WO2019057771A1 - Ac/dc converter having step-up/step-down converter phase modules - Google Patents

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voltage
load
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Michael Georg LEIBL
Lukas Franz Josef SCHRITTWIESER
Johann Walter Kolar
Dominik Bortis
Michail Marios ANTIVACHIS
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ETH Zürich
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    • H02M7/5395Conversion 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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation

Definitions

  • AC system DC / AC conversion
  • UPS uninterruptible power supplies
  • the input DC voltage level in this case has due to the typically highly dependent on the state of charge terminal voltage electrochemical storage or
  • Fuel cells drive technology or UPS
  • solar cells photovoltaic
  • Input side DC / DC step-up converter a voltage intermediate circuit and an output side three-phase DC / AC converter (inverter) is executed (see Fig.l).
  • the inverter which in the end acts as a step-down converter in the case of power flow from the DC side to the three-phase AC side, can advantageously be designed for operation with a constant intermediate circuit voltage and thus with minimum construction output.
  • the DC link voltage level higher than the DC input voltage it is possible to generate a relatively high output voltage, which can be maintained independently of the battery state of charge, or can operate at the point of maximum power delivery regardless of the irradiation intensity and temperature for photovoltaic systems.
  • the high DC link voltage offers the advantage of mastering a wide speed range of a powered AC machine.
  • the intermediate circuit voltage becomes a three-phase
  • Pulse width modulated voltage system generates and in the realization of a
  • Variable speed drive in the simplest case, placed directly on the motor terminals.
  • stator current typically has a high switching-frequency ripple, which can lead to high rotor losses and thus due to the air gap limited cooling to a significant thermal load of the rotor. Furthermore, caused by the switching frequency common mode component of the machine terminal voltages bearing currents, which can lead to a destruction of the raceways of the bearing, to call disadvantageous.
  • the mentioned disadvantages can be achieved by a three-phase LC output filter of the inverter, which switching frequency harmonics of the pulse width modulated
  • this LC output filter must always be arranged, since the connected AC consumers i.A. must be supplied with a, deviating only slightly from a purely sinusoidal voltage.
  • the LC output filter is the first stage of an EMC filter intended to suppress the propagation of switching-frequency electromagnetic disturbances (currents) into the three-phase network.
  • the DC / DC step-up converter then works as a DC / DC step-down converter as a result of the reversed energy direction from the intermediate circuit voltage (it is antiparallel to the step-up converter diode for this purpose)
  • the three-phase AC / DC converter acts as an active rectifier in this case and ensures a sinusoidal profile of the currents absorbed by the grid and a constant value of the DC link voltage.
  • the literature has therefore proposed single-stage DC / AC converters which are formed from three identical bidirectional DC / DC phase converters having a common negative voltage rail and starting from the same DC Supply voltage three sinusoidally varying, phase-shifted offset, ie always opposite the negative voltage rail positively remaining voltages
  • Phase converter output voltages by shifting a symmetrical phase in-line load voltage system (which ultimately between the assigned
  • Phase terminal and the free neutral point of the three-phase load to be supplied formed by a positive offset in the amount of the amplitude of the Phasensinuslastschreiben.
  • Control method for which a phase converter output remains clamped in each case for one third of the output voltage period on the negative voltage rail, wherein in each case the phase with the most negative instantaneous value of the associated
  • Phasensinuslastschreib clamped and only the other two Cuk DC / DC phase converter clocks and generate output voltages such that compared to the clamped phase output sections of the respective outer conductor voltages are generated.
  • a reduction of the switching losses of the system is possible, further occurs at the output of a phase converter at most the value of the amplitude of the fundamental to be formed Bisaussenleiterschreib and not twice the value of the amplitude of the phase sink voltage.
  • the Bisaussenleiterdition shows a smooth course due to the arranged at the output of the Cuk DC / DC phase converter smoothing capacitors.
  • the object of the invention is therefore to provide a converter for the transmission of electrical energy between a DC and an AC system, which remedies at least one of the abovementioned disadvantages and has at least one of the following properties: and output voltage range, and produces continuous (filtered) output phase AC voltages, that it has a minimum number of inductive elements, that of lower
  • Power semiconductors are low, that he has a multi-loop control of the phase converter has, so that a high dynamics of the control of the phase converter output voltages is given.
  • the converter for transferring electrical energy between a DC system and an AC system has a positive DC input voltage rail on the DC side and a negative DC input voltage rail and at least two output phase terminals on the AC side.
  • there is a phase converter for each of the output phase terminals which is connected on a first side to the positive DC input voltage rail and the negative DC input voltage rail and on a second side to this output phase terminal and is designed as a step-up buck converter.
  • the converter has a control, which is designed, in the operation of the converter, each of the
  • Phase converter in response to a ratio of a DC input voltage to instantaneous values to be generated at the output phase terminals
  • Output phase voltages temporarily operated either as a pure buck converter or as a pure boost converter.
  • phase converters are not embodied as DC / DC Cuk converters but as multi-loop regulated step-down DC / DC converters, the specification of the setpoint values of the phase converter output voltages being such that, on the one hand, a minimum
  • control is adapted, in the operation of the converter in each of the phase converter, a timing of switches of the phase converter temporarily to a .
  • the regulation is designed to make the clocking of all phase converters in operation of the converter such that the same clock frequency is present for all phase converters and synchronization of the clocking of the converters minimizes a differential voltage component contained in the output phase voltages.
  • control is designed to perform the clocking of all phase converters during operation of the converter such that the same clock frequency is present for all phase converters and synchronization of the clocking of the converters minimizes a common-mode voltage component contained in the output phase voltages.
  • control is configured to offset the formation of output phase voltage setpoints during operation of the converter
  • Reference voltage rail may remain clamped
  • Phase converters is defined by the setpoint values of load external conductor voltages formed relative to the clamped output phase connection and formed by subtracting in each case two load phase voltage nominal values in this time segment, so that overall there is a sinusoidal profile of all the load external conductor voltages.
  • the phase converters are each formed as a cascaded buck-boost converter.
  • the phase converters are each realized by a circuit in which a bridge branch between the positive DC input voltage rail and a associated output phase terminal is arranged, a phase converter inductance between a center of the bridge branch and the negative DC input voltage rail is connected, an output capacitance between the
  • Output phase terminal and a common reference voltage rail is connected, which is connected to the DC input voltage rail.
  • an output diode is connected between the output phase terminal and the reference voltage rail, respectively, which has a positive output phase voltage at the output phase terminal relative to the output phase terminal
  • a switch can also be connected in parallel, or the output diode can be replaced by a switch with antiparallel output diode.
  • the phase with the lowest voltage can each be clamped over one third of the period (no switching losses for this phase) and thus the converter efficiency can be increased.
  • control is designed to select a constant offset of the output phase voltages so large during operation of the converter at relatively small amplitudes of the output phase voltages, that on the one hand, caused by generated load phase voltages fluctuation of the output phase voltages to lie symmetrically about a level of the DC input voltage
  • a double maximum amplitude of load phase voltages is not exceeded, this being achieved by lowering the offset at high amplitudes of the load phase voltages.
  • Fig. 1 Bidirectional three-phase buck-boost converter DC / AC converter system according to the prior art with input side DC / DC boost converter, DC link capacitor, output side voltage intermediate three-phase inverter and downstream LC output filter for generating a smoothed three-phase AC output voltage.
  • Fig. 2 Converter system with each arrangement of a DC / DC Wegsetzsteilers per output phase, each phase converter has an input side and a
  • Fig. 3 Time course of the supply of a three-phase machine to be generated
  • FIG. 5 shows the time curve of the setpoint values uout * of the phase converter output voltages uout (the individual voltages uan, ubn, ucn are designated uout in summary for the converter circuits according to FIG. 2, which have a lower amplitude UMpk of the setpoint values than the DC input voltage Uin the load phase voltages uM * can be used to achieve a minimization of the switching-frequency fluctuation of the current in the phase converter inductance (see Fig. 5.1) .
  • Figure 5.2 shows the time characteristic associated with the converter circuit according to Fig. 4, which is an alternative to Fig. 5.1 can also be used for the converter circuit according to Fig.2.
  • 2uMpk, max denotes the maximum value of the phase converter output voltages uout occurring at maximum load phase voltage amplitude; the associated time sequences of uout are shown in dotted lines.
  • Fig. 6 Device for controlling the output voltages of the phase converter to set a predetermined curve uM * the load phase voltages uM, as required for UPS systems or in the supply of variable speed three-phase machines.
  • the regulation has the same structure for each phase and is shown for the sake of clarity only for one phase.
  • Fig. 7 Apparatus for controlling the DC output voltage formed in the interaction of all the phase converter when using the converter system as
  • Three-phase pulse rectifier circuit wherein by a subordinate control a sinusoidal course of the network phase currents, each in phase with the associated
  • FIG. 9 shows an alternative embodiment of a part of the control circuit according to FIG. 6 to FIG. 8.
  • Each system phase converter (see FIG. 2) has an input-side bridge branch 3a, 3b, 3c located between the positive DC input voltage rail 1 and the negative DC input voltage rail 2, which is connected in series with an upper, typically collector or drain side, with the positive DC input voltage rail connected and a lower, typically emitter or source side connected to the negative DC input voltage rail switch, generally one
  • the bridge branch output 4a, 4b, 4c forms of which branches off a phase converter inductance La, LD, LC, which is connected with its second end to the input 5a, 5b, 5c of another output-side bridge branch 6a, 6b, 6c, wherein the source terminal of the lower switch or transistor of this bridge branch with a reference voltage rail n and the drain terminal of the upper transistor of this bridge branch is connected to the associated output phase terminal a, b, c, wherein to ensure a smooth course of the
  • Reference voltage rail is a smoothing capacitance Ca, Cb, Cc.
  • Phase converter common reference voltage rail n is finally connected to the negative rail 2 of the DC input voltage, whereby each phase converter advantageously has the structure of a buck-boost DC / DC converter and the entire three-phase DC / AC converter system only three inductors La, Lb, Lc.
  • a three-phase load is connected with its phase terminals to the output phase terminals a, b, c of the three phase converter and has a free neutral point, so that only the chained phase converter output voltages (load transient voltages), defined as the difference of two phase converter output voltages or a load phase terminal against a Laststernyak measured load phase voltage determines the formation of the load phase currents.
  • load transient voltages load transient voltages
  • phase converter output voltages are generated in such a way that the nominal values of the load phase voltages u_an, u_bn, u_cn, which typically have an output frequency sinusoidal and form a symmetrical three-phase system, are shifted to positive values (see FIG Phase output voltage a unipolar curve, ie only positive values or minimally shows the value zero. As mentioned above, this offset does not become effective in the load output voltages, and thus does not affect the current generation of the load.
  • another offset of three times the output frequency and an amplitude and phase may be added to this constant offset so as to ensure the unipolarity of the output phase voltages with a minimum value of the constant offset, whereby the voltage loading of the transistors of the output side bridge branches 6a, 6b, 6c the phase converter can be minimized at a defined load phase voltage amplitude to be generated (see FIG. 3.2).
  • the timing of the input and output side bridge branches 6a, 6b, 6c of the phase converter it should be noted that in regions in which a phase converter output voltage lying above the DC input voltage has to be generated, the upper switch or power transistor of the input side bridge branch 3a, 3b, 3c a phase converter can remain switched through, and only the output-side bridge branch 6a, 6b, 6c is clocked. The voltage ratio of the converter then corresponds to power flow from the DC input voltage to
  • Boost converter transistor and the antiparallel diode of the upper power transistor acts as a boost converter freewheeling diode, wherein in embodiments always the upper power transistor is also turned on, i. the power transistors of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c are operated in push-pull. Since all power transistors antiparallel diodes are arranged, then a power flow of the
  • Phase converter output voltage into the DC input voltage wherein the function of the phase converter in this case, the one between
  • Phase converter output voltage and DC input voltage lying buck converter corresponds.
  • Phase converter output voltage must be generated remains in embodiments of the upper power transistor of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c of the
  • Bridge branch 3a, 3b, 3c limited.
  • the voltage ratio of the converter then corresponds to power flow from the DC input voltage to
  • Phase converter inductance as Tiefsetzstellerindukt technically the upper power transistor of the input side bridge branch 3a, 3b, 3c as a buck converter transistor and anti-parallel to the lower power transistor diode acts as a buck converter freewheeling diode, in embodiments always switched through the lower power transistor, ie the power transistors of the input-side bridge branch 3a, 3b, 3c be operated in push-pull. Since antiparallel diodes are arranged for all power transistors, can then also be a power flow from the phase converter output voltage to the DC input voltage, wherein the function of the phase converter in this case corresponds to a lying between phase converter output voltage and DC input voltage boost converter.
  • Phase converter output voltages contained push-pull voltage component which leads to switching-frequency currents and thus possibly to high-frequency losses in the connected three-phase load is minimized, i. Switching frequency changes of the
  • Phase converter output voltages are mainly formed as common mode components, which cause a similar voltage shift relative to the reference voltage rail for all phase outputs.
  • Common mode shifts are sensitive, on the other hand, a synchronization of working again with the same clock frequency phase converter can be made such that the switching frequency common mode voltages are minimized, in which case, however, a higher differential mode component of the phase converter output voltages is to be accepted.
  • Output phase terminal may remain clamped to the reference voltage rail, which for the above-described phase converter topology (see Figure 2) by simply
  • Phase converter is then directly by the opposite of the clamped phase to be generated and by subtracting two load phase voltage setpoints to forming sections of the setpoints of the load Aussenleiterhoven defined so that a total of a sinusoidal waveform of all three load outer conductor voltages is reached again. Since the clamping is passed cyclically between the phases, each phase remains clamped for a third of the load phase voltage period when generating a sinusoidal balanced load phase voltage system and thus without switching losses, thus increasing the efficiency of energy transfer is achieved.
  • the input and / or output side bridge branch may advantageously be in multi-level structure, e.g. be performed as Flying Capacitor Multilevelbridge branch, which for setting the voltage ratio between DC input voltage and phase converter output voltage, a higher number of
  • the phase converters may be implemented by a plurality of parallel out-of-phase clocked systems, whereby the current fed into the output capacitance and from the DC input voltage relative to a single system advantageously has a higher effective frequency and a smaller variation.
  • FIG. 4 A converter system in embodiments with phase converters of relatively low complexity is shown in FIG. 4, where in each phase only one bridge branch is arranged between the positive terminal of the DC input voltage and the associated output or load phase terminal for realizing the bi-directional DC / DC step-down converter is and the associated phase converter inductance is connected from the center of the bridge branch to the reference voltage rail.
  • Output phase voltages must be taken into account (ie, the voltage is counted from the reference voltage rail against the phase terminals).
  • further diodes can be placed against the reference voltage rail starting from the output terminals of the phase converters. According to a clamp circuit is then in the presence of an active three-phase load or when connecting a three-phase network instead of a three-phase load, a polarity reversal of
  • a switch can also be connected in parallel in each case, or the output diode can be replaced by a switch with antiparallel output diode.
  • phase converters with an input and output side bridge branch see FIG. 2
  • the free-wheeling diodes of the output-side bridge branch act as clamping diodes during run-up and therefore no further explicit diodes are to be provided.
  • the constant offset can now be selected to be so large for the circuit according to FIG. 2 at low rotational speeds or relatively small amplitudes of the phase converter output voltages that, on the one hand, the fluctuation of the phase converter output voltages caused by the load phase voltages to be generated is symmetrical about the level of the DC input voltage on the other hand, the maximum speed associated twice maximum amplitude of the load phase voltage is not exceeded, this by lowering the offset correspondingly at high Amplitudes of the load phase voltages is achieved. As shown in FIG.
  • the setpoint values of the phase converter output voltages then typically have minimum values significantly greater than zero, and the currents in the phase converter inductors exhibit a relatively small ripple, since then the input and output side bridge branches operate alternately with duty ratios close to one (ie each upper
  • Bridge branches is thus an improvement in the efficiency of energy transfer achievable.
  • the phase converter output phase voltages are always as low as possible, in contrast to Fig. 5.1.
  • the constant offset regardless of the amplitude of the load phase voltage or machine speed to keep as small as possible, so only to choose so large that zero occurs as a minimum voltage value (see Fig.5.2). This is because then the upper power transistors of the input side bridge branches of the phase converters have low duty cycles, again resulting in a small variation in the currents in the phase converter inductors.
  • FIG. 2 A cascaded control of the three-phase converter system according to FIG. 2 is shown in FIG.
  • the control circuit is similar for each phase and shown in the interest of clarity only for one phase. Tensions are, as registered against the
  • the nominal value of a phase converter output voltage uout * is obtained by adding the typically sinusoidal setpoint value uM * of the associated
  • Load phase voltage uM of a fed three-phase load (eg an electric machine M) and the same for all phases setpoint uoff * offset uoff formed, which is typically generated by adding a constant over the output period proportion uoffDC * and a three times the output frequency fluctuating portion uoffAC *.
