CH714715A2 - Method for controlling a three-phase pulse rectifier system. - Google Patents
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Abstract
In einem erfindungsgemässen Verfahren zum Regeln eines Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystems (1, 2, 3), welches eine Dreiphasen-Brückenschaltung (2), zum Leistungsaustausch zwischen einem Dreiphasennetz (1) mit einer Zwischenkreiskapazität (C pn ) und einem Lastkonverter (3) zum Leistungsaustausch zwischen der Zwischenkreiskapazität (C pn ) und einer Last aufweist, wird in zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten jeweils eine erste Netzphase, welche momentan einen höchsten Spannungswert bezüglich der anderen Netzphasen aufweist, an einen positiven Anschlusspunkt der Zwischenkreiskapazität (C pn ) geschaltet, eine zweite Netzphase, welche momentan einen anderen Spannungswert bezüglich der anderen Netzphasen aufweist, an einen negativen Anschlusspunkt der Zwischenkreiskapazität (C pn ) geschaltet, in einer dritten Netzphase durch Takten des an diese Netzphase angeschlossenen Brückenzweiges ein sinusförmiger Strom erzeugt, und durch Variation der Spannung der Zwischenkreiskapazität (C pn ) in der ersten und der zweiten Netzphase ein sinusförmiger Strom erzeugt.In a method according to the invention for controlling a three-phase pulse rectifier system (1, 2, 3) comprising a three-phase bridge circuit (2) for exchanging power between a three-phase network (1) having a DC link capacitance (C pn) and a load converter (3) for exchanging power between the intermediate circuit capacitance (C pn) and a load, a first network phase, which currently has a highest voltage value with respect to the other network phases, connected to a positive connection point of the DC link capacitance (C pn) in temporally successive sections, a second network phase, which currently has a different voltage value with respect to the other network phases, connected to a negative terminal of the DC link capacitance (C pn), generated in a third network phase by clocking the bridge branch connected to this network phase, a sinusoidal current, and by varying the voltage of the DC link (C pn) generates a sinusoidal current in the first and the second phase of the network.
Description
CH 714 715 A2CH 714 715 A2
Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Dreiphasenpulsgleichrichtersysteme, insbesondere auf ein Verfahren zur Regelung der Eingangsphasenströme auf Sinusform und der Ausgangsgleichspannung.Description: The invention relates to the field of three-phase pulse rectifier systems, in particular to a method for regulating the input phase currents on sinusoidal form and the output DC voltage.
[0002] Zur Umformung der Spannung des Dreiphasennetzes in eine Gleichspannung werden gemäss dem Stand der Technik im Allgemeinen aktive Dreiphasenbrückenschaltungen eingesetzt, deren Eingangsklemmen über Vorschaltinduktivitäten mit den Netzklemmen verbunden sind und an deren DC-Ausgang eine Kapazität zu Stützung der gebildeten Gleichspannung angeordnet ist. Durch entsprechende Taktung der Brückenzweige, welche die Funktion von Umschaltern zwischen der positiven und der negativen DC-Ausgangsspannungsschiene aufweisen, wird dann im Sinne geringer Netzrückwirkungen vorteilhaft ein netzspannungsproportionaler Eingangsstromverlauf eingestellt und die DC-Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert geregelt. Alternativ ist auch ein Eingangsstromverlauf mit definierter Phasenverschiebung gegenüber der Netzspannung einstellbar. Allerdings weist dieses Konzept aufgrund der eingangsseitig angeordneten Induktivitäten eine Hochsetzstellercharakteristik auf und ist daher nur für die Erzeugung von über dem Spitzenwert der Netzaussenleiterspannung liegenden DC-Ausgangsspannung geeignet. Soll, wie z.B. bei der Batterieladung von Elektrofahrzeugen erforderlich, eine tiefere Ausgangsspannung gebildet werden, ist dem System eine DC/DC-Tiefsetzstellerstufe nachzuordnen, womit ein zweistufiges Dreiphasen-Tiefsetzsteller-Pulsgleichrichtersystem mit vorteilhaft kontinuierlichen, direkt geregelten Eingangsphasenströmen und kontinuierlichem Ausgangsstrom resultiert (vgl. Fig. 1).For converting the voltage of the three-phase network into a DC voltage, active three-phase bridge circuits are generally used according to the prior art, the input terminals of which are connected to the network terminals via ballast inductances and a capacitance for supporting the DC voltage formed is arranged at the DC output thereof. By appropriate clocking of the bridge branches, which have the function of switches between the positive and the negative DC output voltage rail, an input current curve proportional to the mains voltage is then advantageously set in the sense of low mains interference and the DC output voltage is regulated to a constant value. Alternatively, an input current curve with a defined phase shift in relation to the mains voltage can also be set. However, due to the inductances arranged on the input side, this concept has a step-up converter characteristic and is therefore only suitable for the generation of DC output voltage above the peak value of the line conductor voltage. Should, such as if a battery charge of electric vehicles is required, a lower output voltage is formed, the system is to be followed by a DC / DC step-down converter stage, which results in a two-stage three-phase step-down converter pulse rectifier system with advantageously continuous, directly regulated input phase currents and continuous output current (see Fig. 1) ,
[0003] Wird die Tiefsetzstellerstufe bidirektional ausgeführt, kann dann auch eine seitens einer aktiven Last gelieferte Leistung in den DC-Zwischenkreis zwischen beiden Konverterstufen gespeist, bzw. die Lastspannung auf das Niveau der Zwischenkreisspannung angehoben und von dort Leistung in das Netz zurückgeführt werden. Dieser Betrieb liegt z.B. bei der Einspeisung photovoltaisch erzeugter Leistung in das Dreiphasennetz oder bei der Speisung einer dreiphasigen Maschine aus einer Gleichspannung vor.If the step-down converter stage is executed bidirectionally, then a power supplied by an active load can also be fed into the DC link between the two converter stages, or the load voltage raised to the level of the intermediate circuit voltage and from there power can be fed back into the network. This operation is e.g. when feeding photovoltaically generated power into the three-phase network or when feeding a three-phase machine from a DC voltage.
