WO2013186006A2 - Multizellenkonverter - Google Patents

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WO2013186006A2
WO2013186006A2 PCT/EP2013/060131 EP2013060131W WO2013186006A2 WO 2013186006 A2 WO2013186006 A2 WO 2013186006A2 EP 2013060131 W EP2013060131 W EP 2013060131W WO 2013186006 A2 WO2013186006 A2 WO 2013186006A2
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terminal
converter
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Holger Leu
Jürgen MOSER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a multi-cell converter having the features according to the preamble of patent claim 1.
  • a multi-cell converter is known from the publication "An innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a White Power Range" (A. Lesnicar and R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, June 23-26, 2003, Bologna, Italy). known.
  • This previously known multi-cell converter is a so-called Marquardt converter, which comprises at least two parallel-connected series circuits whose external connections form DC voltage connections of the converter.
  • Each of the parallel-connected series circuits each includes series-connected switching modules, each comprising at least two switches and a capacitor. By suitable control of the switches, the voltage level at the output terminals can be adjusted.
  • the previously known Marquardt inverter is equipped with half-bridge modules (also called Marquardt modules).
  • multi-cell converters based on half-bridge modules require relatively few components and are therefore relatively inexpensive to produce, they do not have a DC short-circuit without expensive additional circuitry. Also, multi-cell converters based on half-bridge modules can not be interconnected in a triangle because they can not build a negative voltage on a branch.
  • multi-cell converters are equipped with full-bridge modules instead of half-bridge modules. can be.
  • the advantage of a multi-cell converter with full-bridge modules is that the multi-cell converter - as opposed to multi-cell converters based on half-bridge modules - can master a DC short circuit because the full-bridge modules can be controlled in such a way that a corresponding reverse voltage is built up.
  • Multicell converters in full-bridge module technology can also be interconnected in a triangle, in contrast to multi-cell converters based on half-bridge modules.
  • the invention has for its object to provide a multi-cell converter, which manages with few components and is universally applicable.
  • the invention provides that the switching modules each comprise a plurality of successively connected sub-modules, each having a first and a second input terminal and a first and a second output terminal, wherein between the first input terminal and the first output terminal a first switch and between the second input terminal and the second output terminal, a second switch is connected, the first output terminal of an upstream submodule is respectively connected to the second input terminal of each immediately downstream submodule, the second output terminal of an upstream submodule respectively connected to the first input terminal of the respective immediately downstream submodule is, the two input terminals of the first submodule in the submodule chain are connected to each other and form an input terminal of the switching module, the two Popeanschl uß of the last submodule in the submodule chain are interconnected and form an output terminal of the switching module and in each of the sub-module chain belonging sub-modules, with the exception of the last sub-module, between the first and the second output terminal in each case an energy storage is switched.
  • a significant advantage of the multi-cell converter according to the invention is that the switching modules are not formed by series-connected full-bridge modules or series-connected half-bridge modules, but instead each by a plurality of successively connected sub-modules, each having two input terminals and two output terminals , The interconnection of the input terminals and output terminals of the successively connected sub-modules is carried out according to the invention of
  • Submodule to submodule with reversed input terminals or with reversed or inverted polarity so that the energy storage of the sub-modules - as seen along the sub-module chain - are each operated with alternating polarity.
  • inventively provided sub-module chain formation with chain-like inverted interconnection of the individual sub-modules a particularly small number of switches and energy storage is required to generate a predetermined number of different voltage levels can. If, for example, each switching module comprises n + 1 submodules, ie n energy stores, all voltage levels between + nUc and -nUc can be set with the n + 1 submodules, where Uc denotes the maximum permissible voltage at the energy stores.
  • Uc denotes the maximum permissible voltage at the energy stores.
  • the achievable ratio between the settable voltage levels and the required number of energy stores or sub-modules is thus significantly better than in previously known multi-cell converters.
  • a further significant advantage of the multicell converter according to the invention is the fact that it can handle DC shorts when used as an inverter and, moreover, can form a triangular circuit.
  • An additional significant advantage of the multi-cell converter according to the invention is the fact that it also allows integration of battery storage, without circuit-technical changes would be necessary.
  • the first and the second switch are each formed by a semiconductor switch.
  • the first and the second switch are each a transistor (hereinafter also referred to as first and second transistor), preferably a bipolar transistor with an insulated gate electrode.
  • the first and the second transistor are connected in relation to their emitter-collector paths and with respect to the two input terminals of the respective sub-module opposite.
  • each submodule is connected to the collector terminal of the first transistor and the second input terminal of each submodule is connected to the emitter terminal of the second transistor stands.
  • the first output terminal of each sub-module is connected to the emitter terminal of the first transistor and the second output terminal of each sub-module is connected to the collector terminal of the second transistor.
  • each switching module has at least four partial modules connected in series one after the other.
  • the energy store is a capacitor or a battery or at least also includes a capacitor or a battery.
  • the sub-modules are identical.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a multi-cell converter according to the invention, which forms a converter
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a switching module for the multi-cell converter according to FIG. 1,
  • FIG 3 shows a second embodiment of a switching module for the multi-cell converter according to Figure 1 and
  • Figure 4 shows an embodiment of a multi-cell converter according to the invention, the switching modules are connected e- lektrisch in the triangle.
  • FIG. 1 shows a multi-cell converter 10 which has a first connection side 11 and a second connection side 1.
  • a three-phase AC voltage system which provides three phase voltages can be connected to the first connection side 11 of the multi-cell converter 10.
  • the three alternating voltages generate three alternating currents, which at the first End page 11 are fed into the multi-cell converter 10.
