung weiterhin von einem Tastgrad von 50 % ausgegangen. Bei Dreipunktumrichtern wird betriebsmäßig ein sinusförmiger Wechselstrom in den Neutralpunkt NP eingespeist. Dieser hat die dreifache Drehfrequenz des Motors bzw. die dreifache Frequenz des gespeisten Versorgungsnetzes. Dieser Strom lädt die Zwischenkreiskondensatoren geringfügig um, so dass sich am Neutralpunkt eine sinusförmige Wechselspannung einstellt, deren Amplitude klein gegenüber der Zwischenkreisspannung ist. Diese Wechselspannung würde bei mit 50-% Tastgrad betriebener Halbbrücke zu einem unnötig hohen Symmetrierstrom durch die Drossel führen und die Bauteile unnötig belasten. Daher ist ein fester Tastgrad, insbesondere ein 50-% Tastgrad nur bei kleinen Umrichterleistungen unter 10 kW sinnvoll. Daneben kann dieser Symmetrierstrom bei Dreipunktumrichtern kleiner Leistung vorteilhaft durch einen nachfolgend beschriebenen Dämpfungswiderstand auf tolerierbare Werte verkleinert werden, ohne die Symmetrierwirkung zu beeinträchtigen. Somit kann eine un- nötig hohe Strombelastung der Halbbrücke und der Glättungsdrossel vermieden werden. Ein derartiges „weiches Symmetrierverhalten“ kann bei einem festen Tastgrad, z.B. einem 50%-Tastgrad durch eine entsprechend groß ausgelegte Impedanz der Serienschaltung der Glättungsdrossel und des Dämpfungswiderstands erreicht werden. Liegt auf dem Neutralpunkt eine Wechselspannung an, so wird der resultierende parasitäre Wechselstrom durch die Glättungsdrossel so klein, dass eine Überdimensionierung der Bauteile unnötig wird, insbesondere wenn der RMS-Wert des Wechselstroms kleiner als 10% des DC-Stroms bleibt.
Da für den Umrichter in der Regel eine aus der Zwischenkreisspannung abgeleitete potentialgetrennte Versorgungsspannung benötigt wird, beispielsweise für eine Lüfter-Stromversorgung, kann durch eine Hilfswicklung auf der Glättungsdrossel sehr einfach eine potentialgetrennte Spannung auf Basis der aktiven Zwischenpotentialsymmetrierung bereitgestellt werden, was zu signifikanter Hardwareersparnis führt. Wird ein zumindest annähernd 50%-Tastgrad eingestellt, ist die Spannung an der Hilfswicklung eine Rechteckspannung, wobei der Tastgrad bei dem belasteten Umrichter aufgrund der Wechselstromeinspeisung in den Neutralpunkt lediglich geringfügig schwankt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Glättungsdrossel mit einem Dämpfungswiderstand in Reihe geschaltet sein. Bei einer Unsymmetrie kann ein Ausgleichsstrom über die Glättungsdrossel fließen und zwar so lang, bis die Symmetrie wiederhergestellt werden kann. Ist der Ausgleichsstrom nicht zu groß, kann ein ohmscher Wicklungswiderstand der Glättungsdrossel durch einen zusätzlichen Serienwiderstand vergrößert werden. Dieser Serienwiderstand kann als Dämpfungswiderstand zur Schwingungsdämpfung vorteilhaft dienen, wobei Verluste in dem Dämpfungswiderstand sehr gering sind. Durch Verbindung des Dämpfungswiderstands mit einer ausreichend großen Induktivität kann ein „weiches“ Symmetrierverhalten erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können in der Halbbrücke zwei Dämpfungswiderstände in Reihe eingeschaltet sein, wobei ihr Verbindungspunkt, d.h. der Mittelabgriff der Reihenschaltung der Dämpfungswiderstände, durch die Glättungsdrossel mit der Zwischenpotentialschiene verbunden sein kann.