[0004] Für eine kompakte Realisierung ist in beiden Fällen vorteilhaft eine hohe Taktfrequenz der Konverterstufen vorzusehen, womit allerdings relativ hohe Schaltverluste resultieren, welche die Effizienz der Energieumformung reduzieren. Weiters ist für die hochfrequente Taktung der elektronischen Schalter insgesamt eine relativ hohe Ansteuerleistung erforderlich, welche ebenfalls die Effizienz beeinträchtigt.For a compact implementation, it is advantageous to provide a high clock frequency of the converter stages in both cases, which however results in relatively high switching losses which reduce the efficiency of the energy conversion. Furthermore, a relatively high drive power is required for the high-frequency clocking of the electronic switches, which also affects the efficiency.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren für die Regelung und Modulation eines zweistufigen Dreiphasen-Tiefsetzsteller-Pulsgleichrichtersystems zu schaffen, welches reduzierte Schaltverluste aufweist, wobei nach wie vor ein sinusförmiger, vorteilhaft in Phase oder in Gegenphase mit der Netzspannung liegender Netzstromverlauf und eine konstante Ausgangsspannung sichergestellt sein soll.The object of the invention is therefore to provide a method for the control and modulation of a two-stage three-phase buck converter pulse rectifier system, which has reduced switching losses, with a sinusoidal, advantageously in phase or in opposite phase with the line voltage line current profile and a constant output voltage should be ensured.
[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Regelverfahren gemäss den Patentansprüchen.The object is achieved by a control method according to the claims.
[0007] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt jeweils schematisch:In the following the subject matter of the invention is explained in more detail using preferred exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. It shows schematically:
Fig. 1: Leistungsteil des Systems, wobei der Eingangsteil als Zweipunkt-Brückenschaltung und der Lastkonverter als DC/DC-Tiefsetzsteller ausgeführt ist.Fig. 1: Power section of the system, the input section being designed as a two-point bridge circuit and the load converter as a DC / DC buck converter.
Fig. 2: Spannungsverläufe der Netzeingangsspannungen ua, ub und uc sowie der Zwischenkreisspannung upn. Die Unterteilung in die sechs Spannungssektoren sowie die Zuteilung der Netzspannungen auf die drei Phasen u-i, u2 und u3 erfolgt in Abhängigkeit der Spannungsverhältnisse der Netzeingangsspannungen.Fig. 2: Voltage profiles of the mains input voltages u a , u b and u c and the intermediate circuit voltage u pn . The subdivision into the six voltage sectors and the allocation of the line voltages to the three phases ui, u 2 and u 3 are dependent on the voltage ratios of the line input voltages.
Fig. 3: Schaltungstechnische Realisierung des Verfahrens zur Regelung und Modulation des Systems nach Fig. 1 gezeigt.Fig. 3: Circuitry implementation of the method for controlling and modulating the system shown in FIG. 1.
Fig. 4: Alternative Ausführung des Lastkonverters als DC/DC-Hochsetzsteller.Fig. 4: Alternative version of the load converter as a DC / DC step-up converter.
Fig. 5: Alternative Ausführung des Lastkonverters als aktives stromeinprägendes Serienelement in Form einer Schaltzelle, d.h. der Lastkonverter ist eine in der Verbindungsleitung von positiver Zwischenkreisspannungsund positiver Ausgangsspannungsklemme angeordnete Vollbrückenschaltzelle, welche die Funktion einer aktiven Glättungs- bzw. Ausgangsinduktivität aufweist.Fig. 5: Alternative version of the load converter as an active current-impressing series element in the form of a switch cell, i.e. the load converter is a full-bridge switch cell which is arranged in the connecting line of positive intermediate circuit voltage and positive output voltage terminal and has the function of an active smoothing or output inductance.
Fig. 6: Alternative Ausführung des Lastkonverters als Pulskonverter, insbesondere als Pulswechselrichter, zur direkten Speisung einer Maschine Μ. Ohne zwischengeschalteten Tief- oder Hochsetzsteller sind beim Wechselrichter für die Regelung der Maschinenströme mindestens zwei Phasen zu takten; mit zwischengeschaltetem Konverter kann jedoch auch hier die Regelung mit Klemmung von zwei Phasen angewendet werden.Fig. 6: Alternative version of the load converter as a pulse converter, in particular as a pulse inverter, for the direct supply of a machine Μ. Without an intermediate step-down or step-up converter, at least two phases must be clocked in the inverter for regulating the machine currents; with an intermediate converter, however, the control with clamping of two phases can also be used here.