  • the time course of uoff * is selected such that uout * is limited to the lowest possible values for a given load-phase voltage system uM * to be generated , r
  • phase converter output voltage reference value uout * is compared with the measured actual value of the phase converter output voltage, and the deviation Deltout is fed to a phase converter output voltage controller Ruout, at the output of which is required to correct deltaoutput
  • Output capacitor current setpoint iCout * is formed, which by pre-control of the measured associated load phase current iLoad the output current i of the output side bridge branch BB of the phase converter determined by dividing by the duty cycle dB of the upper transistor T3 of this bridge branch in a target value iL * of the current iL in the Phase converter inductance L can be converted.
  • iL * By comparing iL * with the measured actual value iL, the control deviation deltaiL of the current is then formed in L and a
  • Phase inductance current regulator RiL supplied, which forms at its output the required to correct the deviation DeltaiL setpoint uL * the voltage to be applied to L.
  • the setpoint uA * is the one on the input side End A of L to be placed or to be generated at the output A of the input-side bridge branch BA voltage uA to be generated by adding uL * and uout.
  • the duty cycle dA i. the relative duty cycle of the upper transistor Tl of BA is then simply obtained in the sense of a step-down function of BB by dividing uA * and the actual value of the DC input voltage Vin.
  • uA * must be limited upwards by Uin and downwards by the value zero.
  • the relative duty cycle of the bridge branch BB can be easily generated by subtracting from uA * the measured DC input voltage Uin.
  • the way Difference obtained delta uA * is limited downwards by the value zero and upwards by uout, which corresponds to the physically adjustable limits of uA. If a positive value DeltauA * now occurs, this ultimately means that BB above L for correct
  • control circuit according to FIG. 6 also controls the operation for voltages Uin ⁇ uout, since the activation of the bridge branches BA and BB is indeed derived directly from the desired value uL * and the actual values uout and Uin.
  • control circuit is therefore independent of the respective ratio of Uin and uout * and also for both
  • Power flow directions i. for supplying a motor M Uin or feedback of braking energy of the motor M can be used in Uin.
  • the drive signals of the push-pull bridge arms BA and BB are obtained from dA and dB by corresponding pulse width modulation.
  • the converter circuit can be used on the one hand to supply an electric machine M, but on the other hand also as a three-phase rectifier system with advantageously sinusoidal mains currents iN and a regulated to a constant value DC output voltage Uout.
  • the difference between the DC output voltage setpoint Uout * and the measured value uout is formed and the control deviation Deltauout is fed to an output voltage regulator Ruout which is common to all phase converters and which at its output is used for a corresponding charge change of Cout
  • Phase voltage uinY to which a setpoint value of an offset that is the same for all phases, uoff, is added by the setpoint value uin * to the reference voltage rail n to receive related phase converter input voltage uin.
  • the offset setpoint value uoff * is typically generated by adding a constant component uoffDC * over the network period and a component uoffAC * fluctuating with three times the network frequency, and is designed so that uin * is limited to the lowest possible values uN for a given network phase voltage system the reverse voltage stress and the switching losses of the input side bridge branches of the phase converter can be minimized.
  • phase converter input voltage reference uin * is then used with the
  • Control deviation delta is fed to a phase converter input voltage controller Ruin, at the output of which is required for the correction of delta time
  • Input capacitor current setpoint iCin * is formed, which is subtracted from the setpoint value iN * of the associated line phase current to obtain the setpoint value iin * of the input current iin of the input-side bridge branch BA of the phase converter.
  • the setpoint value iL * of the current iL in the phase converter inductance L can then be obtained.
  • the comparison (subtraction) of iL * with the associated measured value iL leads to the deviation DeltaiL of the current in L which is supplied to a Phaseninduktriossstromregler RiL, at its output the setpoint uL * to correct the
  • Control deviation DeltaiL forms over L to be applied voltage uL.
  • the remaining control circuit between iL * and the relative on durations dA and dB of the bridge branches BA and BB is the same as for the circuit of Figure 6, which is why a description can be omitted here.
  • the control circuit according to Figure 6 and Figure 7 is based on a buck converter operation of the input side bridge branch BA and a through state of the transistor T3 of the output side bridge branch BB as regular operation, but also the case of a lying above the input voltage output of a phase converter, ie the boost converter operation is mastered.
  • the boost converter operation of the converter ie, a steady state of Tl and clocking of the bridge branch BB can be considered as a regular operation, which results in the alternative embodiment shown in FIG. 8 of a part of the control circuits of Figure 6 and Figure 7.
  • the remaining parts of the control circuits remain unchanged. The following description is therefore limited to the part of the already described devices to be replaced.
  • the setpoint value uL * is inverted and then physically from the output side to
  • Input voltage uin the phase converter added to determine the voltage setpoint uB * to be set at input B of BB. After limiting to uout up and zero down - it is only possible to set dB between zero and one - so the duty cycle, i. obtained the duty cycle of the upper transistor T3 of BB.
  • the control circuit also controls the operation for voltages uin> uout, since the activation of the bridge branches BB and BA yes directly from the setpoint uL * (and the actual values uin and uout) is derived.
  • the control circuit is therefore independent of the respective ratio of uin and uout and also for both power flow directions, i. for feeding a motor M from uin, or for realization of a photovoltaic inverter for feeding photovoltaic generated power (uin then represents the voltage of the
  • Solar panels dar or for the recovery of braking energy of a three-phase motor M in the DC input voltage uin, or for the operation of the device as an active three-phase rectifier system (generating a DC output voltage uout) can be used.
  • the setpoint value uL * is subtracted from the input voltage uin and limited up to uout and down to zero.

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Abstract

The invention relates to a converter for transmitting electrical energy between a direct current voltage (DC) system and an alternating current voltage system, comprising a positive DC input voltage rail (1) and a negative DC input voltage rail (2) on the DC voltage side and at least two output phase connections (a, b, c) on the AC voltage side. For each of the output phase connections (a, b, c) there is a phase converter (10a, 10b, 10c), which is connected to the positive DC input voltage rail (1) and the negative DC input voltage rail (2) on a first side, and to said out put phase connection (a; b; c) on a second side, and is designed as a step-up/step-down converter. The converter has a controller which is designed such that, during the operation of the converter, said controller operates each of the phase converters (10a, 10b, 10c) periodically either purely as a step-down converter or purely as a step-up converter, according to a relationship of a DC input voltage relative to instantaneous values of output phase voltages to be generated at the output phase connections (a, b, c).

Description

AC/DC KONVERTER MIT HOCH-TIEFSETZSTELLER PHASENMODULEN  AC / DC CONVERTERS WITH HIGH-RESILIENT PHASE MODULES
Die leistungselektronische Konversion einer Gleichspannung in ein dreiphasiges The power electronic conversion of a DC voltage into a three-phase
Wechselspannungssystem (DC/AC Konversion) findet industriell z.B. in der Antriebstechnik, bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und bei der Einspeisung photovoltaisch erzeugter Energie in das Dreiphasennetz breite Anwendung. AC system (DC / AC conversion) is found industrially e.g. in drive technology, in uninterruptible power supplies (UPS) and in the feeding of photovoltaic energy into the three-phase network wide application.
Das Eingangsgleichspannungsniveau weist hierbei aufgrund der typischerweise stark vom Ladezustand abhängigen Klemmenspannung elektrochemischer Speicher oder  The input DC voltage level in this case has due to the typically highly dependent on the state of charge terminal voltage electrochemical storage or
Brennstoffzellen (Antriebstechnik oder USV) oder zufolge der Temperaturabhängigkeit der Kennlinie von Solarzellen (Photovoltaik) eine relativ grosse Schwankungsbreite auf, sodass der leistungselektronische Konverter typischerweise zweistufig, d.h. mit einem Fuel cells (drive technology or UPS) or due to the temperature dependence of the characteristic of solar cells (photovoltaic) a relatively large variation, so that the power electronic converter typically two-stage, i. with a
eingangsseitigen DC/DC-Hochsetzsteller, einem Spannungszwischenkreis und einem ausgangsseitigen Dreiphasen-DC/AC-Konverter (Inverter) ausgeführt wird (siehe Fig.l). Vorteilhaft kann so der, bei Leistungsfluss von der DC-Seite zur Dreiphasen-AC-Seite letztlich als Tiefsetzsteller wirkende Inverter für einen Betrieb mit konstanter Zwischenkreisspannung und damit mit minimaler Bauleistung ausgeführt werden. Weiters ist durch das gegenüber der Eingangsgleichspannung höhere Zwischenkreisspannungsniveau die Erzeugung einer relativ hohen Ausgangsspannung, welche auch unabhängig vom Batterieladezustand aufrecht erhalten werden kann, möglich, bzw. kann für Photovoltaikaniagen unabhängig von Einstrahlungsstärke und Temperatur ein Betrieb im Punkt maximaler Leistungslieferung erfolgen. In der Antriebstechnik bietet die hohe Zwischenkreisspannung den Vorteil der Beherrschung eines weiten Drehzahlbereiches einer gespeisten Wechselstrommaschine. Input side DC / DC step-up converter, a voltage intermediate circuit and an output side three-phase DC / AC converter (inverter) is executed (see Fig.l). In this way, the inverter, which in the end acts as a step-down converter in the case of power flow from the DC side to the three-phase AC side, can advantageously be designed for operation with a constant intermediate circuit voltage and thus with minimum construction output. Furthermore, by the DC link voltage level higher than the DC input voltage, it is possible to generate a relatively high output voltage, which can be maintained independently of the battery state of charge, or can operate at the point of maximum power delivery regardless of the irradiation intensity and temperature for photovoltaic systems. In drive technology, the high DC link voltage offers the advantage of mastering a wide speed range of a powered AC machine.
Durch den Inverter wird aus der Zwischenkreisspannung ein dreiphasiges  Due to the inverter, the intermediate circuit voltage becomes a three-phase
pulsbreitenmoduliertes Spannungssystem erzeugt und bei Realisierung eines Pulse width modulated voltage system generates and in the realization of a
drehzahlvariablen Antriebes im einfachsten Fall direkt an die Motorklemmen gelegt. Variable speed drive in the simplest case, placed directly on the motor terminals.
Allerdings resultiert damit zufolge der steilen Spannungsflanken eine erhebliche However, this results in a significant, according to the steep voltage edges
Isolationsbelastung der Statorwicklungen des Motors, weiters weist der Statorstrom typischerweise einen hohen schaltfrequenten Rippel auf, der zu hohen Rotorverlusten und damit aufgrund der durch den Luftspalt beschränkten Kühlung zu einer erheblichen thermischen Belastung des Rotors führen kann. Weiters sind durch den schaltfrequenten Gleichtaktanteil der Maschinenklemmenspannungen verursachte Lagerströme, weiche zu einer Zerstörung der Laufbahnen der Lager führen können, als nachteilig zu nennen. Die genannten Nachteile können durch ein dreiphasiges LC-Ausgangsfilter des Inverters, welches schaltfrequente Harmonische der pulsbreitenmodulierten Insulation load of the stator windings of the motor, furthermore, the stator current typically has a high switching-frequency ripple, which can lead to high rotor losses and thus due to the air gap limited cooling to a significant thermal load of the rotor. Furthermore, caused by the switching frequency common mode component of the machine terminal voltages bearing currents, which can lead to a destruction of the raceways of the bearing, to call disadvantageous. The mentioned disadvantages can be achieved by a three-phase LC output filter of the inverter, which switching frequency harmonics of the pulse width modulated
Inverterausgangsphasenspannungen unterdrückt und damit einen glatten, typischerweise sinusförmigen Inverterausgangsspannungsverlauf sicherstellt, vermieden werden.  Inverter output phase voltages suppressed and thus ensures a smooth, typically sinusoidal inverter output voltage waveform can be avoided.
Für USV-Systeme ist dieses LC-Ausgangsfilter in jedem Fall anzuordnen, da die angeschlossenen Wechselspannungsverbraucher i.A. mit einer, nur geringförmig von einem rein sinusförmigen Verlauf abweichenden Spannung gespeist werden müssen. Gleiches gilt für Photovoltaikanwendungen, wo das LC-Ausgangsfilter die erste Stufe eines EMV-Fiiters darstellt, welches die Ausbreitung schaltfrequenter elektromagnetischer Störungen (Ströme) in das Dreiphasennetz unterdrücken soll.  For UPS systems, this LC output filter must always be arranged, since the connected AC consumers i.A. must be supplied with a, deviating only slightly from a purely sinusoidal voltage. The same applies to photovoltaic applications, where the LC output filter is the first stage of an EMC filter intended to suppress the propagation of switching-frequency electromagnetic disturbances (currents) into the three-phase network.
In diesem Kontext ist darauf hinzuweisen, dass die vorgehend beschriebene  In this context, it should be noted that the previously described
Konverterstruktur auch bei Umkehrung der Energierichtung, also für Anwendungen, bei welchen ausgehend von einer Dreiphasennetzspannung eine in weiten Grenzen Converter structure even with reversal of the energy direction, so for applications in which, starting from a three-phase network voltage within a wide limits
schwankende Gleichspannung erzeugt werden muss, wie dies z.B. bei der Batterieladung von Elektrofahrzeugen der Fall ist, Einsatz finden kann. Der DC/DC-Hochsetzsteller arbeitet dann aufgrund der umgekehrten Energierichtung von der Zwischenkreisspannung aus gesehen als DC/DC-Tiefsetzsteller (es ist hiefür antiparallel zur Hochsetzstellerdiode ein fluctuating DC voltage must be generated, as e.g. in the battery charge of electric vehicles is the case, can be used. The DC / DC step-up converter then works as a DC / DC step-down converter as a result of the reversed energy direction from the intermediate circuit voltage (it is antiparallel to the step-up converter diode for this purpose)
Leistungstransistor und antiparallel zum Hochsetzstellerleistungstransistor eine Diode vorzusehen) und regelt den Leistungs- bzw. Stromfluss aus dem Zwischenkreis in die Batterie. Der Dreiphasen-AC/DC-Konverter wirkt in diesem Fall als aktiver Gleichrichter und stellt einen sinusförmigen Verlauf der aus dem Netz aufgenommenen Ströme und einen konstanten Wert der Zwischenkreisspannung sicher. Power transistor and antiparallel to the boost converter power transistor to provide a diode) and regulates the power flow from the intermediate circuit into the battery. The three-phase AC / DC converter acts as an active rectifier in this case and ensures a sinusoidal profile of the currents absorbed by the grid and a constant value of the DC link voltage.
Allerdings weist das Gesamtsystem mit der Induktivität des DC/DC- Hochsetzstellers, dem Zwischenkreiskondensator und der in jeder der drei Ausgangsphasen des Inverters angeordneten Filterinduktivität und Filterkapazität insgesamt einen hohen Aufwand an passiven Komponenten auf, womit ein relativ hohes Bauvolumen resultiert bzw. relativ hohe Realisierungskosten in Kauf zu nehmen sind. Weiters ist die zweistufige Energieumformung mit Blick auf hohe Energieeffizienz als nachteilig zu sehen.  However, the overall system with the inductance of the DC / DC boost converter, the DC link capacitor and arranged in each of the three output phases of the inverter filter inductance and filter capacitance on the whole a high amount of passive components, resulting in a relatively high volume of construction results or relatively high implementation costs Buy are to take. Furthermore, the two-stage energy transformation with regard to high energy efficiency is disadvantageous.
In der Literatur wurden daher einstufige DC/AC-Konverter vorgeschlagen welche aus drei identischen bidirektionalen DC/DC-Phasenkonvertern gebildet werden, welche eine gemeinsame negative Spannungsschiene aufweisen und ausgehend von derselben DC Speisespannung drei sinusförmig variierende, phasenverschobene offsetbehaftete, d.h. gegenüber der negativen Spannungsschiene stets positiv verbleibende Spannungen The literature has therefore proposed single-stage DC / AC converters which are formed from three identical bidirectional DC / DC phase converters having a common negative voltage rail and starting from the same DC Supply voltage three sinusoidally varying, phase-shifted offset, ie always opposite the negative voltage rail positively remaining voltages
(Phasenkonverterausgangsspannungen) erzeugen. Die Unipolarität der (Phase converter output voltages). The unipolarity of
Phasenkonverterausgangsspannungen, wird durch Verschiebung eines symmetrischen Phasensinuslastspannungssystems (welches letztlich zwischen der zugeordneten Phase converter output voltages, by shifting a symmetrical phase in-line load voltage system (which ultimately between the assigned
Phasenklemme und dem freien Sternpunkt der zu speisenden Dreiphasenlast auftreten soll) um einen positiven Offset in Höhe der Amplitude der Phasensinuslastspannungen gebildet. Am Ausgang eines Phasenkonverters treten damit Spannungswerte zwischen der zweifachen Amplitude der Phasensinuslastspannung und Null auf, es ist also in jeder Phase im Phase terminal and the free neutral point of the three-phase load to be supplied) formed by a positive offset in the amount of the amplitude of the Phasensinuslastspannungen. At the output of a phase converter voltage values between twice the amplitude of the phase sinus load voltage and zero occur, so it is in each phase in
allgemeinen Fall sowohl der Betrieb mit einem über der Eingangsspannung als auch mit einem unterhalb der Eingangsspannung liegenden Ausgangsspannungspegel zu beherrschen. Als Phasenkonverter werden daher in entsprechenden Publikationen Cuk-Konverter mit oder ohne Potentialtrennung für die Realisierung der DC/DC Konverter vorgeschlagen. In general case, the operation with an over the input voltage as well as with a lying below the input voltage output voltage level to master. As a phase converter Cuk converter with or without potential separation for the realization of the DC / DC converter are therefore proposed in corresponding publications.