Bei Umrichtern großer Leistung kann die Halbbrücke nicht mit konstant 50% Tastgrad betrieben werden, da die Verluste im Dämpfungswiderstand aufgrund der hier deutlich größeren Symmetrierströme zu groß werden könnten. Hier sollte auf einen Dämpfungswiderstand verzichtet werden, und adaptiv der Tastgrad der Halbbrücke der Wechselspannung am Neutralpunkt so nachgeführt, bzw. nachgeregelt werden, dass kein Symmetrierstrom mit dreifacher Drehfrequenz bzw. dreifacher Netzfrequenz fließen kann. Dabei können die Tastgrade von T1 und T2 unterschiedlich werden. Insbesondere können sie so eingestellt werden, dass ihre Summe unter Vernachlässigung der oben beschriebenen Totzeit eins beträgt. Vorzugsweise ist ein Shuntwiderstand zur Strommessung vorgesehen. Eine unnötig hohe Strombelastung der Halbbrücke und der Drossel kann so vermieden werden. In der Drossel fließt lediglich ein Gleichstrom, überlagert mit einem schaltfrequenten Ripplestrom. Insofern ist eine adaptive Regelung des Tastgrades vorteilhaft
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann ein Stromregler umfasst sein, der auf Basis einer Stromgröße durch die Glättungsdrossel, die beispielsweise durch Spannungsmessung am Dämpfungswiderstand oder an einem Shuntwiderstand abgegriffen werden kann, den Tastgrad einstellt. Beispielsweise kann in der Zwischenpotentialschiene eine Strom differenz eines Stroms zwischen der Schalter-Halbbrücke und der Brücke der Glättungskondensatoren durch die Glättungsdrossel bestimmt werden. Daneben kann ein Neutralpunkt- Eingangsstrom des Drei- oder Mehrpunktumrichters gemessen werden. Eine Stromdifferenz von Drosselstrom und Neutralpunkt-Eingangsstrom kann mittels des Tastgrades ausgeregelt, insbesondere zu Null geregelt werden, so dass ein parasitärer Ausgleichsstrom zwischen Schalter-Halbbrücke und Kondensator- Halbbrücke minimierbar ist, und der Drosselstrom dem Neutralpunkt- Eingangsstrom angleichbar wird. Der Stromregler kann so ausgebildet sein, dass er besonders schnell arbeitet. Der Sollwert des Stromreglers sollte vorteilhaft durch einen Grenzwert begrenzt sein, um eine Überlastung der Bauteile zu verhindern. Diese Ausführungsform kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann ein Spannungsregler umfasst sein, der auf Basis einer Spannungsdifferenz zwischen den Grundpotential- schienen und der Zwischenpotentialschiene den Tastgrad mindestens eines PWM-Signals des PWM-Schaltgenerators hinsichtlich eines gewünschten Zwischenpotentials regeln kann, wobei bevorzugt ein symmetrisches Zwischenpotential der Zwischenpotentialschiene regelbar ist. Der Spannungsregler kann derart ausgebildet sein, dass er besonders träge arbeitet. Der Spannungsregler kann so träge ausgebildet sein, dass eine sich betriebsmäßig am Neutralpunkt einstellende Wechselspannung weitgehend ignorieren wird. Bei einer Unsymmetrie fordert der Spannungsregler durch Regeln des Tastgrads mindestens eines PWM-Signals, insbesondere beider PWM-Signale des PWM- Schaltgenerators einen gemittelten Gleichstrom zwischen Halbbrücke und Zwischenkreis an, welcher nach einiger Zeit die Unsymmetrie vollständig beseitigen kann. Es ist vorteilhaft, wenn der Spannungsregler entsprechend der Spannungsdifferenz zwischen den Grundpotentialschienen und der Zwischenpotentialschiene den Tastgrad des PWM-Schaltergenerators beeinflussen kann, um das Zwischenpotential am Neutralpunkt nach Wunsch zu regeln und insbesondere eine Spannungsdifferenz der Potentialdifferenzen +ZK zu NP und NP zu -ZK zu Null zu bringen. Diese Ausführungsform kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können der Spannungsregler und der Stromregler als Kaskadenregler hintereinandergeschaltet sein, wobei insbesondere der Stromregler ein schnelleres Regelverhalten als der Spannungs- regier aufweist. Bevorzugt betrachtet der Stromregler in diesem Fall als Eingangsgröße hierzu einen Stromfluß durch die Glättungsdrossel zwischen der Schalter-Halbbrücke und einer Glättungskondensator-Halbbrücke. Bei der Kaskadenreglung handelt es sich um eine Kaskadierung mehrerer Regler, wobei die zugehörigen Regelkreise ineinander geschachtelt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kaskadenregler in Form des Spannungsreglers mit dem unterlagerten Stromregler bereitgestellt, wobei die Stellgröße des Spannungsreglers die Eingangsgröße des Stromreglers bereitstellt. Es ist vorteilhaft, dass eine Bezugsmasse eines steuernden Mikrokontrollers am Neutralpunkt angeordnet ist. Hierzu kann ein