[0008] Es wird also (unter Annahme ohmschen Netzverhaltens), anstelle aller drei Brückenzweige in jedem Eingangsspannungssektor jeweils nur der Brückenzweig der aktiven Dreiphasenbrückenschaltung getaktet, welcher den betragsmässig kleinsten Strom führt und in dieser Phase, im Weiteren als dritte Phase u3 bezeichnet, durch Taktung des Brückenzweiges ein sinusförmiger Stromverlauf eingeprägt. Gleichzeitig werden die anderen beiden Brückenzweige je nach anliegenden Eingangsspannungsverhältnissen bzw. dem vorliegenden (durch die Grössenverhältnisse der EingangsphasenspannunSo it is (assuming ohmic network behavior), instead of all three bridge branches in each input voltage sector only the bridge branch of the active three-phase bridge circuit clocked, which carries the smallest amount of current and in this phase, hereinafter referred to as the third phase u 3 , by Clocking of the bridge branch impressed a sinusoidal current profile. At the same time, the other two bridge branches, depending on the applied input voltage conditions or the current one (due to the size relationships of the input phase voltage
CH 714 715 A2 gen bestimmten) Eingangsspannungssektor durchgeschaltet, d.h. die Phase mit dem positivsten Netzphasenspannungsmomentanwert, im Weiteren als erste Phase Ui bezeichnet, an die positive DC-Ausgangsspannungsschiene p und die Phase mit dem negativsten Netzphasenspannungsmomentanwert, im Weiteren als zweite Phase u2 bezeichnet, an die negative DC-Ausgangsspannungsschienen geklemmt (vgl. Figur 2).CH 714 715 A2 through certain) input voltage sector, ie the phase with the most positive mains phase voltage instantaneous value, hereinafter referred to as first phase Ui, to the positive DC output voltage rail p and the phase with the most negative mains phase voltage instantaneous value, hereinafter referred to as second phase u 2 , clamped to the negative DC output voltage rails (see FIG. 2).
[0009] Da Pulsgleichrichtersysteme typischerweise keine Verbindung mit dem Netzsternpunkt m aufweisen, bzw. die Summe der Phasenströme zu Null gezwungen wird, kann dann durch gleichzeitige Regelung eines weiteren Stromes insgesamt ein definierter Verlauf aller drei Phasenströme erreicht werden. Als Spannung für die Einprägung des weiteren Stromes wird ein definierter Verlauf der Zwischenkreisspannung upn herangezogen. Da die erste Phase u-, an die positive DC-Ausgangsspannungsschiene p und die zweite Phase u2 an die negative DC-Ausgangsspannungsschienen geklemmt wird, tritt die Zwischenkreisspannung upn in Form einer verketteten Spannung zwischen den Eingängen der Brückenzweige der ersten und zweiten Phase auf und bildet in Verbindung mit der zugeordneten verketteten Spannung auf der Netzseite eine entsprechende, über der jeweiligen Vorschaltinduktivität L der ersten und der zweiten Phase auftretende und damit stromeinprägende Spannung (vgl. Fig. 1 und Fig. 2).Since pulse rectifier systems typically have no connection to the network star point m, or the sum of the phase currents is forced to zero, a defined course of all three phase currents can then be achieved by simultaneously controlling a further current. A defined profile of the intermediate circuit voltage u pn is used as the voltage for impressing the further current. Since the first phase u- is clamped to the positive DC output voltage rail p and the second phase u 2 to the negative DC output voltage rails, the intermediate circuit voltage u pn occurs in the form of a chain voltage between the inputs of the bridge branches of the first and second phases and forms, in conjunction with the associated chained voltage on the network side, a corresponding voltage which occurs across the respective series inductance L of the first and the second phase and thus impresses current (cf. FIGS. 1 and 2).
[0010] Abweichend zu einer konventionellen Realisierung mit zeitlich konstanter Zwischenkreisspannung upn wird so der Freiheitsgrad bezüglich der Wahl eines Zwischenkreisspannungsverlaufes ausgenutzt, wobei dieser derart geregelt wird, dass sich in der ersten und zweiten Phase ebenfalls ein sinusförmiger Stromverlauf ausbildet. Dabei ist anzumerken, dass zeitliche Schwankungen der Zwischenkreisspannung upn durch entsprechende Pulsbreitenmodulation der nachgeschalteten Tiefsetzstellerstufe ausgeglichen werden können, d.h. nach wie vor eine konstante Ausgangsspannung u0 gebildet werden kann. Da das erfindungsgemäss Verfahren eine Taktung der, verglichen mit der dritten Phase höhere Ströme führenden ersten und zweiten Phase vermeidet, werden so vorteilhaft geringe Schaltverluste und ein geringer Ansteuerleistungsbedarf sichergestellt.In a departure from a conventional implementation with a time-constant intermediate circuit voltage u pn , the degree of freedom with regard to the choice of an intermediate circuit voltage curve is exploited, this being regulated in such a way that a sinusoidal current curve is also formed in the first and second phases. It should be noted here that temporal fluctuations in the intermediate circuit voltage u pn can be compensated for by corresponding pulse width modulation of the downstream step-down converter stage, ie a constant output voltage u 0 can still be formed. Since the method according to the invention avoids a clocking of the first and second phases carrying higher currents compared to the third phase, this advantageously ensures low switching losses and a low drive power requirement.
[0011] Anzumerken ist, dass das zweistufige Dreiphasen-Tiefsetzsteller-Pulsgleichrichtersystem nicht auf eine reine Tiefsetzstellerfunktion beschränkt ist, sondern auch als Hochsetzsteller betrieben werden kann. In diesem Fall ist der obere Schalter des ausgangsseitigen Tiefsetzstellers durchzuschalten, sodass die Ausgangsspannung u° der Zwischenkreisspannung upn entspricht; die aktive Dreiphasenbrücke wird dann als konventioneller Hochsetzsteller betrieben, wobei zur Regelung einer konstanten Zwischenkreis- bzw. Ausgangsspannung mehr als ein Brückenzweig zu takten ist. Für die Regelung wird dann ein Verfahren nach dem Stand der Technik verwendet. In Abhängigkeit des Betriebes (Tief- oder Hochsetzstellerbetrieb) wird also zwischen der erfindungsgemässen Regelung und einer Regelung nach Stand der Technik umgeschaltet.It should be noted that the two-stage three-phase buck converter pulse rectifier system is not limited to a pure buck converter function, but can also be operated as a boost converter. In this case, the upper switch of the step-down converter on the output side must be switched through so that the output voltage u ° corresponds to the intermediate circuit voltage u pn ; the active three-phase bridge is then operated as a conventional step-up converter, with more than one bridge branch having to be clocked to regulate a constant intermediate circuit or output voltage. A method according to the prior art is then used for the control. Depending on the operation (step-down or step-up converter operation), a switch is made between the regulation according to the invention and a regulation according to the prior art.
