SE523457C3 - - Google Patents
Info
- Publication number
- SE523457C3 SE523457C3 SE523457DA SE523457C3 SE 523457 C3 SE523457 C3 SE 523457C3 SE 523457D A SE523457D A SE 523457DA SE 523457 C3 SE523457 C3 SE 523457C3
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- current
- voltage
- phase
- converter
- transformer
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
- H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
- H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
- H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M5/225—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode comprising two stages of AC-AC conversion, e.g. having a high frequency intermediate link
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/4807—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode having a high frequency intermediate AC stage
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Description
25 30 35 -523 457 2 o n « | .- och vice versa enligt ingressen hos bifogade självständiga förfa- randekrav. 25 30 35 -523 457 2 o n «| .- and vice versa in accordance with the preamble to the attached independent procedural requirements.
Det påpekas att ”första lindning” och ”andra lindning” skall tolkas som en primär- och en sekundärlindning hos en transformator använd för spänningstransformering, fastän det här inte indikeras vilken som är vilken.It is pointed out that "first winding" and "second winding" are to be interpreted as a primary and a secondary winding of a transformer used for voltage transformation, although this does not indicate which is which.
”Likriktarorgan” skall här och i hela avhandlingen, inkluderande bifogade krav, tolkas brett, och det kan vara vilket organ som helst med förmåga att ta upp spänning och blockera ström i åt- minstone en riktning genom det, och det måste inte vara en diod, utan det skulle exempelvis även kunna vara styrbart, såsom en tyristor (se exempelvis fig 3 i denna avhandling). Dessutom kan likriktarorganet och halvledarelementet även vara integrerade i ett enda halvledarelement eller omkopplingselement. Detta inne- bär för VSC-strömriktaren ett halvledarelement med i backrikt-t ningen ledande egenskap, såsom en MOSFET med en innebo- ende "kroppsdelsdiod"."Rectifier means" must be interpreted broadly here and throughout the dissertation, including the attached requirements, and it can be any means capable of absorbing voltage and blocking current in at least one direction through it, and it does not have to be a diode , but it could also be controllable, for example, such as a thyristor (see for example Fig. 3 in this dissertation). In addition, the rectifier means and the semiconductor element can also be integrated in a single semiconductor element or switching element. For the VSC converter, this means a semiconductor element with a conductive property in the reverse direction, such as a MOSFET with an inherent "body part diode".
En anordning av denna typ kan användas för omvandling av likspänning till växelspänning och vice versa i applikationer där det är av betydelse att uppnå en galvanisk isolering mellan likspänningssidan och växelspänningssidan. Dessutom är det möjligt att uppnå en spänning med variabel frekvens och ampli- tud på växelspänningssidan, ett dubbelriktat effektflöde och spänning- liksom strömtransformering genom en anordning av denna typ.A device of this type can be used for the conversion of direct voltage to alternating voltage and vice versa in applications where it is important to achieve a galvanic insulation between the direct voltage side and the alternating voltage side. In addition, it is possible to achieve a voltage with variable frequency and amplitude on the alternating voltage side, a bidirectional power flow and voltage-like current transformation by a device of this type.
En känd sådan anordning innefattar en transformator som drivs med frekvensen hos växelspänningssidan, vilket i allmänhet in- nebär en låg frekvens och därigenom en tung och skrymmande' transformator. Detta resulterar i en avsevärt lägre verkningsgrad hos transformatorn och därigenom hos anordningen än om transformatorn skulle ha förmåga att fungera vid högre frekven- ser. 10 15 20 25 30 35 ø « « - f» n u. f . ,. ,, .u n. u _ o: .n . , ,, _ ,, ,, __: -_ . un. n a. , uno nu >| z : ,',: :-1,:, :bfi :~:.« u. n nu: v n u u. , . , , , ,'. . , V U, ' ' 0 I En anordning av denna typ som möjliggör drivande av transfor- matorn vid högre frekvenser än växelspänningsfrekvensen är känd genom DE 2614445 och visad i bifogade fig 1. De använda hänvisningsbeteckningarna är såsom följer: likspänningsmellan- led 1, VSC-strömriktare 2, transformator 3, inrättning 4, likspän- ningssida 5 och växelspänningssida 6. lnrättningen på växel- spänningssidan hos transformatorn är här en cyklokonverter som arbetar med naturlig kommutering och omvandlar högfre- kvensväxelspänningen från VSC-strömriktaren till en växelspän- ning med den önskade frekvensen. Emellertid arbetar VSC- strömriktaren fortfarande med tvångskommutering och hårdom- koppling, vilket resulterar i jämförelsevis höga påkänningar på halvledarelementen hos strömventilerna, vilket resulterar i jämfö- relsevis stora omkopplingsförluster. Dessutom styrs strömventi- lerna hos VSC-strömriktaren genom en styrenhet 7 enligt ett för- farande som resulterar i rektangulära spänningspulser utan noll- spänningsintervall, vilket ökar övertonsinnehållet i växelspän- ningen. Förutom faktumet att effektförlusten i form av värme re- sulterar i avsevärda kostnader måste halvledarelementen hos strömventilerna antingen dimensioneras för att kunna motstå höga termiska påkänningar och därigenom bli kostsamma eller en lägre frekvens hos VSC-strömriktaren måste appliceras, vilket resulterar i en mera skrymmande transformator och en försämrad kurvform för växelspänningskurvan US-patent 4 878 163 beskriver även en anordning av denna typ, men förfarandet använt för omvandlingen inkluderar där även. nollspänningsintervall producerade av VSC-strömriktaren.One known such device comprises a transformer which is operated with the frequency of the alternating voltage side, which generally means a low frequency and thereby a heavy and bulky 'transformer'. This results in a considerably lower efficiency of the transformer and thereby of the device than if the transformer were able to operate at higher frequencies. 10 15 20 25 30 35 ø «« - f »n u. F. ,. ,, .u n. u _ o: .n. , ,, _ ,, ,, __: -_. un. n a., uno nu> | z:, ',:: -1,:,: b fi: ~ :. «u. n nu: v n u u.,. ,,,, '. . A device of this type which enables operation of the transformer at frequencies higher than the alternating voltage frequency is known from DE 2614445 and shown in the attached Fig. 1. The reference numerals used are as follows: DC voltage intermediate 1, VSC- converter 2, transformer 3, device 4, direct voltage side 5 and alternating voltage side 6. The device on the alternating voltage side of the transformer is here a cyclo-converter that works with natural commutation and converts the high-frequency alternating voltage from the VSC converter to an alternating voltage with the alternating voltage the frequency. However, the VSC converter still operates with forced commutation and hard switching, which results in comparatively high stresses on the semiconductor elements of the current valves, which results in comparatively large switching losses. In addition, the current valves of the VSC converter are controlled by a control unit 7 according to a procedure that results in rectangular voltage pulses without a zero voltage interval, which increases the harmonic content of the alternating voltage. In addition to the fact that the power loss in the form of heat results in considerable costs, the semiconductor elements of the current valves must either be dimensioned to withstand high thermal stresses and thereby become costly or a lower frequency of the VSC converter must be applied, resulting in a more bulky transformer and a degraded curve shape for the AC voltage curve U.S. Patent 4,878,163 also discloses a device of this type, but the method used for the conversion also includes there. zero voltage range produced by the VSC converter.
Det är även känt att utnyttja så kallad mjukomkoppling för redu- cerande av omkopplingsförlusterna i anordningar för omvandling av likspänning till växelspänning och vice versa, och dessa kon- cept inkorporerar allmänt tillkommande halvledarelement som inte deltager i själva effektomvandlingen. Dessa tillkommande (hjälp-) halvledarelement och den därmed förbundna styrström- kretsen utgör tillägg till kostnader och komplexitet hos sådana anordningar. Dessutom involverar de ofta en försämring av hu- 10 15 20 25 30 35 U I III . . n. . . .. .. .. ., .. ,',,__'_ u", "_ -- . . u nu o. - . av o . v - .I- | 4' ' ' ' ' ' _ ,_ ___ _ _ _ __ _. . .. . . ...... .. .. .'..!..2Z': 1,' .':s'-~~--- - - ' ' ' 'f r I o o v l p I v a :w :n ' ' . .It is also known to use so-called soft switching to reduce the switching losses in devices for converting direct voltage to alternating voltage and vice versa, and these concepts incorporate generally additional semiconductor elements which do not participate in the power conversion itself. These additional (auxiliary) semiconductor elements and the associated control circuit constitute an addition to the cost and complexity of such devices. In addition, they often involve a deterioration of the head. . n. . .. .. ..., .., ',, __'_ u "," _ -. . u nu o. -. of o. v - .I- | 4 '' '' '' _, _ ___ _ _ _ _ __ _. . ... . ...... .. ... '..! .. 2Z': 1, '.': S'- ~~ --- - - '' '' fr I oovlp I va: w: n ' '. .
' ' II to Ill o v 1 - n a . .n vudhalvledarelementen i strömventilerna antingen i form av maximal ström eller spänning.'' II to Ill o v 1 - n a. .n the main semiconductor elements in the current valves either in the form of maximum current or voltage.
SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en an- ordning av typen definierad i inledningen, vilken har förbättrade egenskaper med avseende på redan kända sådana anordningar.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a device of the type defined in the preamble, which has improved properties with respect to already known such devices.
Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom tillhandahållande av en sådan anordning, hos vilken strömventilerna hos VSC- strömriktaren var och en innefattar en snubberkondensator som är parallellkopplad med nämnda halvledarelement och likriktaror- gan, varvid nämnda inrättning innefattar en direktomriktare som har åtminstone ett fasben förbundet genom sina motsatta ändar med motsatta *ändar hos nämnda andra lindning hos transformatorn och som har åtminstone två seriekopplade strömventiler, varvid varje av dessa strömventiler har förmåga att leda ström och blockera spänning i båda riktningarna och att tändas genom gate-styrning, och varvid en mittpunkt hos direktomriktarens fasben är försedd med en fasutgång för bil- dande av en terminal för nämnda växelfasspänning mellan denna utgång och en ytterligare fasutgång hos direktomriktaren.This object is achieved according to the invention by providing such a device, in which the current valves of the VSC converter each comprise a snubber capacitor which is connected in parallel with said semiconductor element and the rectifier means, said device comprising a direct converter having at least one phase leg connected through its opposite ends with opposite * ends of said second winding of the transformer and having at least two series-connected current valves, each of these current valves being capable of conducting current and blocking voltage in both directions and being ignited by gate control, and wherein a center point of the direct converter phase legs are provided with a phase output for forming a terminal for said alternating phase voltage between this output and a further phase output of the direct drive.
Användningen av sådana snubberkondensatorer i en anordning av denna typ inkluderande en VSC-strömriktare, en transformator och en direktomriktare, resulterar i en möjlighet att uppnå mjuk- omkoppling av halvledarelementen i VSC-strömriktaren. Dessa kondensatorer kommer att användas som energilagringsmedel och urladdas och återladdas när kopplingstillståndet hos VSC- strömriktaren förändras, vilket märkbart reducerar spänningsderi- vaterna när ventilerna omkopplas och direktomriktaren som kommuterar strömmen leder till ytterligare fördelar med avseende på omkopplingsförluster och påkänningar för halvledarelementen och likriktarorganen, och de förra kan även användas vid noll- spänning och små spänningsderivater. Likriktarorganen, till ex- empel dioder, kan tändas vid små spänningsderivater och 10 15 20 25 30 35 523 457 släckas vid nollspänning och vid små strömderivater. l direktom- riktaren behövs inte någon förmåga till hård släckning, utan ven- tilerna kan mycket väl släckas vid en strömnollgenomgång likar-- tad den hos slåckningsprocessen i en konventionell tyristorom- vandlare. Följaktligen kan förlusterna reduceras i en anordning av denna typ med avseende på redan skända sådana anord- ningar och därigenom kostnader sparas. Mindre kostsamma halvledarelement kan även användas tack vare de reducerade termiska påkänningarna på dem. Grundfunktionaliteten hos en anordning av denna typ i form av spänningsomvandling med va- riabel frekvens på växelspänningssidan, dubbelriktat effektflöde, galvaniskfisolering genom en magnetisk transformator och spän- nings- och strömtransformering kan naturligtvis fortfarande upp- nås. Dessutom möjliggör denna utformning av anordningen en mängd olika styrsätt för anpassning av anordningens drift till rå- dande förhållanden. Grundprincipen hos anordningens drift är att kopplingstillståndet hos VSC-strömriktaren bestämmer tecknet på spänningen över transformatorn och kopplingstillståndet hos di-° rektomriktaren bestämmer riktningen på strömmen genom trans- formatorn. Grundläggande är det nödvändigt att kommutera VSC- strömriktaren, det vill säga ändra tecken på transformatorspän- ningen, för att kunna kommutera direktomriktaren, vilket är nöd- vändigt för att kunna kommutera VSC-strömriktaren igen och så vidare. VSC-strömriktaren måste även kom-nuteras regelbundet för att begränsa transformatorflödet, medan direktomriktaren mo- duleras för att uppnå ett växelspänningspulsmönster på nämnda terminal. ”Direktomriktare” definieras här som en omvandlare utan energilagringsmedel, såsom ett likspänningsmellanled.The use of such snubber capacitors in a device of this type including a VSC converter, a transformer and a direct converter, results in an opportunity to achieve soft switching of the semiconductor elements in the VSC converter. These capacitors will be used as energy storage means and are discharged and recharged when the switching state of the VSC converter changes, which significantly reduces the voltage derivatives when the valves are switched and the direct converter commuting the current leads to further benefits in switching losses and stresses and semiconductor elements the former can also be used for zero voltage and small voltage derivatives. The rectifier means, for example diodes, can be switched on at small voltage derivatives and switched off at zero voltage and at small current derivatives. The direct inverter does not require any ability to extinguish hard, but the valves can very well be extinguished at a current zero crossing similar to that of the extinguishing process in a conventional thyristor converter. Consequently, the losses in a device of this type can be reduced with respect to already damaged such devices and thereby save costs. Less expensive semiconductor devices can also be used due to the reduced thermal stresses on them. The basic functionality of a device of this type in the form of voltage conversion with variable frequency on the alternating voltage side, bidirectional power flow, galvanic isolation by a magnetic transformer and voltage and current transformation can of course still be achieved. In addition, this design of the device enables a number of different control methods for adapting the operation of the device to prevailing conditions. The basic principle of the operation of the device is that the switching state of the VSC converter determines the sign of the voltage across the transformer and the switching state of the direct converter determines the direction of the current through the transformer. Basically, it is necessary to commutate the VSC converter, ie change the sign of the transformer voltage, in order to be able to commutate the direct converter, which is necessary to be able to commutate the VSC converter again and so on. The VSC converter must also be commutated regularly to limit the transformer flow, while the direct converter is modulated to achieve an alternating voltage pulse pattern at said terminal. "Direct converter" is defined here as a converter without energy storage means, such as an DC intermediate.
Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen uppvisar VSC-strömriktaren två nämnda fasben och nämnda utgångar för- bundna med ändarna hos den första transformatorlindningen är bildad av en mittpunkt mellan strömventilerna hos var sitt fasben, ' och enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen har VSC-strömriktaren ett nämnt fasben, en av nämnda utgångar förbunden med ändarna hos den första transformatorlindningen är bildad av en mittpunkt mellan strömventilerna och nämnda 10 15 20 25 30 35 » 523 457 6 | . | | en fasben, och utgången förbunden med den motsatta änden av den första transformatorlindningen är bildad av en mittpunkt hos likspänningsmellanledet, vilken är separerad från både den posi- tiva och den negativa polen genom åtminstone en kondensator.According to a preferred embodiment of the invention, the VSC converter has two said phase legs and said outputs connected to the ends of the first transformer winding are formed by a center point between the current valves of each phase leg, and according to another preferred embodiment of the invention the VSC converter has said phase leg, one of said outputs connected to the ends of the first transformer winding is formed by a center point between the flow valves and said 10 15 20 25 30 35 »523 457 6 | . | | a phase leg, and the output connected to the opposite end of the first transformer winding is formed by a midpoint of the DC intermediate, which is separated from both the positive and the negative pole by at least one capacitor.
Utföringsformen med en VSC-strömriktare med två fasben har fördelen att göra det möjligt att uppnå ett nollspänningsintervall över den första transformatorlindningen. Utföringsformen med' endast ett fasben har emellertid fördelen av ett lägre antal kom- ponenter med avseende på utförandet med två fasben.The embodiment with a VSC converter with two phase legs has the advantage of making it possible to achieve a zero voltage range over the first transformer winding. However, the embodiment with only one phase leg has the advantage of a lower number of components with respect to the design with two phase legs.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen har di- rektomriktaren endast en nämnd terminal för växelfasspänningen.According to another preferred embodiment of the invention, the direct drive has only one said terminal for the alternating phase voltage.
Detta fall av en enfasväxelspänning på omfiktarens växelspän- ningssida kommer att avhandlas speciellt i denna avhandling.This case of a single-phase alternating voltage on the alternating voltage side of the converter will be dealt with separately in this dissertation.
Enligt föredragna'utföringsformer av uppfinningen har direktom- riktaren i enfasfallet antingen två nämnda fasben och de två, nämnda terminal bildande fasutgångarna är bildade av en mitt- punkt mellan strömventilerna hos var sitt fasben, eller ett fasben, varvid en av nämnda fasutgångar är bildad av en mittpunkt mel- lan strömventilerna hos fasbenet och den andra fasutgången är_ bildad av en mellan nämnda motsatta ändar hos den andra transformatorlindningen belägen mittpunkt.According to preferred embodiments of the invention, in the single-phase case the inverter has either two said phase legs and the two, said terminal forming phase outputs are formed by a center point between the flow valves of each phase leg, or a phase leg, one of said phase outputs being formed by a center point between the current valves of the phase leg and the second phase output is formed by a center point located between said opposite ends of the second transformer winding.
Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, som redan har indikerats ovan, innefattar ventilerna hos direktomriktaren ett halvledarelement anordnat att släckas och därigenom släcka ventilen genom nollgenomgång av strömmen igenom halvledar- elementen, vilket resulterar i mjukomkopplingsegenskaper.According to a preferred embodiment of the invention, which has already been indicated above, the valves of the direct converter comprise a semiconductor element arranged to be extinguished and thereby extinguish the valve by zero passage of the current through the semiconductor elements, which results in soft switching properties.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen base- ras likriktarorganen hos ventilerna hos direktomriktaren på ett material med ett brett energigap mellan valensbandet och led- ningsbandet, det vill säga ett bandgap som överskrider 2 eV, och är företrädesvis av kiselkarbid. Speciellt när omkopplingsanord- ningarna släcker vid strömnollgenomgång kan efterledningen hos_ dioderna förorsaka överspänningar över ventilerna och ökade 10 15 20 25 30 35 ' 0 o nu c o en o. .n u : .:".'. : _--__¿._;¿ . .. . _ ,, ,.. I . I ..ÉHI'..__| :- no n o.- mn .en a: u o v oo n [fo s' r n. z z : I: u c v u . , u n» un cv n o v p 1 a v u « o n omkopplingsförluster om traditionella kiseldioder används. Detta problem löses emellertid genom användande av dioder av ett så- dant material, speciellt av kiselkarbid, vilket uppvisar ett i det närmaste idealt beteende vad avser efterledning.According to another preferred embodiment of the invention, the rectifier means of the valves of the direct drive are based on a material with a wide energy gap between the valence band and the conduction band, i.e. a band gap exceeding 2 eV, and is preferably of silicon carbide. Especially when the switching devices turn off during a zero-current crossing, the conduction of the diodes can cause overvoltages across the valves and increased 10 15 20 25 30 35 '0 o nu co en o. ¿. ... _ ,,, .. I. I ..ÉHI '..__ |: - no n o.- mn .en a: uov oo n [fo s' r n. Zz: I: ucvu. However, this problem is solved by the use of diodes of such a material, especially of silicon carbide, which exhibit an almost ideal behavior in terms of conduction.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är. nämnda styrenhet anordnad att styra halvledarelementen hos VSC-strömriktaren för förändrande av kopplingstillståndet hos denna strömriktare genom förändrande av förbindningen av åt- minstone en av nämnda utgångar hos den från en pol hos likspänningsmellanledet till den andra under laddande och urlad- dande av nämnda snubberkondensatorer för minskande av spän- ningsderivaterna under släckning av ett halvledarelement. l en utföringsform, hos vilken VSC-strömriktaren har två nämnda fas- ben, är styrenheten anordnad att kommutera ett fasben hos VSC- strömriktaren åt g-ången utifrån ett tillstånd i vilket de båda mitt- punkterna är förbundna med olika poler hos likspänningsmellan- ledet för uppnående av ett mellantillstånd i vilket nämnda mitt- punkter är förbundna med samma pol för applicerande av en nollspänning på den första lindningen hos transformatorn. Följ- aktligen gör detta sätt att förändra kopplingstillståndet hos VSC-~ strömriktaren det möjligt att uppnå nollspänningsintervall även vid nämnda växelfasspänningsterminal_ Dessutom är enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen styrenheten an- ordnad att variera ordningen med vilken fasbenen hos VSC- strömriktaren kommuteras, vilket resulterar i en möjlighet att för- dela förlusterna i dioderna och halvledaromkopplarna lika över flera omkopplingscykler.According to another preferred embodiment of the invention is. said control unit arranged to control the semiconductor elements of the VSC converter for changing the switching state of this converter by changing the connection of at least one of said outputs of it from one pole of the DC intermediate to the other during charging and discharging of said snubber capacitors. of the voltage derivatives during quenching of a semiconductor element. In an embodiment in which the VSC converter has two said phase legs, the control unit is arranged to commutate a phase leg of the VSC converter to the g-terminal from a state in which the two midpoints are connected to different poles of the DC intermediate link. to achieve an intermediate state in which said midpoints are connected to the same pole for applying a zero voltage to the first winding of the transformer. Accordingly, this way of changing the switching state of the VSC converter makes it possible to achieve zero voltage intervals even at said AC phase terminal. in an opportunity to distribute the losses in the diodes and semiconductor switches evenly over several switching cycles.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är styrenheten anordnad att styra halvledarelementen hos ström- ventilerna hos VSC-strömriktaren för kommuterande av båda fas- benen samtidigt utifrån tillståndet i vilket de båda mittpunkterna är förbundna med skiljaktiga poler hos likspänningsmellanledet genom var sitt ledande halvledarelement genom släckande av dessa halvledarelement hos båda ventilerna. Detta styrsätt har' 10 15 20 25 30 35 I ooo o . ,. .o :of o o o: oo oo u .».... .. . .,..,,f. -H -.-.. ..- no u; oo o I o ' "' "~ o soc u o o ß o o oo o o , ': z f”. 'z : V” n vn o o o v o o» nu o o o co nu oo o. on o o . 8 fördelen att vara något enklare än styrsättet för kommuterande av ett fasben åt gången.According to another preferred embodiment of the invention, the control unit is arranged to control the semiconductor elements of the current valves of the VSC converter for commutating both phase legs simultaneously based on the state in which the two midpoints are connected to different poles of the DC intermediate through each conductive semiconductor element. of these semiconductor elements in both valves. This control method has' 10 15 20 25 30 35 I ooo o. ,. .o: of o o o: oo oo u. ».... ... ., .. ,, f. -H -.- .. ..- no u; oo o I o '"'" ~ o soc u o o ß o o oo o o, ': z f ”. 'z: V ”n vn o o o v o o» nu o o o co nu oo o. on o o. 8 has the advantage of being slightly simpler than the control method for commutating one phase leg at a time.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är styrenheten anordnad att kommutera ett eller flera fasben hos direktomriktaren när effektflödet i anordningen är riktat från växelspänningssidan till Iikspänningssidan, det vill säga från di- rektomriktaren till VSC-strömriktaren, genom att styra strömven-h tilerna hos det fasbenet eller de fasbenen för förändrande av för- bindningen av dess utgång från en ände av nämnda andra transformatorlindning till den andra för förändrande av riktningen av strömmen igenom nämnda andra transformatorlindning, vilket möjliggör en förändring av kopplingstillståndet hos VSC-ström- riktaren. Alla fasbenen hos direktomriktaren måste kommuteras på detta sätt för förändrande av riktningen hos transformator- strömmen. Ett önskat spänningspulsbreddsmoduleringsmönster kan uppnås på växelfasspänningsterminalen genom en sådan styrning.According to another preferred embodiment of the invention, the control unit is arranged to commutate one or more phase legs of the inverter when the power flow in the device is directed from the AC side to the DC side, i.e. from the inverter to the VSC inverter, by controlling the current valves of the direct converter. the phase leg or the phase legs for changing the connection of its output from one end of said second transformer winding to the other for changing the direction of the current through said second transformer winding, which enables a change of the switching state of the VSC converter. All phase legs of the direct drive must be commuted in this way to change the direction of the transformer current. A desired voltage pulse width modulation pattern can be achieved at the AC phase terminal by such control.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken utgör en vidareutveckling av den just nämnda utföringsformen är denna styrenhet anordnad att utifrån ett tillstånd i vilket utgången hos ett fasben hos direktomriktaren är förbunden med en första ände hos den andra transformatorlindningen genom en ledande första strömventil med ett effektflöde från nämnda terminal in till fasbenet, tända den andra, andra strömventilen hos det fasbenet för kortslutning av fasbenet för öppnande av en strömväg igenom lindningen hos transformatorn i riktningen av spänningen över transformatorn, så att den andra strömventilen gradvis tar över strömmen genom transformatorn och den första strömventilen sedan kan släckas vid nollströms- och nollspänningsförhållan- den. Denna styrningsprocedur resulterar i låga omkopplingsför- luster, och nämnda första strömventil släcks såsom redan nämnts företrädesvis naturligt genom nollgenomgång av strömmen ge- nom den. 10 15 20 25 30 35 o v nu o ' '°' ' U n o p q o a' ,"_ vu .u u I I o un. , , , _ , , . I v a a »v n n f . t. no n; nu ' ' ' ' "" " fi ' Ü Û I OI I I I Oil Û - . u . . . 1 . I .According to another preferred embodiment of the invention, which constitutes a further development of the just mentioned embodiment, this control unit is arranged that from a state in which the output of a phase leg of the direct drive is connected to a first end of the second transformer winding by a conductive first current valve with a power flow from said terminal into the phase leg, lighting the second, second current valve of that phase leg for shorting the phase leg to open a current path through the winding of the transformer in the direction of the voltage across the transformer, so that the second current valve gradually takes over the current through the transformer and the the first current valve can then be switched off at zero current and zero voltage conditions. This control procedure results in low switching losses, and said first flow valve is extinguished, as already mentioned, preferably naturally by zero passage of the flow through it. 10 15 20 25 30 35 ov nu o '' ° '' U nopqoa ', "_ vu .uu II o un.,,, _,,. I vaa» vnnf. T. No n; nu' '' '" "" fi 'Ü Û I OI III Oil Û -. u. . . 1. I.
