WO2015104405A1

WO2015104405A1 - Frequenzumrichter

Info

Publication number: WO2015104405A1
Application number: PCT/EP2015/050374
Authority: WO
Inventors: Christoph Meyer
Original assignee: VENSYS Elektrotechnik GmbH
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2015-01-10
Publication date: 2015-07-16
Also published as: EP3092705A1; US20160359425A1; CN106104995A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zum Erzeugen einer Netz-Wechselspannung, die eine vorgegebene Hauptfrequenzkomponente aufweist, mit mindestens einem Umrichtermodul zum Umrichten einer gleichförmigen Spannung in eine Zwischen-Wechselspannung, wobei die Zwischen-Wechselspannung die vorgegebene Hauptfrequenzkomponente und darüber hinaus Störfrequenzkomponenten aufweist. Um bei einem Frequenzumrichter den Anteil der Störfrequenzkomponenten gegenüber der vorgegebenen Hauptfrequenzkomponente zu reduzieren, ist vorgesehen, dass mehrere Umrichtermodule von der Art des mindestens einen Umrichtermoduls derart phasenversetzt zueinander zusammengeschaltet sind, dass durch Überlagerung mehrerer Zwischen-Wechselspannungen die Netz-Wechselspannung erzeugt wird, deren resultierende Störfrequenzkomponenten geringer sind als die Störfrequenzkomponenten jeder einzelnen Zwischen-Wechselspannung.

Description

Frequenzumrichter

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zum Erzeugen einer Netz-Wechselspannung, die eine vorgegebene

Hauptfrequenzkomponente aufweist, mit mindestens einem

Umrichtermodul zum Umrichten einer gleichförmigen Spannung in eine Zwischen-Wechselspannung, wobei die Zwischen- Wechselspannung die vorgegebene Hauptfrequenzkomponente und darüber hinaus Störfrequenzkomponenten aufweist.

Elektrische Energieversorgungsnetze können auf

verschiedenen Netzfrequenzen basieren. Um diese Netze dennoch miteinander zu verbinden, ist es notwendig, sogenannte Frequenzumrichter einzusetzen. Dieses Problem tritt beispielsweise bei der Versorgung von 16 2/3 Hz

Bahnnetzen auf, die aus einem 50 Hz Netz versorgt werden sollen .

Analog dazu werden Frequenzumrichter benötigt, um bei Anlagen zur Gewinnung elektrischer Energie - etwa bei Windenergieanlagen oder Solaranlagen - die erzeugte

Wechselspannung bzw. Gleichspannung in eine Spannung mit der vom Netzeinspeisepunkt vorgegebenen

Hauptfrequenzkomponente zu wandeln.

Gehört der Netzeinspeisepunkt zu einem Haushaltsnetz, dann beträgt die vorgegebene Hauptfrequenzkomponente 50 Hz.

Gehört der Netzeinspeisepunkt dagegen zu einem Bahnnetz, dann kann die vorgegebene Hauptfrequenzkomponente auch 16 2/3 Hz betragen.

Frequenzumrichter für das Bahnnetz sind beispielsweise aus DE 94 08 504 Ul, DE 44 43 747 Cl, EP 2 088 688 A2 oder EP 2 282 399 Bl bekannt.

Die Umrichter der gattungsgemäßen Art können je nach

Anwendungsfall eine Leistungsübertragung von einigen kW bis zu einigen MW aufweisen. Die Funktionsweise derartiger Umrichter basiert heutzutage in der Regel auf schnell schaltenden Leistungshalbleitern, beispielsweise

Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) . Aufgrund der Schaltvorgänge an den Leistungshalbleitern lässt es sich nicht vermeiden, dass neben der vorgegebenen

Hauptfrequenzkomponente auch Störfrequenzkomponenten entstehen. Teilweise ist es schwierig oder auch gar nicht möglich, mit den bekannten Frequenzumrichtern die Vorgaben an den Netzeinspeisepunkten hinsichtlich niedriger

Störfrequenzkomponenten einzuhalten .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem

Frequenzumrichter den Anteil der Störfrequenzkomponenten gegenüber der vorgegebenen Hauptfrequenzkomponente zu reduzieren .

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst .

Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter zum Erzeugen einer Netz-Wechselspannung, die eine vorgegebene

Hauptfrequenzkomponente aufweist, umfasst mindestens ein Umrichtermodul zum Umrichten einer gleichförmigen Spannung in eine Zwischen-Wechselspannung, wobei die Zwischen- Wechselspannung die vorgegebene Hauptfrequenzkomponente und darüber hinaus Störfrequenzkomponenten aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umrichtermodule von der Art des mindestens einen Umrichtermoduls derart

phasenversetzt zueinander zusammengeschaltet sind, dass durch Überlagerung mehrerer Zwischen-Wechselspannungen die Netz-Wechselspannung erzeugt wird, deren resultierende Störfrequenzkomponenten geringer sind als die

Störfrequenzkomponenten jeder einzelnen Zwischen- Wechselspannung .

Bei herkömmlichen Frequenzumrichtern stehen in der Regel nur die Parameter der Taktfrequenz, der Flankensteilheit und der Induktivität zur Verfügung, um die

Störfrequenzkomponenten zu reduzieren und um damit eine möglichst geringe Welligkeit der Hauptfrequenzkomponente zu erreichen. Die Optimierung dieser Parameter stehen

allerdings im Widerspruch zu der gleichzeitigen Forderung eines möglichst hohen Wirkungsgrads und niedriger EMV- Störungen .

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht demgegenüber darin, dass bei der Auslegung des erfindungsgemäßen

Frequenzumrichters ein weiterer Designparameter zur

Verfügung steht, sodass die besagten Forderungen wesentlich besser in ihrer Gesamtheit erfüllt werden können. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Umrichtermodul mindestens ein Leistungsbauelement und ein Glättungsbauelement enthält. Bei dem mindestens einen Leistungsbauelement handelt es sich vorzugsweise um einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) . Als

Glättungsbauelement wird vorzugsweise eine Drossel bzw. eine Spule verwendet.

Die Eingangsleistung des Frequenzumrichters wird in der Regel in Form einer Gleichspannung zur Verfügung gestellt. Die Erzeugung der Zwischenkreis-Wechselspannung erfolgt dann durch Taktung des Leistungsbauelements bzw. der

Vielzahl von Leistungsbauelementen. Durch schnelles Ein- /Ausschalten des Leistungsbauelements fließt durch die Drossel ein Strom, dessen Mittelwert vom Verhältnis der Einschaltzeit zur Ausschaltzeit abhängig ist

(Pulsweitenmodulation bzw. PWM) . Zur Erzeugung der

Pulsweitenmodulation sind auf dem Markt diverse

MikroController für die unterschiedlichsten Anwendungen erhältlich .

Erfindungsgemäß werden nunmehr mehrere Zwischen- Wechselspannungen erzeugt, wobei deren Überlagerung in der einfachsten Weise durch Summenbildung an einem Knotenpunkt erreicht werden kann. Der Phasenversatz der einzelnen

Zwischen-Wechselspannungen mit Bezug auf die jeweilige Grundperiode ist vorzugsweise - aber nicht notwendigerweise - äquidistant. Vorzugsweise wird als Grundperiode der entsprechende Takt der Pulsweitenmodulation zugrunde gelegt .

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen

Frequenzumrichters , Fig. 2 den Verlauf einer typischen Zwischen- Wechselspannung auf der Basis einer

Pulsweitenmodulation,

Fig. 3 den Verlauf der Netz-Wechselspannung aufgrund der erfindungsgemäßen Überlagerung mehrerer Zwischen- WechselSpannungen,

Fig. 4 den Verlauf einer typischen Zwischen- Wechselspannung auf der Basis mehrerer Pulsweitenmodulationen, und

Fig. 5 die Erzeugung einer Sinus-Halbwelle nach einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Frequenzumrichters. In dem Ausführungsbeispiel soll eine gleichförmige Eingangsspannung U_e in eine Netz- Wechselspannung U_a mit 16 2/3 Hz zur Versorgung eines

Bahnnetzes umgerichtet werden werden. Bei der

gleichförmigen Eingangsspannung U_e kann es sich

beispielsweise um eine Spannung handeln, die dezentral von einem Generator 101 einer Windenergieanlage erzeugt und dann von einem Gleichrichter 102 gleichgerichtet wird.