[0012] Das durch das erfindungsgemässe Verfahren zu steuernde und zu regelnde Dreiphasen-Hoch-Tiefsetzsteller-Pulsgleichrichtersystem wird mit bekannter Struktur eingangsseitig durch eine Dreiphasen-Zweipunktbrückenschaltung (2) oder Dreiphasen-Mehrpunktbrückenschaltung (Brückenschaltung) mit drei AC-Phaseneingängen (£,b und c) und einer positiven (p) und einer negativen DC-Ausgangsspannungsschiene (n), zwischen welchen ein Pufferkondensator (Zwischenkreiskondensator respektive Zwischenkreiskapazität) (Cpn) angeordnet ist, gebildet, wobei beide DC-Spannungsschienen an den Eingang einer ausgangsseitigen Konverterstufe (Lastkonverter) (3) geführt werden, welche einen Verbraucher speist, bzw. über dem Verbraucher eine Spannung (Lastspannung) (u0) erzeugt (vgl. Fig. 1). Weiter ist jeder Phaseneingang der Brückenschaltung über jeweils eine Vorschaltinduktivität (L) mit der zugehörigen Phasenklemme [a, b und c) des speisenden Dreiphasen-AC-Netzes (Netz) (1) verbunden. Um betriebsmässig auftretende schaltfrequente Komponenten der Ströme in den Vorschaltinduktivitäten vom Netz fernzuhalten bzw. die Versorgungsspannung unabhängig von der inneren Impedanz des Netzes zu definieren, können an den Netzklemmen drei Filterkondensatoren (Netzfilterkondensatoren) in Stern- oder Dreieckschaltung vorgesehen sein. Die Brückenschaltung (2) weist dabei allgemein drei Brückenzweige auf, wobei für Zweipunktcharakteristik jeder Brückenzweig einen oberen mit der positiven DC-Zwischenkreisschiene (p) und einen unteren mit der negativen DC-Zwischenkreisspannungsschiene (n) verbundenen elektronischen Schalter aufweist und der Phasenausgang des Brückenzweiges (2,b und ç) durch die Verbindungsstelle der freien Enden des oberen und unteren Schalters gebildet wird und antiparallel zu den Schaltern Freilaufdioden geschaltet sein können. Der folgenden Beschreibung wird im Sinne der Übersichtlichkeit eine Zweipunktausführung der Brückenschaltung zugrunde gelegt, weiters wird der Lastkonverter (3) wie einleitend angemerkt als einfacher bidirektionaler Tiefsetzsteller gebildet gedacht, welcher eingangsseitig einen zwischen positiver (p) und negativer DC-Spannungsschiene (n) geschalteten Zweipunkt-Brückenzweig (Tiefsetzstellerbrückenzweig) (31) aufweist, von dessen Ausgangsklemme (d) eine Tiefsetzstellerinduktivität (Lo) gegen die positive Ausgangsspannungsklemme (d) des Systems geschaltet ist, wobei die negative Ausgangsspannungsklemme direkt mit der negativen DC-Spannungsschiene (n) verbunden und zwischen der positiven und der negativen Ausgangsklemme ein Stützkondensator (Ausgangskondensator) (Co) angeordnet und die Last zwischen die positive (d) und negative Ausgangsklemme (n) gelegt ist.The to be controlled and regulated by the inventive method three-phase step-down converter pulse rectifier system is known on the input side by a three-phase two-point bridge circuit (2) or three-phase multi-point bridge circuit (bridge circuit) with three AC phase inputs (£, b and c) and a positive (p) and a negative DC output voltage rail (s), between which a buffer capacitor (intermediate circuit capacitor or intermediate circuit capacitance) (C pn ) is arranged, both DC voltage rails at the input of an output-side converter stage (load converter) (3) which feeds a consumer or generates a voltage (load voltage) (u 0 ) across the consumer (cf. FIG. 1). Furthermore, each phase input of the bridge circuit is connected via a series inductance (L) to the associated phase terminal [a, b and c) of the three-phase AC supply system (network) (1). In order to keep switching frequency components of the currents in the ballast inductances that occur during operation or to define the supply voltage independently of the internal impedance of the network, three filter capacitors (line filter capacitors) can be provided in star or delta connection on the line terminals. The bridge circuit (2) generally has three bridge branches, whereby for two-point characteristics each bridge branch has an upper electronic switch connected to the positive DC link rail (p) and a lower electronic switch connected to the negative DC link voltage rail (s), and the phase output of the bridge branch ( 2, b and ç) is formed by the connection point of the free ends of the upper and lower switch and freewheeling diodes can be connected antiparallel to the switches. For the sake of clarity, the following description is based on a two-point version of the bridge circuit.Furthermore, the load converter (3) is thought to be a simple bidirectional step-down converter, which on the input side has a two-point connected between positive (p) and negative DC voltage rail (s) - Bridge branch (step-down converter bridge branch) (31), from whose output terminal (d) a step-down converter inductance (L o ) is connected to the positive output voltage terminal (d) of the system, the negative output voltage terminal being connected directly to the negative DC voltage rail (n) and a support capacitor (output capacitor) (C o ) is arranged between the positive and the negative output terminal and the load is placed between the positive (d) and negative output terminal (s).