  • the wiring of the multi-cell converter 10 is to be understood here only as an example; in the multi-cell converter 10, it is alternatively possible to feed electrical energy into the multi-cell converter 10 at the second connection side 12 and to draw electrical energy in the form of converted voltages and converted currents at the first connection side 11. It is also possible, with a supply of alternating voltages or alternating currents on the first connection side 11 to make a reversal such that at the second connection side 12 no permanently constant
  • DC voltage is produced, but a temporally varying DC voltage or an AC voltage. If an alternating voltage is generated on the output side, then, for example, a frequency conversion from 50 Hz to 16.6 Hz or vice versa can take place.
  • the multi-cell converter 10 has three series connections R 1, R 2 and R 3, each of which comprises two switching modules SM.
  • the three series circuits R1, R2 and R3 form three converter branches of the multi-cell converter 10.
  • Each of the three series circuits Rl, R2 and R3 is in each case equipped with two inductors L, via which the two switching modules SM of the respective series connection are connected to the first connection side 11.
  • the structure of the multi-cell converter 10 thus corresponds to the basic structure of a cell converter, which is often referred to in the literature as a Marquardt converter, with the difference that the switching modules SM are designed differently. This will be explained in more detail below.
  • FIG. 1 also shows that the multi-cell converter 10 for controlling the switching modules SM of the three series circuits R1, R2 and R3 has a control device 30, which has control lines 30 via individual control lines
  • Switching modules SM of the three series circuits Rl, R2 and R3 is connected.
  • the connecting lines are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity.
  • the control device 30 For controlling the switching modules SM, the control device 30 generates control signals ST (SM), which are transmitted via the control lines, not shown, to the switching modules.
  • control device 30 In order to determine the optimum control signals ST (SM), the control device 30 is acted upon on the input side by a multiplicity of measuring signals and / or measured data.
  • these are measurement signals and / or measurement data which indicate the alternating voltages applied to the first connection side 11, the alternating currents flowing in the first connection side 11, the direct current flowing on the second connection side 12 and the voltage applied to the second connection side 12.
  • control device 30 - such as the above-mentioned control lines or other signal lines - such with the switching modules SM of the three
  • the control device 30 thus knows, based on the data present on the input side, which voltages and currents are present on the first connection side 11 and on the second connection side 12, and also, in which operating state the individual switching modules SM of the three series circuits Rl, R2 and R3 are located.
  • the control device 30 On the basis of the measurement signals and / or measurement data present on the input side and the state data applied on the input side, the control device 30 is able to control the switching modules SM in such a way that, on the output side, a desired direct voltage and a desired direct current depend on the alternating voltages and alternating currents applied to the first connection side 11 be generated or delivered.
  • the multi-cell converter 10 can also be operated inversely or reversely, with current being fed in at the second connection side 12 and current being converted being taken out at the first connection side 11.
  • a corresponding reverse or inverse operation is made possible by the control device 30 by controlling the switching modules SM according to different.
  • the control device 30 can comprise, for example, a computing device (eg in the form of a data processing system or a computer) which is programmed in such a way that it depends on the measurement signals, measurement data or measurement signals present on the input side. State data each optimal
  • control of the switching modules SM determined and generated in this way, the control signals necessary for control ST (SM).
  • a corresponding control program (or control program module) for controlling the computing device can be stored in a memory located in the control device.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a switching module SM, as can be used in the multi-cell converter 10 according to FIG.
  • FIG. 2 shows a multiplicity of submodules TM1-TMn which are connected in cascaded series and together form a submodule chain TMK.
  • Each of the partial modules TM1 TMn has two input terminals El and E2 and two output terminals AI and A2.
  • a first switch S1 is connected in each case to the first input terminal El and the first output AI of each partial module TM1-TMn.
  • a second switch S2 is electrically connected between the second input terminal E2 and the second output terminal A2.
  • the submodules TM1 to TMn-1 each have an energy supply in the form of a capacitor C, each between the first output terminal AI and the second output terminal A2 of the respective submodule TMl to TMn-1 is connected.
  • the two input terminals El and E2 of the first submodule TM1 in the submodule chain TMK are directly connected to one another and form an input terminal SME of the switching module SM.
  • the two output terminals AI and A2 of the last submodule TMn in the submodule chain TMK are likewise directly electrically connected to one another and form an output terminal SMA of the switching module SM.
  • the switches S 1 and S 2 of each submodule are each formed by a transistor T, which has an emitter terminal E and a collector terminal K.
  • the emitter-collector paths of the two switches S 1 and S 2 are interconnected in each submodule in each case, relative to the input side of the respective submodule.
  • the collector K of the switch S1 is connected to the first input terminal El
  • the second input terminal E2 of each submodule is connected to the emitter terminal E of the second switch S2.
  • Figure 2 shows the electrical interconnection of the sub-modules with each other in more detail.
  • the first output terminal AI of an switched submodule is connected to the second input terminal E2 of the respective immediately downstream submodule.
  • the second output terminal A2 of an upstream submodule TM is in each case connected to the first input terminal E1 of the respectively directly downstream submodule TM.
  • each emitter is connected to an emitter and each collector is connected to a collector, respectively;
  • the polarity of the transistors thus alternates in the series circuits SRI and SR2 along the submodule chain.
  • Switching module SM as it can be used in the multi-cell converter 10 according to FIG.
  • additional auxiliary capacitors Cl and C2 are present, which may be, for example, so-called snubber capacitors.