Da die seitens der Last jeweils zwischen zwei positiven Ausgangsklemmen der Cuk- DC/DC-Phasenkonverter abgegriffenen Aussenleiterspannungen der Differenz der zwei zugeordneten Phasenkonverterausgangsspannungen entsprechen, findet die für alle Phasen gleiche Offsetverschiebung in den an den Klemmen des Dreiphasenverbrauchers  Since the external load voltages picked up by the load between two positive output terminals of the Cuk DC / DC phase converter correspond to the difference of the two associated phase converter output voltages, the offset offset which is the same for all phases is found in the terminals of the three-phase load
auftretenden Aussenleiterspannungen (Verbraucheraussenleiterspannungen) keinen Ausdruck, die Verbraucheraussenleiterspannungen weisen demgemäss einen sinusförmigen symmetrischen Verlauf auf. external conductor voltages occurring (consumer external conductor voltages) no expression, the Verbraucheraussenleiterspannungen have accordingly a sinusoidal symmetrical course.
Als Variante der oben beschriebenen Erzeugung unipolarer Ausgangsspannungen durch kontinuierliche Taktung aller drei Cuk-DC/DC-Phasenkonverter ist auch ein  As a variant of the above-described generation of unipolar output voltages by continuous clocking of all three Cuk DC / DC phase converter is also a
Steuerverfahren bekannt, für welches ein Phasenkonverterausgang jeweils für ein Drittel der Ausgangsspannungsperiode auf der negativen Spannungsschiene geklemmt verbleibt, wobei jeweils die Phase mit dem negativsten Momentanwert der zugehörigen Control method is known for which a phase converter output remains clamped in each case for one third of the output voltage period on the negative voltage rail, wherein in each case the phase with the most negative instantaneous value of the associated
Phasensinuslastspannung geklemmt wird und nur die beiden anderen Cuk-DC/DC- Phasenkonverter takten und Ausgangsspannungen derart erzeugen, dass gegenüber dem geklemmten Phasenausgang Ausschnitte der jeweiligen Aussenleiterspannungen erzeugt werden. Somit ist eine Reduktion der Schaltverluste des Systems möglich, weiters tritt am Ausgang eines Phasenkonverters maximal der Wert der Amplitude der Grundschwingung der zu bildenden Verbraucheraussenleiterspannung und nicht der zweifache Wert der Amplitude der Phasensinusspannung auf. Für beide Steuerverfahren zeigt die Verbraucheraussenleiterspannung aufgrund der am Ausgang der Cuk-DC/DC-Phasenkonverter angeordneten Glättungskondensatoren einen glatten Verlauf. Ein für konventionelle Inverter mit pulsbreitenmodulierter Phasensinuslastspannung clamped and only the other two Cuk DC / DC phase converter clocks and generate output voltages such that compared to the clamped phase output sections of the respective outer conductor voltages are generated. Thus, a reduction of the switching losses of the system is possible, further occurs at the output of a phase converter at most the value of the amplitude of the fundamental to be formed Verbraucheraussenleiterspannung and not twice the value of the amplitude of the phase sink voltage. For both control methods, the Verbraucheraussenleiterspannung shows a smooth course due to the arranged at the output of the Cuk DC / DC phase converter smoothing capacitors. One for conventional inverter with pulse width modulated
Ausgangsspannung erforderliches LC-Ausgangsfilter (siehe oben) kann somit entfallen. Output voltage required LC output filter (see above) can thus be omitted.
Allerdings ist desungeachtet ein hoher Realisierungsaufwand des Gesamtsystems gegeben, da anstelle einer Hochsetzstellerinduktivität des eingangs beschriebenen konventionellen zweistufigen Systems (siehe Fig.l) nun drei Eingangsinduktivitäten und anstelle der However, despite this, a high implementation cost of the overall system is given, since instead of a boost converter inductance of the conventional two-stage system described at the beginning (see FIG. 1), three input inductances and instead of the
Zwischenkreiskapazität drei Kapazitäten als Kernelemente der auf kapazitivem DC link capacitance three capacitors as core elements of capacitive
Leistungstransfer beruhenden Cuk-DC/DC-Phasenkonverter einzusetzen sind. Weiters treten an den Leistungshalbleitern signifikant höhere, durch die Summe von Ein- und Power transfer based Cuk DC / DC phase converter are to be used. Furthermore, at the power semiconductors significantly higher, by the sum of inputs and
Ausgangsspannung eines Phasenkonverters und nicht entweder durch die Eingangsspannung oder die Ausgangsspannung definierte Sperrspannungsbelastungen und damit letztlich auch hohe Schaltverluste auf. Der bekannte einstufige Cuk-basierte DC/AC Konverter ist daher nur für Verbraucher mit relativ tiefem Effektivwert der Aussenleiterspannung einsetzbar und mit relativ tiefer Schaltfrequenz realisierbar, was die Möglichkeit einer Erhöhung der Output voltage of a phase converter and not defined either by the input voltage or the output voltage blocking voltage loads and thus ultimately high switching losses. The well-known single-stage Cuk-based DC / AC converter is therefore applicable only to consumers with relatively low effective value of the outer conductor voltage and with relatively low switching frequency feasible, which is the possibility of increasing the
Schaltfrequenz zur Minimierung der Baugrösse der Filterelemente begrenzt. Switching frequency limited to minimize the size of the filter elements.
Weiters wurde die Regelung der Phasenkonverter des einstufigen Systems bisher nur einschleifig ausgeführt, womit sich mit Blick auf die hohe Zahl an Energiespeichern bzw. die hohe Ordnung der Systeme eine klare Limitierung der Dynamik der Regelung der  Furthermore, the control of the phase converter of the single - stage system has been carried out only einschleifig so far, which in view of the high number of energy storage and the high order of the systems, a clear limitation of the dynamics of the control of
Phasenkonverterausgangsspannungen bzw. der Verbraucheraussenleiterspannungen ergibt, welche besonders für hochdynamische Antriebe mit Anforderungen an eine rasche Phase converter output voltages or the Verbraucheraussenleiterspannungen results, which are particularly suitable for highly dynamic drives with requirements for a rapid
Drehzahl- bzw. Spannungserhöhung oder Absenkung nachteilig ist. Speed or voltage increase or reduction is disadvantageous.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem DC und einem AC-System zu schaffen, welcher mindestens einen der oben genannten Nachteile behebt und mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: dass er in jeder Phase mit überlappendem Ein- und Ausgangsspannungsbereich arbeiten kann und kontinuierliche (gefilterte) Ausgangsphasenwechselspannungen erzeugt, dass er eine minimale Anzahl induktiver Elemente aufweist, dass diese von geringer The object of the invention is therefore to provide a converter for the transmission of electrical energy between a DC and an AC system, which remedies at least one of the abovementioned disadvantages and has at least one of the following properties: and output voltage range, and produces continuous (filtered) output phase AC voltages, that it has a minimum number of inductive elements, that of lower
Baugrösse sind, dass eine, bevorzugt durch die Ein- oder Ausgangsspannung der Size are one that, preferably by the input or output voltage of the
Phasenkonverter definierte Sperrspannungsbelastung und/oder Schaltverluste der Phase converter defined blocking voltage load and / or switching losses of
Leistungshalbleiter gering sind, dass er eine mehrschleifige Regelung der Phasenkonverter aufweist, sodass eine hohe Dynamik der Regelung der Phasenkonverterausgangsspannungen gegeben ist. Power semiconductors are low, that he has a multi-loop control of the phase converter has, so that a high dynamics of the control of the phase converter output voltages is given.
Diese Aufgabe löst ein Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem DC und einem AC-System gemäss den Patentansprüchen. This object is achieved by a converter for transmitting electrical energy between a DC and an AC system according to the patent claims.
Der Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Gleichspannungs- (DC-)system und einem Wechselspannungs-(AC-)system, weist gleichspannungsseitig eine positive DC-Eingangsspannungsschiene und eine negative DC-Eingangsspannungsschiene und wechselspannungsseitig mindestens zwei Ausgangsphasenanschlüsse auf. Dabei liegt für jeden der Ausgangsphasenanschlüsse ein Phasenkonverter vor, welcher an einer ersten Seite an die positive DC-Eingangsspannungsschiene und die negative DC- Eingangsspannungsschiene und an einer zweiten Seite an diesen Ausgangsphasenanschluss angeschlossen ist und als Hochsetz-Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Der Konverter weist eine Regelung auf, welche dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters jeden der The converter for transferring electrical energy between a DC system and an AC system has a positive DC input voltage rail on the DC side and a negative DC input voltage rail and at least two output phase terminals on the AC side. In this case, there is a phase converter for each of the output phase terminals, which is connected on a first side to the positive DC input voltage rail and the negative DC input voltage rail and on a second side to this output phase terminal and is designed as a step-up buck converter. The converter has a control, which is designed, in the operation of the converter, each of the
Phasenkonverter, in Abhängigkeit eines Verhältnisses einer DC-Eingangsspannung zu Momentanwerten von an den Ausgangsphasenanschlüssen zu erzeugenden Phase converter, in response to a ratio of a DC input voltage to instantaneous values to be generated at the output phase terminals
Ausgangsphasenspannungen, zeitweise entweder als reinen Tiefsetzsteller oder als reinen Hochsetzsteller zu betreiben. Output phase voltages, temporarily operated either as a pure buck converter or as a pure boost converter.
Es sind also die Phasenkonverter nicht als DC/DC-Cuk-Konverter sondern als mehrschleifig geregelte Tiefhochsetz-DC/DC-Konverter ausgeführt, wobei die Vorgabe der Sollwerte der Phasenkonverterausgangsspannungen derart erfolgt, dass einerseits ein minimaler Thus, the phase converters are not embodied as DC / DC Cuk converters but as multi-loop regulated step-down DC / DC converters, the specification of the setpoint values of the phase converter output voltages being such that, on the one hand, a minimum
Maximalwert der Ausgangsspannungen erforderlich ist und andererseits eine minimale Schwankung der Ströme in den Induktivitäten der Phasenkonverter resultiert. Damit können bei gegebener Schaltfrequenz kleine Induktivitätswerte und bei gegebenen Maximum value of the output voltages is required and on the other hand results in a minimal fluctuation of the currents in the inductors of the phase converter. Thus, with a given switching frequency small inductance values and given
Induktivitätswerten kleine Schaltfrequenzen gewählt werden bzw. geringe Schaltverluste auftreten. Inductance small switching frequencies are selected or low switching losses occur.
In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters in jedem der Phasenkonverter eine Taktung von Schaltern des Phasenkonverters zeitweise auf einen , In embodiments, the control is adapted, in the operation of the converter in each of the phase converter, a timing of switches of the phase converter temporarily to a .
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eingangsseitigen Tiefsetzstellerteil oder Brückenzweig oder auf einen ausgangsseitigen Hochsetzstellerteil oder Brückenzweig des Phasenkonverters zu beschränken. Restrict input side buck converter part or bridge branch or on an output side boost converter part or bridge branch of the phase converter.
In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter derart vorzunehmen, dass für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltenen Gegentaktspannungsanteil minimiert. In embodiments, the regulation is designed to make the clocking of all phase converters in operation of the converter such that the same clock frequency is present for all phase converters and synchronization of the clocking of the converters minimizes a differential voltage component contained in the output phase voltages.
In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter derart vorzunehmen, dass für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltenen Gleichtaktspannungsanteil minimiert. In embodiments, the control is designed to perform the clocking of all phase converters during operation of the converter such that the same clock frequency is present for all phase converters and synchronization of the clocking of the converters minimizes a common-mode voltage component contained in the output phase voltages.
In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters einen Offset zur Bildung von Ausgangsphasenspannungssollwerten aus In embodiments, the control is configured to offset the formation of output phase voltage setpoints during operation of the converter
Lastphasenspannungssollwerten vorzugeben, derart, Specify load phase voltage setpoints, so,
dass jeweils in einem Zeitabschnitt für denjenigen Phasenkonverter, dessen zugeordneter Lastphasenspannungssollwert den höchsten negativen Wert aufweist, ein in each case in a time interval for the phase converter whose assigned load phase voltage setpoint has the highest negative value
Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert, womit dieser Phasenkonverter nicht getaktet werden muss und sein Ausgangsphasenanschluss an eine Output phase voltage setpoint equal to zero results, so this phase converter does not need to be clocked and its output phase connection to a
Referenzspannungsschiene geklemmt verbleiben kann, und Reference voltage rail may remain clamped, and
der Verlauf der Ausgangsphasenspannungssollwerte von nicht geklemmten the course of the output phase voltage setpoints of unblocked
Phasenkonvertern durch gegenüber dem geklemmten Ausgangsphasenanschluss zu erzeugende und durch Subtraktion von jeweils zwei Lastphasenspannungssollwerten in diesem Zeitabschnitt gebildete Sollwerte von Lastaussenleiterspannungen definiert ist, sodass insgesamt wieder ein sinusförmiger Verlauf aller Lastaussenleiterspannungen vorliegt. Phase converters is defined by the setpoint values of load external conductor voltages formed relative to the clamped output phase connection and formed by subtracting in each case two load phase voltage nominal values in this time segment, so that overall there is a sinusoidal profile of all the load external conductor voltages.
In Ausführungsformen sind die Phasenkonverter jeweils als kaskadierte Ab- Aufwärtswandler (Buck-Boost Converter) ausgebildet. In embodiments, the phase converters are each formed as a cascaded buck-boost converter.
In Ausführungsformen sind die Phasenkonverter jeweils durch eine Schaltung realisiert, in welcher ein Brückenzweig zwischen der positiven DC-Eingangsspannungsschiene und einem zugehörigen Ausgangsphasenanschluss angeordnet ist, eine Phasenkonverterinduktivität zwischen einen Mittelpunkt des Brückenzweiges und die negative DC- Eingangsspannungsschiene geschaltet ist, eine Ausgangskapazität zwischen den In embodiments, the phase converters are each realized by a circuit in which a bridge branch between the positive DC input voltage rail and a associated output phase terminal is arranged, a phase converter inductance between a center of the bridge branch and the negative DC input voltage rail is connected, an output capacitance between the
Ausgangsphasenanschluss und eine gemeinsame Referenzspannungsschiene geschaltet ist, welche mit der DC-Eingangsspannungsschiene verbunden ist. Output phase terminal and a common reference voltage rail is connected, which is connected to the DC input voltage rail.
In Ausführungsformen ist in den Phasenkonvertern jeweils eine Ausgangsdiode zwischen den Ausgangsphasenanschluss und die Referenzspannungsschiene geschaltet welche eine positive Ausgangsphasenspannung am Ausgangsphasenanschluss bezüglich der In embodiments, in the phase converters, an output diode is connected between the output phase terminal and the reference voltage rail, respectively, which has a positive output phase voltage at the output phase terminal relative to the output phase terminal
Referenzspannungsschiene sicherstellt Ensures reference voltage rail
Zusätzlich zur Ausgangsdiode kann auch noch ein Schalter parallelgeschaltet werden, bzw. die Ausgangsdiode durch einen Schalter mit antiparalleler Ausgangsdiode ersetzt werden. Somit kann die Phase mit der tiefsten Spannung jeweils über ein Drittel der Periode geklemmt werden (keine Schaltverluste für diese Phase) und somit die Konvertereffizienz gesteigert werden.  In addition to the output diode, a switch can also be connected in parallel, or the output diode can be replaced by a switch with antiparallel output diode. Thus, the phase with the lowest voltage can each be clamped over one third of the period (no switching losses for this phase) and thus the converter efficiency can be increased.
In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters bei relativ kleinen Amplituden der Ausgangsphasenspannungen einen konstanten Offset der Ausgangsphasenspannungen so gross zu wählen, dass einerseits eine, durch zu erzeugende Lastphasenspannungen bedingte Schwankung der Ausgangsphasenspannungen symmetrisch um ein Niveau der DC-Eingangsspannung zu liegen kommt, und andererseits eine zweifache maximale Amplitude von Lastphasenspannungen nicht überschritten wird, wobei dies durch Absenken des Offsets bei hohen Amplituden der Lastphasenspannungen erreicht wird. In embodiments, the control is designed to select a constant offset of the output phase voltages so large during operation of the converter at relatively small amplitudes of the output phase voltages, that on the one hand, caused by generated load phase voltages fluctuation of the output phase voltages to lie symmetrically about a level of the DC input voltage On the other hand, a double maximum amplitude of load phase voltages is not exceeded, this being achieved by lowering the offset at high amplitudes of the load phase voltages.
Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten In the following, the subject invention is based on preferred
Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. Each show schematically:
Fig. 1: Bidirektionales dreiphasiges Hoch-Tiefsetzsteller DC/AC-Konvertersystem gemäss dem Stand der Technik mit eingangsseitigem DC/DC-Hochsetzsteller, Zwischenkreiskondensator, ausgangsseitigem Spannungszwischenkreis-Dreiphaseninverter und nachgeschaltetem LC- Ausgangsfilter zur Erzeugung einer geglätteten Dreiphasen-Ausgangswechselspannung. Fig. 2: Konvertersystem mit Anordnung je eines DC/DC-Tiefhochsetzsteilers je Ausgangsphase, wobei jeder Phasenkonverter einen eingangsseitigen und einen Fig. 1: Bidirectional three-phase buck-boost converter DC / AC converter system according to the prior art with input side DC / DC boost converter, DC link capacitor, output side voltage intermediate three-phase inverter and downstream LC output filter for generating a smoothed three-phase AC output voltage. Fig. 2: Converter system with each arrangement of a DC / DC Tiefhochsetzsteilers per output phase, each phase converter has an input side and a
ausgangsseitigen Brückenzweig und eine zwischen den Brückenzweigen angeordnete, für Tief- und Hochsetzstellerbetrieb verwendete Phasenkonverterinduktivität aufweist. Having output side bridge branch and arranged between the bridge arms, used for buck and boost converter operation phase converter inductance.
Fig. 3: Zeitverlauf der bei Speisung einer Drehstrommaschine zu erzeugenden Fig. 3: Time course of the supply of a three-phase machine to be generated
Phasenkonverterausgangsspannungen für (Fig. 3.1) zeitlich konstante Offsetverschiebung uoff des eigentlich zu erzeugenden Lastphasenspannungssystems in Höhe der Amplitude der Lastphasenspannung; (Fig. 3.2) bei konstanter Offsetverschiebung und zusätzlicher Phase converter output voltages for (FIG. 3.1) time-constant offset shift uoff of the load-phase voltage system actually to be generated in the amount of the amplitude of the load-phase voltage; (Fig. 3.2) with constant offset shift and additional
Überlagerung eines Wechselanteil des Offsetsignals mit dreifacher Ausgangsfrequenz und einer Phasenlage derart, dass der Maximalwert der Phasenkonverterausgangsspannungen minimiert wird; (Fig. 3.3) bei Offsetverschiebung des zu erzeugenden Superimposing an alternating component of the offset signal with three times the output frequency and a phase position such that the maximum value of the phase converter output voltages is minimized; (Fig. 3.3) at offset shift of the to be generated
Lastphasenspannungssystems derart, dass für einen Phasenkonverterausgang über ein Drittel der Ausgangsperiode ein Sollwert gleich Null vorliegt, und dieser Konverter daher im Klemmzustand verbleiben kann. Load phase voltage system such that for a phase converter output over a third of the output period, a setpoint value is zero, and this converter can therefore remain in the clamped state.
Fig.4: Ausführung der Phasenkonvertern mit quasi minimaler Komplexität, wobei die 4: execution of the phase converters with virtually minimal complexity, wherein the
Ausgangsklemmen der Phasenkonverter negatives Potential zeigen, und weiters um einen einfachen Hochlauf des Systems zu ermöglichen ausgehend von den Ausgangsklemmen der Phasenkonverter Dioden gegen die Referenzspannungsschiene gelegt werden. Jeweils eine Diode parallel zu einem Ausgangskondensator kann einen parallelen Schalter aufweisen , dies ermöglicht analog zur Schaltung in Fig.2 das Klemmen der Phase mit tiefster Spannung über ein Drittel der Periodendauer und somit Reduktion der Schalt-/Konverterverluste Output terminals of the phase converter negative potential show, and further to allow a simple run-up of the system starting from the output terminals of the phase converter diodes are placed against the reference voltage rail. In each case a diode parallel to an output capacitor may have a parallel switch, this analogous to the circuit in Figure 2 allows the clamping of the phase with the lowest voltage over one third of the period and thus reducing the switching / converter losses
Fig.5: Zeitverlauf der Sollwerte uout* der Phasenkonverterausgangsspannungen uout (wobei mit uout in zusammenfassender Weise die einzelnen Spannungen uan, ubn, ucn bezeichnet sind für die Konverterschaltungen nach Fig.2, welche bei gegenüber der DC- Eingangsspannung Uin kleiner Amplitude UMpk der Sollwerte der Lastphasenspannungen uM* Einsatz finden kann, um eine Minimierung der schaltfrequenten Schwankung des Stromes in der Phasenkonverterinduktivität zu erreichen (siehe Fig. 5.1). In Fig. 5.2 ist der Zeitverlauf zugehörig der Konverterschaltung nach Fig. 4 dargestellt, welcher alternativ zu Fig. 5.1 auch für die Konverterschaltung nach Fig.2 Einsatz finden kann. 2uMpk,max bezeichnet den bei maximaler Lastphasenspannungsamplitude auftretenden Maximalwert der Phasenkonverterausgangsspannungen uout; die zugehörigen Zeitverläufe von uout sind jeweils strichliert dargestellt. 5 shows the time curve of the setpoint values uout * of the phase converter output voltages uout (the individual voltages uan, ubn, ucn are designated uout in summary for the converter circuits according to FIG. 2, which have a lower amplitude UMpk of the setpoint values than the DC input voltage Uin the load phase voltages uM * can be used to achieve a minimization of the switching-frequency fluctuation of the current in the phase converter inductance (see Fig. 5.1) .Figure 5.2 shows the time characteristic associated with the converter circuit according to Fig. 4, which is an alternative to Fig. 5.1 can also be used for the converter circuit according to Fig.2. 2uMpk, max denotes the maximum value of the phase converter output voltages uout occurring at maximum load phase voltage amplitude; the associated time sequences of uout are shown in dotted lines.
Fig. 6: Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen der Phasenkonverter um einen vorgegebenen Verlauf uM* der Lastphasenspannungen uM einzustellen, wie dies für USV Systeme oder bei der Speisung drehzahlvariabler Drehstrommaschinen benötigt wird. Die Regelung weist für jede Phase gleiche Struktur und ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für eine Phase dargestellt. Fig. 6: Device for controlling the output voltages of the phase converter to set a predetermined curve uM * the load phase voltages uM, as required for UPS systems or in the supply of variable speed three-phase machines. The regulation has the same structure for each phase and is shown for the sake of clarity only for one phase.
Fig. 7: Vorrichtung zur Regelung der im Zusammenwirken aller Phasenkonverter gebildeten DC-Ausgangsspannung bei Einsatz des Konvertersystems als Fig. 7: Apparatus for controlling the DC output voltage formed in the interaction of all the phase converter when using the converter system as
Dreiphasenpulsgleichrichterschaltung, wobei durch eine unterlagerte Regelung ein sinusförmiger Verlauf der Netzphasenströme, jeweils in Phase mit der zugehörigen Three-phase pulse rectifier circuit, wherein by a subordinate control a sinusoidal course of the network phase currents, each in phase with the associated
Netzphasenspannung sichergestellt wird. Die Regelung weist für jede Phase gleiche Struktur und ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für eine Phase dargestellt. Mains phase voltage is ensured. The regulation has the same structure for each phase and is shown for the sake of clarity only for one phase.
Fig. 8: Modifikation eines Teiles der Regelvorrichtungen nach Fig. 6 und Fig. 7. 8: Modification of a part of the control devices according to FIG. 6 and FIG. 7.
Fig.9: Alternative Ausführung eines Teiles der Regelschaltung nach Fig. 6 bis Fig. 8. FIG. 9 shows an alternative embodiment of a part of the control circuit according to FIG. 6 to FIG. 8.
Jeder Phasenkonverter des Systems (siehe Fig. 2) weist einen zwischen der positiven DC- Eingangsspannungsschiene 1 und der negativen DC-Eingangsspannungsschiene 2 liegenden eingangsseitigen Brückenzweig 3a, 3b, 3c auf, welcher durch Serienschaltung eines oberen, typischerweise kollektor- oder drainseitig mit der positiven DC-Eingangsspannungsschiene verbundenen und eines unteren, typischerweise emitter- oder sourceseitig mit der negativen DC-Eingangsspannungsschiene verbundenen Schalter, allgemein einem Each system phase converter (see FIG. 2) has an input-side bridge branch 3a, 3b, 3c located between the positive DC input voltage rail 1 and the negative DC input voltage rail 2, which is connected in series with an upper, typically collector or drain side, with the positive DC input voltage rail connected and a lower, typically emitter or source side connected to the negative DC input voltage rail switch, generally one
Leistungstransistor realisiert wird, wobei zu beiden Transistoren eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist und der beiden Transistoren gemeinsame Schaltungspunkt (Verbindung des Emitter- oder Sourceanschlusses des oberen und des Kollektor- oder Drainanschlusses des unteren Transistors) den Brückenzweigausgang 4a, 4b, 4c bildet, von welchem eine Phasenkonverterinduktivität La, LD, LC abzweigt, welche mit ihrem zweiten Ende an den Eingang 5a, 5b, 5c eines weiteren ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c gelegt ist, wobei der Sourceanschluss des unteren Schalters respektive Transistors dieses Brückenzweiges mit einer Referenzspannungsschiene n und der Drainanschluss des oberen Transistors dieses Brückenzweiges mit der zugeordneten Ausgangsphasenklemme a, b, c verbunden ist, wobei zur Sicherstellung eines glatten Verlaufes der Power transistor is realized, wherein a free-wheeling diode is connected in anti-parallel to both transistors and the two transistors common circuit point (connection of the emitter or source terminal of the upper and the collector or drain terminal of the lower transistor) the bridge branch output 4a, 4b, 4c forms of which branches off a phase converter inductance La, LD, LC, which is connected with its second end to the input 5a, 5b, 5c of another output-side bridge branch 6a, 6b, 6c, wherein the source terminal of the lower switch or transistor of this bridge branch with a reference voltage rail n and the drain terminal of the upper transistor of this bridge branch is connected to the associated output phase terminal a, b, c, wherein to ensure a smooth course of the
Ausgangsphasenspannung zwischen der Ausgangsphasenklemme und der Output phase voltage between the output phase terminal and the
Referenzspannungsschiene eine Glättungskapazität Ca, Cb, Cc gelegt ist. Die für alle Reference voltage rail is a smoothing capacitance Ca, Cb, Cc. The for everyone
Phasenkonverter gemeinsame Referenzspannungsschiene n ist schliesslich mit der negativen Schiene 2 der DC-Eingangsspannung verbunden, womit jeder Phasenkonverter die Struktur eines Tiefhochsetzsteller-DC/DC-Konverters und das gesamte dreiphasige DC/AC- Konvertersystem vorteilhaft nur drei Induktivitäten La, Lb, Lc aufweist. Phase converter common reference voltage rail n is finally connected to the negative rail 2 of the DC input voltage, whereby each phase converter advantageously has the structure of a buck-boost DC / DC converter and the entire three-phase DC / AC converter system only three inductors La, Lb, Lc.
Eine Dreiphasenlast wird mit ihren Phasenklemmen an die Ausgangsphasenklemmen a, b, c der drei Phasenkonverter geschaltet und weist einen freien Sternpunkt auf, sodass nur die verketteten Phasenkonverterausgangsspannungen (Lastaussenleiterspannungen), definiert als Differenz von jeweils zwei Phasenkonverterausgangsspannungen bzw. die von einer Lastphasenklemme gegen einen Laststernpunkt gemessenen Lastphasenspannung die Bildung der Lastphasenströme bestimmt.  A three-phase load is connected with its phase terminals to the output phase terminals a, b, c of the three phase converter and has a free neutral point, so that only the chained phase converter output voltages (load transient voltages), defined as the difference of two phase converter output voltages or a load phase terminal against a Laststernpunkt measured load phase voltage determines the formation of the load phase currents.
Die Phasenkonverterausgangsspannungen werden derart erzeugt, dass die Sollwerte der typischerweise mit Ausgangsfrequenz sinusförmig verlaufenden und ein symmetrisches Dreiphasensystem bildenden Lastphasenspannungen u_an, u_bn, u_cn mittels eines im einfachsten Fall zeitlich konstanten Offsets u_off derart zu positiven Werten verschoben werden (siehe Fig.3.1), dass jede Phasenausgangsspannung einen unipolaren Verlauf, d.h. nur positive Werte bzw. minimal den Wert Null zeigt. Wie oben erwähnt, wird dieser Offset in den Lastaussenleiterspannungen nicht wirksam und bleibt damit ohne Einfluss auf die Strombildung der Last. In Ausführungsformen kann zu diesem konstanten Offset ein weiterer Offset- mit dreifacher Ausgangsfrequenz und einer Amplitude und Phase derart addiert werden, dass die Unipolarität der Ausgangsphasenspannungen mit einem Minimalwert des konstanten Offsets sichergestellt ist, womit die Spannungsbelastung der Transistoren der ausgangsseitigen Brückenzweige 6a, 6b, 6c der Phasenkonverter bei definierter zu erzeugender Lastphasenspannungsamplitude minimiert werden kann(siehe Fig.3.2). Bezüglich der Taktung der ein- und ausgangsseitigen Brückenzweige 6a, 6b, 6c der Phasenkonverter ist anzumerken, dass in Bereichen, in welchen eine über der DC- Eingangsspannung liegende Phasenkonverterausgangsspannung erzeugt werden muss, der obere Schalter respektive Leistungstransistor des eingangsseitigen Brückenzweiges 3a, 3b, 3c eines Phasenkonverters durchgeschaltet verble<iben kann, und nur der ausgangsseitige Brückenzweig 6a, 6b, 6c getaktet wird. Die Spannungsübersetzung des Konverters entspricht dann für Leistungsfluss von der DC-Eingangsspannung zur The phase converter output voltages are generated in such a way that the nominal values of the load phase voltages u_an, u_bn, u_cn, which typically have an output frequency sinusoidal and form a symmetrical three-phase system, are shifted to positive values (see FIG Phase output voltage a unipolar curve, ie only positive values or minimally shows the value zero. As mentioned above, this offset does not become effective in the load output voltages, and thus does not affect the current generation of the load. In embodiments, another offset of three times the output frequency and an amplitude and phase may be added to this constant offset so as to ensure the unipolarity of the output phase voltages with a minimum value of the constant offset, whereby the voltage loading of the transistors of the output side bridge branches 6a, 6b, 6c the phase converter can be minimized at a defined load phase voltage amplitude to be generated (see FIG. 3.2). With regard to the timing of the input and output side bridge branches 6a, 6b, 6c of the phase converter, it should be noted that in regions in which a phase converter output voltage lying above the DC input voltage has to be generated, the upper switch or power transistor of the input side bridge branch 3a, 3b, 3c a phase converter can remain switched through, and only the output-side bridge branch 6a, 6b, 6c is clocked. The voltage ratio of the converter then corresponds to power flow from the DC input voltage to
Phasenkonverterausgangsspannung jener eines Hochsetzstellers, wobei die Phase converter output voltage that of a boost converter, wherein the
Phasenkonverterinduktivität La, Lb, Lc als Hochsetzstellerinduktivität, der untere Phase converter inductance La, Lb, Lc as boost converter inductance, the lower
Leistungstransistor des ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c als Power transistor of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c as
Hochsetzstellertransistor und die antiparallele Diode des oberen Leistungstransistors als Hochsetzstellerfreilaufdiode wirkt, wobei in Ausführungsformen stets auch der obere Leistungstransistor durchgeschaltet wird, d.h. die Leistungstransistoren des ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c im Gegentakt betrieben werden. Da zu allen Leistungstransistoren antiparallele Dioden angeordnet sind, kann dann auch ein Leistungsfluss von der Boost converter transistor and the antiparallel diode of the upper power transistor acts as a boost converter freewheeling diode, wherein in embodiments always the upper power transistor is also turned on, i. the power transistors of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c are operated in push-pull. Since all power transistors antiparallel diodes are arranged, then a power flow of the
Phasenkonverterausgangsspannung in die DC-Eingangsspannung erfolgen, wobei die Funktion des Phasenkonverters in diesem Fall der eines zwischen Phase converter output voltage into the DC input voltage, wherein the function of the phase converter in this case, the one between
Phasenkonverterausgangsspannung und DC-Eingangsspannung liegenden Tiefsetzstellers entspricht.  Phase converter output voltage and DC input voltage lying buck converter corresponds.