[0013] Die Modulation des Systems erfolgt in Abhängigkeit der Grössenverhältnisse der Netzphasenspannungen (mit anderen Worten: in Abhängigkeit der Relationen der Höhen der Netzphasenspannungen), wobei abschnittsweise eine erste (oder momentan obere) Netzphase (u-,) einen positiven, eine zweite (oder momentan untere) Netzphase (u2) einen negativen und die dritte (oder momentan mittlere) Netzphase (u3) einen mittleren Spannungswert aufweist, welcher maximal den Spannungswert der ersten Netzphase (ui) erreicht und jedenfalls oberhalb des Spannungswertes der zweiten Netzphase (u2) liegt oder diesen im Grenzfall erreicht. Für ein symmetrisches Dreiphasennetz bleiben diese Grössenverhältnisse mit einer Breite von 1/6 der Netzperiode, d.h. innerhalb eines 60°-breiten Sektors oder Abschnitts unverändert, wobeiThe modulation of the system takes place depending on the size relationships of the line phase voltages (in other words: depending on the relations of the levels of the line phase voltages), with a first (or currently upper) line phase (u-,) a positive, a second ( or currently lower) network phase (u 2 ) has a negative and the third (or currently middle) network phase (u 3 ) has an average voltage value which at most reaches the voltage value of the first network phase (ui) and in any case above the voltage value of the second network phase (u 2 ) lies or reaches it in the borderline case. For a symmetrical three-phase network, these size relationships remain unchanged with a width of 1/6 of the network period, ie within a 60 ° wide sector or section, whereby
CH 714 715 A2 ein Winkel von 360° einer kompletten Schwingungsperiode der Netzspannungen entspricht (vgl. Fig. 2). Wechseln beim Übertritt in den nächstfolgenden Sektor oder Abschnitt die Grössenverhältnisse, wird auch die Modulation entsprechend angepasst. Das heisst, die jeweils erste, zweite, dritte (oder obere, untere, mittlere) Phase, wie sie bei der Modulation betrachtet und geschaltet wird, ist in jedem Sektor einer anderen physischen Phase zugeordnet. Innerhalb eines Sektors wird jeweils die erste Phase (u-,) mittels des oberen Schalters (21) des zugehörigen Brückenzweiges bleibend mit der positiven DC-Spannungsschiene (p) und jeweils die zweite Phase (u2) mittels des unteren Schalters (22) des zugehörigen Brückenzweiges bleibend mit der negativen DC-Spannungsschiene (n) verbunden und nurdie dritte Phase (u3) schaltfrequenttaktend belassen. Vorteilhaft treten damit nur für eine Phase, d.h. die dritte Phase (u3) Schaltverluste auf, welche aufgrund des relativ geringen Wertes des zugehörigen Phasenstromes einen relativ geringen Wert aufweisen.CH 714 715 A2 an angle of 360 ° corresponds to a complete oscillation period of the mains voltages (cf. FIG. 2). If the size ratios change when changing to the next sector or section, the modulation is also adjusted accordingly. This means that the first, second, third (or upper, lower, middle) phase, as viewed and switched during modulation, is assigned to a different physical phase in each sector. Within a sector, the first phase (u-,) is made permanent by means of the upper switch (21) of the associated bridge branch with the positive DC voltage rail (p) and the second phase (u 2 ) is in each case by means of the lower switch (22) associated bridge branch permanently connected to the negative DC voltage rail (s) and leaving only the third phase (u 3 ) clocking with switching frequency. Switching losses thus advantageously only occur for one phase, ie the third phase (u 3 ), which have a relatively low value due to the relatively low value of the associated phase current.
[0014] Ziel der Regelung des Systems ist es, in den Vorschaltinduktivitäten (L) bzw. in den Netzphasen sinusförmige, in Phase (für Leistungsbezug aus dem Netz, bzw. in Gegenphase für Leistungsrückspeisung) mit der zugehörigen Netzphasenspannung (ua, ub und uc) liegende Ströme (ia, b und ic) einzuprägen, wobei für ein symmetrisches Netz sämtliche Ströme dieselbe Amplitude aufweisen und optional am Ausgang des Lastkonverters (3) eine definierte Lastspannung (u0) entsprechend einem vorgegebenen Sollwert (Lastspannungssollwert) (u0 ) zu erzeugen, bzw. allgemein eine definierte Leistung an den Verbraucher zu liefern (vgl. Fig. 3). Alternativ können die Netzphasenströme auch eine Phasenverschiebung gegenüber den zugehörigen Netzphasenspannungen aufweisen. Für die weitere Beschreibung wird allerdings im Sinne der Übersichtlichkeit ohmsches Netzverhalten angenommen. Entsprechend ist das System vom Netz aus betrachtet ersatzweise als Sternschaltung gleicher ohmsche Widerstände (Eingangsersatzwiderstände) bzw. Leitwerte (Eingangsersatzleitwerte) zu sehen, deren Leistung unter idealisierender Annahme von Verlustfreiheit direkt an den Ausgang, d.h. an den Verbraucher weitergegeben wird. Diesem Gedanken folgend wird der Sollwert des Eingangsersatzleitwertes (Eingangssollleitwert) (G*) in Abhängigkeit der Lastspannungsregelabweichung, d.h. der Differenz eines vorgegebenen Lastspannungssollwertes (u0‘) und des gemessenen Lastspannungsistwertes (u0) gebildet, indem die Lastspannungsregelabweichung an den Eingang eines Ausgangsspannungsreglers geführt wird, welche am Ausgang den erforderlichen Sollwert des Nachladestromes (ic0 ) des Ausgangskondensators (Co) bildet, womit nach Addition des gemessenen Laststromes (Lastromvorsteuerung) (iLoad) und Multiplikation dieser Stromsumme mit der Ausgangsreferenzspannung (u0 ) der Sollwert der an den Ausgang zu liefernden Leistung (Ausgangsleistungssollwert) (Po*) resultiert, welcher letztlich aus dem Netz zu beziehen ist, also bei Vernachlässigung der Verluste des Systems direkt den Eingangsleistungssollwert definiert. Entsprechend wird im nächsten Schritt mit dem Eingangsphasenspitzenwert ü, der Eingangssollleitwert (G*) derart bestimmt, dass eine Leistungsaufnahme aus dem Netz in Höhe des Ausgangsleistungssollwertes (Po ) resultiert. Durch Multiplikation des Eingangssollleitwertes (G*) mit