  • the function of the two capacitors C 1 and C 2 is to pick up the voltage peaks of the parasitic inductances which occur during the current commutation from one transistor to the next.
  • the switches are formed by transistors T;
  • the interconnection of the emitter and collector terminals E and K of the transistors is preferably carried out as in the exemplary embodiment according to FIG. 2, that is, in the internal transistors, ie those which are not connected to the input terminal SME or the output terminal SMA of FIG Switching module SM are connected, each collector in each case with a collector and each emitter in each case with an emitter in communication.
  • FIG. 4 shows a three-phase multi-cell converter 10 for a three-phase voltage, which comprises three switching modules SM connected electrically in a delta, each having two inductances L.
  • the switching modules SM can be constructed in the same way as has been explained above in connection with the exemplary embodiments according to FIGS. 2 and 3.
  • a control device 30 Connected to the switching modules SM is a control device 30, which can control the switching modules SM by means of switching moduleindividual control signals ST (SM) such that predetermined branch currents flow in the triangle.
  • the control device 30 is connected to each of the switching modules SM via individual control lines. The connecting lines are not shown in FIG. 4 for reasons of clarity.
  • the control device 30 is acted upon on the input side by a multiplicity of measuring signals and / or measured data. For example, these are measurement signals and / or measurement data, which the the AC voltage applied to the converter, indicating the flowing phase currents and / or the branch currents.
  • control device 30 is connected to the switching modules SM, for example via the already mentioned control lines or via further signal lines, such that state data describing the respective state of the switching modules can be transmitted to the control device 30.
  • the control device 30 thus knows, on the basis of the data present on the input side, which voltages and currents are present, as well as in which operating state the individual switching modules SM are located.
  • the control device 30 On the basis of the measurement signals and / or measurement data present on the input side and the state data applied on the input side, the control device 30 is able to control the switching modules SM in such a way that a desired converter behavior, for example a desired compensation behavior, in particular a desired reactive power, harmonic or flicker compensation behavior , is achieved.
  • a desired converter behavior for example a desired compensation behavior, in particular a desired reactive power, harmonic or flicker compensation behavior
  • control device 30 may comprise, for example, a computing device (eg in the form of a data processing system or a computer) which is programmed in such a way that it depends on the measurement signals, measurement data or state data present on the input side each optimal control of the switching modules SM determined and generated in this way necessary for the control control signals ST (SM).
  • a corresponding control program (or control program module) for controlling the computing device can be stored in a memory located in the control device 30.
  • the delta connection shown in FIG. 4 can be used as an active filter or as an active compensation device. It is also possible, as an alternative or in addition to the capacitors shown, to use batteries as battery storages which are used either directly instead of the capacitors or in each case via an adaptation circuit to an associated capacitor.
  • a two-level inverter or another type of inverter can also be connected to each capacitor in order to couple or decouple energy into the multi-cell converter.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Multizellenkonverter (10) mit Schaltmodulen (SM). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schaltmodule (SM) jeweils eine Mehrzahl an nacheinander geschalteten Teilmodulen (TMl-TMn) umfassen, die jeweils einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss (E1, E2) und jeweils einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss (A1, A2) aufweisen, wobei zwischen den ersten Eingangsanschluss (E1) und den ersten Ausgangsanschluss (A1) ein erster Schalter (Sl) und zwischen den zweiten Eingangsanschluss (E2) und den zweiten Ausgangsanschluss (A2) ein zweiter Schalter (S2) geschaltet ist. Bei allen zu der Teilmodulkette (TMK) gehörenden Teilmodulen (TM1-TMn), mit Ausnahme des letzten Teilmoduls (TMn, T3), ist zwischen den ersten (A1) und den zweiten Ausgangsanschluss (A2) jeweils ein Energiespeicher (C, B) geschaltet.

Description

Beschreibung
Multizellenkonverter Die Erfindung bezieht sich auf einen Multizellenkonverter mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Multizellenkonverter ist aus der Druckschrift "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wi- de Power Range" (A. Lesnicar und R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.-26. Juni 2003, Bologna, Italien) bekannt. Bei diesem vorbekannten Multizellenkonverter handelt es sich um einen sogenannten Marquardt -Umrichter, der zumindest zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen um- fasst, deren äußere Anschlüsse Gleichspannungsanschlüsse des Umrichters bilden. Jede der parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst jeweils in Reihe geschaltete Schaltmodule, die jeweils mindestens zwei Schalter und einen Kondensator umfassen. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter lässt sich das Spannungsniveau an den Ausgangsanschlüssen einstellen. Der vorbekannte Marquardt -Umrichter ist mit Halbbrückenmodulen (auch Marquardtmodule genannt) ausgestattet.
Eine Weiterentwicklung des beschriebenen Multizellenkonver- ters ist aus der Druckschrift WO 2011/067120 bekannt. Dieser Multizellenkonverter ist mit Halbbrückenmodulen ausgestattet, die durch einen Schalter miteinander verbunden sind.
Multizellenkonverter auf der Basis von Halbbrückenmodulen be- nötigen zwar relativ wenig Bauteile und sind dadurch relativ preiswert herzustellen, jedoch beherrschen sie einen Gleich- spannungskurzschluss ohne aufwändige Zusatzbeschaltung nicht. Auch können Multizellenkonverter auf der Basis von Halbbrückenmodulen nicht im Dreieck verschaltet werden, da sie keine negative Spannung an einem Zweig aufbauen können.