' ' I fl ou nn nu s., , ' v u 1 = ~ i n o.'' I fl ou nn nu s.,, 'V u 1 = ~ i n o.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är styrenheten anordnad att styra strömventilerna hos direktomrikta- ren för att kortsluta dessa båda fasutgångar, det vill säga för- binda dem med samma ände eller ändar hos den andra transfor- matorlindningen, och låta dem kvarvara i detta tillstånd för bil- dande av ett nollspänningsintervall vid terminalen för växel- fasspänningen. Detta utgör ett ytterligare alternativ för uppnå-_ ende av ett nollspänningsintervall vid nämnda terminal när så önskas.According to another preferred embodiment of the invention, the control unit is arranged to control the current valves of the inverter to short-circuit these two phase outputs, i.e. to connect them to the same end or ends of the second transformer winding, and to leave them in this state. for the formation of a zero voltage interval at the terminal for the alternating phase voltage. This constitutes a further alternative for achieving a zero voltage interval at said terminal when desired.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda styrenhet anordnad att styra de ledande strömventilerna hos fasbenen hos VSC-strömriktaren att släcka för kommute- rande av utgången av dessa fasben och sanftidigt, utifrån ett till- stånd i vilket utgången hos ett fasben hos direktomriktaren är förbunden med en första ände hos den andra transformatorlind- ningen genom en ledande första strömventil, styra den andra, andra strömventilen hos det fasbenet att tändas för kortslutning av den andra transformatorlindningen genom det fasbenet för öppnande av en strömväg igenom den lindningen hos transfor- matorn i riktningen av spänningen över transformatorn för att bilda en resonanskrets genom kapacitansen hos snubberkonden-. satorerna hos VSC-strömriktaren och läckinduktansen hos transformatorn, vilket gör att strömmen igenom den fösta trans- formatorlindningen ökar för assisterande av kommuteringen av nämnda fasben hos VSC-strömriktaren genom laddande och ur- laddande av snubberkondensatorerna. Denna utföringsform tar hand om ett problem som kan vara allvarligt under vissa förhål- landen, nämligen när strömmen på växelspànningssidan hos an- ordningen är låg, eftersom det kan då vara omöjligt att kommu- tera VSC-strömriktaren på normalt sätt. Strömmen igenom transformatorn kan då vara otillräcklig för återuppladdning av snubberkondensatorerna oberoende av kopplingstillståndet hos direktomriktaren. Återladdningen av snubberkondensatorerna kan ta för lång tid eller i extremfallet inte uppträda alls. Genom bil- dande av resonanskretsen på detta sätt initieras en reso- nansprocess som styrs av snubberkapacitanserna och läckin-- 10 15 20 25 30 35 v 0 u. o . n n n " :u . . .u u .. , , . 2:: 31.: z-v - » ..-'...,$2','; If: z z :- u u' . 3 . . . . t.. . i. . - 45 å" ;*', 'n- : z f .I .'¿...»“ ', i) ;,;_~ v: z n.. . - - . u u Å.. '..' u' '_;'. I n nu n u' . . . 10 duktansen. Genom denna process återuppladdas snubberkapa- citanserna så att potentialen hos fasutgångzarna hos VSC-ström- riktarens fasben svänger till den motsatta polen hos likspän- ningsmellanledet. Detta innebär även att transformatorspän- ningen ändrar riktning.According to another preferred embodiment of the invention, said control unit is arranged to control the conductive current valves of the phase legs of the VSC converter to switch off for commutating the output of these phase legs and smoothly, based on a state in which the output of a phase leg of the direct converter is connected to a first end of the second transformer winding by a conductive first current valve, directing the second, second current valve of the phase leg to be ignited for shorting the second transformer winding through that phase leg for opening a current path through that winding of the transformer in the direction of the voltage across the transformer to form a resonant circuit through the capacitance of the snubber capacitor. the capacitors of the VSC converter and the leakage inductance of the transformer, which causes the current through the first transformer winding to increase to assist in the commutation of said phase leg of the VSC converter by charging and discharging the snubber capacitors. This embodiment addresses a problem that can be serious under certain conditions, namely when the current on the AC side of the device is low, as it may then be impossible to communicate the VSC converter in the normal way. The current through the transformer may then be insufficient for recharging the snubber capacitors regardless of the switching state of the direct drive. The recharging of the snubber capacitors may take too long or in the extreme case not occur at all. By forming the resonant circuit in this way, a resonant process is initiated which is controlled by the snubber capacitances and the leakage-- 10 15 20 25 30 35 v 0 u. O. nnn ": u.. .uu ..,,. 2 :: 31 .: zv -» ..-'..., $ 2 ','; If: zz: - uu '. 3.... t. .. i.. - 45 å "; * ',' n-: zf .I .'¿ ...» “', i);,; _ ~ v: z n ... - -. u u Å .. '..' u '' _; '. I n nu n u '. . . 10 ductance. Through this process, the snubber capacitances are recharged so that the potential of the phase outputs of the phase legs of the VSC converter pivots to the opposite pole of the DC intermediate. This also means that the transformer voltage changes direction.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anordningen en tillkommande induktor, som är seriekopp- lad med nämnda första transformatorlindnlng, för att öka induk- tansen hos resonanskretsen. Detta innebär att den tid som krävs_ för att förändra kopplingstillståndet hos VSC-strömriktaren kan förlängas.According to another preferred embodiment of the invention, the device comprises an additional inductor, which is connected in series with said first transformer winding, in order to increase the inductance of the resonant circuit. This means that the time required to change the switching state of the VSC converter can be extended.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är styrenheten anordnad att a) styra halvledarelementen hos VSC- strömriktaren för förändrande av kopplingstillståndet hos denna strömriktare genom förändrande av förbindn ngen av åtminstone en av nämnda utgångar hos den från en pol hos likspännings- mellanledet till den andra för förändrande av tecknet hos spän- ningen över nämnda första transformatorlindning och b) kommu- tera fasbenet eller fasbenen hos direktomriktaren för förändrande av den ände hos den andra transformatorlindnlngen med vilken respektive fasutgâng är förbunden i en sådan sekvens och med sådana fördröjningar att önskade spänningspulser uppnås på nämnda terminal och göra detta tills strömmen igenom den andra. transformatorlindnlngen har ändrat riktning, och sedan börja om på nytt med styrande av VSC-strömriktaren att förändra kopp- lingstillstånd igen. Detta är en föredragen generisk kommute- ringsstrategi att användas, vid vilken det antages att effekten ini- tiellt flyter från likspänningssidan till växelspänningssidan, och i det motsatta fallet startas det med steg b) följt av steg a) och se- dan med steg b) igen.According to another preferred embodiment of the invention, the control unit is arranged to a) control the semiconductor elements of the VSC converter for changing the switching state of this converter by changing the connection of at least one of said outputs of it from one pole of the DC link to the other for changing the sign of the voltage across said first transformer winding and b) commutating the phase leg or phase legs of the direct drive to change the end of the second transformer winding to which the respective phase output is connected in such a sequence and with such delays that desired voltage pulses are achieved on said terminal and do so until the current through the other. the transformer winding has changed direction, and then start again with the control of the VSC converter to change the switching state again. This is a preferred generic commutation strategy to use, assuming that the power initially flows from the DC side to the AC side, and in the opposite case it is started with step b) followed by step a) and then with step b) again.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är styrenheten anordnad att styra halvledarelementen hos VSC- strömriktaren för förändrande av dennas kopplingstillstånd och starta kommutering av ett eller flera fasben hos direktomriktaren 10 15 20 25 30 35 523 457 11 genom styrande av en strömventil hos det (de) fasbenet (fasbe- nen) innan förändringen av kopplingstillståndet hos VSC-ström- riktaren har fullbordats, när det är ett önskemål att ha ett effekt- flöde igenom anordningen från likspänningssidan till växelspän- ningssidan, det vill säga att ha samma polaritet hos spännings- pulserna på nämnda terminal hos växelspänningssidan som strömmen där. Genom användande av en sådan sammanflätad kommutering av de båda omriktarna kan ett intervall hos varje omkopplingscykel under vilket effektflödet kommer att vara av motsatt riktning mot den önskade riktningen reduceras och den totala kommuteringshastigheten kan ökas. Anordningen uppvisar då företrädesvis medel för detekterande av spänningen över den första transformatorlindningen, och styrenheten är anordnad att starta kommuteringen av direktomriktaren baserat på informatio- ner från spänningsdetekteringsmedlet när, som en följd av att förändringen av kopplingstillståndet hos VSC-strömriktaren har begynt, spänningen över den första transformatorlindningen har ändrat tecken och överskrider ett förutbestämt tröskelspännings- värde. Det tillförsäkras därigenom att en fullständig kommutering g av båda omriktarna äger rum, eftersom det är för detta nödvän- digt att polariteten hos transformatorspänningen omkastas och har nått en viss storlek innan kommuteringen av direktomriktaren initieras.According to another preferred embodiment of the invention, the control unit is arranged to control the semiconductor elements of the VSC converter to change its switching state and to start commutation of one or more phase legs of the direct converter 10 by controlling a current valve of the ) the phase leg (phase legs) before the change of the switching state of the VSC converter has been completed, when it is desired to have a power flow through the device from the DC voltage side to the AC voltage side, i.e. to have the same polarity of the voltage the pulses at said terminal of the AC side as the current there. By using such an intertwined commutation of the two inverters, an interval of each switching cycle during which the power flow will be of opposite direction to the desired direction can be reduced and the total commutation speed can be increased. The device then preferably has means for detecting the voltage across the first transformer winding, and the control unit is arranged to start the commutation of the direct converter based on information from the voltage detecting means when, as a result of the change of the switching state of the VSC converter, the first transformer winding has changed character and exceeds a predetermined threshold voltage value. This ensures that a complete commutation g of both inverters takes place, since for this it is necessary for the polarity of the transformer voltage to be reversed and to have reached a certain magnitude before the commutation of the direct inverter is initiated.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken även avser sammanflätad kommutering, är styrenheten anordnad att kommutera alla fasben hos direktomriktaren genom styrning av strömventilerna hos fasbenen och begynna styrningen av halvledarelementen hos VSC-strömriktaren för förändrande av dennas kopplingstillstånd innan kommuteringen av alla fasbenen hos direktomriktaren har fullbordats, när det finns ett önskemål att ha ett effektflöde igenom anordningen från växelspännings- sidan till likspänningssidan, det vill säga ha en polaritet hos spänningspulserna på nämnda terminal hos växelspännings-. sidan, vilken är motsatt polariteten hos strömmen där. När ett effektflöde i den riktningen önskas är det även föredraget att förse anordningen med medel för detektering av strömmen ige- 10 15 20 25 30 35 -523 457 12 f.. o-w-.a . . - , .- nom den andra transformatorlindningen, och styrenheten är an- ordnad att begynna styrningen av VSC-strömriktaren för föränd- ring av dennas kopplingstillstånd baserat på informationer från strömdetekteringsmedlet när, som en följd av den begynnande kommuteringen av fasbenet eller fasbenen hos direktomriktaren, strömmen igenom den andra transformatorlindningen har ändrat riktning och överskrider ett förutbestämt tröskelströmsvärde. En fullständig kommutering av båda omriktarna tillförsäkras när rikt- ningen hos transformatorströmmen har omkastats och nått en viss storlek innan kommuteringen av VSC-strömriktaren initieras.According to another preferred embodiment of the invention, which also relates to interlaced commutation, the control unit is arranged to commutate all phase legs of the inverter by controlling the current valves of the phase legs and starting the control of the semiconductor elements of the VSC converter to change its switching state has been completed, when there is a desire to have a power flow through the device from the alternating voltage side to the direct voltage side, i.e. having a polarity of the voltage pulses at said terminal of the alternating voltage side. side, which is opposite to the polarity of the current there. When a power flow in that direction is desired, it is also preferred to provide the device with means for detecting the current as well. . through the second transformer winding, and the control unit is arranged to start controlling the VSC converter for changing its switching state based on information from the current detecting means when, as a result of the incipient commutation of the phase leg or phase legs of the direct converter, the current through the second transformer winding has changed direction and exceeds a predetermined threshold current value. A complete commutation of both inverters is ensured when the direction of the transformer current has been reversed and reached a certain size before the commutation of the VSC converter is initiated.
Uppfinningen avser även ett förfarande för omvandling av likspänning till växelspänning och vice versa enligt det obero- ende förfarandekravet. Fördelarna med ett sådant förfarande och förfarandena enligt de föredragna utföringsformerna av uppfin- ningen definierade i de beroende förfarandekraven framträder med all önskvärd tydlighet från diskussionen ovan av anord- ningen enligt de föredragna utföringsformerna av uppfinningen.The invention also relates to a method for converting direct voltage to alternating voltage and vice versa according to the independent method requirement. The advantages of such a method and the methods according to the preferred embodiments of the invention defined in the dependent method claims emerge with all the desired clarity from the above discussion of the device according to the preferred embodiments of the invention.
Uppfinningen avser även en datorprogramprodukt och ett dator- läsbart medium enligt motsvarande bifogade krav. Det förstås enkelt att förfarandet enligt uppfinningen definierat i bifogade nämnda förfarandekrav är väl lämpat att utföras genom pro- graminstruktioner från en processor anordnad att påverkas av ett med programstegen ifråga försett datorprogram.The invention also relates to a computer program product and a computer-readable medium according to the corresponding appended claims. It is easily understood that the method according to the invention defined in the appended said method claims is well suited to be performed by program instructions from a processor arranged to be influenced by a computer program provided with the program steps in question.
Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framträder av följande beskrivning och andra beroende krav.Additional advantages and advantageous features of the invention appear from the following description and other dependent claims.
KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Med hänvisning till bifogade ritningar följer nedan en specifik be- skrivning av såsom exempel anförda föredragna utföringsformer av uppfinningen. På ritningarna: 10 15 20 25 30 35 I | : | u 'ß av; n . " "' ' - n -ç , ,, a. . H w u fr.. 1. . . u n , :nu ... :!':::;?;c;;;~-,. l....*ä";- g »Il II 1 f 3 | ..- iff fig: }:.;|: n $^<2.", :|'I » . l I ,, _. _" : :ruv 13 fig 1 är ett kopplingsschema som schematiskt illustrerar en an- ordning enligt tidigare känd teknik, fig 2 är ett kopplingsschema som illustrerar enlanordning enligt en fösta föredragen utföringsform av uppfinningen, fig 3 illustrerar schematiskt olika val av utformning av en ventil hos direktomriktaren i en anordning enligt uppfinningen, fig 4 är ett kopplingsschema av en anordning enligt en andra fö-- redragen utföringsform av uppfinningen, fig 5 är ett kopplingsschema som illustrerar en del av en anord- ning enligt en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen, fig 6a-d är kopplingsscheman hos växelspältningssidan hos an- ordningen enligt fig 2 eller 4 i olika tillstånd under en procedur för kommutering av de båda fasbenen samtidigt, fig 7a-f är vyer som motsvarar de i fig 6a-d för en procedur av kommutering av ett fasben åt gången, fig 8a-c är förenklade kopplingsscheman av ett fasben hos di- rektomriktaren hos en anordning enligt uppfinningen i olika till- stånd under en procedur för kommutering av detta fasben, fig 9a-f är kopplingsscheman hos en anordning enligt uppfin- ningen med en VSC-strömriktare med ett fasben i olika tillstånd under en procedur för resonantassisterad kommutering av VSC- strömriktaren, fig 10 är ett diagram som illustrerar spänningar och strömmar över tiden för proceduren enligt fig 9a-f, fig 11a-f är kopplingsscheman av en anordning enligt uppfinn- ingen i olika tillstånd under en procedur för resonantassisterad 10 15 20 25 30 35 2523 457 14 kommutering av dess VSC-strömriktare, varvid de båda fasbenen hos VSC-strömriktaren kommuteras samtidigt, fig 12 är ett diagram som illustrerar spänningar och strömmar över tiden för proceduren enligt fig 11a-f, fig 13a-h är kopplingsscheman av en anordning enligt uppfin- ningen i olika tillstånd under en procedur för resonantassisterad' kommutering av dess VSC-strömriktare, varvid dennas båda fas- ben kommuteras ett åt gången, fig 14 är ett diagram som illustrerar spänningar och strömmar över tiden för proceduren enligt fig 13a-h, fig 15 är en schematisk vy av ett möjligt pulsbreddsmodulerings- mönster för växelfasspänningen hos en anordning enligt uppfin- ningen, fig 16a-i är kopplingsscheman av en anordning enligt uppfin- ningen i olika tillstånd under en procedur av sammanflätad kom- mutering av dess båda omriktare när det finns ett önskemål att ha effekten flödande från likspänningssidan till växelspännings- sidan, fig 17 är ett diagram som motsvarar fig 10 för proceduren illustre- rad i fig 16a-i. fig 18a-i är kopplingsscheman av en anordning enligt uppfin- ningen i olika tillstånd hos en procedur för resonantassisterad kommutering av dess VSC-strömriktare när det finns ett önske- mål att ha effekten flödande från växelspänningssidan till likspänningssidan, och fig 19 är ett diagram som motsvarar fig 10 för proceduren illustre- rad i fig 18a-i. 10 15 20 25 30 35 525 457 15 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN Fig 2 illustrerar en anordning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen med en VSC-strömriktare 8 med ett likspän-- ningsmellanled 9 med en positiv 10 och en negativ 11 pol och två fasben 12, 13 (1 respektive 2 i följande formler) som inbördes förbinder de båda polerna och uppvisar två seriekopplade ström- ventiler 14-17. Varje strömventil har ett släckbart halvledarele- ment 18, såsom en IGBT, och ett likriktarorgan 42, såsom en lik- riktande diod, kopplat antiparallellt därmed. En snubberkonden- sator 33-36 är parailellkopplad med varje nämnt halvledarele- ment 18 och diod 42. En transformator 19 är med två motsatta ändar av en första lindning 20 förbunden med var sin utgång 21, 22 hos VSC-strömriktaren och med en andra lindning 23 (vilken har en förbindelse 70 med dess mittpunkt för jordningsändamål) hos denna med de motsatta ändarna förbundna med de motsatta ändarna hos två fasben 24, 25 (1 respektive 2 i följande formler) hos en direktomriktare 26. Fasbenen hos direktomriktaren har vart och ett två seriekopplade strömventiler, vilka var och en har." åtminstone ett halvledarelement och ett därmed antiparallellt kopplat likriktarorgan, vilka gör den kapabel att leda ström och blockera spänning i båda riktningarna och gör det möjligt att styra ventilen att tända. En mittpunkt 27, 28 hos varje fasben hos direktomriktaren är försedd med en fasutgång för bildande av en terminal 29 för en växelfasspännlng mellan dessa fasutgångar.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS With reference to the accompanying drawings, the following is a specific description of exemplary preferred embodiments of the invention. In the drawings: 10 15 20 25 30 35 I | : | u 'ß av; n. "" '' - n -ç, ,, a. H w u fr .. 1.. . u n,: nu ...:! ':::;?; c ;;; ~ - ,. l .... * ä "; - g» Il II 1 f 3 | ..- iff fi g:}:.; |: n $ ^ <2. ",: | 'I». l I ,, _. Fig. 1 is a wiring diagram schematically illustrating a device according to the prior art, Fig. 2 is a wiring diagram illustrating a single device according to a first preferred embodiment of the invention, Fig. 3 schematically illustrates different choices of design of a valve of the direct drive in a device according to the invention, Fig. 4 is a wiring diagram of a device according to a second preferred embodiment of the invention, Fig. 5 is a wiring diagram illustrating a part of a device according to a third preferred embodiment of the invention, Figs. Figs. 6a-d are circuit diagrams of the shear splitting side of the device according to Fig. 2 or 4 in different states during a procedure for commutating the two phase legs simultaneously, Figs. 7a-f are views corresponding to those in Figs. 6a-d for a procedure of commutation of one phase leg at a time, Figs. 8a-c are simplified circuit diagrams of a phase leg of the direct drive of a device according to the invention in different states during a procedure for commutating this phase leg, Figs. 9a-f are circuit diagrams of a device according to the invention with a VSC converter with a phase leg in different states during a procedure for resonant-assisted commutation of the VSC converter, Fig. 10 is a diagram showing illustrates voltages and currents over time for the procedure of Figs. 9a-f, Figs. 11a-f are circuit diagrams of a device according to the invention in different states during a procedure for resonant assisted commutation of its VSC converter. Fig. 12 is a diagram illustrating voltages and currents over time of the procedure of Figs. 11a-f, Figs. 13a-h are circuit diagrams of a device according to the invention in different states during a procedure for resonant-assisted commutation of its VSC converter, its two phases being commutated one at a time, Fig. 14 is a diagram illustrating voltages and s Figs. 15a is a schematic view of a possible pulse width modulation pattern for the AC phase voltage of a device according to the invention, Figs. 16a-i are circuit diagrams of a device according to the invention in different states during a procedure of intertwined commutation of its two inverters when there is a desire to have the power flowing from the DC side to the AC side, Fig. 17 is a diagram corresponding to Fig. 10 of the procedure illustrated in Figs. 16a-i. Figs. 18a-1 are circuit diagrams of a device according to the invention in different states of a procedure for resonant-assisted commutation of its VSC converter when there is a desire to have the power flowing from the AC side to the DC side, and Fig. 19 is a diagram showing corresponds to Fig. 10 for the procedure illustrated in Figs. 18a-i. DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION Fig. 2 illustrates a device according to a preferred embodiment of the invention with a VSC converter 8 with a direct voltage intermediate 9 with a positive 10 and a negative 10. pole and two phase legs 12, 13 (1 and 2 respectively in the following formulas) which interconnect the two poles and have two series-connected current valves 14-17. Each current valve has a quenchable semiconductor element 18, such as an IGBT, and a rectifier means 42, such as a rectifying diode, connected antiparallel thereto. A snubber capacitor 33-36 is connected in parallel with each said semiconductor element 18 and diode 42. A transformer 19 is connected with two opposite ends of a first winding 20 to each output 21, 22 of the VSC converter and to a second winding. 23 (which has a connection 70 with its center point for earthing purposes) thereof having the opposite ends connected to the opposite ends of two phase legs 24, 25 (1 and 2 in the following formulas) of a direct drive 26. The phase legs of the direct drive have each two series-connected current valves, each of which has at least one semiconductor element and a rectifier means connected thereto, which enable it to conduct current and block voltage in both directions and make it possible to control the valve to ignite. A center point 27, 28 of each phase leg of the direct drive is provided with a phase output for forming a terminal 29 for an alternating phase voltage between these phase outputs.
Växelspänningssidströmmen iAC definieras att vara positiv såsom den är visad här. Detsamma gäller för spänningen uAC.The AC AC current is defined to be positive as shown here. The same applies to the voltage uAC.
Fig 3 illustrerar tre möjligheter för utformning av en strömventil hos direktomriktaren. Den vänstra är bildad av en koppling av två tyristorer antiparallellt med varandra, medan de andra två är bil- dade av en seriekoppling av å ena sidan en med en första diod antiparallellt kopplad IGBT och å andra sidan en IGBT med den motsatta ledningsriktningen mot den förstnämnda lGBT:n kopplad ' antiparallellt med en andra diod. I en av dem är emittrarna och l den andra kollektorerna hos lGBT:erna förbundna med varandra. 10 15 20 25 30 35 «523 457 16 | | n » :u Fig 4 illustrerar en anordning som skiljer sig från den illustrerad i fig 2 genom att direktomriktaren har endast ett fasben och en fasutgång hos den är istället ansluten till en mittpunkt 43 hos den andra transformatorlindningen.Fig. 3 illustrates three possibilities for designing a flow valve of the direct drive. The left one is formed by a connection of two thyristors antiparallel to each other, while the other two are formed by a series connection of on the one hand one with a first diode antiparallel connected IGBT and on the other hand an IGBT with the opposite line direction to the former The lGBT is connected 'antiparallel' to a second diode. In one of them the emitters and in the other the collectors of the lGBTs are connected to each other. 10 15 20 25 30 35 «523 457 16 | | Fig. 4 illustrates a device which differs from that illustrated in Fig. 2 in that the direct drive has only one phase leg and a phase output of it is instead connected to a center point 43 of the second transformer winding.
Fig 5 illustrerar en ytterligare möjlighet till att modifiera en an-- ordning enligt fig 2 genom att anordna en VSC-strömriktare med endast ett fasben, så att en utgång hos denna strömriktare är bildad av en mittpunkt 30 hos likspänningsmellanledet separerad från båda nämnda positiva och negativa poler genom åtminstone en kondensator 31, 32. Halvledarelementen hos anordningarna enligt dessa utföringsformer styrs av en endast i fig 2 schema- tiskt indikerad styrenhet 7.Fig. 5 illustrates a further possibility of modifying a device according to Fig. 2 by arranging a VSC converter with only one phase leg, so that an output of this converter is formed by a center point 30 of the direct voltage intermediate joint separated from both said positive and negative poles through at least one capacitor 31, 32. The semiconductor elements of the devices according to these embodiments are controlled by a control unit 7 only schematically indicated in Fig. 2.
De olika egenskaperna och skillnaderna i driftsbeteende hos dessa utföringsfonner kommer att beskrivas längre ned.The different properties and differences in operating behavior of these embodiments will be described below.
Vi kommer nu att göra några definitioner som skall användas vid förklaring av olika fenomen här nedan.We will now make some definitions to be used in explaining various phenomena below.
Kopplingsfunktionerna för detta fall med två faser på växelspän-' ningssidan kan skrivas: UAc=NtrUtr (kAcn-KACQ) itFNrriAc (kAcn-kAoz) och för fallet med ett fasben: UAc=NtrUirkAo1 lrFNtritrkAcA där kAQi är lika med -1/2 om fasbenet i förbinder motsvarande växelspänningssidterminal med den nedre änden av den andra transformatorlindningen och +1/2 om det förbinder växelspänÄ 10 15 20 25 30 35 523 457 » n « p n. 17 ningsterminalen med den övre änden av den andra transforma- torlindningen.The switching functions for this case with two phases on the AC side can be written: UAc = NtrUtr (kAcn-KACQ) itFNrriAc (kAcn-kAoz) and for the case with one phase leg: UAc = NtrUirkAo1 lrFNtritrkAcA where kAQi is -1 the phase leg i connects the corresponding AC side terminal to the lower end of the second transformer winding and +1/2 if it connects the AC terminal 523 457 »n« p n. 17 to the upper end of the second transformer winding.
På motsvarande sätt gäller för likspänningssidomriktaren för fal- let med två fasben följande relation: UiFUoc (kocmkooz) och för fallet med ett fasben : UiFUdkocA där kDQ; är lika med -1/2 om fasbenet i förbinder motsvarande transformatorterminal med den nedre likspänningsmellanledspo- len (negativ) och +1/2 om det förbinder transformatorterminalen med den övre likspänningsmellanledspolen (positiv).Correspondingly, for the DC voltage inverter for the case with two phase legs the following relation applies: UiFUoc (kocmkooz) and for the case with one phase leg: UiFUdkocA where kDQ; is equal to -1/2 if the phase leg i connects the corresponding transformer terminal to the lower DC intermediate coil (negative) and +1/2 if it connects the transformer terminal to the upper DC intermediate coil (positive).
Kopplingstillstånden hos VSC-strömriktaren och direktomriktaren kan förändras genom kommutering av dessas fasben, vilket inne- bär för VSC-strömriktaren att utgången hos ett fasben hos den flyttas från att vara förbunden med en pol hos likspänningsmel- lanledet till dettas andra pol. För direktomriktaren förflyttas fasutgången hos fasbenet från att vara förbunden med en ände av den andra transformatorlindningen till att vara förbunden med den andra änden av den Iindningen. Antagandet görs att indukï tansen hos ledningsfiltret 50 är mycket högre än läckinduktansen hos transformatorn och tillräckligt stor för att hålla strömmen hos växelspänningssidan, iAC, väsentligen konstant under kommute- ringar av omriktarna i systemet. Likaledes antages kapacitansen hos likspänningsledet vara mycket högre än snubberkapacitan- serna hos ventilerna i VSC-strömriktaren (VSC-omriktaren) och tillräckligt höga för att hålla likspänningen, Ud, väsentligen kon- stant under kommuteringarna av omriktarna i systemet. Under dessa antaganden gäller följande: Riktningen av strömmen it, igenom transformatorn bestäms av kopplingstillståndet hos direktomriktaren, medan tecknet hos 10 15 20 25 30 35 :523 457 18 - n - a vo spänningen över transformatorn ut, bestäms av kopplingstillstån- det hos VSC-strömriktaren.The switching states of the VSC converter and the direct converter can be changed by commutating their phase legs, which means for the VSC converter that the output of one phase leg of it is moved from being connected to one pole of the DC intermediate link to its other pole. For the direct drive, the phase output of the phase leg is moved from being connected to one end of the second transformer winding to being connected to the other end of that winding. It is assumed that the inductance of the line filter 50 is much higher than the leakage inductance of the transformer and large enough to keep the current of the AC side, iAC, substantially constant during commutations of the inverters in the system. Similarly, the capacitance of the DC link is assumed to be much higher than the snubber capacitances of the valves in the VSC converter (VSC converter) and high enough to keep the DC voltage, Ud, substantially constant during the commutations of the inverters in the system. Under these assumptions, the following applies: The direction of the current it, through the transformer is determined by the switching state of the direct drive, while the sign of the voltage across the transformer out, is determined by the switching state of the VSC- the converter.
Villkoret som måste uppfyllas för att möjliggöra kommutering av VSC-strömriktaren är u,,i,,>0, det vill säga effektflödet riktas ut från den omriktaren (strömriktaren) mot växelspänningssidan.The condition that must be met to enable commutation of the VSC converter is u ,, i ,,> 0, ie the power flow is directed from that converter (converter) towards the AC side.
Fig 6a-d illustrerar en procedur för förändrande av kopplingstill- ståndet hos VSC-strömriktaren. I denna och följande kopplings- schemefigurer är den momentana strömvägen indikerad genom tjockare linjer. Det antages i fig 6a-d att kopplingstillståndet hos direktomriktaren är oförändrat, vilket innebär att strömmen ige- nom transformatorn i,, kommer att vara konstant och är indikerad genom l. De båda halvledarelementen i strömventilerna som le- der strömmen släcks först (fig 6b), så att strömmen avleds till snubberkondensatorerna 33-36. När kondensatorerna återladdas ändras ut, från +Ud till -U,,. Spänningsderivaterna och således påkänningarna på ventilerna kommer att reduceras märkbart tack vare existensen av kondensatorerna. Slutligen övertar dioderna hos de motsatta ventilerna strömmen och kommuteringen är full- bordad. På detta stadium tänds halvledarelementen (lGBT:erna) som är kopplade antiparallellt med de ledande dioderna vid noll- spännings- och nollströmsförhållanden (fig 6d).Figures 6a-d illustrate a procedure for changing the switching state of the VSC converter. In this and the following wiring diagrams, the instantaneous current path is indicated by thicker lines. It is assumed in Figs. 6a-d that the switching state of the direct drive is unchanged, which means that the current through the transformer i ), so that the current is diverted to the snubber capacitors 33-36. When the capacitors are recharged, they change out, from + Ud to -U ,,. The voltage derivatives and thus the stresses on the valves will be significantly reduced due to the existence of the capacitors. Finally, the diodes of the opposite valves take over the current and the commutation is completed. At this stage, the semiconductor elements (IGBTs) which are connected antiparallel to the conductive diodes at zero, voltage and zero current conditions are lit (Fig. 6d).