den gemessenen Phasenspannungen (ua, Ub und uc) resultieren dann Sollwerte der in den Vorschaltinduktivitäten einzustellenden Ströme (Eingangsphasenstromsollwerte) (ia*, ib* und ic‘). Für jede Phase wird nun durch Subtraktion des gemessenen Eingangsstromistwertes (ia, ib und ic) die Regelabweichung ermittelt und einem Eingangsstromregler zugeführt, welcher an seinem Ausgang den Sollwert der über der zugehörigen Vorschaltinduktivität zu bildenden Spannung (ui_a*, Ui_b* und Ulc ) bildet. Nach Subtraktion dieses Sollwertes vom Messwert der zugehörigen Netzphasenspannung (ua, Ub und uc) resultiert damit der Sollwert der Eingangsspannung des zugehörigen Brückenzweiges (Brückenzweigeingangsspannungssollwert) ( ua, und uc) der aktiven Brückenschaltung. Für die dritte Phase (u3) wird der Brückenzweigeingangsspannungssollwert durch den halben Messwert der Zwischenkreisspannung (Zwischenkreisspannungsistwert) (upn) dividiert und damit im Sinne einer Pulsbreitenmodulation die relative Einschaltdauer (d3) des oberen Schalters des zugehörigen Brückenzweiges berechnet, wobei während der Ausschaltdauer des oberen Schalters (21) der untere Schalter (22) des Brückenzweiges eingeschaltet wird, d.h. beide Schalter des Brückenzweiges im Gegentakt arbeiten und die Taktperiode bevorzugt eine konstante Länge bzw. die Taktfrequenz bevorzugt einen konstanten Wert aufweist. Insgesamt wird so der Phasenstromistwert der dritten Phase entsprechend dem zugehörigen Eingangsphasenstromsollwertverlauf geführt.The aim of the control of the system is, in the ballast inductances (L) or in the grid phases sinusoidal, in phase (for power consumption from the grid, or in reverse phase for power recovery) with the associated grid phase voltage (u a , u b and u c ) to impress lying currents (i a , b and i c ), all currents having the same amplitude for a symmetrical network and optionally a defined load voltage (u 0 ) corresponding to a predetermined setpoint (load voltage setpoint) at the output of the load converter (3) (u 0 ) to generate, or generally to deliver a defined power to the consumer (see. Fig. 3). Alternatively, the line phase currents can also have a phase shift with respect to the associated line phase voltages. For the further description, however, ohmic network behavior is assumed for the sake of clarity. Accordingly, viewed from the grid, the system can be seen as a star connection of the same ohmic resistors (equivalent input resistances) or conductance values (equivalent input conductance values), the power of which is passed on directly to the output, ie to the consumer, with the ideal assumption of losslessness. Following this idea, the setpoint of the input equivalent conductance (input setpoint) (G *) is formed as a function of the load voltage control deviation, i.e. the difference between a specified load voltage setpoint (u 0 ') and the measured load voltage actual value (u 0 ), by feeding the load voltage control deviation to the input of an output voltage regulator which forms the required setpoint of the recharging current (ic 0 ) of the output capacitor (C o ) at the output, which, after adding the measured load current (load current pre-control) (i Loa d) and multiplying this current sum by the output reference voltage (u 0 ), sets the setpoint power to be delivered to the output (output power setpoint) (P o *) results, which is ultimately to be obtained from the network, that is, if the losses of the system are neglected, directly defines the input power setpoint. Correspondingly, in the next step, the input setpoint conductance (G *) is determined with the input phase peak value ü such that power consumption from the network results in the amount of the output power setpoint (P o ). Multiplying the input setpoint (G *) by the measured phase voltages (u a , Ub and u c ) then results in setpoints for the currents to be set in the series inductances (input phase current setpoints) (i a *, i b * and i c '). For each phase, the control deviation is determined by subtracting the measured input current actual value (i a , i b and i c ) and fed to an input current controller, which has the setpoint of the voltage to be formed across the associated series inductance (ui_ a *, Ui_b * and Ul c ) forms. After subtracting this setpoint from the measured value of the associated mains phase voltage (u a , Ub and u c ), the result is the setpoint of the input voltage of the associated bridge branch (bridge branch input voltage setpoint) (u a , and u c ) of the active bridge circuit. For the third phase (u 3 ) the bridge branch input voltage setpoint is divided by half the measured value of the intermediate circuit voltage (intermediate circuit voltage actual value) (u pn ) and thus the relative switch-on duration (d 3 ) of the upper switch of the associated bridge branch is calculated in the sense of pulse width modulation, during the switch-off period the upper switch (21) the lower switch (22) of the bridge arm is turned on, ie both switches of the bridge arm work in push-pull and the clock period preferably has a constant length or the clock frequency preferably has a constant value. Overall, the actual phase current value of the third phase is managed in accordance with the associated input phase current setpoint curve.
[0015] Eine Sektorbestimmungseinheit bestimmt anhand der Netzphasenspannungen (ua, ub und uc), in welchem Sektor oder Abschnitt sich die Netzphasenspannungen gemäss ihren Grössenverhältnissen befinden. Eine Modulationseinheit erzeugt anhand dieser Sektorinformation und der Einschaltdauer (d3) Schaltsignale Sa, Sb, Sc für die drei Brückenzweige.A sector determination unit uses the grid phase voltages (u a , u b and u c ) to determine in which sector or section the grid phase voltages are located according to their size relationships. A modulation unit uses this sector information and the duty cycle (d 3 ) to generate switching signals S a , Sb, S c for the three bridge branches.