Strom-Istwert kostengünstig mit einer Shunt- Strommessung an der „Elektronikmasse“ erfolgen. Weiterhin kann eine Spannungsmessung kostengünstig mittels eines Spannungsteilers erfolgen. Der Spannungsteiler kann aus zumindest zwei passiven elektrischen Widerständen bestehen, an denen jeweils die Potentialdifferenzen zwischen +ZK (positives Zwischenkreispotential) und NP (Zwischenpotential) sowie zwischen NP (Zwischenpotential) und -ZK (negatives Zwischenkreispotential) abfällt. Bei einer Unsymmetrie fordert der überlagerte Spannungsregler vom Stromregler einen Gleichstrom an, der wiederum den Tastgrad der Halbbrücken-Leistungsschalter derart beeinflusst, so dass nach einiger Zeit die Unsymmetrie vollständig beseitigt werden kann. Ein Stromsollwert für den Stromregler kann begrenzt werden, um eine Überlastung der Bauteile zu verhindern. Des Weiteren kann eine Überstromabschaltung für den Fehlerfall vorgesehen sein. Da sowohl die Regelstrecke des Stromreglers als auch die Regelstrecke des Spannungsreglers vorteilhafter Weise integrales Verhalten aufweisen, können die beiden Regler beispielsweise als PT1 -Regler ausgebildet sein. Die beiden kaskadierten Regler und der PWM-Schaltergenerator können mittels Softwaremaßnahmen ausgebildet sein. Diese Ausführungsform kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
So können bei größeren Umrichtern mit z.B. 100 kW oder höherer Leistung vor- teilhaft ein variabler Tastgrad, insbesondere geregelt mittels der zuvor erwähnten Kaskadenregelung eingesetzt werden. Dabei kann der Tastgrad der Halbbrücke der Wechselspannung am Neutralpunkt so nachgeführt bzw. definiert werden, dass kein Symmetrierstrom mit dreifacher Drehfrequenz bzw. dreifacher Netzfrequenz fließen kann. So kann bei hoher Umrichterleistung ein weiches Symmetrierverhalten beispielsweise durch einen schnellen Stromregler und einen langsamen Spannungsregler in einer Reglerkaskade erreicht werden.
Daneben wird in einem nebengeordneten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer vorab dargestellten Vorrichtung zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials zumindest einer Zwischenpotentialschiene eines DC- Zwischenkreises in Bezug auf zwei Grundpotentialschienen für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters vorgeschlagen. Hierzu ist eine Halbbrücke mit zumindest zwei elektrischen Schaltern vorgesehen, deren Mittelabgriff über eine Glättungsdrossel und die Schalter die Zwischenpotentialschiene mit den beiden Grundpotentialschienen verbindet. Durch Einstellung eines veränderlichen Tastgrads der elektrischen Schalter wird ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential eingestellt. Über die als Primärwicklung eines Trenntransformators ausgebildete Glättungsdrossel wird eine Ausgangsspannung zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils, insbesondere für einen Lüfter- bzw. für einen Klimatisierungsbetrieb zur Kühlung bereitgestellt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Tastgrade symmetrisch eingestellt werden, insbesondere ein 50%-Tastgrad eingestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Einstellung mindestens eines Tastgrads mittels einer Spannungsreglung eines Spannungsreglers auf Basis einer Spannungsdifferenz zwischen dem Zwischenpotential und den beiden Grundpotentialen eingestellt werden. Diese Ausführungsform kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn in der vorab dargestellten Vorrichtung kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspan- nungsnetzteils gebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Einstellung mindestens eines Tastgrads mittels einer Differenzstromreglung eines Stromreglers auf Basis einer Strom differenz zwischen dem Strom durch die Glättungsdrossel, die die Halbbrücke mit einer Glättungskondensator-Halbbrücke der Zwischenpoten- tialschiene verbindet, und dem Neutralpunkt-Eingangsstrom des Drei- oder Mehrpunktumrichters, eingestellt werden. Diese kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn in der vorab dargestellten Vorrichtung kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
Ein Dreipunktwechselrichter prägt im Betrieb in den Zwischenkreismittelpunkt (Neutralpunkt NP) einen Wechselstrom mit dreifacher Netzfrequenz - bei Motoren mit dreifacher Drehfeldfrequenz - ein. Dieser Wechselstrom kann eine sinusförmige dynamische Spannungsunsymmetrie (Spannungsripple) am Neutralpunkt verursachen, weil die Zwischenkreiskondensatoren mit diesem Strom umgeladen werden.