Fig 7a-f visar en alternativ väg för kommuterande av VSC-ström- riktaren, varvid ett fasben kommuteras åt gången. Efter kommu- tering av det första fasbenet blir u" och därigenom även uAC noll när strömmen frihjular (fig 7c). Det är uppenbart att de beskrivna kommuteringsprocesserna skulle kunna ha utförts på analogt sätt om u,, och it, båda vore negativa. När man anländer till kopp- lingstillstånden enligt fig 6d och 7f är det emellertid inte möjligt att återvända till kopplingstillståndet enligt fig 6a respektive 7a' utan att först förändra riktningen på strömmen it, igenom trans- formatorn genom förändrande av kopplingstillståndet hos direkt- omriktaren. 10 15 20 25 30 35 523 457 19 f « n u | »o Med avseende på kommuteringen av direktomriktaren antages det att transformatorn kan kännetecknas av sin läckinduktans LX under ett omkopplingsintervall. För att kommuteringen av fasbe- nen hos direktomriktaren skall vara möjlig måste följande villkor_ uppfyllas: UAciAc < Û Detta är ekvivalent med ett effektflöde in i direktomriktaren från växelfasspänningsterminalen. Verkan av kommuteringen hos ett fasben hos direktomriktaren är att dess utgång växlas från att vara förbunden med en ände hos den andra transformatorlind- ningen till den andra änden hos den. Detta motsvarar en tecken- omkastning hos kopplingsfunktionen KACJ. Fig 8a-c illustrerar hur kommuteringen av ett fasben kan utföras. Initiellt leder den övre ventilen strömmen: det vill säga kAcj = 1/2. Därav följer således att ovan angivna villkor är uppfyllt. För att starta kommuteringen tänds halvledaromkopplaren i den nedre ventilen 37 som blocke- rar den på fasbenet applicerade spänningen. Därigenom kortsluts. fasbenet och spänningen uppträder istället över läckinduktansen hos transformatorn. Strömmen i transformatorn börjar ändras och den nedre ventilen övertar på motsvarande sätt strömmen från den övre ventilen 38. Slutligen når strömmen igenom den övre ventilen noll och dioden som initiellt ledde strömmen släcks. Ef- ter detta släcks halvledaromkopplaren som initiellt ledde ström- men vid nollströms- och nollspänningsförhållanden. Det bör note- ras att i fallet av två fasben kan båda kommuteras simultant. l en del fall kan detta vara av stor fördel för att accelerera kommute- ringssekvenserna.Figures 7a-f show an alternative path for commutating the VSC converter, whereby one phase leg is commutated at a time. After commutation of the first phase leg, u "and thus also uAC becomes zero when the current is freewheeling (Fig. 7c). It is obvious that the described commutation processes could have been performed in an analogous manner if u ,, and it, both would be negative. arriving at the switching states of Figs. 6d and 7f, however, it is not possible to return to the switching state of Figs. 6a and 7a ', respectively, without first changing the direction of the current it, through the transformer by changing the switching state of the direct drive. 20 25 30 35 523 457 19 f «nu |» o With regard to the commutation of the direct drive, it is assumed that the transformer can be characterized by its leakage inductance LX during a switching interval. UAciAc <Û This is equivalent to a power flow into the inverter from the AC phase terminal. bone of the direct drive is that its output is switched from being connected to one end of the second transformer winding to the other end of it. This corresponds to a character inversion of the KACJ switching function. Figures 8a-c illustrate how the commutation of a phase leg can be performed. Initially, the upper valve conducts the current: that is, kAcj = 1/2. It thus follows that the above conditions are met. To start the commutation, the semiconductor switch is turned on in the lower valve 37 which blocks the voltage applied to the phase leg. This short-circuits. the phase leg and the voltage instead appear across the leakage inductance of the transformer. The current in the transformer begins to change and the lower valve correspondingly takes over the current from the upper valve 38. Finally, the current through the upper valve reaches zero and the diode that initially conducted the current goes out. After this, the semiconductor switch that initially conducted the current at zero current and zero voltage conditions is switched off. It should be noted that in the case of two phase legs, both can be commuted simultaneously. In some cases, this can be of great benefit in accelerating the commutation sequences.
Såsom redan kort diskuterat ovan kan det inte vara möjligt att kommutera VSC-strömriktaren på det med hänvisning till fig 6 och 7 beskrivna sättet. Strömmen igenom transformatorn kan vara otillräcklig för att återladda snubberkondensatorerna obero-- ende av kopplingstillståndet hos direktomriktaren. Återladdningen av snubberkondensatorerna kan ta för lång tid eller i extremfallet när iAC = 0 kommer den inte att uppträda alls. I dessa situationer 10 15 20 25 30 35 523 457 20 n' o a ø . oo kan ett på resonantassisterad kommutering baserat förfarande användas. Detta förfarande kommer nu att beskrivas under hän- visning till fig 9a-f. l korthet består förfarandet av att koppla om båda omriktarna samtidigt för att bilda en resonanskrets mellan snubberkapacitanserna och läckinduktansen hos transformatorn.As already briefly discussed above, it may not be possible to commutate the VSC converter in the manner described with reference to Figs. 6 and 7. The current through the transformer may be insufficient to recharge the snubber capacitors regardless of the switching state of the direct drive. The recharging of the snubber capacitors may take too long or in the extreme case when iAC = 0 it will not occur at all. In these situations 10 15 20 25 30 35 523 457 20 n 'o a ø. oo a method based on resonant-assisted commutation can be used. This method will now be described with reference to Figs. 9a-f. In short, the method consists of switching both inverters simultaneously to form a resonant circuit between the snubber capacitances and the leakage inductance of the transformer.
Fig 9a-f visar en förenklad modell av systemet som kan användas för analyserande av den resonantassisterade kommuteringen för fallet då Iikspänningssldan är utrustad med ett fasben. l det' första steget (fig 9b) omkopplas ett eller flera fasben hos växel- spänningssidomriktaren för att tillhandahålla en väg för ström- men i riktningen av ut.. Strömmen igenom transformatorn begyn- ner att öka linjärt. l detta tillstånd tillåts strömmen att öka med en viss mängd, betecknad ökningsström, ienh. Den krävda varaktig- heten är lika med: zLt 'im/H N: ' Ud tenh = L-L är läckinduktansen hos transformatorn uttryckt med avseende på den andra lindningen. När tenh har förlupit släcks halvledar- elementet i VSC-strömriktaren som lett ström. Därigenom initie- ras en resonansprocess (fig 9c) styrd av snubberkapacitanserna och läckinduktansen hos transformatorn. Genom denna process àterladdas snubberkapacitanserna så att potentialen hos faster- minalen hos fasbenet svänger till den motsatta likspänningsske- nan. Detta innebär även att ut, går från +Udl2 till -Ud/2 eller vice versa. När detta är fullbordat tar dioderna som initiellt blockerade likspänningen över strömmen och halvledarelementen som är kopplade antiparallellt med dem tänds vid nollspännings- och nollströmsförhållanden. Strömmen it, tvingas linjärt ned tills den når den initiella nivån. Vid detta stadium släcks ventilerna hos växelspänningssidomríktaren, vilka tändes initiellt, genom natur- lig kommutering och processen är fullbordad. Notera att ök- ningsströmmen kan användas för att kompensera för förluster i resonanskretsen för att tillförsäkra att snubberkondensatorerna är fullständigt återuppladdade innan den fria strömvägen på växelspänningssidan brytes. Den kan även användas för att_ 10 15 20 25 30 35 523 457 » a s | nu 21 kompensera för variationer hos växelspänningssidströmmen, iAC, under kommuteringsprocessen.Figures 9a-f show a simplified model of the system which can be used for analyzing the resonant-assisted commutation for the case where the DC voltage cable is equipped with a phase leg. In the first stage (Fig. 9b), one or more phase legs of the AC side-inverter are switched to provide a path for the current in the out direction. The current through the transformer begins to increase linearly. In this state, the current is allowed to increase by a certain amount, denoted increasing current, ienh. The required duration is equal to: zLt 'im / H N:' Ud tenh = L-L is the leakage inductance of the transformer expressed with respect to the second winding. When tenh has elapsed, the semiconductor element in the VSC converter, which conducts current, goes out. This initiates a resonant process (Fig. 9c) controlled by the snubber capacitances and the leakage inductance of the transformer. Through this process, the snubber capacitances are recharged so that the potential of the fixed terminal of the phase leg pivots to the opposite DC voltage rail. This also means that out, goes from + Udl2 to -Ud / 2 or vice versa. When this is completed, the diodes which initially blocked the DC voltage take over the current and the semiconductor elements connected antiparallel to them are lit at zero voltage and zero current conditions. The current it, is forced down linearly until it reaches the initial level. At this stage, the valves of the AC inverter, which were initially turned on, are switched off by natural commutation and the process is complete. Note that the boost current can be used to compensate for losses in the resonant circuit to ensure that the snubber capacitors are completely recharged before the free current path on the AC side is interrupted. It can also be used to_ 10 15 20 25 30 35 523 457 »a s | now 21 compensate for variations in the AC sidestream, iAC, during the commutation process.
Det illustreras i fig 10 hur UAC, u,, och it, utvecklas över tiden un- der de olika tillstånden illustrerade i fig 9a-f. N,, har i denna figur för enkelhets skull ansetts vara 1.It is illustrated in Fig. 10 how UAC, u ,, and it, develop over time under the different conditions illustrated in Figs. 9a-f. In this figure, N 1 has been considered to be 1 for simplicity.
Fig 11a visar en förenklad modell av systemet som kan användas för analyserande av den resonansassisterade kommuteringen för fallet då VSC-strömriktaren är utrustad med två fasben.Fig. 11a shows a simplified model of the system that can be used for analyzing the resonance-assisted commutation for the case where the VSC converter is equipped with two phase legs.
På likartat sätt som för en normal kommutering av VSC-ström- riktaren finns det principiellt två sätt att genomföra den reso- nansassisterade kommuteringen på. Det första alternativet, vid vilket båda fasbenen kommuteras samtidigt, är visat i fig 11a-f..In the same way as for a normal commutation of the VSC converter, there are in principle two ways of carrying out the reasoning-assisted commutation. The first alternative, in which both phase legs are commutated simultaneously, is shown in Figs. 11a-f.
Vid det första steget (fig 11b) omkopplas ett eller flera fasben hos växelspänningssidomriktaren för att tillhandahålla en väg för strömmen i riktningen av u,,. Strömmarna igenom transformatorn börjar öka linjärt. I detta tillstånd tillåts strömmen att öka med en viss i förväg definierad mängd, vilken benämns ökningsström, ienh. Den krävda varaktigheten är lika med LA ' lenh 2 Ntr ° Ud tenh = När tenh har förflutit släcks båda omkopplarna som leder ström i VSC-strömriktaren. Därigenom initieras en resonansprocess (fig 11c) som styrs av snubberkapacitanserna och läckinduktansen.In the first step (Fig. 11b), one or more phase legs of the AC side-inverter are switched to provide a path for the current in the direction of u The currents through the transformer begin to increase linearly. In this state, the current is allowed to increase by a certain predefined amount, which is called the increase current, ienh. The required duration is equal to LA 'lenh 2 Ntr ° Ud tenh = When tenh has elapsed, both switches that conduct current in the VSC converter go out. This initiates a resonant process (Fig. 11c) which is controlled by the snubber capacitances and the leakage inductance.
Genom denna process återladdas snubberkapacitanserna så att potentialen hos fasterminalerna hos båda fasbenen svänger till- motsatt likspänningsskena. Detta innebär även att u,, går från +Ud till -Ud eller vice versa. När detta är fullbordat tar dioderna som initiellt blockerade likspänningen över strömmen och om- kopplarna som är antiparallella med dem tänds vid nollspän- nings- och nollströmsförhållanden. Strömmen i,, tvingas ned lin- järt tills den når den initiella nivån. På detta stadium släcker ven- tilerna hos direktomriktaren som tändes initiellt genom naturlig 10 15 20 25 30 35 523 457 22 kommutering och processen är fullbordad. Notera att ök- ningsströmmen kan användas för att kompensera för förluster i resonanskretsen för att tillförsäkra att snubberkondenstorerna är fullständigt återuppladdade innan den fria strömvägen på växel- spänningssidan bryts. Den kan även användas till att kompen- sera variationer hos växelspänningssidströmmen, iAC, under kommuteringsprocessen.Through this process, the snubber capacitances are recharged so that the potential of the fixed terminals of both phase legs oscillates opposite the DC voltage rail. This also means that u ,, goes from + Ud to -Ud or vice versa. When this is completed, the diodes that initially blocked the DC voltage take over the current and the switches that are antiparallel to them light up at zero voltage and zero current conditions. The current i ,, is forced down linearly until it reaches the initial level. At this stage, the valves of the inverter which are initially switched off by natural commutation switch off and the process is completed. Note that the boost current can be used to compensate for losses in the resonant circuit to ensure that the snubber capacitors are completely recharged before the free current path on the AC side is interrupted. It can also be used to compensate for variations in the AC AC, during the commutation process.
Det illustreras i fig 12 hur uAC, u" och in utvecklas över tiden un- der de olika tillstånden illustrerade i fig 11a-f. Det noteras att procedurerna hos ett fasben (fig 9a-f) och två fasben (fig 11a-f) är principiellt desamma med avseende på variablerna visade i fig . 10 och 12. N" har i denna figur för enkelhets skull antagits vara 1.It is illustrated in Fig. 12 how uAC, u "and in evolve over time under the different conditions illustrated in Figs. 11a-f. It is noted that the procedures of one phase leg (Figs. 9a-f) and two phase legs (Figs. 11a-f) are in principle the same with respect to the variables shown in Figs. 10 and 12. N "has for the sake of simplicity been assumed in this figure to be 1.
I det andra alternativet, illustrerat i fig 13a-h, kopplas VSC-fas- benen om ett åt gången. lnitiellt kortsluter direktomriktaren transformatorn på samma sätt som beskrivet ovan för att öka transformatorströmmen med en viss i förväg definierad mängd. l det nästa steget släcks endast en av de ledande omkopplarna, vilket leder till en resonans mellan snubberkapacitanserna hos ifrågavarande fasben och läckinduktansen hos transformatorn.In the second alternative, illustrated in Figs. 13a-h, the VSC phase legs are switched one at a time. Initially, the inverter short-circuits the transformer in the same way as described above to increase the transformer current by a certain predefined amount. In the next step, only one of the conductive switches goes out, which leads to a resonance between the snubber capacitances of the phase legs in question and the leakage inductance of the transformer.