In Bereichen, in welchen eine unterhalb der DC-Eingangsspannung liegende  In areas where one is below the DC input voltage
Phasenkonverterausgangsspannung erzeugt werden muss, verbleibt in Ausführungsformen der obere Leistungstransistor des ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c des Phase converter output voltage must be generated remains in embodiments of the upper power transistor of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c of the
Phasenkonverters durchgeschaltet, und die Taktung wird auf den eingangsseitigen Phase converter switched, and the timing is on the input side
Brückenzweig 3a, 3b, 3c beschränkt. Die Spannungsübersetzung des Konverters entspricht dann für Leistungsfluss von der DC-Eingangsspannung zur Bridge branch 3a, 3b, 3c limited. The voltage ratio of the converter then corresponds to power flow from the DC input voltage to
Phasenkonverterausgangsspannung jener eines Tiefsetzstellers, wobei die Phase converter output voltage that of a buck converter, wherein the
Phasenkonverterinduktivität als Tiefsetzstellerinduktivität, der obere Leistungstransistor des eingangsseitigen Brückenzweiges 3a, 3b, 3c als Tiefsetzstellertransistor und die zum unteren Leistungstransistor antiparallel liegende Diode als Tiefsetzstellerfreilaufdiode wirkt, wobei in Ausführungsformen stets auch der untere Leistungstransistor durchgeschaltet, d.h. die Leistungstransistoren des eingangsseitigen Brückenzweiges 3a, 3b, 3c im Gegentakt betrieben werden. Da zu allen Leistungstransistoren antiparallele Dioden angeordnet sind, kann dann auch ein Leistungsfluss von der Phasenkonverterausgangsspannung in die DC- Eingangsspannung erfolgen, wobei die Funktion des Phasenkonverters in diesem Fall der eines zwischen Phasenkonverterausgangsspannung und DC-Eingangsspannung liegenden Hochsetzstellers entspricht. Phase converter inductance as Tiefsetzstellerinduktivität, the upper power transistor of the input side bridge branch 3a, 3b, 3c as a buck converter transistor and anti-parallel to the lower power transistor diode acts as a buck converter freewheeling diode, in embodiments always switched through the lower power transistor, ie the power transistors of the input-side bridge branch 3a, 3b, 3c be operated in push-pull. Since antiparallel diodes are arranged for all power transistors, can then also be a power flow from the phase converter output voltage to the DC input voltage, wherein the function of the phase converter in this case corresponds to a lying between phase converter output voltage and DC input voltage boost converter.
Hinsichtlich der Taktung aller Phasenkonverter sei darauf hingewiesen, dass in Ausführungsformen für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz gewählt wird und eine Synchronisation der Taktung der Konverter derart erfolgt, dass der in den  With regard to the timing of all phase converter should be noted that in embodiments for all phase converter, the same clock frequency is selected and a synchronization of the timing of the converter is such that the in the
Phasenkonverterausgangsspannungen enthaltene Gegentaktspannungsanteil, welcher zu schaltfrequenten Ströme und damit ggf. zu Hochfrequenzverlusten in der angeschlossenen Dreiphasenlast führt, minimiert wird, d.h. schaltfrequente Änderungen der Phase converter output voltages contained push-pull voltage component, which leads to switching-frequency currents and thus possibly to high-frequency losses in the connected three-phase load is minimized, i. Switching frequency changes of the
Phasenkonverterausgangsspannungen vor allem als Gleichtaktkomponenten gebildet werden, welche für alle Phasenausgänge eine gleichartige Spannungsverschiebung gegenüber der Referenzspannungsschiene bewirken. Phase converter output voltages are mainly formed as common mode components, which cause a similar voltage shift relative to the reference voltage rail for all phase outputs.
Für Verbraucher, welche insbesondere gegenüber hochfrequenten  For consumers, in particular to high-frequency
Gleichtaktverschiebungen sensitiv sind, kann andererseits eine Synchronisierung der wieder mit gleicher Taktfrequenz arbeitenden Phasenkonverter derart vorgenommen werden, dass die schaltfrequenten Gleichtaktspannungen minimiert werden, wobei dann allerdings eine höhere Gegentaktkomponente der Phasenkonverterausgangspannungen in Kauf zu nehmen ist. Common mode shifts are sensitive, on the other hand, a synchronization of working again with the same clock frequency phase converter can be made such that the switching frequency common mode voltages are minimized, in which case, however, a higher differential mode component of the phase converter output voltages is to be accepted.
Ein zu Fig.3.1 und Fig.3.2 alternativer Verlauf des Offsets ist derart definiert, dass für den Phasenkonverter, dessen zugeordnete Lastphasenspannung den höchsten negativen Wert aufweist, ein Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert (siehe Fig.3.3), womit dieser Phasenkonverter nicht getaktet werden muss, bzw. die zugehörige An alternative course to the Fig.3.1 and Fig.3.2 offset is defined such that for the phase converter whose associated load phase voltage has the highest negative value, an output phase voltage setpoint equal to zero results (see Fig.3.3), so this phase converter does not need to be clocked , or the associated
Ausgangsphasenklemme an die Referenzspannungsschiene geklemmt verbleiben kann, was für die oben beschriebene Phasenkonvertertopologie (siehe Fig.2) einfach durch Output phase terminal may remain clamped to the reference voltage rail, which for the above-described phase converter topology (see Figure 2) by simply
gleichzeitiges Durchschalten des oberen und des unteren Leistungstransistors des ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c erreicht werden kann. Vorteilhaft ist dann auch der untere Leistungstransistor des eingangsseitigen Brückenzweiges 3a, 3b, 3c simultaneous switching of the upper and the lower power transistor of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c can be achieved. Also advantageous is the lower power transistor of the input-side bridge branch 3a, 3b, 3c
durchzuschalten. Der Verlauf der Ausgangsspannungssollwerte der beiden anderen turn on. The course of the output voltage setpoints of the other two
Phasenkonverter wird dann direkt durch die gegenüber der geklemmten Phase zu erzeugenden und durch Subtraktion von jeweils zwei Lastphasenspannungssollwerten zu bildenden Ausschnitte der Sollwerte der Lastaussenleiterspannungen definiert, sodass insgesamt wieder ein sinusförmiger Verlauf aller drei Lastaussenleiterspannungen erreicht wird. Da die Klemmung zyklisch zwischen den Phasen weitergereicht wird, bleibt jede Phase bei Erzeugung eines sinusförmigen symmetrischen Lastphasenspannungssystems für ein Drittel der Lastphasenspannungsperiode geklemmt und somit ohne Schaltverluste, womit eine Erhöhung der Effizienz der Energieübertragung erreicht wird. Phase converter is then directly by the opposite of the clamped phase to be generated and by subtracting two load phase voltage setpoints to forming sections of the setpoints of the load Aussenleiterspannungen defined so that a total of a sinusoidal waveform of all three load outer conductor voltages is reached again. Since the clamping is passed cyclically between the phases, each phase remains clamped for a third of the load phase voltage period when generating a sinusoidal balanced load phase voltage system and thus without switching losses, thus increasing the efficiency of energy transfer is achieved.
Hinsichtlich der Realisierung der Phasenkonverter ist anzumerken, dass neben der vorstehend beschriebenen Ausführung eine Reihe vorteilhafter Modifikationen bestehen: With regard to the realization of the phase converter, it should be noted that in addition to the embodiment described above there are a number of advantageous modifications:
So kann in Ausführungsformen der ein- und/oder ausgangsseitige Brückenzweig vorteilhaft in Multilevelstruktur, also z.B. als Flying Capacitor Multilevelbrückenzweig ausgeführt werden, womit für die Einstellung der Spannungsübersetzung zwischen DC- Eingangsspannung und Phasenkonverterausgangsspannung eine höhere Zahl von  Thus, in embodiments, the input and / or output side bridge branch may advantageously be in multi-level structure, e.g. be performed as Flying Capacitor Multilevelbridge branch, which for setting the voltage ratio between DC input voltage and phase converter output voltage, a higher number of
Spannungsniveaus zur Verfügung steht, womit ein geringerer schaltfrequenter Rippel der Ströme in den Phaseninduktivitäten auftritt. Voltage levels is available, whereby a lower switching frequency ripple of the currents in the phase inductances occurs.
Weiters können in Ausführungsformen die Phasenkonverter durch mehrere parallele, phasenversetzt getaktete Systeme realisiert werden, womit der in die Ausgangskapazität gespeiste und der aus der DC-Eingangsspannung bezogene Strom verglichen mit einem Einzelsystem vorteilhaft eine höhere effektive Frequenz und eine kleinere Schwankung aufweist.  Further, in embodiments, the phase converters may be implemented by a plurality of parallel out-of-phase clocked systems, whereby the current fed into the output capacitance and from the DC input voltage relative to a single system advantageously has a higher effective frequency and a smaller variation.
Ein Konvertersystem in Ausführungsformen mit Phasenkonvertern von relativ geringer Komplexität ist in Fig.4 gezeigt, wobei in jeder Phase zur Realisierung des bidirektionalen DC/DC-Tiefhochsetzstellers nur ein Brückenzweig zwischen der positiven Klemme der DC- Eingangsspannung und der zugehörigen Ausgangs- bzw. Lastphasenklemme angeordnet ist und die zugehörige Phasenkonverterinduktivität vom Mittelpunkt des Brückenzweiges gegen die Referenzspannungsschiene geschaltet ist. Funktionsbedingt weist dann die A converter system in embodiments with phase converters of relatively low complexity is shown in FIG. 4, where in each phase only one bridge branch is arranged between the positive terminal of the DC input voltage and the associated output or load phase terminal for realizing the bi-directional DC / DC step-down converter is and the associated phase converter inductance is connected from the center of the bridge branch to the reference voltage rail. Functionally, then the
Referenzspannungsschiene positives Potential auf bzw. zeigen die Ausgangsklemmen der Phasenkonverter negatives Potential, was bei der Vorgabe der Sollwerte der Reference voltage rail positive potential or show the output terminals of the phase converter negative potential, which in the specification of the setpoints of the
Ausgangsphasenspannungen zu berücksichtigen ist (es wird also die Spannungszählung ausgehend von der Referenzspannungsschiene gegen die Phasenklemmen vorgenommen). Um einen einfachen Hochlauf des Systems zu ermöglichen können in Ausführungsformen weiters ausgehend von den Ausgangsklemmen der Phasenkonverter Dioden gegen die Referenzspannungsschiene gelegt werden. Entsprechend einer Klemmschaltung wird dann bei Vorliegen einer aktiven Dreiphasenlast oder bei Anschluss eines Dreiphasennetzes anstelle einer Dreiphasenlast eine Polaritätsumkehr der Output phase voltages must be taken into account (ie, the voltage is counted from the reference voltage rail against the phase terminals). In order to enable a simple run-up of the system, in embodiments further diodes can be placed against the reference voltage rail starting from the output terminals of the phase converters. According to a clamp circuit is then in the presence of an active three-phase load or when connecting a three-phase network instead of a three-phase load, a polarity reversal of
Phasenkonverterausgangsspannungen unterbunden und in einem breiten Intervall der Ausgangsperiode ohne Taktung der Leistungstransistoren eine positive Ausgangsspannung sichergestellt, welche für den Hochlauf des Systems genutzt werden kann. Zusätzlich zur jeder Ausgangsdiode kann auch noch jeweils ein Schalter parallelgeschaltet werden, bzw. die Ausgangsdiode durch einen Schalter mit antiparalleler Ausgangsdiode ersetzt werden. Somit kann wie für die Schaltung nach Fig. 2 die Phase mit der tiefsten Spannung jeweils über ein Drittel der Periode geklemmt werden (keine Schaltverluste für diese Phase) und somit die Konvertereffizienz gesteigert werden.  Inhibit phase converter output voltages and ensured in a wide interval of the output period without clocking the power transistors, a positive output voltage, which can be used for booting the system. In addition to each output diode, a switch can also be connected in parallel in each case, or the output diode can be replaced by a switch with antiparallel output diode. Thus, as for the circuit of FIG. 2, the phase with the lowest voltage can be clamped over one third of the period (no switching losses for this phase) and thus the converter efficiency can be increased.
Anzumerken ist, dass für Phasenkonverter mit einem ein- und ausgangsseitigen Brückenzweig (siehe Fig.2) die Freilaufdioden des ausgangsseitigen Brückenzweiges während des Hochlaufs als Klemmdioden wirken und daher keine expliziten weiteren Dioden vorzusehen sind. It should be noted that for phase converters with an input and output side bridge branch (see FIG. 2), the free-wheeling diodes of the output-side bridge branch act as clamping diodes during run-up and therefore no further explicit diodes are to be provided.
Für Einsatz des Systems nach Fig.2 oder Fig.4 für die Speisung einer an den Ausgangsphasenklemmen liegenden Drehstrommaschine (Last) sind abhängig von der Drehzahl der Maschine verschiedene Amplituden der Lastphasenspannung bzw. verschiedene Amplituden der zugeordneten Phasenkonverterausgangsspannungen zu erzeugen, wobei typischerweise bei höchster Drehzahl die höchsten Amplitudenwerte auftreten, für welche die For use of the system of FIG. 2 or FIG. 4 for feeding a three-phase machine (load) located at the output phase terminals, different amplitudes of the load phase voltage or different amplitudes of the associated phase converter output voltages are to be generated depending on the speed of the machine, typically at maximum speed the highest amplitude values occur for which the
Leistungshalbleiter des ausgangsseitigen Brückenzweiges auszulegen sind. Power semiconductor of the output side bridge branch are interpreted.
Vorteilhaft kann nun für die Schaltung nach Fig.2 bei tiefen Drehzahlen, bzw. relativ kleinen Amplituden der Phasenkonverterausgangsspannungen der konstante Offset so gross gewählt werden, dass einerseits die, durch die zu erzeugenden Lastphasenspannungen bedingte Schwankung der Phasenkonverterausgangsspannungen symmetrisch um das Niveau der DC-Eingangsspannung zu liegen kommt, und andererseits die der maximalen Drehzahl zugeordnete zweifache maximale Amplitude der Lastphasenspannung nicht überschritten wird, wobei dies durch entsprechendes Absenken des Offsets bei hohen Amplituden der Lastphasenspannungen erreicht wird. Wie in Fig.5.1 gezeigt, weisen die Sollwerte der Phasenkonverterausgangspannungen dann typischerweise Minimalwerte deutlich grösser als Null auf und die Ströme in den Phasenkonverterinduktivitäten zeigen einen relativ geringen Rippel, da dann der ein- und der ausgangsseitige Brückenzweig abwechselnd mit Tastverhältnissen nahe Eins arbeiten (d.h. die jeweils oberen Advantageously, the constant offset can now be selected to be so large for the circuit according to FIG. 2 at low rotational speeds or relatively small amplitudes of the phase converter output voltages that, on the one hand, the fluctuation of the phase converter output voltages caused by the load phase voltages to be generated is symmetrical about the level of the DC input voltage on the other hand, the maximum speed associated twice maximum amplitude of the load phase voltage is not exceeded, this by lowering the offset correspondingly at high Amplitudes of the load phase voltages is achieved. As shown in FIG. 5.1, the setpoint values of the phase converter output voltages then typically have minimum values significantly greater than zero, and the currents in the phase converter inductors exhibit a relatively small ripple, since then the input and output side bridge branches operate alternately with duty ratios close to one (ie each upper
Leistungstransistoren nahezu beständig durchgeschaltet sind) was bekanntermassen in einer geringen schaltfrequenten Schwankung des Stromes in der Phasenkonverterinduktivität resultiert, was wiederum in niedrigen Hochfrequenzverlusten Ausdruck findet. Auch unter Berücksichtigung der dann aufgrund der höheren geschalteten Power transistors are almost constantly turned on) which is known to result in a low switching-frequency fluctuation of the current in the phase converter, which in turn finds expression in low high-frequency losses. Also considering the then switched due to the higher
Phasenkonverterausgangsspannung höheren Schaltverluste des ausgangsseitigen Phase converter output voltage higher switching losses of the output side
Brückenzweiges ist somit eine Verbesserung der Effizienz der Energieübertragung erreichbar. Bridge branches is thus an improvement in the efficiency of energy transfer achievable.
Für die Schaltung nach Fig.4 sind die Phasenkonverterausgangsphasenspannungen im Gegensatz zu Fig.5.1 stets möglichst tief, d.h. der konstante Offset unabhängig von der Amplitude der Lastphasenspannung bzw. Maschinendrehzahl möglichst klein zu halten, also nur so gross zu wählen, dass als minimaler Spannungswert Null auftritt (siehe Fig.5.2). Dies deshalb, da dann die oberen Leistungstransistoren der eingangsseitigen Brückenzweige der Phasenkonverter geringe relative Einschaltdauern aufweisen, was wieder in einer geringen Schwankung der Ströme in den Phasenkonverterinduktivitäten resultiert.  For the circuit of Fig. 4, the phase converter output phase voltages are always as low as possible, in contrast to Fig. 5.1. The constant offset regardless of the amplitude of the load phase voltage or machine speed to keep as small as possible, so only to choose so large that zero occurs as a minimum voltage value (see Fig.5.2). This is because then the upper power transistors of the input side bridge branches of the phase converters have low duty cycles, again resulting in a small variation in the currents in the phase converter inductors.
Eine kaskadierte Regelung des dreiphasigen Konvertersystems nach Fig.2 ist in Fig.6 gezeigt. Die Regelschaltung ist für jede Phase gleichartig und im der Sinne der Übersichtlichkeit nur für eine Phase gezeigt. Spannungen werden, wie eingetragen gegenüber der A cascaded control of the three-phase converter system according to FIG. 2 is shown in FIG. The control circuit is similar for each phase and shown in the interest of clarity only for one phase. Tensions are, as registered against the
Referenzspannungsschiene n bzw. der negativen Schiene DC- der DC-Eingangsspannung Uin gemessen. Reference voltage rail n or the negative rail DC- the DC input voltage Uin measured.