Die Kondensatoren 103 und 104 stellen zunächst einen

Zwischenkreis mit Erdung und mit einem definierten

Symmetriepunkt zur Verfügung. Daran schließt sich die

Baugruppe 105 an, die insgesamt 6 Umrichtermodule zum

Umrichten der gleichförmigen Spannung U_e in jeweils eine Zwischen-Wechselspannung umfasst. Jedes Umrichtermodul besteht wiederum aus zwei IGBTs mit Freilaufdiode und einer Drossel. An den Drosseln liegen die pulsweitenmodulierten Spannungen Lla, Llb, Llc sowie L2a, L2b und L2c an. Jede der Drosseln glättet die jeweilige pulsweitenmodulierte Spannung und erzeugt am Ausgang eine Zwischen- Wechselspannung, die die vorgegebene

Hauptfrequenzkomponente und Störfrequenzkomponenten

enthält .

Die Zwischen-Wechselspannungen werden an den Knotenpunkten 106 bzw. 107 zusammengeführt und bilden durch Überlagerung die Primärspannung L1-L2, die an der Primärwicklung des Transformators 108 anliegt. Der Transformator 108 ist derart ausgeführt, dass aus der symmetrischen Spannung Ll- L2 mit Zwischenkreiserdung die einseitige Netz- Wechselspannung U_a zur Einspeisung in das Bahnnetz erzeugt wird. Als vorgegebene Hauptfrequenzkomponente weist die Netz-Wechselspannung U_a die Netzfrequenz des Bahnnetzes von 16 2/3 Hz auf. Gleichzeitig sind die resultierenden

Störfrequenzkomponenten der Netz-Wechselspannung U_a

geringer sind als die Störfrequenzkomponenten jeder

einzelnen Zwischen-Wechselspannung an den Ausgängen der 6 Drosseln. Dieser Effekt wird anhand von Fig. 2 und Fig. 3 weiter erläutert. Fig. 2 zeigt den Verlauf einer typischen Zwischen- Wechselspannung auf der Basis einer Pulsweitenmodulation. Der obere Verlauf von Fig. 2 entspricht dem

pulsweitenmodulierten Spannungsverlauf innerhalb eines Umrichtermoduls, beispielsweise dem Spannungsverlauf Lla. Die positiven rechteckförmigen Halbwellen werden durch Taktung des oberen IGBTs des Umrichtermoduls erzeugt, während die negativen rechteckförmigen Halbwellen durch entsprechende Taktung des unteren IGBTs des Umrichtermoduls erzeugt werden. Führt man den pulsweitenmodulierten

Spannungsverlauf Lla dann einer Drossel zu, ergibt sich am Ausgang der Drossel der untere sinusförmige Verlauf in Fig. 2. Im unteren Verlauf ist eine Grundschwingung der

vorgegebenen Hauptfrequenzkomponente dargestellt, die zusätzlich auch Störfrequenzkomponenten enthält, was durch den gezackten Verlauf der sinusförmigen Grundschwindung angedeutet ist (sinusförmige Grundschwingung mit

Oberschwingungs- und/oder Verzerrungsgehalt).

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Netz-Wechselspannung aufgrund der erfindungsgemäßen Überlagerung mehrerer Zwischen- Wechselspannungen . Wie man an den drei oberen Verläufen in Fig. 3 erkennt, weisen die pulsweitenmodulierten

Spannungsverläufe Lla, Llb und Llc grundsätzlich die gleiche Taktung auf, allerdings sind die Taktungen

zueinander phasenversetzt. Wenn nun beispielsweise ein Takt von Lla in der nachfolgenden Drossel abklingt, erfolgt phasenversetzt bereits der nächste Takt von Llb, und zwar gerade derart, dass entgegen des Abklingens von Lla ein weiterer Anstieg erzeugt wird, was eine Reduzierung der Störfrequenzkomponenten zur Folge hat. Entsprechendes gilt auch für den Phasenversatz von Llc. Am Knotenpunkt 106 entsteht damit der untere Verlauf einer sinusförmigen

Grundschwingung der vorgegebenen Hauptfrequenzkomponente, die gegenüber Fig. 2 wesentlich weniger

Störfrequenzkomponenten enthält. In der gleichen Weise - und daher nicht dargestellt - erfolgt auch die Erzeugung der negativen Spannungskomponente L2, sodass zwischen den Knotenpunkten 106 und 107 die resultierende Spannung LI - L2 aufgrund der Überlagerung mehrerer Zwischen- Wechselspannungen anliegt. In Fig. 2 und Fig. 3 wurde davon ausgegangen, dass eine Zwischen-Wechselspannung jeweils durch die