Bei Umrichtern kleiner Leistung kann die Halbbrücke mit einem festen Tastgrad von 50% betrieben werden. Ein hier nicht zu vermeidender sinusförmiges Ausgleichsstrom in der Glättungsdrossel mit dreifacher Netzfrequenz - bei Motoren mit dreifacher Drehfeldfrequenz - wird in der Regel durch einen Dämpfungswiderstand auf eine akzeptable Amplitude begrenzt. Eine Kaskadenregelung ist nicht erforderlich.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Einstellung mindestens eines Tastgrads, durch eine Kaskadenreglung der Spannungsreglung und Stromreglung erfolgen, wobei die Stromregelung auf Basis des Drosselstroms als Eingangsgröße ein schnelleres Regelverhalten als die Spannungsregelung aufweist, und bevorzugt die Spannungsregelung und die Stromregelung ein PT1 -Regelverhalten aufweisen. Diese Ausführungsform kann auch kann auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn in der vorab dargestellten Vorrichtung kein Trenntransformator durch die Glättungsdrossel zum Betrieb des Gleichspannungsnetzteils gebildet ist.
Um die vorgenannte dynamische Spannungsunsymmetrie zu beseitigen, wäre eine sehr teure Leistungselektronik erforderlich, die einen gegenphasigen Strom gleicher Amplitude wie der vom Wechselrichter eingeprägte Strom liefern sollte. Eine dynamische Spannungsunsymmetrie von wenigen Volt ist jedoch unproblematisch, es ist nicht erforderlich sie zu beseitigen. Um sie zuzulassen kann der Tastgrad der Halbbrücke adaptiv so nachgeführt werden, dass kein sinusförmiger Ausgleichsstrom gleicher Frequenz durch die Glättungsdrossel fließen kann. Zu diesem Zweck kann der Tastgrad vorteilhaft variabel ausgeführt werden und geringfügig von 50 % abweichen. Ein adaptives Nachführen des Tastgrades kann vom Stromregler ausgeführt werden. Der Stromregler bekommt hierzu vom überlagerten langsamen Spannungsregler einen Stromsollwert der keinen Wechselanteil enthält. Der Stromregler ist so schnell im Regelverhalten, dass er den Tastgrad schnell genug nachführen kann, um den unerwünschten Wechselanteil durch die Glättungsdrossel zu unterdrücken. Somit kann in der Glättungsdrossel kein Wechselanteil mit dreifacher Netzfrequenz - bei Motoren mit dreifacher Drehfeldfrequenz - fließen. Der Spannungsregler kann die dynamische Unsymmetrie ignorieren, da er so langsam ist, dass er die dynamische Unsymmetrie nicht ausregeln kann. Dahingegen kann der Spannungsregler die statische Unsymmetrie ausregeln. Somit kann eine kostengünstige Leistungselektronik erreicht werden, die lediglich auf den gegenüber dem Wechselstrom-Anteil sehr kleinen DC-Anteil im NP-Strom auszulegen ist.
Ein vorteilhafter Anwendungsfall der Erfindung ist ein Laden und/oder Entladen einer Fahrzeugtraktionsbatterie: Dabei wird ein Fahrzeug über ein mindestens zweiadriges Kabel mit einer Ladestation verbunden, die über mindestens einen Zwischenkreis mit erfindungsgemäßer Symmetrierung und mindestens einem zwischen dem Zwischenkreis und dem mindestens zweiadrigen Kabel angeordneten DC-DC-Wandler verfügt. Das Fahrzeug enthält mindestens eine Traktionsbatterie, der es Energie für seine Fortbewegung entnehmen kann. Die La- destation kann dem Fahrzeug über das mindestens zweiadrige Kabel eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom zur Verfügung stellen zum Zweck der elektrischen Energiespeicherung in der Fahrzeugtraktionsbatterie. In einer verbesserten Ausführungsform kann die Ladestation über das mindestens zweiadrige elektrische Kabel der Traktionsbatterie elektrische Energie entnehmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die von der Ladestation aus der Traktionsbatterie entnommene Energie zumindest teilweise in ein an die Ladestation angeschlossenes elektrisches Energieversorgungsnetz eingespeist werden, somit kann die Ladestation bidirektional zum Laden- und Entladen, zur Pufferung von vorzugsweise regenerativer Energie für eine Netzunterstützung genutzt werden.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Umrichter des Stands der Technik;
Fig. 2 ein weiterer Umrichter des Stands der Technik;
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Dreipunkumrichters;
Fig. 4 eine weitere Vorrichtung zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises für den Betrieb eines Drei- punkumrichters;
Fig. 5 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 7 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 8 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 9 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
In Fig. 1 und Fig. 2 sind Umrichterschaltungen 100.1 , 100.2 dargestellt, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Umrichterschaltungen 100.1 , 100.2 können für die Versorgung eines Drehstrom-Verbrauchers L 38 in Fig. 1 und in Fig. 2 bereitgestellt sein. Zwischen zwei Grundpotentialschienen ZK+, ZK- eines DC-Zwischenkreises 12 sind ein Glättungskondensator C_ZK+ und ein Glättungskondensator C_ZK- in Reihe geschaltet, wobei an deren Mittelabgriff ein Zwischenpotentialschiene 14 zur Bereitstellung eines Neutralpunktes NP angeschlossen ist. Da die Glättungskondensatoren C_ZK+, C_ZK- unterschiedliche Leckströme aufweisen können, kann eine gleichmäßige Spannungsaufteilung nicht sichergestellt werden. Um dieses Problem zu beheben, sind Spannungsteiler-Widerstände R_ZK+, R_ZK- parallelgeschaltet, deren Größen auch nicht exakt identisch ausfallen können. Ein Dreipunkt-Umrichter 34 ist mit den Glättungskondensatoren C-ZK+, C-ZK- über die Zwischenpotentialschiene an- geschlossen. Zwischen dem Dreipunkt-Umrichter 34 und dem Drehstrom- Verbraucher L oder Drehstromnetz G oder Drehstrommotor M 38 ist ein Filter 104 zum Dämpfen von unerwünschten Oberschwingungen eingerichtet.