[0016] Da die erste Phase (υΊ) wie vorgehend beschrieben innerhalb des gesamten betrachteten Sektors an die positive DC-Zwischenkreisspannungsschiene (p) und die zweite Phase (u2) an die negative DC-Zwischenkreisspannungsschiene (n) geklemmt wird, kann für die Regelung des Eingangsstromes in diesen Phasen direkt ein entsprechender Verlauf der DC-Zwischenkreisspannung (upn) herangezogen werden. Der Sollverlauf (υΊ2* = upn ) wird dabei durch Subtraktion der Brückenzweigeingangsspannungssollwerte der ersten (u-i) und der zweiten Phase (u2) gebildet und von diesem Zwischenkreisspannungssollwert der Zwischenkreisspannungsistwert (upn) subtrahiert und die damit vorliegende Zwischen kreisspann ungsregelabweichung einem Zwischen kreisspannungsregler zugeführt, an dessen Ausgang der Sollwert des Nachladestromes des Zwischenkreiskondensators (icpn) auftritt, welcher nach Subtraktion vom Zwischenkreisstromsollwert (ipn ) (der sich für jeden Sektor aus den Eingangsphasensollstromwerten (ia*, ib* und ic ) berechnet) und nach Multiplikation mit dem Zwischenkreisspannungssollwert (upn ) auf die Differenzleistung (Ppn ) führt, welche aus dem Zwischenkreis abzuführen ist.Since the first phase (υ Ί ) as described above is clamped to the positive DC link voltage rail (p) and the second phase (u 2 ) to the negative DC link voltage rail ( s ) within the entire sector under consideration, for the regulation of the input current in these phases, a corresponding course of the DC link voltage (u pn ) can be used directly. The setpoint curve (υ Ί2 * = u pn ) is formed by subtracting the bridge branch input voltage setpoints of the first (ui) and the second phase (u 2 ) and the intermediate circuit voltage actual value (u pn ) is subtracted from this intermediate circuit voltage setpoint, and the intermediate circuit voltage deviation of an intermediate control is present Circuit voltage regulator supplied, at whose output the setpoint of the recharge current of the DC link capacitor (ic pn ) occurs, which after subtraction from the DC link current setpoint (i pn ) (which is calculated for each sector from the input phase setpoint current values (i a *, i b * and i c )) and after multiplication with the intermediate circuit voltage setpoint (u pn ) leads to the differential power (P pn ) which is to be removed from the intermediate circuit.
[0017] Alternativ kann der Sollwert der seitens des Lastkonverters dem Zwischenkreis zu entnehmende Leistung (Ppn ) auch aus der Subtraktion der (Zwischenkreiskondensatorssollleistung, zu erhalten durch Multiplikation des Sollwertes desAlternatively, the setpoint of the power to be removed from the intermediate circuit power (P pn ) can also be obtained from the subtraction of the (intermediate circuit capacitor setpoint power, by multiplying the setpoint of
CH 714 715 A2CH 714 715 A2
Nachladestromes des Zwischenkreiskondensators (ic ) mit dem Zwischenkreisspannungssollwert (upn) vom Eingangsleistungssollwert berechnet werden.Recharge current of the DC link capacitor (i c ) can be calculated with the DC link voltage setpoint (u pn ) from the input power setpoint.
[0018] Die anschliessende Division der Zwischenkreissollleistung (Ppn ) durch den Ausgangsspannungssollwert (u0 ) führt auf den Sollwert des Stromes in der Tiefsetzstellerinduktivität (Tiefsetzstellerinduktivitätssollwert) (iLo ) von welchem zur Bildung der Tiefsetzstellerinduktivitätsstromregelabweichung der gemessene Tiefsetzstellerinduktivitätsistwert (iLo) subtrahiert wird.The subsequent division of the intermediate circuit setpoint power (P pn ) by the output voltage setpoint (u 0 ) leads to the setpoint of the current in the step-down converter inductance (step-down converter inductance setpoint) (i Lo ) from which the measured step-down converter inductance inductance inductance is induced ( inductance ) ,
[0019] Wird alternativ für die Berechnung des Stromsollwertes der Tiefsetzstellerinduktivität (ib,*) nur die Zwischenkreiskondensatorssollleistung ohne Solleingangsleistung verwendet, kann der Sollstromwert (ìLo,dc*)> welcher vom Ausgangsspannungsregler berechnet wird und aufgrund der begrenzten Bandbreite des Ausgangsspannungsreglers nur eine geringe Dynamik aufweist, vorgesteuert werden.Alternatively, for the calculation of the current setpoint of the step-down converter inductance (ib, *) only the intermediate circuit capacitor setpoint power without setpoint input power is used, the setpoint current value (ì Lo , dc *)> which is calculated by the output voltage regulator and only a small one due to the limited bandwidth of the output voltage regulator Dynamic, can be controlled.