Der Sollwert einer Phasenkonverterausgangsspannung uout* wird durch Addition des typischerweise sinusförmig verlaufenden Sollwertes uM* der zugehörigen  The nominal value of a phase converter output voltage uout * is obtained by adding the typically sinusoidal setpoint value uM * of the associated
Lastphasenspannung uM einer gespeisten Dreiphasenlast (z.B. einer elektrischen Maschine M) und des für alle Phasen gleichen Sollwert uoff* des Offsets uoff gebildet, welcher typischerweise durch Addition eines über die Ausgangsperiode konstanten Anteils uoffDC* und eines mit dreifacher Ausgangsfrequenz schwankenden Anteils uoffAC* erzeugt wird. Vorteilhaft wird der Zeitverlauf von uoff* derart gewählt, dass uout* für ein vorgegebenes zu erzeugendes Lastphasenspannungssystems uM* auf möglichst tiefe Werte beschränkt . r Load phase voltage uM of a fed three-phase load (eg an electric machine M) and the same for all phases setpoint uoff * offset uoff formed, which is typically generated by adding a constant over the output period proportion uoffDC * and a three times the output frequency fluctuating portion uoffAC *. Advantageously, the time course of uoff * is selected such that uout * is limited to the lowest possible values for a given load-phase voltage system uM * to be generated , r
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bleibt, wodurch auch die Sperrspannungsbeanspruchung und die Schaltverluste der ausgangsseitigen Brückenzweige BB der Phasenkonverter minimiert werden. Dies schliesst eine Vorgabe von uoff* derart ein, dass jeweils ein Phasenkonverter über ein Drittel der Ausgangsperiode im geklemmten Zustand vorbleibt, d.h. uout* entsprechend breite Intervalle mit uout*=0 aufweist. remains, whereby the reverse voltage stress and the switching losses of the output side bridge branches BB of the phase converter can be minimized. This includes a default of uoff * such that one phase converter each remains in the clamped state for one-third of the output period, i. uout * has correspondingly broad intervals with uout * = 0.
Der Phasenkonverterausgangsspannungssollwert uout* wird mit dem gemessenen Istwert der Phasenkonverterausgangsspannung verglichen und die Regelabweichung Deltauout einem Phasenkonverterausgangsspannungsregler Ruout zugeführt, an dessen Ausgangs der zur Korrektur von Deltauout erforderliche  The phase converter output voltage reference value uout * is compared with the measured actual value of the phase converter output voltage, and the deviation Deltout is fed to a phase converter output voltage controller Ruout, at the output of which is required to correct deltaoutput
Ausgangskondensatorsstromsollwert iCout* gebildet wird, welcher durch eine Vorsteuerung des gemessenen zugehörigen Lastphasenstromes iLoad den Ausgangsstrom i des ausgangsseitigen Brückenzweiges BB des Phasenkonverters bestimmt, der durch Division durch die relative Einschaltdauer dB des oberen Transistors T3 dieses Brückenzweiges in einen Sollwert iL* des Stromes iL in der Phasenkonverterinduktivität L umgerechnet werden kann. Durch Vergleich von iL* mit dem gemessenen Istwert iL wird anschliessend die Regelabweichung DeltaiL des Stromes in L gebildet und einem  Output capacitor current setpoint iCout * is formed, which by pre-control of the measured associated load phase current iLoad the output current i of the output side bridge branch BB of the phase converter determined by dividing by the duty cycle dB of the upper transistor T3 of this bridge branch in a target value iL * of the current iL in the Phase converter inductance L can be converted. By comparing iL * with the measured actual value iL, the control deviation deltaiL of the current is then formed in L and a
Phaseninduktivitätsstromregler RiL zugeführt, welcher an seinem Ausgang die zur Korrektur der Regelabweichung DeltaiL erforderliche Sollwert uL* der an L zu legenden Spannung bildet.  Phase inductance current regulator RiL supplied, which forms at its output the required to correct the deviation DeltaiL setpoint uL * the voltage to be applied to L.
Ausgehend von der Annahme eines Betriebes mit kontinuierlich durchgeschaltetem oberen Transistor T3 des ausgangsseitigen Brückenzweiges BB, welcher durch das Auftreten von uout an der Eingangsklemme B von BB und damit auch am ausgangsseitigen Ende von L gekennzeichnet ist, ist dann der Sollwert uA* der an das eingangsseitige Ende A von L zu legenden bzw. am Ausgangs A des eingangsseitigen Brückenzweiges BA zu erzeugenden Spannung uA durch Addition von uL* und uout zu erhalten. Das Tastverhältnis dA, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors Tl von BA wird dann einfach im Sinne einer Tiefsetzstellerfunktion von BB durch Division von uA* und des Istwertes der DC- Eingangsspannung Vin erhalten.  Starting from the assumption of an operation with continuously switched-through upper transistor T3 of the output-side bridge branch BB, which is characterized by the occurrence of uout at the input terminal B of BB and thus also at the output end of L, then the setpoint uA * is the one on the input side End A of L to be placed or to be generated at the output A of the input-side bridge branch BA voltage uA to be generated by adding uL * and uout. The duty cycle dA, i. the relative duty cycle of the upper transistor Tl of BA is then simply obtained in the sense of a step-down function of BB by dividing uA * and the actual value of the DC input voltage Vin.
Da dA auf werte zwischen Null und Eins beschränkt ist, ist uA* entsprechend nach oben durch Uin und nach unten durch den Wert Null zu begrenzen. Vorteilhaft kann zufolge dieser Begrenzung auch die relative Einschaltdauer des Brückenzweiges BB einfach generiert werden, indem von uA* die gemessene DC-Eingangsspannung Uin subtrahiert wird. Die so erhaltene Differenz Delta uA* wird nach unten durch den Wert Null und nach oben durch uout begrenzt, was den physikalisch einstellbaren Grenzen von uA entspricht. Tritt nun ein positiver Wert DeltauA* auf, bedeutet dies letztlich, dass BB den über L für korrekte Since dA is limited to values between zero and one, uA * must be limited upwards by Uin and downwards by the value zero. Advantageously, according to this limitation, the relative duty cycle of the bridge branch BB can be easily generated by subtracting from uA * the measured DC input voltage Uin. The way Difference obtained delta uA * is limited downwards by the value zero and upwards by uout, which corresponds to the physically adjustable limits of uA. If a positive value DeltauA * now occurs, this ultimately means that BB above L for correct
Stromregelung zu erzeugenden Spannungswert uL* auch bei Maximalaussteuerung von BA mit dA=l bzw. uA=Uin nicht erzeugen kann. Entsprechend darf dann der Eingang B von BB nicht weiter das Tastverhältnis dB=l aufweisen bzw. darf T3 nicht mehr wie oben angenommen dauerhaft im durchgeschalteten Zustand verbleiben. Der Eingang B ist also spannungsmässig um DeltauA* abzusenken, bzw. letztlich ein Sollwert uB* der an B zu erzeugenden Spannung gemäss einer Subtraktion des begrenzten Wertes von uA* von uout zu bilden, wobei das Tastverhältnis dB von BB dann mit Blick auf die Tiefsetzstellerfunktion von BB von uout nach uB durch Division von uB* durch uout zu erhalten. Current regulation to be generated voltage value uL * even at maximum modulation of BA with dA = l or uA = Uin can not generate. Accordingly, then the input B of BB may not continue to have the duty cycle dB = l or T3 may no longer remain permanently in the through-connected state as assumed above. The input B is thus voltage-wise to lower DeltauA *, or ultimately a desired value uB * of the voltage to be generated at B according to a subtraction of the limited value of uA * of uout, the duty cycle dB of BB then with respect to the buck converter function from BB from uout to uB by dividing uB * by uout.
Für über uout* liegende Werte der DC-Eingangsspannung Uin wird dann das  For values of the DC input voltage Uin above uout *, the
Konvertersystem vorwiegend im Tiefsetzstellerbetrieb, d.h. mit Taktung von BA arbeiten, BB wird mit dB=l bzw. T3 kontinuierlich eingeschaltet verbleiben. Einzig bei raschen transienten Änderungen von uout* oder iLoad wird vorübergehend eine Taktung von BB auftreten. Converter system mainly in buck converter mode, i. work with BA timing, BB will remain switched on continuously with dB = 1 or T3. Only with rapid transient changes of uout * or iLoad will a temporary clocking of BB occur.
Allerdings beherrscht die Regelschaltung nach Fig.6 auch den Betrieb für Spannungen Uin < uout, da die Aktivierung der Brückenzweige BA und BB ja direkt vom Sollwert uL* und den Istwerten uout und Uin abgeleitet wird. Vorteilhaft ist die Regelschaltung daher unabhängig vom jeweiligen Verhältnis von Uin und uout* und auch für beide  However, the control circuit according to FIG. 6 also controls the operation for voltages Uin <uout, since the activation of the bridge branches BA and BB is indeed derived directly from the desired value uL * and the actual values uout and Uin. Advantageously, the control circuit is therefore independent of the respective ratio of Uin and uout * and also for both
Leistungsflussrichtungen, d.h. für Speisung eines Motors M aus Uin oder Rückspeisung von Bremsenergie des Motors M in Uin einsetzbar. Power flow directions, i. for supplying a motor M Uin or feedback of braking energy of the motor M can be used in Uin.
Die Ansteuersignale der im Gegentakt betriebenen Brückenzweige BA und BB werden ausgehend von dA und dB durch entsprechende Pulsbreitenmodulation erhalten.  The drive signals of the push-pull bridge arms BA and BB are obtained from dA and dB by corresponding pulse width modulation.
Wie eingangs erwähnt, kann die Konverterschaltung einerseits zur Speisung einer elektrischen Maschine M, andererseits aber auch als Dreiphasengleichrichtersystem mit vorteilhaft sinusförmigen Netzströmen iN und einer auf einen konstanten Wert geregelten DC-Ausgangsspannung Uout eingesetzt werden. As mentioned above, the converter circuit can be used on the one hand to supply an electric machine M, but on the other hand also as a three-phase rectifier system with advantageously sinusoidal mains currents iN and a regulated to a constant value DC output voltage Uout.
Wie in Fig.7 gezeigt, sind dann unter weitestgehender Verwendung der in  As shown in Fig. 7, then, using as much as possible the in
Verbindung mit Fig.6 eingeführten Bezeichnungen die positiven Ausgänge der Connection with Fig.6 introduced terms the positive outputs of
Phasenkonverter zu verbinden und an die positive Klemme DC+ eines für alle Phasen gemeinsamen Ausgangskondensators Cout zu legen, dessen negative Schiene DC- mit der Referenzspannungsschiene n, gegen die die eingangsseitigen Brückenzweige BA geschaltet sind, verbunden ist. Weiters werden die für Fig. 6 sämtlich an der positiven Klemme der DC- Eingangsspannung liegenden Eingänge der Brückenzweige BA der Phasenkonverter nun getrennt ausgeführt und über Phasenvorschaltinduktivitäten LN an die Klemmen aN,bN,cN des Dreiphasennetzes N geführt. Weiters wird in jedem Phasenkonverter ein Phase converter to connect and to the positive terminal DC + to lay a common output capacitor Cout for all phases, the negative rail DC- with the Reference voltage rail n, against which the input-side bridge arms BA are connected, is connected. Furthermore, the inputs of the bridge branches BA of the phase converters, which are all located at the positive terminal of the DC input voltage for FIG. 6, are now carried out separately and are conducted via phase connection inductances LN to the terminals aN, bN, cN of the three-phase network N. Furthermore, in each phase converter
Filterkondensator Cin parallel zum jeweiligen eingangsseitigen Brückenzweig BA von der jeweiligen Eingangsklemme a, b, c gegen die für alle Phasenkonverter gemeinsame Filter capacitor Cin parallel to the respective input-side bridge branch BA of the respective input terminal a, b, c against the common for all phase converter
Referenzspannungsschiene n geschaltet. Reference voltage rail n switched.
Für die Regelung von Vout wird die Differenz des DC-Ausgangsspannungssollwertes Uout* und des gemessenen Wertes uout gebildet und die Regelabweichung Deltauout einem für alle Phasenkonverter gemeinsamen Ausgangsspannungsregler Ruout zugeführt, der an seinem Ausgangs den für eine entsprechende Ladungsänderung von Cout  For the regulation of Vout, the difference between the DC output voltage setpoint Uout * and the measured value uout is formed and the control deviation Deltauout is fed to an output voltage regulator Ruout which is common to all phase converters and which at its output is used for a corresponding charge change of Cout
erforderlichen Stromsollwert iCout* bildet, zu welchem vorteilhaft der Messwert iLoad des an einen DC-Verbraucher RLoad fliessenden Stromes addiert wird um den Sollwert iout* des von der Parallelschaltung der Phasenkonverter gesamt zu bildenden Ausgangsstromes iout (Summe der Ausgangsströme i der ausgangsseitigen Brückenzweige BB) zu erhalten. Durch Multiplikation mit Uout* wird dann ein Sollwert pout* der Konverterausgangsleistung erhalten und unter Annahme eines symmetrischen und sinusförmigen Verlaufes der Netzphasenspannungen uN durch Division durch das dreifache Quadrat der Amplitude UNpk einer Netzphasenspannung und Division durch 2, 3/2 UNpkA2, in den Sollwert eines required current setpoint iCout * forms, to which advantageously the measured value iLoad of the current flowing to a DC consumer RLoad current is added to the setpoint iout * of the output circuit iout to be formed by the parallel connection of the phase converter (sum of the output currents i of the output side bridge branches BB) receive. By multiplying by Uout *, a nominal value pout * of the converter output power is then obtained, assuming a symmetric and sinusoidal characteristic of the mains phase voltages uN by dividing by the threefold square of the amplitude UNpk of a mains phase voltage and dividing by 2, 3/2 UNpk A 2, into the Setpoint of a
Ersatzleitwertes G* der Phasenzweige einer Widerstandsersatzsternschaltung, welche durch das Konvertersystem für das Netz repräsentiert werden soll um ein ohmsches Netzverhalten sicherzustellen, umgerechnet. Durch Multiplikation von G* mit dem Messwert der zugeordneten Netzphasenspannung uN ist dann einfach der Sollwert iN* des vom jeweiligen Phasenkonverter zu beziehenden Netzphasenstromes iN zu erhalten, von welchem der Messwert iN des Netzphasenstromes subtrahiert wird um eine Regelabweichung DeltaiN zu erhalten, welche einem Netzstromregler RiN zugeführt wird, der an seinem Ausgang den Sollwert uLN* der über der zugehörigen Phasenvorschaltinduktivität LN zu erzeugenden Spannung uLN erzeugt, welcher von uN zu subtrahieren ist um den Sollwert uinY* der am Eingang des Phasenkonverters gegenüber dem Netzsternpunkt Y zu erzeugende The equivalent conductance G * of the phase branches of a resistor replacement star connection, which is to be represented by the converter system for the network in order to ensure an ohmic network behavior, is converted. By multiplying G * by the measured value of the assigned mains phase voltage uN, it is then easy to obtain the desired value iN * of the line phase current iN to be obtained from the respective phase converter, from which the measured value iN of the mains phase current is subtracted in order to obtain a system deviation DeltaiN which corresponds to a line current controller RiN is supplied, which generates at its output the setpoint uLN * of the voltage to be generated on the associated Phasenvorschaltinduktivität LN uNN, which is to be subtracted from uN by the setpoint uinY * to be generated at the input of the phase converter relative to the Netzsternpunkt Y.
Phasenspannung uinY zu erhalten, zu welchem ein Sollwert eines für alle Phasen gleichen Offsets, uoff, addiert wird um den Sollwert uin* der auf die Referenzspannungsschiene n bezogenen Phasenkonvertereingangsspannung uin zu erhalten. Der Off setsoll wert uoff* wird dabei typischerweise durch Addition eines über die Netzperiode konstanten Anteils uoffDC* und eines mit dreifacher Netzfrequenz schwankenden Anteils uoffAC* erzeugt und so gestaltet, dass uin* für ein vorgegebenes Netzphasenspannungssystems uN auf möglichst tiefe Werte beschränkt bleibt, wodurch auch die Sperrspannungsbeanspruchung und die Schaltverluste der eingangsseitigen Brückenzweige der Phasenkonverter minimiert werden. Dies schliesst eine Vorgabe von uoff* derart ein, dass jeweils ein Phasenkonverter über ein Drittel der Ausgangsperiode im geklemmten Zustand verbleibt, wobei dann das zugeordnete uin* entsprechend breite Intervalle mit uout*=0 aufweist. Phase voltage uinY, to which a setpoint value of an offset that is the same for all phases, uoff, is added by the setpoint value uin * to the reference voltage rail n to receive related phase converter input voltage uin. The offset setpoint value uoff * is typically generated by adding a constant component uoffDC * over the network period and a component uoffAC * fluctuating with three times the network frequency, and is designed so that uin * is limited to the lowest possible values uN for a given network phase voltage system the reverse voltage stress and the switching losses of the input side bridge branches of the phase converter can be minimized. This includes a specification of uoff * such that in each case a phase converter remains in the clamped state for one third of the output period, in which case the associated uin * has correspondingly broad intervals with uout * = 0.