Darüber hinaus ist bekannt, dass Multizellenkonverter mit Vollbrückenmodulen anstelle von Halbbrückenmodulen ausgestat- tet werden können. Der Vorteil eines Multizellenkonverters mit Vollbrückenmodulen besteht darin, dass der Multizellen- konverter - im Gegensatz zu Multizellenkonvertern auf der Basis von Halbbrückenmodulen - einen Gleichspannungskurzschluss (DC-Kurzschluss) beherrschen kann, da die Vollbrückenmodule so gesteuert werden können, dass eine entsprechende Gegenspannung aufgebaut wird. Multizellenkonverter in Vollbrücken- modultechnik können - im Gegensatz zu Multizellenkonvertern auf der Basis von Halbbrückenmodulen - außerdem im Dreieck verschaltet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Multizellenkonverter anzugeben, der mit wenigen Bauteilen auskommt und universell einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Multizellenkonverter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Multizellenkonverters sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaltmodule jeweils eine Mehrzahl an nacheinander geschalteten Teilmodulen umfassen, die jeweils einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss und jeweils einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss aufweisen, wobei zwischen den ersten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss ein erster Schalter und zwischen den zweiten Eingangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss ein zweiter Schalter geschaltet ist, der erste Ausgangsanschluss eines vorgeschalteten Teil- moduls jeweils mit dem zweiten Eingangsanschluss des jeweils unmittelbar nachgeordneten Teilmoduls verbunden ist, der zweite Ausgangsanschluss eines vorgeschalteten Teilmoduls jeweils mit dem ersten Eingangsanschluss des jeweils unmittelbar nachgeordneten Teilmoduls verbunden ist, die beiden Ein- gangsanschlüsse des in der Teilmodulkette ersten Teilmoduls miteinander verbunden sind und einen Eingangsanschluss des Schaltmoduls bilden, die beiden Ausgangsanschlüsse des in der Teilmodulkette letzten Teilmoduls miteinander verbunden sind und einen Ausgangsanschluss des Schaltmoduls bilden und bei allen zu der Teilmodulkette gehörenden Teilmodulen, mit Ausnahme des letzten Teilmoduls, zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss jeweils ein Energiespeicher ge- schaltet ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Multizellen- konverters ist darin zu sehen, dass die Schaltmodule jeweils nicht durch in Reihe geschaltete Vollbrückenmodule oder in Reihe geschaltete Halbbrückenmodule gebildet werden, sondern stattdessen jeweils durch eine Mehrzahl an nacheinander geschalteten Teilmodulen, die jeweils zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse aufweisen. Die Verschaltung der Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse der nacheinander geschalteten Teilmodule erfolgt dabei erfindungsgemäß von
Teilmodul zu Teilmodul mit vertauschten Eingangsanschlüssen bzw. mit umgekehrter bzw. invertierter Polarität, so dass die Energiespeicher der Teilmodule - entlang der Teilmodulkette gesehen - jeweils mit wechselnder Polarität betrieben werden. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Teilmodulkettenbildung mit kettenartig invertierter Verschaltung der einzelnen Teilmodule wird eine besonders geringe Anzahl an Schaltern und Energiespeichern benötigt, um eine vorgegebene Anzahl an unterschiedlichen Spannungsniveaus erzeugen zu können. Umfasst jedes Schaltmodul beispielsweise n+1 Teilmodule, also n Energiespeicher, so lassen sich alle Spannungsniveaus zwischen +nUc und -nUc mit den n+1 Teilmodulen einstellen, wobei Uc die maximal zulässige Spannung an den Energiespeichern bezeichnet. Das erzielbare Verhältnis zwischen den einstellba- ren Spannungsniveaus und der benötigten Anzahl an Energiespeichern bzw. Teilmodulen ist somit deutlich besser als bei vorbekannten Multizellenkonvertern .
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Mul- tizellenkonverters ist darin zu sehen, dass dieser Gleichspannungskurzschlüsse bei einem Einsatz als Umrichter handhaben sowie darüber hinaus eine Dreiecksschaltung bilden kann. Ein zusätzlicher wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Multizellenkonverters ist darin zu sehen, dass dieser auch eine Integration von Batteriespeichern ermöglicht, ohne dass schaltungstechnische Veränderungen nötig wären.
Mit Blick auf ein verschleißarmes Schaltverhalten der Schalter wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der erste und der zweite Schalter jeweils durch einen Halbleiterschalter gebildet sind.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten Schalter jeweils um einen Transistor - nachfolgend auch erster und zweiter Transistor genannt -, vorzugsweise um einen bipolaren Transistor mit isolierter Gateelektrode.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Multizellenkonverters ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Transistor bezogen auf ihre Emitter-Kollektorstrecken und bezogen auf die beiden Eingangsanschlüsse des jeweiligen Teil- moduls entgegengesetzt verschaltet sind.
Bezüglich der Verschaltung der Transistoren wird es darüber hinaus als vorteilhaft angesehen, wenn der erste Eingangsan- schluss eines jeden Teilmoduls mit dem Kollektoranschluss des ersten Transistors in Verbindung steht und der zweite Ein- gangsanschluss eines jeden Teilmoduls mit dem Emitteran- schluss des zweiten Transistors in Verbindung steht.
Vorzugsweise steht der erste Ausgangsanschluss eines jeden Teilmoduls mit dem Emitteranschluss des ersten Transistors und der zweite Ausgangsanschluss eines jeden Teilmoduls mit dem Kollektoranschluss des zweiten Transistors in Verbindung.
Mit Blick auf eine ausreichende Zahl an Spannungsniveaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn jedes Schaltmodul jeweils mindestens vier in Kette nacheinander geschaltete Teilmodule aufweist . Bezüglich der Ausgestaltung des Energiespeichers wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Energiespeicher ein Kondensator oder eine Batterie ist oder einen Kondensator oder eine Batterie zumindest auch umfasst .