Efter en fjärdedel av en resonanscykel tar dioden i kommute- ringsfasbenen över strömmen. Därigenom går systemet in i till- ståndet där transformatorspänningen och därigenom även växel- spänningssidspänningen är lika med noll. Resonansströmmen flyter fortfarande igenom transformatorn. För att fullborda kom» muteringen kommuteras det andra fasbenet genom att släcka det kvarvarande halvledarelementet som leder ström. Resonansen mellan snubberkondensatorerna och läckinduktansen bringar ned strömmen och bringar faspotentialen till den motsatta likspän- ningsskenan. Återigen efter en fjärdedel av resonanscykeln tar dioden i det kommuterande fasbenet över strömmen. Slutligen tvingas strömmen i transformatorn ned till det initiella värdet och växelspänningssidan återvänder till sitt initiella tillstånd genom en naturlig kommutering. Även i detta fall kan ökningsströmmen användas som ett medel för att tillförsäkra att kommuteringen 10 15 20 25 30 35 åszs 457 23 e ø o u on hos VSC-strömriktaren fullbordas snabbt. Den kan även använ- das för att kompensera för variationer i växelströmmen, iAC, under kommuteringsprocessen.After a quarter of a resonant cycle, the diode in the commutation phase legs takes over the current. As a result, the system enters the state where the transformer voltage and thereby also the alternating voltage side voltage is equal to zero. The resonant current still flows through the transformer. To complete the mutation, the second phase leg is commutated by extinguishing the remaining semiconductor element that conducts current. The resonance between the snubber capacitors and the leakage inductance reduces the current and brings the phase potential to the opposite DC voltage rail. Again, after a quarter of the resonant cycle, the diode in the commutating phase leg takes over the current. Finally, the current in the transformer is forced down to the initial value and the alternating voltage side returns to its initial state by a natural commutation. Also in this case, the boost current can be used as a means to ensure that the commutation of the VSC converter is completed quickly. It can also be used to compensate for variations in alternating current, iAC, during the commutation process.
Det illustreras i fig 14 hur UAC, u,, och i,, utvecklas över tiden under de olika i fig 13a-h illustrerade tillstånden. N,, har i denna figur för en- kelhets skull ansetts vara 1.It is illustrated in Fig. 14 how UAC, u ,, and i ,, develop over time under the various conditions illustrated in Figs. 13a-h. N ,, has in this figure for simplicity been considered to be 1.
Omvandlarsystemet enligt föreliggande uppfinning har likartade egen- skaper som dubbelriktade VSC-dc/ac-omriktare i den meningen att det' kan tillhandahålla ett styrbart späningspulståg på växelspänningssid- terminalen. Oberoende av polariteten och storleken hos växelspän- ningssidströmmen, iAC, kan växelspänningssidspänningen, UAC, bildas av positiva eller negativa spänningspulser. Formen hos pulstâget, det vill säga polariteten och varaktigheten hos pulserna, bestäms på så- dant sätt att vissa syften uppnås. l egenskap av exempel nämns några få sådana syften nedan: 1. Ett visst önskat effektflöde från likspänningssidan till växelspän- ningssidan eller vice versa. 2. Ett visst övertonsinnehåll i växelspänningssidspänningen eller indirekt i växelspänningssidströmmen. 3. En viss impedans sedd från växelspänningssidterminalerna.The converter system of the present invention has similar characteristics to bi-directional VSC-dc / ac converters in the sense that it can provide a controllable voltage pulse train at the AC side terminal. Regardless of the polarity and magnitude of the AC side current, iAC, the AC DC voltage, UAC, can be formed by positive or negative voltage pulses. The shape of the pulse train, i.e. the polarity and duration of the pulses, is determined in such a way that certain purposes are achieved. As examples, a few such purposes are mentioned below: 1. A certain desired power flow from the direct voltage side to the alternating voltage side or vice versa. 2. A certain harmonic content in the AC sidestream or indirectly in the AC sidestream. 3. A certain impedance seen from the AC side terminals.
Beskaffenheten hos det önskade pulsmönstret kommer allmänt att kraftigt påverkas av typen av applikation och av beskaffenheten hos strömkretsen förbunden med växelspänningssidan hos omriktarsys- temet. Förfarandet för bestämmande av formen hos pulsmönstret för att uppfylla syften, såsom de beskrivna ovan, är välkända och har be- skrivits utförligt i litteraturen, se exempelvis "Power E|ectronics-Con- verters, Applications and Design”, andra upplagan, John Wiley, 1995, Mohan, Undeland och Robbins. De kommer således inte att behandlas här. Ett exempel på ett pulståg för fallet då meddelspänningen under en puls bör sammanfalla med en viss referensspänning ufef ges i fig 15. 10 15 20 25 30 35 523 457 24 n n a s e nu En detaljerad beskrivning av möjliga kommuteringssekvenser kommer nu att göras. Med kommuteringssekvens menas här en sekvens, av godtycklig längd, av Kommuteringar av fasbenen hos de båda omrik- tarna i systemet, vilken utförs för att uppnå vissa syften. En generisk kommuteringssekvens består av växlande mellan kommutering hos alla likspänningssidfasbenen och kommutering av alla växelspän- ningsfasbenen. Antagandet görs att omvandlaren initiellt är i ett till- stånd då spänningen hos växelspänningssidterminalerna är av samma polaritet som strömmen på dessa terminaler, det vill säga uACiAC >0 SHGI' att lAC=Û.The nature of the desired pulse pattern will generally be strongly influenced by the type of application and by the nature of the circuit connected to the AC side of the inverter system. The method of determining the shape of the pulse pattern to fulfill purposes, such as those described above, is well known and has been described in detail in the literature, see, for example, "Power E-Electronics Converters, Applications and Design", second edition, John Wiley , 1995, Mohan, Undeland and Robbins. They will thus not be treated here. An example of a pulse train for the case where the mean voltage during a pulse should coincide with a certain reference voltage ufef is given in Fig. 15 A detailed description of possible commutation sequences will now be made. alternating between commutation of all DC side phase legs and commutation of all AC phase legs.The assumption is made that the converter is initially in a state when voltage The voltage of the AC side terminals is of the same polarity as the current at these terminals, i.e. uACiAC> 0 SHGI 'that lAC = Û.
Kommutera fasbenen hos VSC-strömriktaren. Detta skulle kunna göras på en mängd olika sätt. För det första skulle kom- muteringen antingen kunna vara av icke resonant slag eller av resonant slag. Kommuteringar av resonant slag behöver använ- das i fallet att storleken på växelspänningssidströmmen är otill- räcklig för att uppnå en tillräckligt snabb kommutering. För det andra i fallet då VSC-strömriktaren är utrustad med två fasben skulle dessa kunna antingen kommutera samtidigt eller ett åt gången. l fallet att fasbenen kommuteras ett åt gången väljs intervallet mellan deras respektive kommutering för att uppnå ett önskat nollspänningsintervall på växelspänningsutgången.Commute the phase legs of the VSC converter. This could be done in a variety of ways. First, the commutation could be either non-resonant or resonant. Commutations of a resonant type need to be used in the event that the magnitude of the alternating voltage sidestream is insufficient to achieve a sufficiently fast commutation. Secondly, in the case where the VSC converter is equipped with two phase legs, these could either commute simultaneously or one at a time. In the case that the phase legs are commutated one at a time, the interval between their respective commutations is selected to achieve a desired zero voltage interval at the alternating voltage output.
Efter kommuteringen av alla fasbenen i VSC-strömriktaren är växelspänningssidspänningen, uAC, av motsatt polaritet mot växelspänningssidströmmen, iAC, det vill säga effektflödet i' systemet är riktat från växelspänningssidan till likspänningssi- dan. Systemet hålls i detta tillstånd under en viss tid bestämd av det önskade växelspänningssidspänningspulsmönstret och andra överväganden. Notera att detta tidsintervall mycket väl kan vara noll. Detta skulle exempelvis kunna vara fallet om det önskade medeleffektflödet är från likspäwningssidan till växel- spänningssidan.After the commutation of all the phase legs in the VSC converter, the AC side voltage, uAC, is of opposite polarity to the AC side current, iAC, i.e. the power flow in the system is directed from the AC side to the DC side. The system is maintained in this state for a period of time determined by the desired AC sideline pulse pattern and other considerations. Note that this time interval may well be zero. This could be the case, for example, if the desired average power flow is from the DC voltage side to the AC voltage side.
Kommutera fasbenen hos växelspänningssidsomriktaren. l fallet då växelspänningssidsomriktaren är utrustad med två fasben skulle dessa kunna antingen kommuteras samtidigt eller ett åt 10 15 20 25 30 35 523 457 25 » | n » no gången. l fallet att fasbenen kommuteras ett åt gången väljs intervallet mellan deras respektive kommuteringar för att uppnå ett önskat nollväxelutgångsspänningsintervall.Commutate the phase legs of the AC side-inverter. In the case where the AC side-inverter is equipped with two phase legs, these could either be commutated simultaneously or one at 10 15 20 25 30 35 523 457 25 »| n »no time. In the case that the phase legs are commutated one at a time, the interval between their respective commutations is selected to achieve a desired zero-gear output voltage range.
IV. Efter kommutering av alla fasbenen l växelspänningssidomrikta- ren är växelspänningssidspänningen, uAC, av samma polaritet som växelspänningssidströmmen, iAC, det vill säga effektflödet i' systemet är riktat från likspänningssidan till växelspänningssi- dan. Systemet hålls i detta tillstånd under ett visst tidsintervall bestämt av det önskade spänningspulsmönstret på växelspän- ningssidan och andra överväganden. Notera att tidsintervallet mycket väl skulle kunna vara noll. Därefter startar sekvensen på nytt vid l.IV. After commutation of all the phase legs in the AC side-inverter, the AC-side voltage, uAC, is of the same polarity as the AC-side current, iAC, that is, the power flow in the system is directed from the DC-side to the AC-side. The system is maintained in this state for a certain time interval determined by the desired voltage pulse pattern on the alternating voltage side and other considerations. Note that the time interval could very well be zero. Then the sequence starts again at l.
Det hänvisas härefter till sekvensen som framställs genom stegen I till lV ovan som en kommuteringscykel. l fallet att det initiella förhållan- det ut,it,>0 inte gäller skulle cykeln likaväl kunna begynna med varje annat applicerbart steg. En kommuteringssekvens bildas av ett antal kommuteringscykler följda på varandra. Notera att kommute- ringscyklerna i sekvensen mycket väl kan skilja sig från varandra.Reference is now made to the sequence prepared by steps I to IV above as a commutation cycle. In the event that the initial condition ut, it,> 0 does not apply, the cycle could just as well begin with every other applicable step. A commutation sequence is formed by a number of commutation cycles followed one another. Note that the commutation cycles in the sequence may well differ from each other.
Tidsintervallen mellan ovannämnda kommuteringar kommer att be- stämmas baserat på ett antal överväganden, såsom: 1. Det önskade spänningspulsmönstret på växelspännings- sidutgången, såsom beskrivet ovan. 2. Behovet att uppnå god drift hos transformatorn och undvika mättningar hos transformatorkärnan.The time intervals between the above commutations will be determined based on a number of considerations, such as: 1. The desired voltage pulse pattern on the AC side output, as described above. The need to achieve good operation of the transformer and avoid saturations of the transformer core.
Det är mögligt att välja ovannämnda tidsfördröjningar på sådant sätt att kommuteringscykeln alltid genomlöps med en konstant frekvens.It is possible to select the above-mentioned time delays in such a way that the commutation cycle is always traversed with a constant frequency.
Algoritmen för väljande av tidsintervallen baserade på de ovan- nämnda övervägandena skulle kunna inkludera en korrigering för faktumet att kommuteringarna inte ändrar transformatorspänningen och växelspänningssidutgångsspänningen momentant. 10 15 20 25 30 35 = 523 457 26 I fallet då VSC-strömriktaren är utrustad med två fasben och dessa fasben kommuteras ett åt gången under flera kommuteringscykler kan åtgärder vidtagas för att uppnå en likformig belastning av ventilerna i fasbenen. Detta kan göras genom varierande av ordningen med vilken- fasbenen kommuteras, varvid det noteras att denna ordning inte på- verkar sättet på vilket strömriktaren kopplar likspänningskondensatorn till transformatorn.The algorithm for selecting the time intervals based on the above considerations could include a correction for the fact that the commutations do not change the transformer voltage and the alternating voltage side output voltage momentarily. 10 15 20 25 30 35 = 523 457 26 In the case where the VSC converter is equipped with two phase legs and these phase legs are commutated one at a time during several commutation cycles, measures can be taken to achieve a uniform load of the valves in the phase legs. This can be done by varying the order in which the phase legs are commutated, noting that this order does not affect the way in which the converter connects the DC capacitor to the transformer.
På samma sätt kan i fallet då direktomriktaren är utrustad med två fasben och dessa fasben kommuteras ett åt gången under flera kom- muteringscykler åtgärder vidtagas för att uppnå en likformig belast- ning av ventilerna i fasbenen. Detta kan göras genom varierande av ordningen i vilken fasbenen kommuteras, varvid det noteras att denna ordning inte påverkar sättet på vilket omriktaren kopplar transforma- torn till växelspänningssidterminalen.In the same way, in the case where the direct drive is equipped with two phase legs and these phase legs are commutated, measures can be taken one at a time during several commutation cycles to achieve a uniform load on the valves in the phase legs. This can be done by varying the order in which the phase legs are commutated, it being noted that this order does not affect the way in which the inverter connects the transformer to the alternating voltage side terminal.