Der Phasenkonvertereingangsspannungssollwert uin* wird dann mit dem  The phase converter input voltage reference uin * is then used with the
gemessenen Istwert der Phasenkonvertereingangsspannung uin verglichen und die measured actual value of the phase converter input voltage uin compared and the
Regelabweichung Deltauin einem Phasenkonvertereingangsspannungsregler Ruin zugeführt, an dessen Ausgangs der zur Korrektur von Deltauin erforderliche Control deviation delta is fed to a phase converter input voltage controller Ruin, at the output of which is required for the correction of delta time
Eingangskondensatorsstromsollwert iCin* gebildet wird, welcher vom Sollwertes iN* des zugehörigen Netzphasenstromes subtrahiert wird, um den Sollwert iin* der Eingangsstromes iin des eingangsseitigen Brückenzweiges BA des Phasenkonverters zu erhalten. Durch Division von iin* durch die relative Einschaltdauer dA des oberen Transistors von BA kann dann der Sollwert iL* des Stromes iL in der Phasenkonverterinduktivität L erhalten werden. Der Vergleich (Subtraktion) von iL* mit dem zugehörigen Messwert iL führt dann auf die Regelabweichung DeltaiL des Stromes in L welche einem Phaseninduktivitätsstromregler RiL zugeführt wird, der an seinem Ausgang den Sollwert uL* der zur Korrektur der  Input capacitor current setpoint iCin * is formed, which is subtracted from the setpoint value iN * of the associated line phase current to obtain the setpoint value iin * of the input current iin of the input-side bridge branch BA of the phase converter. By dividing iin * by the duty ratio dA of the upper transistor of BA, the setpoint value iL * of the current iL in the phase converter inductance L can then be obtained. The comparison (subtraction) of iL * with the associated measured value iL then leads to the deviation DeltaiL of the current in L which is supplied to a Phaseninduktivitätsstromregler RiL, at its output the setpoint uL * to correct the
Regelabweichung DeltaiL über L zu legenden Spannung uL bildet. Die übrige Regelschaltung zwischen iL* und den relativen Einschaltdauern dA und dB der Brückenzweige BA und BB ist gleich wie für die Schaltung nach Fig.6 weshalb hier auf eine Beschreibung verzichtet werden kann. Control deviation DeltaiL forms over L to be applied voltage uL. The remaining control circuit between iL * and the relative on durations dA and dB of the bridge branches BA and BB is the same as for the circuit of Figure 6, which is why a description can be omitted here.
Die Regelschaltung nach Fig.6 und Fig.7 geht von einem Tiefsetzstellerbetrieb des eingangsseitigen Brückenzweiges BA und einem durchgeschalteten Zustand des Transistors T3 des ausgangsseitigen Brückenzweiges BB als Regulärbetrieb aus, wobei jedoch auch der Fall einer über der Eingangsspannung liegenden Ausgangsspannung eines Phasenkonverters, d.h. der Hochsetzstellerbetrieb beherrscht wird. Alternativ kann auch der Hochsetzstellerbetrieb des Konverters, d.h. ein bleibender Durchschaltzustand von Tl und Taktung des Brückenzweiges BB als Regulärbetrieb angesehen werden, womit die in Fig. 8 gezeigte alternative Ausführung eines Teiles der Regelschaltungen nach Fig.6 und Fig.7 resultiert. Die übrigen Teile der Regelschaltungen bleiben unverändert. Die nachfolgende Beschreibung wird daher auf den zu ersetzenden Teil der bereits beschriebenen Vorrichtungen beschränkt. The control circuit according to Figure 6 and Figure 7 is based on a buck converter operation of the input side bridge branch BA and a through state of the transistor T3 of the output side bridge branch BB as regular operation, but also the case of a lying above the input voltage output of a phase converter, ie the boost converter operation is mastered. Alternatively, the boost converter operation of the converter, ie, a steady state of Tl and clocking of the bridge branch BB can be considered as a regular operation, which results in the alternative embodiment shown in FIG. 8 of a part of the control circuits of Figure 6 and Figure 7. The remaining parts of the control circuits remain unchanged. The following description is therefore limited to the part of the already described devices to be replaced.
Für die Ermittlung der relativen Einschaltzeiten der Brückenzweige BA und BB wird der Sollwert uL* invertiert und dann diese physikalisch von der Ausgangsseite zur  In order to determine the relative switch-on times of the bridge branches BA and BB, the setpoint value uL * is inverted and then physically from the output side to
Eingangsseite gerichtete Spannung -uL* zur Eingangsspannung uin des Phasenkonverters addiert und so der am Eingang B von BB einzustellende Spannungssollwert uB* ermittelt. Nach Begrenzung auf uout nach oben und Null nach unten - es können ja nur zwischen Null und Eins liegende Tastverhältnisse dB eingestellt werden - wird dann das Tastverhältnis, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors T3 von BB erhalten. Input voltage uin the phase converter added to determine the voltage setpoint uB * to be set at input B of BB. After limiting to uout up and zero down - it is only possible to set dB between zero and one - so the duty cycle, i. obtained the duty cycle of the upper transistor T3 of BB.
Um die geforderte Spannung uL* auch dann einstellen zu können, wenn uB* den Wert uout übersteigt, wird weiters die Differenz Delta uB* von uB* und uout ermittelt und nach Begrenzung mit uin nach oben und Null nach unten von der Eingangsspannung uin subtrahiert. Dies folgt der Überlegung, dass zur Einstellung eines Sollwertes uL* welcher auf uB*=uout bzw. db=l führt, der Ausgang A des Brückenzweiges BA von der Eingangsspannung gelöst und durch entsprechende Taktung potentialmässig abgesenkt werden muss. Das dann einzustellende Tastverhältnis dA ist dann einfach durch Division von uA* durch uin zu erhalten.  In order to be able to set the required voltage uL * even if uB * exceeds the value uout, the difference delta uB * of uB * and uout is furthermore determined and subtracted after limitation with uin up and zero down from the input voltage uin. This follows the consideration that to set a desired value uL * which leads to uB * = uout or db = l, the output A of the bridge branch BA must be released from the input voltage and lowered in potential by appropriate timing. The duty cycle dA to be set then can be obtained simply by dividing uA * by uin.
Für unterhalb von uout liegende Werte der Eingangsspannung uin wird dann das Konvertersystem vorwiegend im Hochsetzstellerbetrieb, d.h. mit Taktung von BB arbeiten, BA wird mit dA=l bzw. Tl kontinuierlich eingeschaltet verbleiben. Einzig bei raschen transienten Änderungen von uin* oder iLoad wird vorübergehend eine Taktung von BA auftreten. Allerdings beherrscht die Regelschaltung auch den Betrieb für Spannungen uin > uout, da die Aktivierung der Brückenzweige BB und BA ja direkt vom Sollwert uL* (und den Istwerten uin und uout) abgeleitet wird. Vorteilhaft ist die Regelschaltung daher unabhängig vom jeweiligen Verhältnis von uin und uout und auch für beide Leistungsflussrichtungen, d.h. für Speisung eines Motors M aus uin, oder für Realisierung eine Photovoltaikinverters zur Netzeinspeisung photovoltaisch erzeugter Leistung (uin stellt dann die Spannung des  For values of the input voltage u in which are below uout, then the converter system is operated predominantly in boost mode operation, i. work with BB timing, BA will remain switched on with dA = l or Tl continuously. Only in case of rapid transient changes of uin * or iLoad will BA temporarily be clocked. However, the control circuit also controls the operation for voltages uin> uout, since the activation of the bridge branches BB and BA yes directly from the setpoint uL * (and the actual values uin and uout) is derived. Advantageously, the control circuit is therefore independent of the respective ratio of uin and uout and also for both power flow directions, i. for feeding a motor M from uin, or for realization of a photovoltaic inverter for feeding photovoltaic generated power (uin then represents the voltage of the
Solarpaneels dar) oder für die Rückspeisung von Bremsenergie eines Drehstrommotors M in die DC-Eingangsspannung uin, bzw. für den Betrieb der Vorrichtung als aktives Dreiphasengleichrichtersystem (Erzeugung einer DC-Ausgangsspannung uout) einsetzbar. Solar panels dar) or for the recovery of braking energy of a three-phase motor M in the DC input voltage uin, or for the operation of the device as an active three-phase rectifier system (generating a DC output voltage uout) can be used.
Eine alternative Ausführung eines Teiles der Regelschaltung nach Fig. 6, welche zur Berechnung der Tastverhältnisse dA und dB, im Gegensatz zu den beiden An alternative embodiment of a part of the control circuit of Fig. 6, which for calculating the duty cycles dA and dB, in contrast to the two
Regelungskonzepten nach Fig. 6 bis Fig. 8, beide Betriebsarten, d.h. Buck- und Boostbetrieb, gleich favorisiert, ist in Fig. 9 gezeigt. Einerseits wird für den Brückenzweig BA von einem Buckbetrieb ausgegangen, d.h. es wird angenommen, dass der Brückenzweig BA getaktet wird und andererseits wird für den Brückenzweig BB von einem Boostbetrieb ausgegangen, d.h. es wird angenommen, dass der Brückenzweig BB getaktet wird. Um die Sollspannung uA* des Brückenzweiges BA zu erhalten, wird der Sollwert uL* zur Ausgangsspannung uout addiert und aber nach oben auf uin und nach unten auf Null begrenzt. Umgekehrt wird für die Berechnung der Sollspannung uB* des Brückenzweiges BB der Sollwert uL* von der Eingangsspannung uin subtrahiert und aber nach oben auf uout und nach unten auf Null begrenzt. Durch diese gegenseitige Verrechnung der Ausgangsspannung uout in die Control concepts according to Fig. 6 to Fig. 8, both modes, i. Buck and boost operation, equally favored, is shown in FIG. On the one hand, for the bridge branch BA, a bucking operation is assumed, i. it is assumed that the bridge branch BA is clocked and, on the other hand, a bridge operation is assumed for the bridge branch BB, i. it is assumed that the bridge branch BB is clocked. In order to obtain the setpoint voltage uA * of the bridge branch BA, the setpoint value uL * is added to the output voltage uout and limited up to uin and down to zero. Conversely, for the calculation of the setpoint voltage uB * of the bridge branch BB, the setpoint value uL * is subtracted from the input voltage uin and limited up to uout and down to zero. By this mutual settlement of the output voltage uout in the
Sollspannung uA* und der Eingangsspannung uin in die Sollspannung uB* und die entsprechende Begrenzung auf den möglichen Stellbereich, werden schliesslich die beiden Betriebsarten voneinander ausgeschlossen, d.h. der Konverter arbeitet trotz anfänglicher Betrachtung beider Betriebsarten schliesslich entweder im reinen Buck- oder reinen Boostbetrieb. Die einzustellenden Tastverhältnis dA und dB sind dann einfach durch Division von uA* durch uin bzw. uB* durch uout zu erhalten. Target voltage uA * and the input voltage uin in the target voltage uB * and the corresponding limitation on the possible adjustment range, the two modes are finally excluded from each other, i. The converter works despite initial consideration of both modes, either in pure buck or pure boost mode. The duty cycle dA and dB to be set can then be obtained simply by dividing uA * by uin or uB * by uout.

Claims

Patentansprüche claims
1. Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Gleichspannungs- (DC-)system und einem Wechselspannungs-(AC-)system, aufweisend gleichspannungsseitig eine positive DC-Eingangsspannungsschiene (1) und eine negative DC- Eingangsspannungsschiene (2) und wechselspannungsseitig mindestens zwei A converter for transmitting electrical energy between a DC (DC) system and an AC (AC) system, comprising on the DC side a positive DC input voltage rail (1) and a negative DC input voltage rail (2) and AC side at least two
Ausgangsphasenanschlüsse (a, b, c), Output phase connections (a, b, c),
wobei für jeden der Ausgangsphasenanschlüsse (a, b, c) ein Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) vorliegt, welcher an einer ersten Seite an die positive DC-Eingangsspannungsschiene (1) und die negative DC-Eingangsspannungsschiene (2) und an einer zweiten Seite an diesen Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) angeschlossen ist und als Hochsetz-Tiefsetzsteller ausgebildet ist, und wherein for each of the output phase terminals (a, b, c) there is a phase converter (10a, 10b, 10c) having on a first side the positive DC input voltage rail (1) and the negative DC input voltage rail (2) and at a second one Side is connected to this output phase terminal (a; b; c) and is designed as a step-up buck converter, and
wobei der Konverter eine Regelung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters jeden der Phasenkonverter (10a, 10b, 10c), in Abhängigkeit eines Verhältnisses einer DC-Eingangsspannung zu Momentanwerten von an den Ausgangsphasenanschlüssen (a, b, c) zu erzeugenden Ausgangsphasenspannungen, zeitweise entweder als reinen Tiefsetzsteller oder als reinen Hochsetzsteller zu betreiben. wherein the converter comprises a regulator adapted to, during operation of the converter, generate each of the phase converters (10a, 10b, 10c) in response to a ratio of a DC input voltage to instantaneous values of the output phase terminals (a, b, c) Output phase voltages, temporarily operated either as a pure buck converter or as a pure boost converter.
2. Konverter gemäss Anspruch 1, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters in jedem der Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) eine Taktung von Schaltern des Phasenkonverters (10a, 10b, 10c) zeitweise auf einen eingangsseitigen Tiefsetzstellerteil oder Brückenzweig oder auf einen ausgangsseitigen Hochsetzstellerteil oder Brückenzweig des Phasenkonverters (10a, 10b, 10c) zu beschränken. 2. Converter according to claim 1, wherein the scheme is designed, during operation of the converter in each of the phase converter (10a, 10b, 10c) a timing of switches of the phase converter (10a, 10b, 10c) temporarily on an input side buck converter part or bridge branch or to restrict to an output-side boost converter part or bridge branch of the phase converter (10a, 10b, 10c).
3. Konverter gemäss Anspruch 1, oder 2 wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) derart vorzunehmen, dass für alle Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine 3. Converter according to claim 1, or 2 wherein the scheme is adapted to make the operation of the converter, the timing of all the phase converter (10a, 10b, 10c) such that for all phase converter (10a, 10b, 10c) is the same clock frequency and a
Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltene Gegentaktspannungsanteil zu minimiert. Synchronization of the clocking of the converter to minimize a differential voltage contained in the output phase voltages to minimize.
4. Konverter gemäss Anspruch 1, oder 2 wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) derart vorzunehmen, dass für alle Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine 4. Converter according to claim 1, or 2 wherein the control is designed to perform the operation of the converter, the timing of all the phase converter (10a, 10b, 10c) such that for all phase converter (10a, 10b, 10c) is the same clock frequency and a
Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltene Gleichtaktspannungsanteil zu minimiert. Synchronization of the clocking of the converter minimizes a common-mode voltage component contained in the output phase voltages.
5. Konverter gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters einen Offset zur Bildung von 5. Converter according to one of the preceding claims, wherein the control is adapted to, during operation of the converter, an offset to form
Ausgangsphasenspannungssollwerten aus Lastphasenspannungssollwerten vorzugeben, derart, Specify output phase voltage setpoints from load phase voltage setpoints, thus,
dass jeweils in einem Zeitabschnitt für denjenigen Phasenkonverter (10a, 10b, 10c), dessen zugeordneter Lastphasenspannungssollwert den höchsten negativen Wert aufweist, ein Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert, womit dieser Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) nicht getaktet werden muss und sein Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) an eine Referenzspannungsschiene (n) geklemmt verbleiben kann, und an output phase voltage setpoint equal to zero results for each of those phase converters (10a, 10b, 10c) whose associated load phase voltage setpoint has the highest negative value, whereby this phase converter (10a, 10b, 10c) need not be clocked and its output phase connection (a b) c) may remain clamped to a reference voltage rail (s), and
der Verlauf der Ausgangsphasenspannungssollwerte von nicht geklemmten the course of the output phase voltage setpoints of unblocked
Phasenkonvertern durch gegenüber dem geklemmten Ausgangsphasenanschluss zu erzeugende und durch Subtraktion von jeweils zwei Lastphasenspannungssollwerten in diesem Zeitabschnitt gebildete Sollwerte von Lastaussenleiterspannungen definiert ist, sodass insgesamt wieder ein sinusförmiger Verlauf aller Lastaussenleiterspannungen vorliegt. Phase converters is defined by the setpoint values of load external conductor voltages formed relative to the clamped output phase connection and formed by subtracting in each case two load phase voltage nominal values in this time segment, so that overall there is a sinusoidal profile of all the load external conductor voltages.
6. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters bei relativ kleinen Amplituden der Ausgangsphasenspannungen einen konstanten Offset der Ausgangsphasenspannungen so gross zu wählen, dass einerseits eine, durch zu erzeugende Lastphasenspannungen bedingte Schwankung der 6. Converter according to one of claims 1 to 4, wherein the control is designed to select a constant offset of the output phase voltages so large during operation of the converter at relatively small amplitudes of the output phase voltages, that on the one hand, caused by to be generated load phase voltages fluctuation
Ausgangsphasenspannungen symmetrisch um ein Niveau der DC-Eingangsspannung zu liegen kommt, und andererseits eine zweifache maximale Amplitude von Output phase voltages symmetrically about a level of the DC input voltage comes to lie, and on the other hand, a double maximum amplitude of
Lastphasenspannungen nicht überschritten wird, wobei dies durch Absenken des Offsets bei hohen Amplituden der Lastphasenspannungen erreicht wird. Load phase voltages is not exceeded, this being achieved by lowering the offset at high amplitudes of the load phase voltages.