Vorzugsweise sind die Teilmodule baugleich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Multizellenkonverter, der einen Umrichter bildet , Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Schaltmodul für den Multizellenkonverter gemäß Figur 1,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Schaltmodul für den Multizellenkonverter gemäß Figur 1 und
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Multizellenkonverter, dessen Schaltmodule e- lektrisch im Dreieck geschaltet sind.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische o- der vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .
Die Figur 1 zeigt einen Multizellenkonverter 10, der eine erste Anschlussseite 11 sowie eine zweite Anschlussseite 1 aufweist .
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 kann an die erste Anschlussseite 11 des Multizellenkonverters 10 ein dreiphasi ges Wechselspannungssystem angeschlossen werden, das drei Phasenspannungen bereitstellt. Durch die drei Wechselspannun gen werden drei Wechselströme erzeugt, die an der ersten An- Schlussseite 11 in den Multizellenkonverter 10 eingespeist werden .
Mit den an der ersten Anschlussseite 11 anliegenden Wechsel- Spannungen und Wechselströmen werden aufgrund der Umrichtung in dem Multizellenkonverter 10 an der zweiten Anschlussseite 12 beispielsweise eine Gleichspannung sowie ein Gleichstrom erzeugt, die an der zweiten Anschlussseite 12 den Multizellenkonverter 10 verlassen.
Die Beschaltung des Multizellenkonverters 10 ist hier nur beispielhaft zu verstehen; bei dem Multizellenkonverter 10 ist es alternativ möglich, an der zweiten Anschlussseite 12 elektrische Energie in den Multizellenkonverter 10 einzuspei- sen und an der ersten Anschlussseite 11 elektrische Energie in Form umgerichteter Spannungen und umgerichteter Ströme zu entnehmen. Auch ist es möglich, bei einer Einspeisung von Wechselspannungen bzw. Wechselströmen an der ersten Anschlussseite 11 eine Umrichtung derart vorzunehmen, dass an der zweiten Anschlussseite 12 keine dauerhaft konstante
Gleichspannung entsteht, sondern eine zeitliche variierende Gleichspannung oder eine Wechselspannung. Wird ausgangsseitig eine Wechselspannung erzeugt, so kann beispielsweise eine Frequenzumsetzung von 50 Hz auf 16,6 Hz oder umgekehrt erfol- gen.
Wie sich der Figur 1 entnehmen lässt, weist der Multizellenkonverter 10 drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 auf, die jeweils zwei Schaltmodule SM umfassen. Die drei Reihenschal- tungen Rl, R2 und R3 bilden drei Umrichterzweige des Multizellenkonverters 10.
Jede der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 ist jeweils mit zwei Induktivitäten L ausgestattet, über die die beiden Schaltmodule SM der jeweiligen Reihenschaltung an die erste Anschlussseite 11 angeschlossen sind. Die Struktur des Multizellenkonverters 10 entspricht somit der Grundstruktur eines Zellenkonverters, wie er in der Literatur häufig auch als Marquardt -Umrichter bezeichnet wird, mit dem Unterschied, dass die Schaltmodule SM anders ausge- staltet sind. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt außerdem, dass der Multizellenkonverter 10 zur Ansteuerung der Schaltmodule SM der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 eine Steuereinrichtung 30 aufweist, die ü- ber individuelle Steuerleitungen jeweils mit jedem der
Schaltmodule SM der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 verbunden ist. Die Verbindungsleitungen sind in der Figur 1 aus Gründen der Übersicht nicht eingezeichnet. Zur Ansteuerung der Schaltmodule SM erzeugt die Steuereinrichtung 30 Steuer- Signale ST (SM), die über die nicht gezeigten Steuerleitungen zu den Schaltmodulen übertragen werden.
Zur Ermittlung der optimalen Steuersignale ST (SM) ist die Steuereinrichtung 30 eingangsseitig mit einer Vielzahl an Messsignalen und/oder Messdaten beaufschlagt. Beispielsweise handelt es sich um Messsignale und/oder Messdaten, die die an der ersten Anschlussseite 11 anliegenden Wechselspannungen, die in die erste Anschlussseite 11 fließenden Wechselströme, den an der zweiten Anschlussseite 12 fließenden Gleichstrom sowie die an der zweiten Anschlussseite 12 anliegende Spannung angeben .
Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 30 - beispielsweise über die bereits erwähnten Steuerleitungen oder über weitere Signalleitungen - derart mit den Schaltmodulen SM der drei
Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 verbunden sein, dass den jeweiligen Zustand der Schaltmodule beschreibende Zustandsdaten an die Steuereinrichtung 30 übermittelt werden können. Die Steuereinrichtung 30 weiß also aufgrund der eingangsseitig anliegenden Daten, welche Spannungen und Ströme an der ersten Anschlussseite 11 und an der zweiten Anschlussseite 12 vorhanden sind, sowie außerdem, in welchem Betriebszustand sich die einzelnen Schaltmodule SM der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 befinden.
Aufgrund der eingangsseitig anliegenden Messsignale und/oder Messdaten und der eingangsseitig anliegenden Zustandsdaten ist die Steuereinrichtung 30 in der Lage, die Schaltmodule SM derart anzusteuern, dass in Abhängigkeit von den an der ersten Anschlussseite 11 anliegenden Wechselspannungen und Wechselströmen ausgangsseitig eine gewünschte Gleichspannung und ein gewünschter Gleichstrom erzeugt bzw. abgegeben werden.