I många applikationer är det önskvärt att ha samma riktning hos me- deleffektflödet under flera kommuteringscykler oberoende av rikt- ningen av växelspänningssidströmmen, iAC. Detta kan medföra att de i' antingen steg ll eller steg lV beskrivna tidsintervallen i kommuterings- cykeln borde vara noll och att växelspänningssidkommuteringen borde följa direkt efter likspänningssidkommuteringen och vice versa. Med växelspänningssidkommutering menas här kommuteringen av alla fasbenen, samtidigt eller ett åt gången, i växelspänningssidomrikta- ren, medan med likspänningssidkommutering menas här kommutering av alla fasbenen, samtidigt eller ett åt gången, i likspänningssidom- riktaren. Några medel för uppnående av snabba övergångar från väx- elspänningssidkommutering till Iikspänningssidkommutering, eller vice versa, kommer att beskrivas. l det fall icke-resonant kommutering används och om tidsintervallet beskrivet i steg ll i kommuteringscykeln är noll, kommer det att vara ett kort intervall under vilket växelspänningsutgångsspänningen, UAC, kommer att vara av motsatt tecken mot växelspänningssidströmmen, ' iAc. intervallet uppträder under likspänningssidkommuteringen när transformatorspänningen, och därigenom växelspänningssidutgångs- spänningen, har ändrat tecken. Av olika orsaker kan det vara av in- 10 15 20 25 30 35 I I an: n q u: u. | n a n a c » o a o a o a 523 457 27 - ø I s n tresse att reducera detta intervall, eller att reducera spänningstidsy- tan under detta intervall. Detta kan uppnås genom startande av växel- spänningssidkommuteringen innan likspänningssidkommuteringen fullbordas. Detta görs genom tändande av det relevanta halvledar- elementet eller halvledarelementen hos växelspänningssidomriktaren när transformatorspänningen, u", har ändrat tecken, på grund av likspänningssidkommuteringen, och stigit till en viss nivå. Det mini-_ malt tillåtna värdet hos denna spänningsnivå bestäms av kravet att likspänningssidkommuteringen bör fullbordas innan transformator- strömmen når noll. l fallet då icke-resonant kommutering används och om tidsintervallet beskrivet i steg lV i kommuteringscykeln är noll kommer det att vara ett kort intervall under vilket växelspänningsutgångsspänningen, uAC, kommer att vara av samma tecken som växelspänningssidströmmen, lAC. intervallet uppträder under likspänningssidkommuteringen innan transformatorspänningen, och därigenom växelspänningssidutgångs- spänningen, har ändrat tecken. Av olika orsaker kan det vara av in- tresse att reducera detta intervall eller reducera spänningstidarean under detta intervall. Detta kan uppnås genom startande av likspän- ningssidkommuteringen före fullbordandet av växelspänningssidkom- muteringen. Detta görs genom att släcka det relevanta halvledare|e-- mentet eller halvledarelementen hos likspänningssidomriktaren när transformatorströmmen, i", har ändrat tecken på grund av växelspän- ningssidkommuteringen och nått en viss nivå. Det minimalt tillåtna värdet hos denna strömnivå bestäms av kravet att växelspänningssid- kommuteringen bör fullbordas innan transformatorspänningen når noll. Det hänvisas härefter till de båda förfarandena av förändring av den ovan beskrivna konventionella kommuteringen som sammanflätad kommutering.In many applications, it is desirable to have the same direction of the mean power flow over several commutation cycles independent of the direction of the AC sidestream, iAC. This may mean that the time intervals in the commutation cycle described in either step ll or step lV should be zero and that the AC side commutation should follow directly after the DC side commutation and vice versa. By alternating voltage side commutation is meant here the commutation of all the phase legs, simultaneously or one at a time, in the alternating voltage side converter, while by direct voltage side commutation is meant commutation of all the phase legs, simultaneously or one at a time, in the direct voltage side converter. Some means of achieving rapid transitions from AC side commutation to DC side commutation, or vice versa, will be described. In case non-resonant commutation is used and if the time interval described in step II of the commutation cycle is zero, it will be a short interval during which the AC output voltage, UAC, will be of opposite sign to the AC sidestream, 'iAc. the interval occurs during the DC side commutation when the transformer voltage, and thereby the AC side output voltage, has changed characters. For various reasons, it can be in- 10 15 20 25 30 35 I I an: n q u: u. | n a n a c »o a o a o a 523 457 27 - ø I s n tresse to reduce this interval, or to reduce the voltage time surface during this interval. This can be achieved by starting the AC side commutation before the DC side commutation is completed. This is done by turning on the relevant semiconductor element or semiconductor elements of the AC inverter when the transformer voltage, u ", has changed sign, due to the DC side commutation, and has risen to a certain level. The minimum permissible value of this voltage level is determined by the requirement that The DC side commutation should be completed before the transformer current reaches zero. In the case where non-resonant commutation is used and if the time interval described in step IV of the commutation cycle is zero, there will be a short interval during which the AC output voltage, uAC, will be of the same sign as AC voltage. The lac. interval occurs during the DC side commutation before the transformer voltage, and thereby the AC side output voltage, has changed characters. of the DC side commutation before the completion of the AC side commutation. This is done by switching off the relevant semiconductor | element or semiconductor elements of the DC inverter when the transformer current, i ", has changed character due to the AC side commutation and reached a certain level. The minimum allowable value of this current level is determined by the AC voltage requirement the commutation should be completed before the transformer voltage reaches zero, hereinafter referred to as the two procedures of modifying the conventional commutation described above as interlaced commutation.
Ett sätt att använda en sådan sammanflätad kommutering av båda omriktarna illustreras i fig 16a-i. l detta fall är effektflödet från likspänningssidan till växelspänningssidan, det vill säga spännings- pulserna hos växelspänningssidan bör vara av samma polaritet som växelspänningssidströmmen. VSC-strömriktaren kommer här att be- gynna att kommutera före direktomriktaren, och före fullbordandet av* 10 15 20 25 30 35 Unesco v rr In p; q; .A method of using such an interlaced commutation of both inverters is illustrated in Figs. 16a-i. In this case, the power flow from the DC voltage side to the AC voltage side, i.e. the voltage pulses of the AC voltage side should be of the same polarity as the AC side current. The VSC converter will here start commutating before the direct converter, and before the completion of * 10 15 20 25 30 35 Unesco v rr In p; q; .
, , . I O . , u nu 0 ' own nu I: | 0 o n. 1 o n g l 0 I nu 1 0 Q g | . Ü ' Û V Il rise g. 28 kommuteringen av VSC-strömriktaren begynnes kommuteringen av direktomriktaren. Därigenom initieras en resonansprocess som styrs av snubberkondensatorerna och läckinduktansen hos transformatorn.,,. I O. , u nu 0 'own nu I: | 0 o n. 1 o n g l 0 I nu 1 0 Q g | . Ü 'Û V Il rise g. 28 commutation of the VSC inverter, the commutation of the inverter is started. Thereby, a resonant process is initiated which is controlled by the snubber capacitors and the leakage inductance of the transformer.
I den nästa fasen fullbordas VSC-strömriktarkommuteringen och kommuteringen av direktomriktaren fortgår tills den även är fullbor- dad. För att tillförsäkra en fullständig kommutering av båda omrik- ~ooou~ tarna måste polariteten hos transformatorspänningen omkastas och nå en viss storlek innan kommuteringen av direktomriktaren initieras, och detta tillförsäkras genom anordnande av ett medel 39 för detekte- rande av spänningen över den första transformatorlindningen. Denna storlek bestäms genom villkoret att den i läckinduktansen lagrade energin måste vara tillräcklig för att fullborda återuppladdningen av snubberkondensatorerna. Dessutom kan en tilläggsinduktor 40 serie- kopplas med transformatorn för ökande av den totala induktansen mellan omriktarna och därigenom göra kommuteringarna långsam- mare. Omkopplingsförluster hos och påkänningar på halvledarele- menten kan även reduceras genom detta. Det spelar ingen roll om in- duktorn anordnas på direktomriktarsidan eller VSC-strömriktarsidan hos transformatorn. Fig 16a-i illustrerar fallet då VSC-strömriktarfas- benen kommuteras ett åt gången och fig 17 illustrerar hur u,,, i., och den resulterande uAC utvecklas över tiden under tillstånden i fig 16a-i.In the next phase, the VSC converter commutation is completed and the commutation of the direct converter continues until it is also completed. In order to ensure a complete commutation of both inverters, the polarity of the transformer voltage must be reversed and reach a certain magnitude before the commutation of the direct drive is initiated, and this is ensured by providing a means 39 for detecting the voltage across the first transformer winding. This magnitude is determined by the condition that the energy stored in the leakage inductance must be sufficient to complete the recharging of the snubber capacitors. In addition, an additional inductor 40 can be connected in series with the transformer to increase the total inductance between the inverters and thereby make the commutations slower. Switching losses at and stresses on the semiconductor elements can also be reduced by this. It does not matter if the inductor is arranged on the inverter side or the VSC inverter side of the transformer. Fig. 16a-i illustrates the case where the VSC converter phases are commutated one at a time and Fig. 17 illustrates how u ,,, i., And the resulting uAC evolve over time during the states of Fig. 16a-i.
N,, har i denna figur för enkelhets skull antagits vara 1.N 1 has been assumed in this figure for simplicity to be 1.
Fig 16a: initiellt tillstånd. Strömmen flyter igenom halvledaromkopp- larna i VSC-strömriktaren och effekten flödar från likspänningssidan till växelspänningssidan.Fig. 16a: initial state. The current flows through the semiconductor switches in the VSC converter and the power flows from the direct voltage side to the alternating voltage side.
Fig 16b: kommuteringen av ett av fasbenen hos VSC-strömriktaren initieras genom släckande av ett av halvledaromkopplarna som leder ström. Därigenom begynner u,, att minska liriärt och når slutligen noll.Fig. 16b: the commutation of one of the phase legs of the VSC converter is initiated by switching off one of the semiconductor switches which conducts current. As a result, u ,, begins to decrease liri and eventually reaches zero.
Fig 16c: när u,, når noll övertar den motsatta dioden i det kommute- rande VSC-strömrikarfasbenet strömmen. Omkopplaren som är anti- parallell med dioden som övertar strömmen tänds vid nollspännings- och nollströmsförhållanden. Varaktigheten hos detta intervall ställs in för att tillhandahålla det av modulatorn beordrade nollspännlngsinter- vallet. 10 15 20 25 30 35 523 457 29 Fig 16d: kommuteringen av det andra VSC-strömriktarfasbenet initie- ras och ut, begynner öka i den motsatta riktningen i jämförelse med det initiella tillståndet. Detta intervall skall hållas så kort som möjligt, eftersom effekten flödar i den motsatta riktningen mot den önskade.Fig. 16c: when u ,, reaches zero, the opposite diode in the commutating VSC current phase phase takes over the current. The switch, which is anti-parallel to the diode that takes over the current, lights up at zero voltage and zero current conditions. The duration of this interval is set to provide the zero voltage interval ordered by the modulator. 10 15 20 25 30 35 523 457 29 Fig. 16d: the commutation of the second VSC converter phase leg is initialized and out, begins to increase in the opposite direction compared to the initial state. This interval should be kept as short as possible, as the power flows in the opposite direction to the desired one.
Fig 16e: när ut, har bytt tecken och ökat tillräckligt i den motsatta rikt-- ningen initieras kommuteringen av båda direktomriktarfasbenen sam- tidigt. Energin i transformatorläckinduktansen måste överskrida den energi som krävs för att fullborda återuppladdningen av snubberkon- densatorerna hos ett fasben. l detta tillstånd underkastas systemet en resonansprocess som både fullbordar återuppladdningen av snubber- kondensatorerna och begynner minskande av i".Fig. 16e: when out, has changed characters and increased sufficiently in the opposite direction, the commutation of both direct drive phase legs is initiated at the same time. The energy in the transformer leakage inductance must exceed the energy required to complete the recharging of the snub capacitors of a phase leg. In this state, the system is subjected to a resonant process which both completes the recharging of the snub capacitors and begins to decrease i ".
Fig 16f: kommuteringen av det andra fasbenet hos VSC-strömriktaren fullbordas och dioden motsatt halvledaromkopplaren som initiellt ledde ström tar över strömmen. Halvledaromkopplaren som är antipa- rallell med dioden som övertager strömmen tänds vid nollspännings- och nollströmsförhållanden.Fig. 16f: the commutation of the second phase leg of the VSC converter is completed and the diode opposite the semiconductor switch which initially conducted current takes over the current. The semiconductor switch, which is antiparallel to the diode that takes over the current, lights up at zero voltage and zero current conditions.
Fig 169: strömmen genom transformatorn ändrar riktning och därige- nom kopplas strömmen om från dioder till halvledaromkopplare i VSC- strömriktaren.Fig. 169: the current through the transformer changes direction and thereby the current is switched from diodes to semiconductor switches in the VSC converter.
Fig 16h och 16i: när kommuteringen av direktomriktaren fullbordas är' systemet principiellt tillbaka i det initiella tillståndet och sekvensen kan startas på nytt från steg 1. l fallet då resonanskommutering används för likspänningssidomrikta- ren och det finns ett önskemål om att uppnå snabba övergångar utan onödiga fördröjningar från växelspänningssidkommuteringen till likspänningssidkommuteringen, kan detta göras genom initierande av likspänningssidresonanskommuteringen, genom att tända det rele- vanta halvledarelementet eller halvledarelementen i växelspännings- sidomriktaren före fullbordandet av växelspänningssidkommuteringen.Figs. 16h and 16i: when the commutation of the inverter is completed, the system is in principle back in the initial state and the sequence can be restarted from step 1. In the case where resonant commutation is used for the DC side inverter and there is a desire to achieve fast transitions without unnecessary delays from the AC side commutation to the DC side commutation, this can be done by initiating the DC side resonant commutation, by turning on the relevant semiconductor element or semiconductor elements in the AC side inverter before completing the AC side commutation.
Notera att detta innebär inte att någon ström kommer att flyta igenom dessa halvledarelement innan växelspänningssidkommuteringarna fullbordats, utan endast att fördröjningar mellan kommuteringarna hos de båda omriktarna undviks.Note that this does not mean that any current will flow through these semiconductor devices before the AC side commutations are completed, but only that delays between the commutations of the two inverters are avoided.
På liknande sätt kan i fallet av användande av resonanskommutering för likspänningssidomriktaren och då det finns ett önskemål om upp- 10 15 20 25 30 35 . 523 457 30 nående av snabba övergångar utan onödiga fördröjningar från Iikspänningssidkommuteringen till växelspänningssidkommuteringen,' detta göras genom initierande av växelspänningssidkommuteringen genom tändande av det relevanta halvledarelementet eller halvledar- elementen i växelspänningssidomriktaren före fullbordandet av Iikspänningssidresonanskommuteringen. Notera att detta innebär inte att någon ström kommer att flyta igenom nämnda halvledarelement innan likspänningssidkommuteringen fullbordas. utan endast att för- dröjningar mellan kommuteringarna av de båda omriktarna undviks.Similarly, in the case of using resonant commutation for the DC side inverter and when there is a desire for up- 15 15 25 25 30 35. 523 457 achieving rapid transitions without unnecessary delays from the AC side commutation to the AC side commutation, this is done by initiating the AC side commutation by igniting the relevant semiconductor element or semiconductor elements in the AC side inverter before the full board inverter. Note that this does not mean that any current will flow through said semiconductor element before the DC side commutation is completed. but only that delays between the commutations of the two inverters are avoided.
Ett exempel på en omkopplingssekvens som involverar resonans- kommutering av VSC-strömriktaren med ett önskat effektflöde från växelspänningssidan till likspänningssidan illustreras i fig 18a-i. Ut- vecklingen av u", it, och UAC under denna process illustreras i fig 19.An example of a switching sequence involving resonant commutation of the VSC converter with a desired power flow from the AC side to the DC side is illustrated in Figs. 18a-1. The evolution of u ", it, and UAC during this process is illustrated in Fig. 19.