7. Konverter gemäss Anspruch 6, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, zusätzlich zum konstanten Offset eine dritte Harmonische zu überlagern. 7. Converter according to claim 6, wherein the control is adapted to superimpose a third harmonic in addition to the constant offset.
8. Konverter gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) jeweils als kaskadierte Ab- Aufwärtswandler (Buck-Boost Converter) ausgebildet sind. 8. Converter according to one of the preceding claims, wherein the phase converter (10a, 10b, 10c) are each formed as a cascaded down-up converter (buck-boost converter).
9. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) jeweils durch eine Schaltung realisiert sind, in welcher ein Brückenzweig zwischen der positiven DC-Eingangsspannungsschiene (1) und einem zugehörigen 9. Converter according to one of claims 1 to 5, wherein the phase converter (10 a, 10 b, 10 c) are each realized by a circuit in which a bridge branch between the positive DC input voltage rail (1) and an associated
Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) angeordnet ist, eine Phasenkonverterinduktivität (La, Lb, Lc) zwischen einen Mittelpunkt des Brückenzweiges und die negative DC- Eingangsspannungsschiene (2) geschaltet ist, eine Ausgangskapazität (Ca, Cb, Cc) zwischen den Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) und eine gemeinsame Referenzspannungsschiene (n) geschaltet ist, welche mit der DC-Eingangsspannungsschiene (2) verbunden ist.  Output phase terminal (a; b; c) is arranged, a phase converter inductor (La, Lb, Lc) is connected between a midpoint of the bridge branch and the negative DC input voltage rail (2) has an output capacitance (Ca, Cb, Cc) between the output phase terminal ( a; b; c) and a common reference voltage rail (s) connected to the DC input voltage rail (2).
10. Konverter gemäss Anspruch 9, wobei in den die Phasenkonvertern (10a, 10b, 10c) jeweils eine Ausgangsdiode (Da, Db, De) zwischen den Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) und die Referenzspannungsschiene (n) geschaltet ist welche eine positive Ausgangsphasenspannung am Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) bezüglich der Referenzspannungsschiene (n) sicherstellen. 10. Converter according to claim 9, wherein in the phase converters (10a, 10b, 10c) in each case an output diode (Da, Db, De) between the output phase terminal (a; b; c) and the reference voltage rail (s) is connected which a positive Ensure output phase voltage at the output phase terminal (a; b; c) with respect to the reference voltage rail (s).
11. Konverter gemäss Anspruch 9 und 10, wobei in den die Phasenkonvertern (10a, 10b, 10c) jeweils parallel zur Ausgangsdiode (Da, Db, De) ein Schalter antiparallel geschaltet ist bzw. durch einen bidirektionalen Schalter ersetzt wird. 11. A converter according to claim 9 and 10, wherein in which the phase converters (10a, 10b, 10c) each in parallel with the output diode (Da, Db, De), a switch is connected in antiparallel or is replaced by a bidirectional switch.
12. Konverter gemäss Anspruch 9 und 11, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters immer einen konstanten Offset der Ausgangsphasenspannungen gleich der Amplitude der Lastphasenspannung zu wählen. 12. A converter according to claim 9 and 11, wherein the control is designed to always choose a constant offset of the output phase voltages equal to the amplitude of the load phase voltage during operation of the converter.
13. Konverter gemäss Anspruch 9 bis 12, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters zusätzlich zum konstanten Offset eine dritte Harmonische zu überlagern, wobei das Verhältnis von konstantem Offset und der Amplitude der dritten Harmonischen frei gewählt werden kann und aber die Summe der beiden Anteile immer so gewählt wird, dass die minimale Ausgangsphasenspannung gerade das Potential der negativen DC- Eingangsspannungsschiene erreicht. 13. A converter according to claim 9 to 12, wherein the control is adapted to superimpose a third harmonic in operation of the converter in addition to the constant offset, wherein the ratio of constant offset and the amplitude of the third harmonic can be freely selected and the sum of the two shares is always chosen so the minimum output phase voltage just reaches the potential of the negative DC input voltage rail.
14. Konverter gemäss Anspruch 11, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters einen Offset zur Bildung von Ausgangsphasenspannungssollwerten aus 14. The converter according to claim 11, wherein the control is designed to offset the formation of output phase voltage setpoints during operation of the converter
Lastphasenspannungssollwerten vorzugeben, derart, dass jeweils in einem Zeitabschnitt für denjenigen Phasenkonverter (10a, 10b, 10c), dessen zugeordneter Specify load phase voltage setpoints, such that in each case for a phase for that phase converter (10a, 10b, 10c), whose associated
Lastphasenspannungssollwert den höchsten negativen Wert aufweist, ein Load phase voltage setpoint has the highest negative value, a
Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert, womit dieser Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) nicht getaktet werden muss und sein Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) an eine Referenzspannungsschiene (n) geklemmt verbleiben kann, und der Verlauf der Output phase voltage setpoint equals zero, whereby this phase converter (10a, 10b, 10c) does not have to be clocked and its output phase connection (a; b; c) can remain clamped to a reference voltage rail (s), and the course of the
Ausgangsphasenspannungssollwerte von nicht geklemmten Phasenkonvertern durch gegenüber dem geklemmten Ausgangsphasenanschluss zu erzeugende und durch Output phase voltage setpoints from non-clamped phase converters to be generated and passed through relative to the clamped output phase terminal
Subtraktion von jeweils zwei Lastphasenspannungssollwerten in diesem Zeitabschnitt gebildete Sollwerte von Lastaussenleiterspannungen definiert ist, sodass insgesamt wieder ein sinusförmiger Verlauf aller Lastaussenleiterspannungen vorliegt. Subtraction of each of two load phase voltage setpoints in this period formed set values of Lastaussenleiterspannungen is defined, so that a total of sinusoidal waveform of all Lastaussenleiterspannungen is present.
15. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters ausgehend von einem Tiefsetzstellerbetrieb des Konverters als Regulärbetrieb, unter Taktung eines eingangsseitigen Brückenzweiges (BA) bei 15. Converter according to one of claims 1 to 8, wherein the scheme is adapted, in operation of the converter, starting from a buck converter operation of the converter as a regular operation, clocking an input-side bridge branch (BA)
durchgeschaltetem oberem Schalter (T3) eines ausgangsseitigen Brückenzweiges (BB), ein dreiphasiges Lastphasenspannungssystems u * zu erzeugen, bei Speisung des Konverters durch eine DC-Eingangsspannung Uin, wobei die Regelschaltung einen automatischen Wechsel zwischen Tief- und Hochsetzstellerbetrieb der Phasenkonverter vornimmt. switched upper switch (T3) of an output side bridge branch (BB) to produce a three-phase load phase voltage system u *, when feeding the converter by a DC input voltage Uin, wherein the control circuit performs an automatic change between buck and boost converter operation of the phase converter.
16. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters ausgehend von einem Tiefsetzstellerbetrieb des Konverters als Regulärbetrieb, unter Taktung eines eingangsseitigen Brückenzweiges (BA) bei 16. A converter according to one of claims 1 to 8, wherein the control is designed, in operation of the converter, starting from a buck converter operation of the converter as a regular operation, with clocking of an input-side bridge branch (BA)
durchgeschaltetem oberem Schalter (T3) eines ausgangsseitigen Brückenzweiges (BB), den Konverter als Dreiphasenpulsgleichrichtersystem, welches eine geregelten DC- Ausgangsspannung erzeugt und dem Netz sinusförmige Ströme entnimmt, zu betreiben, wobei die Regelschaltung einen automatischen Wechsel zwischen Tief- und Hochsetzstellerbetrieb der Phasenkonverter vornimmt. switched upper switch (T3) of an output side bridge branch (BB), the converter as a three-phase pulse rectifier system, which generates a regulated DC output voltage and the network draws sinusoidal currents to operate, wherein the control circuit performs an automatic change between buck and boost converter operation of the phase converter.
17. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters ausgehend von einem Hochsetzstellerbetrieb des Konverters, bei bleibendem Durchschaltzustand eines oberen Transistors (Tl) eines eingangsseitigen Brückenzweiges (BA) und Taktung eines ausgangsseitigen Brückenzweiges (BB) als 17. Converter according to one of claims 1 to 8, wherein the control is adapted to, during operation of the converter, starting from a boost converter operation of the converter, with permanent on state of an upper transistor (Tl) of an input-side bridge branch (BA) and clocking of an output-side bridge branch ( BB) as
Regulärbetrieb, wobei für die Ermittlung von relativen Einschaltzeiten der ein- und ausgangsseitigen Brückenzweige (BA, BA) ein Sollwert uL* invertiert und dann diese physikalisch von der Ausgangsseite zur Eingangsseite gerichtete Spannung -uL* zur Regular operation, wherein for the determination of relative turn-on of the input and output side bridge arms (BA, BA) a setpoint uL * inverted and then this physically directed from the output side to the input side voltage -uL * to
Eingangsspannung uin des Phasenkonverters addiert und so der am Eingang B des ausgangsseitigen Brückenzweiges (BB) einzustellende Spannungssollwert uB* ermittelt wird, und nach Begrenzung auf uout nach oben und Null nach unten - physikalisch können nur zwischen Null und Eins liegende Tastverhältnisse dB eingestellt werden - das Tastverhältnis, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors (T3) des ausgangsseitigen Input voltage uin added to the phase converter and thus the voltage setpoint uB * to be set at the input B of the output side bridge branch (BB) is determined, and after limiting to uout up and zero down - physically only between zero and one lying duty ratios dB can be set - Duty cycle, ie the duty cycle of the upper transistor (T3) of the output side
Brückenzweiges (BB) erhalten wird, und dann, um die geforderte Spannung uL* auch einstellen zu können, wenn uB* den Wert uout übersteigt, wird weiters die Differerenz Delta uB* von uB* und uout ermittelt und nach Begrenzung mit uin nach oben und Null nach unten von der Eingangsspannung uin subtrahiert, wobei dies der Überlegung folgt, dass zur Einstellung eines Sollwertes uL* welcher auf uB*=uout bzw. db=l führt, der Ausgang des eingangsseitigen Brückenzweiges (BA) von der Eingangsspannung gelöst und durch entsprechende Taktung potentialmässig abgesenkt werden muss, wobei das dann einzustellende Tastverhältnis dA durch Division von uA* durch uin erhalten wird. Bridge branch (BB) is obtained, and then, in order to set the required voltage uL * when uB * exceeds the value uout, the difference delta uB * of uB * and uout is further determined and after limiting with uin up and Zero down from the input voltage uin subtracted, and this follows the consideration that for setting a target value uL * which uB * = uout or db = l leads, the output of the input-side bridge branch (BA) of the input voltage and solved by appropriate Clocking must be lowered in terms of potential, wherein the then to be set duty cycle dA is obtained by dividing uA * by uin.
18. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters ausgehend von beiden Betriebsarten des Konverters als 18. Converter according to one of claims 1 to 8, wherein the control is adapted to, in operation of the converter, starting from both modes of the converter as
Regulärbetrieb, durch gegenseitige Verrechnung der Ausgangsspannung uout in die Regular operation, by mutual settlement of the output voltage uout in the
Sollspannung uA* und der Eingangsspannung uin in die Sollspannung uB* und die entsprechende Begrenzung auf den möglichen Stellbereich, in Abhängigkeit der Setpoint voltage uA * and the input voltage uin in the setpoint voltage uB * and the corresponding limitation on the possible setting range, depending on the
Sollspannung uL* und den beiden Spannungen uin und uout die korrekte Betriebsart, d.h. entweder reinen Buck- oder reinen Boostbetrieb zu ermitteln. Setpoint voltage uL * and the two voltages uin and uout the correct operating mode, ie either pure buck or pure boost operation to determine.
19. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters jeweils einen schaltfrequent dreieck- oder trapezförmigem Strom in der Phasenkonverterinduktivität (La, Lb, Lc) zu bilden, derart, dass beim Abschalten eines Leistungstransistors stets ein entsprechend gerichteter Strom für die Aufladung einer parasitären Kapazität des ausschaltenden und die Entladung der parasitären Kapazität des nachfolgend einschaltenden Transistors eines Brückenzweiges zur Verfügung steht, sodass das Einschalten des nachfolgenden Transistors spannungslos erfolgt und somit ein verlustarmes bzw. ideal verlustfreies (spannungsloses) Schalten sichergestellt wird, wobei insbesondere zur Stromformung jeweils der eingangsseitige und der ausgangsseitige 19. A converter according to any one of claims 1 to 8, wherein the control is adapted to each form a switching frequency triangular or trapezoidal current in the phase converter inductance (La, Lb, Lc) during operation of the converter, such that when switching off a power transistor always a correspondingly directed current for the charging of a parasitic capacitance of the switching off and the discharge of the parasitic capacitance of the subsequent turn on transistor of a bridge branch is available, so that turning on the subsequent transistor is de-energized, thus ensuring a lossless or ideal lossless (de-energized) switching is, in particular for current shaping respectively the input side and the output side
Brückenzweig eines Phasenkonverters gleichzeitig getaktet werden. Bridge branch of a phase converter to be clocked simultaneously.
20. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters die Tiefhochsetzsteller-DC/DC-Konverter synchron zu betreiben, mit gleicher Schaltfrequenz und einem Trägersignal der Modulation derart, dass eine 20. A converter according to one of claims 1 to 8, wherein the control is designed to operate synchronously in the operation of the converter, the deep boost converter DC / DC converter, with the same switching frequency and a carrier signal of the modulation such that a
Strombelastung einer speisenden DC Spannung minimiert wird, indem sich von den einzelnen Brückenzweigen aufgenommene Strompulse derart überlagern, dass insgesamt eine relativ geringe schaltfrequente Schwankung des der DC Spannung entnommenen Gesamteingangsstromes vorliegt. Current load of a feeding DC voltage is minimized by superimposed by the individual bridge branches recorded current pulses such that overall there is a relatively low switching frequency fluctuation of the total input current taken from the DC voltage.
21. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters mit einer Speisespannung in Form einer gleichgerichteten, jedoch nicht geglätteten Einphasenwechselspannung, nachfolgend als Betragsinusspannung bezeichnet, zu arbeiten, indem eingangsseitig ein hinsichtlich eines lokalen, sich über eine Taktperiode erstreckten, Mittelwertes der Betragsinusspannung ein proportionaler, also ebenfalls betragsinusförmig verlaufender Strom entnommen wird, und andererseits durch die Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) Ausgangsspannungen derart gebildet werden, dass für die Dreiphasenlast ein symmetrisches sinusförmiges Aussenleiterspannungssystem vorliegt, wobei die Ausgangskondensatoren (Ca, Cb, Cc) für den Ausgleich einer Differenz zwischen der konstanten an eine Dreiphasenlast abgegebenen Leistung und der mit zweifach netzfrequenten Schwankung der aus dem Netz bezogenen Leistung derart herangezogen werden, dass eine gleichzeitige gleiche Erhöhung oder Verringerung aller 21. Converter according to one of claims 1 to 10, wherein the control is adapted to operate during operation of the converter with a supply voltage in the form of a rectified, but not smoothed Einphasenwechselspannung, hereinafter referred to as absolute value voltage, by the input side with respect to a local, Extending over a clock period, a mean value of the absolute magnitude is taken a proportional, ie also amount sinusoidal current, and on the other hand by the phase converter (10a, 10b, 10c) output voltages are formed such that there is a symmetrical sinusoidal Außenleiterspannungssystem for the three-phase load, the output capacitors (Ca, Cb, Cc) are used for the compensation of a difference between the constant power delivered to a three-phase load and the dual mains frequency fluctuation of the power drawn from the network in such a way that a simultaneous sliding increase or decrease all
Ausgangsspannungen durch Addition eines Offsets vorgenommen und somit die in den Ausgangskondensatoren (Ca, Cb, Cc) gespeicherte Energie erhöht oder verringert wird, wobei die Ausgangsaussenleiterspannungen unverändert bleiben. Output voltages made by adding an offset and thus the in the Output capacitors (Ca, Cb, Cc) energy is increased or decreased, leaving the Ausgangsaussenleiterspannungen unchanged.
22. Konverter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Regelung dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters mit einem hinsichtlich Phasenverschiebung von 22. A converter according to any one of claims 1 to 10, wherein the control is adapted to the operation of the converter with respect to a phase shift of
Verbraucherspannung und Verbraucherstrom einstellbaren elektrischen Verbrauchers zu arbeiten, wobei die Phasenverschiebung so gewählt wird, dass eine für eine Umladung der Ausgangskondensatoren (Ca, Cb, Cc) erforderliche Blindleistung kompensiert und somit nicht über die Phasenkonverterinduktivitäten (La, Lb, Lc) zugeführt werden muss womit eine Verringerung der Strombelastung der Leistungshalbleiter der Phasenkonverter (10a, 10b, 10c) und der Phasenkonverterinduktivitäten (La, Lb, Lc) erreicht wird. Load voltage and load current adjustable electrical load to work, the phase shift is chosen so that a charge required for a transfer of the output capacitors (Ca, Cb, Cc) reactive power compensated and thus not on the phase converter inductors (La, Lb, Lc) must be supplied a reduction of the current load of the power semiconductors of the phase converters (10a, 10b, 10c) and the phase converter inductances (La, Lb, Lc) is achieved.
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