Pulsweitenmodulation nur eines positiven Pegels und nur eines negativen Pegels erzeugt wird. Grundsätzlich ist es selbstverständlich aber auch denkbar, dass man durch die Reihenschaltung mehrerer IGBTs mehrere Spannungspegel und damit mehrere Pulsweitenmodulationen zur Erzeugung einer Zwischen-Wechselspannung vorsieht. Fig. 4 zeigt den Verlauf einer derartigen Zwischen-Wechselspannung auf der Basis mehrerer Pulsweitenmodulationen mit 2 positiven

Spannungspegeln und 2 negativen Spannungspegeln. Die

Zwischen-Wechselspannung weist in diesem Fall im Vergleich zu Fig. 2 bereits wesentlich weniger

Störfrequenzkomponenten auf. Wendet man nunmehr das

erfindungsgemäße Verfahren gemäß Fig. 3 auf mehrere

Zwischen-Wechselspannungen gemäß Fig. 4 an, so lässt sich eine weitere Reduktion der Störfrequenzkomponenten

gegenüber dem unteren Verlauf von Fig. 3 erreichen. Fig. 5 zeigt die Erzeugung einer Sinus-Halbwelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Vor der Erläuterung der einzelnen Pulse sowie deren Wirkung wird zunächst noch einmal die prinzipielle Wirkungsweise eines sogenannten Tiefsetzstellers dargelegt:

In Fig. 1 ist zu erkennen, dass jeder IGBT mit einer

Freilaufdiode beschaltet ist. Nach Abschalten eines IGBT kommutiert der Strom - getrieben durch die Drossel - auf die betreffende Freilaufdiode . Betrachtet man die Drossel als RL-Glied, dann folgt der Strom bei durchgeschaltetem IGBT einer ansteigenden e-Funktion und bei abgeschaltetem IGBT einer abklingenden e-Funktion. Die Zeitkonstante τ der e-Funktion wird dabei durch das Verhältnis L/R bestimmt, also T =L / R. Aus diesen Überlegungen folgt dann direkt, dass das Verhältnis aus der Taktperiode T der

Pulsweitenmodulation zu der Zeitkonstante τ die Welligkeit der Hauptfrequenzkomponente bestimmt. Ist das Verhältnis Τ/τ groß, dann weist die Hauptfrequenzkomponente auch eine große Welligkeit auf. Je kleiner dagegen das Verhältnis Τ/τ, desto mehr nähert sich die Hauptfrequenzkomponente der angestrebten Idealform an.

Aus diesen Überlegungen folgt weiter, dass bei

herkömmlichen Frequenzumrichtern eine geringe Welligkeit mit wenig Störfrequenzkomponenten durch die folgenden drei Maßnahmen erreicht werden kann, wobei allerdings jede dieser drei Maßnahmen bestimmte Nachteile nach sich zieht:

• Die Taktfrequenz f der Pulsweitenmodulation (wobei

f=l/T gilt) wird bei gleichbleibender Flankensteilheit erhöht. Gleichbleibende Flankensteilheit bedeutet dabei gleichbleibende Ein-/Ausschaltzeiten der

jeweiligen Takte.

Nachteil : Die Schaltverluste erhöhen sich, da sich auch die Summe der Schaltzeiten je Sekunde erhöht.

• Die Taktfrequenz f und die Flankensteilheit werden

zusammen derart erhöht, dass die Summe der

Schaltzeiten je Sekunde gleich bleibt.

Nachteil : Das schnellere Schalten führt zu mehr EMV- Störungen. Außerdem erhöhen sich die Ansteuerverluste.

• Die Zeitkonstante τ wird durch Vergrößerung der

Induktivität L erhöht.