In Fig. 2 ist weiterhin in dem Umrichter 100.2 ein Gleichrichter 36 zwischen einem Drehstromnetz G 106 und dem Zwischenkreis 12 angeordnet.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Umrichterkonfigurationen benötigen eine separate, leistungsfähige DC-Spannungsversorgung zum Betrieb der nicht dargestellten Steuerelektronik, die Schaltimpulse zum Betrieb der Leistungshalbleiterschalter des Drei- oder Mehrpunktum richters 34 bereitstellt und zur Versorgung einer energieintensiven Kühlung mit einem Lüfter oder einer Kühleinrichtung. Die Kühlung weist regelmäßig hohe Leistungsaufnahmen von 100 W und mehr auf und benötigt eine leistungsfähige und zuverlässige Spannungsversorgung.
In Fig. 3 und Fig. 4 sind zunächst Vorrichtungen zur Zwischenkreis- Potentialsymmetrierung 10.1 , 10.2 für den Betrieb eines Drei-Punkumrichters 34 gezeigt. Der Drei-Punktumrichter 34 ist zur Bestromung eines Drehstrommotor M 38 eingerichtet. Zwischen zwei Grundpotentialschienen ZK+, ZK- des DC-Zwischenkreises 12 und der Zwischenpotentialschiene 14 ist eine Halbbrücke 16 geschaltet, wobei die Halbbrücke 16 mit zwei elektronischen Schaltern T1 , T2 vorgesehen ist. Die beiden elektronischen Schalter T1 , T2 können als Leistungstransistoren ausgebildet sein. In den Vorrichtungen 10.1 , 10.2 ist jeweils ein PWM-Schaltgenerator 18 vorgesehen, der die beiden Schalter T1 , T2 in einem veränderlichen Tastgrad derart schaltet, dass ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential, der Zwischenpotentialschiene 14 eingestellt ist. Mit dem PWM-Schaltgenerator 18 kann ein vordefinierbarer Tastgrad, bevorzugt ein 50%-Tastgrad der beiden Schalter T1 , T2 eingestellt werden. Auch kann eine anwendungsspezifische Asymmetrie durch eine Modifikation des Tastgrads statisch kompensiert werden. Zwischen dem PWM- Schaltgenerator 18 und dem elektronischen Schalter T2 ist ein Inverter Inv eingeschaltet. In der Praxis wird zumeist eine Totzeit vorgesehen, während der beide Schalter ausgeschaltet sind, um einen Kurzschluss der Brücke aufgrund einer Ausschaltverzögerung der Halbleiter zu vermeiden. Insoweit weist der Inverter zumindest eine Totzeit-Umschaltverzögerung auf.
Weiterhin ist in Fig. 3 und Fig. 4 die Zwischenpotentialschiene 14 jeweils mit den beiden Grundpotentialschienen ZK+, ZK- über Glättungskondensatoren C_ZK+, C_ZK- verbunden.
In der Fig. 3 ist die Halbbrücke 16 über eine Glättungsdrossel Lt und einen Dämpfungswiderstand Rd mit der Zwischenpotentialschiene 14 verbunden, wobei die Glättungsdrossel Lt und der Dämpfungswiderstand Rd in Reihe geschaltet sind.
In Fig. 4 sind in der Halbbrücke 16 zwei Dämpfungswiderstände Rd1 , Rd2 eingeschaltet. An einen gemeinsamen Verbindungspunkt der Dämpfungswiderstände Rd1 , Rd2 ist die Zwischenpotentialschiene 14 über die Glättungsdrossel Lt angeschlossen. In der Regel sind die beiden Dämpfungswiderstände Rd1 , Rd2 gleich groß.