[0020] Die Tiefsetzstellerinduktivitätsstromregelabweichung wird dann an den Eingang eines Tiefsetzstellerstromreglers gelegt, der an seinem Ausgang die über der Tiefsetzstellerinduktivität im Mittel über eine Taktperiode zu bildende Spannung (Tiefsetzstellerinduktivitätssollspannung) (ui_0 ) erzeugt, welche nach Addition des Ausgangsspannungssollwertes (u0 ) auf die zur Einprägung des Tiefsetzstellerinduktivitätssollwertes erforderliche Ausgangsspannung (ud*) des Tiefsetzstellerbrückenzweiges führt. Durch Division dieses Wertes durch den Zwischenkreisspannungssollwert (u0 ) wird dann schliesslich die relative Einschaltdauer des oberen Schalters (dd) des Tiefsetzstellerbrückenzweiges ermittelt, wobei innerhalb der relativen Ausschaltdauer des oberen Schalters (311) der untere Schalter (312) durchgeschaltet wird, also beide Schalter des Brückenzweiges im Gegentakt arbeiten. Um eine minimale schaltfrequente Schwankung der Zwischenkreisspannung (upn) zu erreichen ist dabei vorteilhaft die Taktung des dritten Brückenzweiges der aktiven Brückenschaltung und des Tiefsetzstellerbrückenzweiges mit gleicher Taktfrequenz vorzunehmen und zeitlich so zu legen, dass sich bei gesperrtem oberem Schalter (21) des dritten Brückenzweiges der obere Schalter des Tiefsetzstellerbrückenzweiges (311) im durchgeschalteten Zustand befindet. Es kann dann der Zwischenkreiskondensator (Cpn) mit relativ kleiner Kapazität ausgeführt und damit der Zwischenkreisspannungsistwert (upn) mit einem, verglichen mit dem Ausgangsstrom relativ kleinen Umladestrom (iCpn) entsprechend dem, weitgehend der positiven Einhüllenden der Netzaussenleiterspannungen entsprechenden sechspulsigen Verlaufgeführt werden.The step-down converter inductance current control deviation is then applied to the input of a step-down converter current regulator, which generates at its output the voltage to be formed over the step-down converter inductance on average over a clock period (step-down converter inductance setpoint voltage) (ui_ 0 ), which after addition of the output voltage setpoint (u 0 ) output voltage (u d *) of the buck converter bridge branch required for impressing the buck converter inductance setpoint. By dividing this value by the intermediate circuit voltage setpoint (u 0 ), the relative switch-on time of the upper switch (d d ) of the step-down converter bridge branch is finally determined, the lower switch (312) being switched through within the relative switch-off time of the upper switch (311), i.e. both Switch of the bridge branch work in push-pull. In order to achieve a minimal switching-frequency fluctuation in the intermediate circuit voltage (u pn ), it is advantageous to clock the third bridge arm of the active bridge circuit and the step-down converter bridge arm with the same clock frequency and to lay the timing so that when the upper switch (21) of the third bridge arm is locked, the upper switch of the buck converter branch (311) is in the switched-through state. The intermediate circuit capacitor (C pn ) can then be designed with a relatively small capacitance, and thus the intermediate circuit voltage actual value (u pn ) can be carried out with a six-pulse curve, which is relatively small compared to the output current (i Cpn ) in accordance with the positive envelope of the mains line voltages.
[0021] Bei Steuerung entsprechend der vorgehenden Beschreibung, wird innerhalb eines Sektors jeweils nur die dritte Phase (u3) für die Einprägung des zugehörigen Phasenstromes getaktet, die erste (υΊ) und die zweite Phase (u2) verbleiben geklemmt. Der abrupte Wechsel an den Sektorgrenzen kann zu Verzerrungen der Phasenströme (ia, ib und ic) führen, weshalb kurz vor- und kurz nach der Sektorgrenze mindestens eine weitere Phase aktiv geschaltet werden kann und die Auswahl dieser Phase so erfolgt, dass minimale zusätzliche Schaltverluste auftreten, also jene Phase gewählt wird, deren Betrag des Phasenstromwerts näher am Phasenstromwert der dritten Phase liegt.When controlling according to the preceding description, only the third phase (u 3 ) is clocked within a sector for the impression of the associated phase current , the first (υ Ί ) and the second phase (u 2 ) remain clamped. The abrupt change at the sector boundaries can lead to distortion of the phase currents (i a , i b and i c ), which is why shortly before and shortly after the sector boundary, at least one further phase can be activated and the selection of this phase takes place in such a way that Additional switching losses occur, that is to say that phase is selected whose magnitude of the phase current value is closer to the phase current value of the third phase.
[0022] Eine weitere Möglichkeit Verzerrungen zu vermeiden besteht darin, kurz nach einer Sektorgrenze die dritte Phase für einen kurzen Zeitabschnitt zu sperren (d.h. in diesem Zeitabschnitt alle Schalter der aktiven Brückenschaltung gesperrt zu halten) und erst anschliessend für die Taktung freizugeben.Another possibility to avoid distortions is to block the third phase for a short period of time shortly after a sector boundary (i.e. to keep all switches of the active bridge circuit locked in this period of time) and only then to release them for clocking.
[0023] Anzumerken ist, dass neben der Ausführung des Lastkonverters als DC/DC-Tiefsetzsteller mehrere weitere Realisierungsformen bestehen:It should be noted that in addition to the design of the load converter as a DC / DC buck converter, there are several other forms of implementation:
- ein DC/DC-Hochsetzsteller (vgl. Fig. 4),a DC / DC step-up converter (see FIG. 4),
- eine Vollbrückenschaltzelle mit innerer DC-Spannung und Serieninduktivität, zur Implementierung einer aktiven Glättungs- bzw. Ausgangsinduktivität (vgl. Fig. 5). Der dem DC-Zwischenkreis entnommene Strom ist hier direkt gleich dem Ausgangsstrom, welcher über entsprechende Taktung der Vollbrückenschaltzelle eingeprägt wird. Da die Zelle nur Leistungspulsationen mit sechsfacher Netzfrequenz ausgleicht, ist keine DC-seitige Speisung erforderlich.- A full bridge switch cell with internal DC voltage and series inductance, for the implementation of an active smoothing or output inductance (cf. FIG. 5). The current drawn from the DC link is here directly equal to the output current, which is impressed via appropriate clocking of the full-bridge switch cell. Since the cell only compensates for power pulsations with six times the mains frequency, no DC supply is required.
- Ein Dreiphasen-Pulskonverter, insbesondere Pulswechselrichter (vgl. Fig. 6),A three-phase pulse converter, in particular a pulse inverter (see FIG. 6),
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