Nachteil : Große Induktivitäten sind teuer, groß und schwer . Diese Überlegungen sollen schließlich anhand eines

Zahlenbeispiels konkretisiert werden: Handelsübliche MikroController zur Erzeugung einer

Pulsweitenmodulation erzeugen üblicherweise Taktfrequenzen im Bereich von einigen Kiloherz, also beispielsweise f = 2,4 kHz. Bei 2,4 kHz beträgt die Grundperiode T also ca. 0,42 ms. Verwendet man außerdem eine handelsübliche Drossel mit L = 0,3 mH und R = 0,1 Ω, dann erhält man für die

Zeitkonstante τ Werte im Bereich von τ ~ 3 ms . Daraus ergeben sich für das Verhältnis Τ/τ Zahlenwerte, die zwar deutlich kleiner als 1 sind, die aber für die heutigen Anforderungen an die Restwelligkeit in der Netzversorgung oft noch nicht ausreichen.

Anhand von Fig. 5 wird nun nochmals deutlich, wie diese Restwelligkeit erfindungsgemäß weiter reduziert werden kann. Zunächst sei angenommen, dass die drei Phasen Lla, Llb und Llc einen gleichmäßigen Phasenversatz mit Bezug auf die Grundperiode T aufweisen, d.h. der der Phasenversatz beträgt damit ein Drittel der Grundperiode T. Ein

herkömmlicher Frequenzumrichter arbeitet nur mit einer Phase, also beispielsweise mit der Phase Lla. Bei

ausgeschaltetem Takt der Phase Lla klingt der Strom damit wie erläutert exponentiell ab und erzeugt damit die besagte Restwelligkeit. Die nachfolgenden Takte der Phasen Llb und Llc wirken somit dieser Restwelligkeit wirkungsvoll

entgegen .

Es steht selbstverständlich im Belieben des Fachmanns, die Lage und Anzahl der Phasen so zu wählen, dass durch

Überlagerung der jeweiligen Zwischen-Wechselspannungen die Netz-Wechselspannung derart erzeugt wird, dass deren resultierende Störfrequenzkomponenten geringer sind als die Störfrequenzkomponenten jeder einzelnen Zwischen- Wechselspannung . Beispielsweise muss also die Anzahl der Phasen nicht notwendigerweise auf drei festgelegt sein. Es können auch zwei Phasen oder aber auch mehr als drei Phasen zugrunde gelegt werden. Auch ein gleichmäßiger

Phasenversatz ist nicht unbedingt notwendig, um die

Vorteile der Erfindung zu erreichen. Je nach Anwendungsfall können die Phasen auch unregelmäßig über die Grundperiode T verteilt sein. Schließlich ist es selbstverständlich auch denkbar, dass die einzelnen Pulse der jeweiligen Phasen sich überlappen. Fig. 5 ist nur als ein mögliches

Ausführungsbeispiel anzusehen, bei dem die Pulslängen gerade so gewählt sind, dass ein Takt beendet ist, bevor der Takt der nächsten Phase beginnt.

Claims

Patentansprüche

Frequenzumrichter zum Erzeugen einer Netz- Wechselspannung, die eine vorgegebene

Hauptfrequenzkomponente aufweist, mit mindestens einem Umrichtermodul zum Umrichten einer gleichförmigen Spannung in eine Zwischen- Wechselspannung, wobei die Zwischen-Wechselspannung die vorgegebene Hauptfrequenzkomponente und darüber hinaus Störfrequenzkomponenten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umrichtermodule von der Art des

mindestens einen Umrichtermoduls derart phasenversetzt zueinander zusammengeschaltet sind, dass durch

Überlagerung mehrerer Zwischen-Wechselspannungen die Netz-Wechselspannung erzeugt wird, deren resultierende Störfrequenzkomponenten geringer sind als die

Störfrequenzkomponenten jeder einzelnen Zwischen- Wechselspannung .

Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass das Umrichtermodul mindestens ein Leistungsbauelement und ein Glättungsbauelement enthält .

Frequenzumrichter nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, dass das mindestens eine

Leistungsbauelement ein Bipolartransistor mit

isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist. Frequenzumrichter nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Glättungsbauelement eine Drossel bzw. Spule ist.

Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreis- Wechselspannung durch Taktung des Leistungsbauelements erzeugt wird.

Frequenzumrichter nach Anspruch 5, dadurch

gekennzeichnet, dass die Taktung auf einer

Pulsweitenmodulation basiert. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der einzelnen Zwischen-Wechselspannungen durch

Summenbildung an einem Knotenpunkt erzeugt wird.

Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz der einzelnen Zwischen-Wechselspannungen mit Bezug auf die jeweilige Grundperiode äquidistant ist.