Nr, har i denna figur för enkelhets skull antagits vara 1. Det illustreras schematiskt i fig 18f att anordningen innefattar medel 41 för detekte- rande av strömmen genom den andra transformatorlindningen för att tillförsäkra att strömmen igenom den andra transformatorlindningen har bytt riktning och överskrider ett förutbestämt ökningsströmvärde innan styrningen av VSC-strömriktaren för förändring av dennas kopplingstillstånd startas.No., has in this figure for simplicity been assumed to be 1. It is schematically illustrated in Fig. 18f that the device comprises means 41 for detecting the current through the second transformer winding to ensure that the current through the second transformer winding has changed direction and exceeds a predetermined increase current value before starting the control of the VSC converter to change its switching state.
Stegen hos denna kommuteringssekvens är såsom följer: Fig 18a: Detta är det initiella stadiet, på vilket strömmen flyter igenom dioderna i VSC-strömriktaren och effekten flyter från växelspännings- sidan till likspänningssidan (se fig 19).The steps of this commutation sequence are as follows: Fig. 18a: This is the initial stage, at which the current flows through the diodes in the VSC converter and the power flows from the AC side to the DC side (see Fig. 19).
Fig 18b: Kommuteringen av ett av direktomriktarfasbenen initieras.Fig. 18b: The commutation of one of the direct drive phase legs is initiated.
Fig 18c: Kommuteringen av det första fasbenet i direktomriktaren full- bordas och strömmen på likspänningssidan är noll som en konsek- vens av kortslutningen av fasutgångarna hos direktomriktaren. Varak-_ tigheten hos detta intervall ställs in att tillhandahålla det av modula- torn beordrade nollspänningsintervallet.Fig. 18c: The commutation of the first phase leg in the direct drive is completed and the current on the direct voltage side is zero as a consequence of the short circuit of the phase outputs of the direct drive. The duration of this interval is set to provide the zero voltage interval ordered by the modulator.
Fig 18d: Kommuteringen av det andra direktomriktarfasbenet begyn- nes. Ventilen som tänds för att uppnå detta görs ledande i båda rikt- ningarna. l VSC-strömriktaren begynner strömmen att öka igenom 10 15 20 25 30 35 523 457 L" 31 halvledaromkopplarna antiparallellt med dioderna som initiellt ledde ström.Fig. 18d: The commutation of the second direct drive phase leg begins. The valve that is switched on to achieve this is made conductive in both directions. In the VSC converter, the current begins to increase through the semiconductor switches antiparallel with the diodes that initially conducted current.
Fig 18e: Detta är ökningstillståndet. När transformatorströmmen blir högre än växelspänningssidströmmen (i likspänningssidtermer) fort- sätter direktomriktaren att kortsluta transformatorterminalerna. Även direktomriktarfasbenet som kommuterades först bringas att leda i rikt- ningen av ut, för att tillhandahålla en tillkommande väg för reso- nansströmmen. Detta är inte nödvändigt, men det utgör en föredragen lösning, eftersom det reducerar påkänningen på växelspänningssid- ventilerna.Fig. 18e: This is the increase state. When the transformer current becomes higher than the AC side current (in DC side terms), the inverter continues to short-circuit the transformer terminals. The direct converter phase leg that was first commutated is also brought to lead in the direction of out, in order to provide an additional path for the resonant current. This is not necessary, but it is a preferred solution, as it reduces the stress on the AC side valves.
Fig 18f: Detta är resonansstadiet. När transformatorströmmen har ökat med en viss förutbestämd mängd, den så kallade ökningsström- men, indikerad genom strömdetekteringsmedlet 41, släcks båda halv- ledaromkopplarna som leder ström i VSC-strömriktaren. Detta initierar- resonansprocessen som återuppladdar snubberkondensatorerna och omkastar därigenom polariteten hos un.Fig. 18f: This is the resonance stage. When the transformer current has increased by a certain predetermined amount, the so-called increase current, indicated by the current detecting means 41, both semiconductor switches which conduct current in the VSC converter are switched off. This initiates the resonant process which recharges the snub capacitors and thereby reverses the polarity of un.
Fig 18g: När polariteten har omkastats fullständigt tar dioder över strömmen i VSC-strömriktaren. Halvledaromkopplarna som är antipa- rallella med dessa dioder tänds vid nollspännings- och nollsströmsför- hållanden. Strömmen igenom transformatorn minskar linjärt.Fig. 18g: When the polarity has been completely reversed, diodes take over the current in the VSC converter. The semiconductor switches that are antiparallel to these diodes light up at zero voltage and zero current conditions. The current through the transformer decreases linearly.
Fig 18h-i: När it, når nivån av iAC släcks omkopplarna i direktomrikta- ren som var tända för att tillhandahålla resonanskretsen naturligt.Fig. 18h-i: When it reaches the level of the iAC, the switches in the inverter which were lit to supply the resonant circuit naturally switch off.
Därigenom är systemet principiellt tillbaka vid det initiella tillståndet.As a result, the system is in principle back to its initial state.
Sekvensen kan startas på nytt.The sequence can be restarted.
Kommuteringssekvensen är anpassad till driftsförhållandena och kan för vissa förhållanden vara såsom följer. l fallet då riktningen av växelspänningssidströmmen, iAC, förändras under driften, exempelvis på grund av att strömmen är av växeltyp, kan några förändringar av' kommuteringscykeln vara nödvändiga. Detta innebär att systemet kommer att gå till ett nytt steg i kommuteringscykeln utan att följa den tidigare beskrivna ordningen på sådant sätt att det kan fortgå från nämnda nya steg såsom tidigare beskrivet.The commutation sequence is adapted to the operating conditions and may for some conditions be as follows. In the case where the direction of the AC side current, iAC, changes during operation, for example because the current is of the AC type, some changes to the commutation cycle may be necessary. This means that the system will go to a new step in the commutation cycle without following the previously described order in such a way that it can proceed from said new steps as previously described.
I egenskap av exempel beskrivs några förfaranden för uppnående av defla. 10 15 20 25 30 35 :'. ;",', f _"..". H H u »nu n n 0 .s n p . , _ - ø- v H - n n. u. .u -. . I - »al :'U:. ' ~ . . s . - u . Z I '..'.2. ' ' ' ' - 3 5 - V nu o- nu 1 u . 32 I fallet då riktningen av IAC ändras under steg ll i kommuteringscykeln skulle systemet kunna fortsätta direkt med steg I när steg II är avslu- tat.As examples, some procedures for achieving the fl a are described. 10 15 20 25 30 35: '. ; ", ', f _" .. ". HH u» nu nn 0 .snp., _ - ø- v H - n nu .u -.. I - »al:' U :. '~.. s . - u. ZI '..'. 2. '' '' - 3 5 - V nu o- nu 1 u. 32 In the case where the direction of IAC changes during step ll of the commutation cycle, the system could proceed directly with step I when step II is completed.
I fallet då riktningen av iAC förändras under steg IV i kommuteringscy- keln skulle systemet kunna fortsätta direkt med steg III när steg IV är avslutat.In the case where the direction of the iAC changes during stage IV of the commutation cycle, the system could continue directly with stage III when stage IV is completed.
I fallet då Iikspänningssidomriktaren är utrustad med två fasben och dessa kommuteras ett åt gången genom resonanskommutering och IAC ändrar tecken under intervallet när det första av dessa fasben har kommuterats, skulle systemet kunna kommutera detta fasben igen när det önskade nollspänningsintervallet är fullbordat och därefter fort- sätta med steg II.In the case where the DC side inverter is equipped with two phase legs and these are commutated one at a time by resonant commutation and the IAC changes characters during the interval when the first of these phase legs has been commuted, the system could commute this phase leg again when the desired zero voltage interval is completed and then continue. with step II.
I fallet då en nollgenomgång av iAC skulle kunna uppträda skulle detta kunna tas hand om genom att direktomriktarventilerna som leder ström styrs att leda-i båda riktningarna.In the case where a zero crossing of the iAC could occur, this could be taken care of by the direct converter valves that conduct current being controlled to conduct in both directions.
Det kan i korthet nämnas att för fallet av en enfasterminal hos växelspännlngssidan finns fyra olika kopplingstillstånd för utförings- formen med två fasben, nämligen (KACJ = -1, km; = -1) och (KACJ = 1, km; = 1) vilket ger uAC = O, (KACJ = 1, KAC; = -1) vilket ger uAC = Nwut, och slutligen (KACJ = -1, km; = 1) vilket ger UAC = -Ntrulp I detta fall kan således de önskade nollspänningsintervallen antingen uppnås genom kommutering av fasbenen hos VSC-strömriktaren ett åt gången eller alternativt genom att låta systemet kvarvara i ett av tillstånden i vilket direktomriktaren kortsluter sina båda fasutgångar. Skulle istället direktomriktaren ha endast ett fasben, såsom i utföringsformen enligt fig 4, finns inte någon möjlighet att kortsluta fasutgångarna medelst' direktomriktaren. Det enda möjliga förfarandet för uppnående av det önskade pulsmönstret är således att använda ett förfarande vid vilket VSC-strömriktarfasbenen kommuteras ett åt gången.It can be briefly mentioned that for the case of a single-phase terminal on the AC voltage side, there are four different coupling states for the embodiment with two phase legs, namely (KACJ = -1, km; = -1) and (KACJ = 1, km; = 1) which gives uAC = 0, (KACJ = 1, KAC; = -1) which gives uAC = Nwut, and finally (KACJ = -1, km; = 1) which gives UAC = -Ntrulp In this case the desired zero voltage intervals can either is achieved by commutating the phase legs of the VSC inverter one at a time or alternatively by allowing the system to remain in one of the states in which the direct inverter short-circuits its two phase outputs. Should instead the direct drive have only one phase leg, as in the embodiment according to Fig. 4, there is no possibility of short-circuiting the phase outputs by means of the direct drive. Thus, the only possible method for achieving the desired pulse pattern is to use a method in which the VSC converter phase legs are commutated one at a time.
Fastän de olika stegen hos kommuteringssekvenserna för ett mönster av positiva spänningspulser på växelspänningssidan hos anordningen har illustrerats ovan, är det uppenbart att kommuteringssekvensen kommer att utföras på analogt sätt för ett intervall av negativa spän- ningspulser önskade på växelspänningsfasterminalen. 10 15 20 0 o. v 1 n o i u . n ..- 523 457 33 Sammanfattningsvis kombinerar det föreslagna omriktningskonceptet de bästa egenskaperna hos en direktomriktare med de hos en VSC- omriktare för att bilda ett system med ett lågt antal komponenter,' märkbart reducerade omkopplingsförluster och en mycket attraktiv uppsättning funktionaliteter.Although the different steps of the commutation sequences for a pattern of positive voltage pulses on the AC side of the device have been illustrated above, it is obvious that the commutation sequence will be performed in an analogous manner for a range of negative voltage pulses desired on the AC fixed terminal. 10 15 20 0 o. V 1 n o i u. n ..- 523 457 33 In summary, the proposed conversion concept combines the best features of a direct drive with those of a VSC drive to form a system with a low number of components, 'significantly reduced switching losses' and a very attractive set of functionalities.
Uppfinningen är naturligtvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan många möjligheter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en genomsnittsfackman på området utan avvikande från uppfinningens grundtanke, sådan denna definieras i bifogade krav.The invention is of course not in any way limited to the preferred embodiments described above, but many possibilities for modifications thereof should be obvious to a person skilled in the art without departing from the basic idea of the invention, as defined in the appended claims.
Det påpekas att "detekterande" såsom använt ovan för strömdetekte- ringsmedlet 41 och i motsvarande bifogade krav måste tolkas att även innefatta fallet av indirekt detektering av strömmen igenom den andra transformatorlindningen. Detta medel kan mycket väl vara anslutet för att mäta strömmen i den första transformatorlindningen och använda transformeringsförhållandet hos transformatorn för att uppnå strömf men i den andra transformatorlindningen.It is pointed out that "detecting" as used above for the current detecting means 41 and in the corresponding appended claims must be interpreted to also include the case of indirect detection of the current through the second transformer winding. This means may well be connected to measure the current in the first transformer winding and use the transformation ratio of the transformer to achieve current in the second transformer winding.
Claims (52)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE523457T |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE523457C3 true SE523457C3 (en) | 2004-05-26 |
Family
ID=52014579
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE523457D SE523457C3 (en) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
SE (1) | SE523457C3 (en) |
-
0
- SE SE523457D patent/SE523457C3/sv unknown
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
SE523457C2 (en) | VSC inverter equipped with resonant circuit for mounting, and associated procedure, computer program product and computer readable medium | |
US6603675B1 (en) | Apparatus and a method for voltage conversion | |
CN103312151B (en) | Direct current link circuit | |
Lai | Resonant snubber-based soft-switching inverters for electric propulsion drives | |
Norrga | Experimental study of a soft-switched isolated bidirectional AC–DC converter without auxiliary circuit | |
US7848121B2 (en) | Advanced matrix converter and method for operation | |
US5710698A (en) | Delta connected resonant snubber circuit | |
Zeng et al. | SiC-based Z-source resonant converter with constant frequency and load regulation for EV wireless charger | |
US20120218785A1 (en) | Three-Level Active Neutral Point Clamped Zero Voltage Switching Converter | |
JP5022910B2 (en) | Matrix converter | |
JPWO2009157097A1 (en) | Synchronous motor drive power supply | |
Li et al. | A simplified three-phase zero-current-transition inverter with three auxiliary switches | |
SE512795C2 (en) | VSCconverter | |
Norrga et al. | A three-phase soft-switched isolated AC/DC converter without auxiliary circuit | |
He et al. | Zero-voltage-switching sinusoidal pulsewidth modulation method for three-phase four-wire inverter | |
Pal et al. | A three-phase three-level isolated DC–AC converter with line frequency unfolding | |
CN110995039B (en) | Low-loss modular multilevel converter and parameter design method thereof | |
CA3149212A1 (en) | Soft-switching current source inverters | |
SE523457C3 (en) | ||
JP4488130B2 (en) | Power converter | |
CN109004865B (en) | Double-bridge arm AC-DC-AC variable frequency soft starter and control method | |
Pal et al. | A novel modulation strategy for active rectification of a snubber less soft-switched single stage 30 high frequency link DC-AC converter | |
JP3296424B2 (en) | Power converter | |
Norrga et al. | A three-phase soft-switched isolated AC/DC converter without auxiliary circuit | |
EP4380035A1 (en) | Control apparatus for an arcp inverter |