Wie bereits erwähnt, kann der Multizellenkonverter 10 auch invers bzw. umgekehrt betrieben werden, wobei an der zweiten Anschlussseite 12 Strom eingespeist und umgerichteter Strom an der ersten Anschlussseite 11 entnommen wird. Ein entsprechender umgekehrter bzw. inverser Betrieb wird durch die Steuereinrichtung 30 ermöglicht, indem sie die Schaltmodule SM entsprechend anders ansteuert. Um die beschriebenen Steueraufgaben wahrnehmen zu können, kann die Steuereinrichtung 30 beispielsweise eine Recheneinrichtung (z. B. in Form einer Datenverarbeitungsanlage oder eines Computers) umfassen, die derart programmiert ist, dass sie in Abhängigkeit von den eingangsseitig anliegenden Mess- Signalen, Messdaten bzw. Zustandsdaten die jeweils optimale
Ansteuerung der Schaltmodule SM ermittelt und in dieser Weise die zur Ansteuerung nötigen Steuersignale ST (SM) erzeugt. Ein entsprechendes Steuerprogramm (bzw. Steuerprogrammmodul) zur Ansteuerung der Recheneinrichtung kann in einem in der Steu- ereinrichtung befindlichen Speicher abgespeichert sein.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Schaltmodul SM, wie es bei dem Multizellenkonverter 10 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Man erkennt in der Figur 2 eine Vielzahl an Teilmodulen TMl-TMn, die kaskadiert in Reihe geschaltet sind und gemeinsam eine Teilmodulkette TMK bilden. Jedes der Teilmodule TMl-TMn weist jeweils zwei Eingangsanschlüsse El und E2 sowie zwei Ausgangsanschlüsse AI und A2 auf. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss El und dem ersten Ausgang AI eines jeden Teilmoduls TMl-TMn ist jeweils ein erster Schalter Sl geschaltet. Ein zweiter Schalter S2 liegt elektrisch zwischen dem zweiten Eingangsanschluss E2 und dem zweiten Aus- gangsanschluss A2.
In der Figur 2 lässt sich auch erkennen, dass die Teilmodule TMl bis TMn-1, also alle Teilmodule mit Ausnahme des in der Figur 2 untersten Teilmoduls TMn, jeweils einen Energiespei- eher in Form eines Kondensators C aufweisen, der jeweils zwischen den ersten Ausgangsanschluss AI und den zweiten Aus- gangsanschluss A2 des jeweiligen Teilmoduls TMl bis TMn-1 geschaltet ist. Darüber hinaus lässt sich in der Figur 2 erkennen, dass die beiden Eingangsanschlüsse El und E2 des in der Teilmodulkette TMK ersten Teilmoduls TMl unmittelbar miteinander verbunden sind und einen Eingangsanschluss SME des Schaltmoduls SM bilden. Die beiden Ausgangsanschlüsse AI und A2 des in der Teil- modulkette TMK letzten Teilmoduls TMn sind ebenfalls unmittelbar miteinander elektrisch verbunden und bilden einen Ausgangsanschluss SMA des Schaltmoduls SM.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur sind die Schalter Sl und S2 eines jeden Teilmoduls jeweils durch einen Transistor T gebildet, der einen Emitteranschluss E und einen Kollektor- anschluss K aufweist. Die Emitter-Kollektor-Strecken der beiden Schalter Sl und S2 sind bei jedem Teilmodul jeweils - bezogen auf die Eingangsseite des jeweiligen Teilmoduls - in- vers verschaltet. So ist bei jedem Teilmodul der Teilmodul - kette TMK der Kollektor K des Schalters Sl mit dem ersten Eingangsanschluss El verbunden, wohingegen der zweite Eingangsanschluss E2 eines jeden Teilmoduls mit dem Emitteranschluss E des zweiten Schalters S2 in Verbindung steht.
Darüber hinaus zeigt die Figur 2 die elektrische Verschaltung der Teilmodule untereinander näher im Detail. Es lässt sich erkennen, dass der erste Ausgangsanschluss AI eines vorge- schalteten Teilmoduls jeweils mit dem zweiten Eingangsan- schluss E2 des jeweils unmittelbar nachgeordneten Teilmoduls verbunden ist. In entsprechender Weise ist der zweite Aus- gangsanschluss A2 eines vorgeschalteten Teilmoduls TM jeweils mit dem ersten Eingangsanschluss El des jeweils unmittelbar nachgeordneten Teilmoduls TM verbunden. Durch diese Verschal - tung der Teilmodule in dem Schaltmodul SM wird erreicht, dass bei jedem Transistor jeweils der Emitter mit dem Emitter eines vor- oder nachgeschalteten Transistors und der Kollektor mit dem Kollektor eines vor- oder nachgeschalteten Transistors in Verbindung steht .
Es werden mit anderen Worten in dem Schaltmodul SM somit zwei Reihenschaltungen SRI und SR2 gebildet, die jeweils aus in Reihe geschalteten Transistoren bestehen. Bei jeder der zwei Reihenschaltungen SRI und SR2 ist jeder Emitter jeweils mit einem Emitter und jeder Kollektor jeweils mit einem Kollektor verbunden; die Polarität der Transistoren wechselt sich also in den Reihenschaltungen SRI und SR2 entlang der Teilmodul - kette gesehen jeweils ab.