In Fig. 5 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.3 für den Betrieb eines Drei- Punkumrichters 34 gezeigt. Diese entspricht im Wesentlichen der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung, wobei der Drei-Punktumrichter 34 einen Drehstrommotor M 38 versorgt. Die Glättungsdrossel Lt ist als eine Primärwicklung eines Trenntransformators 20 zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils 22 eingesetzt. In dem Gleichspannungsnetzteil 22 sind Netzteildioden D11 , D12 und Netzteildioden D21 , D22 polrichtig zwischen dem Pufferkondensators C_DC und der Sekundärseite des Trenntransformators 20 verbunden, die eine Brückengleichspannungswandlung vornehmen. . Somit kann eine stabilisierte DC Kleinspannung für den Betrieb der Steuerelektronik des Umrichters 34 bereitgestellt werden, wobei auf ein separates Hochvolt-Netzteil verzichtet werden kann. Fig. 6 stellt perspektivisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.4 für den Betrieb eines Drei-Punkumrichters 34 für die Bestromung eines Motors M 38 dar. Im Wesentlichen ist diese mit dem Aufbau des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 identisch. Allerdings unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel zum in den Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Gleichspannungsnetzteil 22 einen Gleichspannungswandler 40 umfasst. Der Gleichspannungswandler 40 kann als Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller ausgebildet sein, so dass erreicht werden kann, dass eine auf der Sekundärseite des Trenntransformators 20 generierte Versorgungsspannung stabilisiert werden kann. Somit kann die Versorgungsspannung individual an ein Spannungsniveau des Gleichspannungsnetzteils 22 angepasst werden. Insbesondere können ein oder mehrere stabilisierte Spannungsniveaus, z.B. 3,3 V, 5 V und 24 V oder 48 V zur Verfügung gestellt werden, die auch bei schwankender Eingangsspannung, und unabhängig vom Tastgrad der Schalter T1 , T2 bereitgestellt werden können.
In Fig. 7 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.5 für den Betrieb eines Drei- Punktumrichters 34 dargestellt, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 oder 6 gleicht. In dieser Ausführungsform wird eine adaptive, spannungsgeführte Regelung des Tastgrads der Halbbrücke dargestellt. Hierzu sind hinter den Glättungskondensatoren C_ZK+, C_ZK- Spannungsteiler- Widerstände R_ZK+, R_ZK- parallelgeschaltet, um eine gleichmäßige Spannungsaufteilung sicherzustellen, wenn der Umrichter und die Symmetrierung ausgeschaltet sind. Zur Messung der Spannungen der Spannungsteiler- Widerstände R_ZK+, R_ZK- sind zwei Spannungsmesser U_ZK+, U_ZK- vorgesehen, die die Spannungen zwischen den Potentialdifferenzen +ZK und NP bzw. NP und -ZK bestimmen. Die beiden Spannungsmesser U_ZK+, U_ZK- sind mit einer Differenzverstärker 30 verbunden, um eine Potentialdifferenz zwischen dem Zwischenpotential und den Grundpotentialen AU zu vergrößern und für einen Spannungsregler 28 als Differenzspannungs-Istwert bereitzustellen. Der Spannungsregler 28 kann auf Basis der Potentialdifferenz zwischen den Grundpotentialschienen ZK+, ZK- und der Zwischenpotentialschiene 14 den Tastgrad des PWM-Schaltgenerators 18 hinsichtlich eines gewünschten Zwischenpotentials regeln, so dass die Potentialdifferenz minimiert, bzw. zu Null geregelt wird. Das Gleichspannungsnetzteil 22 ist in Art eines Greinacher- Spannungsverdopplers mit zwei Dioden D1 , D2 und zwei Kondensatoren C_DC1 und C_DC2 verschaltet. Die DC-Ausgangsspannung ist aufgrund der Greinacher-Schaltungstopologie, die auch als Delon-Schaltung bezeichnet wird, gegenüber der AC-Amplitude der Sekundärseite des Trenntransformators verdoppelt, und kann somit unabhängig vom Tastgrad der Schalter eingestellt werden.
Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.6 für den Betrieb eines Drei- Punkumrichters 34. Im Wesentlichen ist diese mit dem Aufbau des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 mit einem Greinacher-Spannungsverdoppler im Gleichspannungsnetzteil 22 vergleichbar. Allerdings unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel zum in den Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des Spannungsreglers 28 und der Spannungsmesser U_ZK+, U_ZK- ein Stromregler 26 mit einer Eingangsgröße als Differenz einer Shuntwi- derstand-Spannungsmessung U_rd am Shuntwiderstand R_s1 , d.h. des Drosselstroms l_s, und einer weiteren Shuntwiderstand-Spannungsmessung U_np am Shuntwiderstand R_s2, d.h. des Neutralpunkt-Eingangsstroms l_np des Umrichters 34vorgesehen ist. Der Stromregler 26 regelt den Tastgrad auf Basis der Differenz des Ausgleichsstrom l_s zwischen Halbbrücke 16 und Brücke der Glättungskondensatoren C_zk+-C_zk- und des Neutralpunkt-Eingangsstroms l_np des Dreipunkt-Umrichters 34 in der Zwischenpotentialschiene 14. Der Shuntwiderstand Rs1 dient als Strommess-Shunt des Ausgleichsstroms l_s zur Messung von U_rd, der Shuntwiderstand Rs2 als Strommess-Shunt R_s2 des Neutralpunkt-Eingangsstroms l_np zur Messung von U_np. Der Stromregler 26 kann auf Basis des Differenzstroms Al=l_np-I_s den Tastgrad des PWM- Schaltgenerators 18 derart regeln, so dass der Drosselstrom l_s im Wesentlichen dem Neutralpunkt-Eingangsstrom l_np des Umrichters 34 am Anschlusspunkt Np entspricht.
In Fig. 9 ist eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 10.7 für den Betrieb eines Dreipunktumrichters 34 dargestellt. Im Wesentlichen ist diese eine Kombination des Aufbaus des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 und des Aufbaus des Ausführungsbeispiels nach Fig. 8 mit Greinacher-Spannungsverdoppler. In Fig. 9 sind der Spannungsregler 28 und der Stromregler 26 als Kaskadenregler hintereinan- dergeschaltet, wobei der Stromregler 26, der als erste Eingangsgröße den Strom durch die Glättungsdrossel Lt hat, vorteilhafterweise ein schnelleres Regelverhalten als der Spannungsregler 28 aufweisen kann. Die zweite Eingangsgröße des Stromreglers 26 ist mit dem Sollwert-Ausgang des Spannungsreglers 28 über einen Strom begrenzer 32 verbunden, der sicherstellen kann, dass der für die Bauteile zulässige Strom nicht überschritten wird. Mit Hilfe dieses Kaskadenreglerprinzips lässt sich für weite Anwendungsfelder einen zuverlässiger Neutralpunkt kostengünstig bereitstellen, so dass eine hohe Qualität der Ausgangsspannung des Umrichters 34 erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung zur Zwischenkreis-Potentialsymmetrierung 12 DC-Zwischenkreis
14 Zwischenpotentialschiene 16 Halbbrücke
18 PWM-Schaltgenerator mit Totzeiterzeugung
20 T renntransformator 22 Gleichspannungsnetzteil 26 Stromregler 28 Spannungsregler 30 Differenzverstärker
32 Strom begrenzer 34 Dreipunkt-Umrichter 36 Gleichrichter 38 Drehstrom-Verbraucher / Drehstromnetz / Drehstrommotor 40 Gleichspannungswandler
100 Umrichter des Stands der Technik 104 Filter 106 Drehstrom-Erzeuger / Drehstromnetz /Drehstromgenerator
ZK+ Positives Zwischenkreispotential ZK- Negatives Zwischenkreispotential Lt Glättungsdrossel
Rd, Rd1 , Rd2 Dämpfungswiderstand Rs, Rs1 , Rs2 Shuntwiderstand T1 Elektronischer Schalter, Leistungstransistor T2 Elektronischer Schalter, Leistungstransistor R_ZK+ Spannungsteiler-Widerstand +
R ZK- Spannungsteiler-Widerstand - C_ZK+ Glättungskondensator + C-ZK- Glättungskondensator - Inv Inverter D1-D22 Netzteildioden
C_DC Netzteilkondensator l_s Strom durch Glättungsdrossel l_np Neutralpunkt-Eingangsstrom in Dreipunkt-Umrichter AU Potentialdifferenz zwischen Zwischenpotential und Grundpotentialen
NP Neutralpunkt
U_ZK+ Spannungsmesser + U_ZK- Spannungsmesser - U_rd Dämpfungswiderstand-Spannungsmesser

Claims

28
Patentansprüche Vorrichtung (10) zur Symmetrierung zumindest eines Zwischenpotentials eines DC-Zwischenkreises (12) für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktumrichters (34), wobei zwischen zwei Grundpotentialschienen (ZK+, ZK-) des DC-Zwischenkreises (12) und zumindest einer Zwischenpotential- schiene (14) eine Halbbrücke (16) mit zumindest zwei elektronischen Schaltern (T1 , T2) eingeschaltet ist, und ein PWM-Schaltgenerator (18) eingerichtet ist, die beiden Schalter (T1 , T2) in einem veränderlichen Tastgrad derart zu schalten, dass ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential, der Zwischenpotential- schiene (14) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke (16) über eine Glättungsdrossel (Lt) mit der Zwischenpotentialschiene (14) verbunden ist, und die Glättungsdrossel (Lt) eine Spulenseite eines Trenntransformators (20) zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils (22) bildet, die insbesondere eine interne Spannungsversorgung des Drei- oder Mehrpunktumrichters (34), insbesondere eines Lüfters zur Kühlung, bereitstellt. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungsnetzteil (22) einen Gleichspannungswandler (40) umfasst, mit welchem eine einstellbare Gleichspannung an einer Ausgangsseite des Gleichspannungsnetzteils (22) bereitstellbar ist. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungsnetzteil (22) ein Spannungsniveau im Bereich 3,3 V bis 48 V DC bereitstellt, wobei der Trenntransformator (20) zumindest eine Sekundärwicklung, insbesondere die Sekundärseite des Trenntransformators (20) mehrere Sekundärwicklungen umfasst. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichspannungsnetzteil (22) eine Greinacher- Spannungsverdopplungsschaltung umfasst. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Schaltgenerator (18) eingerichtet ist, einen vordefinierbaren Tastgrad, insbesondere einen 50%-Tastgrad der beiden Schalter (T1 , T2) einzustellen. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsdrossel (Lt) mit einem Dämpfungswiderstand (Rd) in Reihe geschaltet ist. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halbbrücke (16) zwei Dämpfungswiderstände (Rd1 , Rd2) eingeschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt der Dämpfungswiderstände (Rd1 , Rd2) durch die Glättungsdrossel (Lt) mit der Zwi- schenpotentialschiene (14) mit der Glättungsdrossel (Lt) verbunden ist. Vorrichtung (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsregler (28) umfasst ist, der auf Basis einer Spannungsdifferenz zwischen den Grundpotentialschienen (ZK+, ZK-) und der Zwischenpotentialschiene (14) den Tastgrad mindestens eines PWM-Signals des PWM-Schaltgenerators (18) hinsichtlich eines gewünschten Zwischenpotentials regeln kann, wobei bevorzugt ein symmetrisches Zwischenpotential der Zwischenpotentialschiene (14) regelbar ist. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (28) und ein Stromregler (26) als Kaskadenregler hinter- einandergeschaltet sind, wobei insbesondere der Stromregler (26) ein schnelleres Regelverhalten als der Spannungsregler (28) aufweist. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (10) zur Symmetrierung eines Zwischenpotentials zumindest einer Zwischenpotentialschiene (14) eines DC-Zwischenkreises (12) mit zwei Grundpotentialschienen (ZK+, ZK-) für den Betrieb eines Drei- oder Mehrpunktum richters (34) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei mittels einer Halbbrücke (16) mit zumindest zwei elektrischen Schaltern (T1 , T2), die über eine Glättungsdrossel (Lt) die Zwischenpotentialschiene (14) mit den Grundpotentialschienen (ZK+, ZK-) verbindet, durch Einstellung eines veränderlichen Tastgrads der elektrischen Schalter (T1 , T2) ein gewünschtes Zwischenpotential, insbesondere ein symmetrisches Zwischenpotential eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über die als eine Spulenseite eines Trenntransformators (20) ausgebildete Glättungsdrossel (Lt) eine Versorgungsspannung zum Betrieb eines Gleichspannungsnetzteils (22), insbesondere zur Spannungsversorgung des Drei- oder Mehrpunkumrichters (34) oder zur Spannungsversorgung eines Lüfters zur Kühlung, bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastgrade symmetrisch eingestellt werden, insbesondere ein 50%-Tastgrad eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung mindestens eines Tastgrads mittels einer Spannungsregelung eines Spannungsreglers (28) auf Basis einer Spannungsdifferenz (AU) zwischen dem Zwischenpotential und den beiden Grundpotentialen eingestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung mindestens eines Tastgrads mittels einer Stromregelung eines Stromreglers (26) auf Basis eines Stroms (l_s) durch eine Glättungsdrossel (Lt), die die Halbbrücke (16) mit der Zwischenpotentialschiene (14) verbindet, eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die die Einstellung mindestens eines Tastgrads durch eine Kaskadenregelung der Spannungsregelung und Stromregelung erfolgt, wobei die Stromregelung ein schnelleres Regelverhalten als die Spannungsregelung aufweist, und bevorzugt die Spannungsregelung und die Stromregelung ein PT1- Regelverhalten aufweisen.
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