Durch die sich in den Reihenschaltungen SRI und SR2 abwechselnde Polarität der Transistoren wird erreicht, dass die Kondensatoren C in den einzelnen Teilmodulen entlang der Teilmodulkette TMK gesehen mit einer abwechselnden Polarität betrieben werden. Dies ist in der Figur 2 durch ein "+" Zeichen dargestellt, mit dem die Polarität der an den Kondensatoren C anliegenden Kondensatorspannung symbolisiert ist. Die Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für ein
Schaltmodul SM, wie es bei dem Multizellenkonverter 10 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 weisen alle Teilmodule TM1 bis TM3 mit Ausnahme des in der Teilmodulkette TMK letzten Teilmoduls TM3 jeweils als Energiespeicher eine Batterie B auf, die zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse AI und A2 des jeweiligen Teilmoduls TM geschaltet ist. Um Überspannungen durch mögliche parasitäre Induktivitäten L zwischen den Modulen zu eliminieren, sind bei dem Schaltmodul SM gemäß Figur 3 zusätzliche Hilfskondensatoren Cl und C2 vorhanden, bei denen es sich beispielsweise um sogenannte Snubber-Kondensatoren handeln kann. Die Funktion der beiden Kondensatoren Cl und C2 besteht darin, die im Zuge der Stromkommutierung von einem Transistor zum nächsten auftretenden Spannungsspitzen der parasitären Induktivitäten aufzunehmen .
Bei den Teilmodulen TM1 bis TM3 sind die Schalter durch Tran- sistoren T gebildet; die Verschaltung der Emitter- und Kol- lektoranschlüsse E bzw. K der Transistoren erfolgt vorzugsweise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2, also derart, dass bei den innenliegenden Transistoren, also jenen, die nicht mit dem Eingangsanschluss SME oder dem Ausgangsan- schluss SMA des Schaltmoduls SM in Verbindung stehen, jeder Kollektor jeweils mit einem Kollektor und jeder Emitter jeweils mit einem Emitter in Verbindung steht.
Die Figur 4 zeigt einen dreiphasigen Multizellenkonverter 10 für eine dreiphasige Spannung, der drei elektrisch im Dreieck geschaltete Schaltmodule SM mit jeweils zwei Induktivitäten L umfasst. Die Schaltmodule SM können genauso aufgebaut sein, wie dies oben im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 2 und 3 erläutert worden ist.
Mit den Schaltmodulen SM steht eine Steuereinrichtung 30 in Verbindung, die die Schaltmodule SM mittels schaltmodulindi - vidueller Steuersignale ST (SM) derart ansteuern kann, dass vorgegebene Zweigströme im Dreieck fließen. Die Steuerein- richtung 30 ist über individuelle Steuerleitungen jeweils mit jedem der Schaltmodule SM verbunden. Die Verbindungsleitungen sind in der Figur 4 aus Gründen der Übersicht nicht eingezeichnet . Zur Ermittlung der optimalen Steuersignale ST (SM) ist die Steuereinrichtung 30 eingangsseitig mit einer Vielzahl an Messsignalen und/oder Messdaten beaufschlagt. Beispielsweise handelt es sich um Messsignale und/oder Messdaten, die die an dem Konverter anliegenden Wechselspannungen, die fließenden Phasenströme und/oder die Zweigströme angeben.
Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung 30 - beispielsweise über die bereits erwähnten Steuerleitungen oder über weitere Signalleitungen - derart mit den Schaltmodulen SM verbunden, dass den jeweiligen Zustand der Schaltmodule beschreibende Zustandsdaten an die Steuereinrichtung 30 übermittelt werden können .
Die Steuereinrichtung 30 weiß also aufgrund der eingangsseitig anliegenden Daten, welche Spannungen und Ströme vorhanden sind, sowie außerdem, in welchem Betriebszustand sich die einzelnen Schaltmodule SM befinden.
Aufgrund der eingangsseitig anliegenden Messsignale und/oder Messdaten und der eingangsseitig anliegenden Zustandsdaten ist die Steuereinrichtung 30 in der Lage, die Schaltmodule SM derart anzusteuern, dass ein gewünschtes Konverterverhalten, beispielsweise ein gewünschtes Kompensationsverhalten, insbesondere ein gewünschtes Blindleistungs- , Oberschwingungs - o- der Flickerkompensationsverhalten, erreicht wird.
Um die beschriebenen Steueraufgaben wahrnehmen zu können, kann die Steuereinrichtung 30 beispielsweise eine Recheneinrichtung (z. B. in Form einer Datenverarbeitungsanlage oder eines Computers) umfassen, die derart programmiert ist, dass sie in Abhängigkeit von den eingangsseitig anliegenden Messsignalen, Messdaten bzw. Zustandsdaten die jeweils optimale Ansteuerung der Schaltmodule SM ermittelt und in dieser Weise die zur Ansteuerung nötigen Steuersignale ST (SM) erzeugt. Ein entsprechendes Steuerprogramm (bzw. Steuerprogrammmodul) zur Ansteuerung der Recheneinrichtung kann in einem in der Steuereinrichtung 30 befindlichen Speicher abgespeichert sein.
Die in der Figur 4 gezeigte Dreieckschaltung kann als aktives Filter oder als aktive Kompensationseinrichtung verwendet werden . Auch ist es möglich, alternativ oder zusätzlich zu den dargestellten Kondensatoren Batterien als Batteriespeicher einzusetzen, die entweder direkt anstelle der Kondensatoren einge- setzt oder jeweils über eine Anpassschaltung an einen zugeordneten Kondensator angeschlossen werden.
An jeden Kondensator kann im Übrigen auch jeweils ein Zwei- Level -Umrichter oder eine andere Art Umrichter angeschlossen werden, um Energie in den Multizellenkonverter einzukoppeln oder auszukoppeln.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .
Bezugszeichenliste
10 Multizellenkonverter
11 erste Anschlussseite
12 zweite Anschlussseite
30 Steuereinrichtung
AI Ausgangsanschluss
A2 Ausgangsanschluss
B Batterie
C Kondensator
Cl Hilfskondensator
C2 Hilfskondensator
E Emitteranschluss
El Eingangsanschluss
E2 Eingangsanschluss
K Kollektoranschluss
L Induktivität
R1,R2,R3 Reihenschaltung
SM Schaltmodul
SME Eingangsanschluss des Schaltmoduls
SMA Ausgangsanschluss des Schaltmoduls
SRI Reihenschaltung
SR2 Reihenschaltung
ST (SM) Steuersignal
51 erster Schalter
52 zweiter Schalter
T Transistor
TM Teilmodul
TMl-TMn Teilmodul
TMK Teilmodulkette

Claims

Patentansprüche
1. Multizellenkonverter (10) mit zumindest einer Reihenschaltung (Rl, R2 , R3 ) , die mindestens zwei in Reihe geschaltete Schaltmodule (SM) umfasst, oder zumindest einer Dreieckschaltung, die drei im Dreieck verschaltete Schaltmodule (SM) umfasst,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Schaltmodule (SM) jeweils eine Mehrzahl an nacheinan- der geschalteten Teilmodulen (TMl-TMn) umfassen, die jeweils einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluss (El, E2) und jeweils einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss (AI, A2 ) aufweisen, wobei zwischen den ersten Eingangsanschluss (El) und den ersten Ausgangsan- schluss (AI) ein erster Schalter (Sl) und zwischen den zweiten Eingangsanschluss (E2) und den zweiten Ausgangsanschluss (A2) ein zweiter Schalter (S2) geschaltet ist, der erste Ausgangsanschluss (AI) eines vorgeschalteten Teilmoduls (TMl-TMn) jeweils mit dem zweiten Eingangsan- schluss (E2) des jeweils unmittelbar nachgeordneten Teilmoduls (TMl-TMn) verbunden ist,
der zweite Ausgangsanschluss (A2) eines vorgeschalteten Teilmoduls (TMl-TMn) jeweils mit dem ersten Eingangsanschluss (El) des jeweils unmittelbar nachgeordneten Teil- moduls (TMl-TMn) verbunden ist,
die beiden Eingangsanschlüsse (El, E2) des in der Teilmodulkette (TMK) ersten Teilmoduls (TM1) miteinander verbunden sind und einen Eingangsanschluss (SME) des Schaltmoduls (SM) bilden,
- die beiden Ausgangsanschlüsse (AI, A2) des in der Teilmodulkette (TMK) letzten Teilmoduls (TMn, T3 ) miteinander verbunden sind und einen Ausgangsanschluss (SMA) des Schaltmoduls (SM) bilden und
bei allen zu der Teilmodulkette (TMK) gehörenden Teilmo- dulen (TMl-TMn) , mit Ausnahme des letzten Teilmoduls
(TMn, T3 ) , zwischen den ersten (AI) und den zweiten Ausgangsanschluss (A2) jeweils ein Energiespeicher (C, B) geschaltet ist .
2. Multizellenkonverter (10) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der erste und der zweite Schalter (Sl, S2) jeweils durch ei- nen Halbleiterschalter gebildet sind.
3. Multizellenkonverter nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der erste Schalter (Sl) durch einen ersten Transistor (T) und der zweite Schalter (S2) durch einen zweiten Transistor (T) gebildet ist.
4. Multizellenkonverter (10) nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der erste und der zweite Transistor (T) bezogen auf ihre Emitter-Kollektorstrecken und bezogen auf die beiden Eingangsanschlüsse (El, E2) des jeweiligen Teilmoduls (TMl-TMn) entgegengesetzt verschaltet sind.
5. Multizellenkonverter (10) nach Anspruch 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der erste Eingangsanschluss (El) eines jeden Teilmoduls (TMl-TMn) mit dem Kollektoranschluss (K) des ersten Transistors (T) in Verbindung steht und
- der zweite Eingangsanschluss (E2) eines jeden Teilmoduls (TMl-TMn) mit dem Emitteranschluss (E) des zweiten Transistors (T) in Verbindung steht.
6. Multizellenkonverter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche 3-5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der erste Ausgangsanschluss (AI) eines jeden Teilmoduls (TMl-TMn) mit dem Emitteranschluss (E) des ersten Transistors (T) in Verbindung steht und
- der zweite Ausgangsanschluss (A2) eines jeden Teilmoduls (TMl-TMn) mit dem Kollektoranschluss (K) des zweiten Transistors (T) in Verbindung steht.
7. Multizellenkonverter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
jedes Schaltmodul (SM) jeweils mindestens vier in Kette nach- einander geschaltete Teilmodule (TMl-TMn) aufweist.
8. Multizellenkonverter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Energiespeicher ein Kondensator (C) ist oder einen solchen umfasst.
9. Multizellenkonverter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Energiespeicher eine Batterie (B) ist oder eine solche umfasst .
10. Multizellenkonverter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
an den Energiespeicher ein Umrichter angeschlossen ist, der eine Entnahme und ein Einspeisen von Energie in das Schalt - modul (SM) ermöglicht.
11. Multizellenkonverter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Teilmodule (TM) baugleich sind.
12. Multizellenkonverter (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Schalter bipolare Transistoren (T) mit isolierter Gate- Elektrode sind.
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