DE10051156A1

DE10051156A1 - Verfahren und Umrichterschaltung zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung

Info

Publication number: DE10051156A1
Application number: DE2000151156
Authority: DE
Inventors: Martin Glinka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: DE10051156B4

Abstract

Als Ersatz für konventionelle Netztransformatoren sind sogenannte Mittelfrequenztransformatoren in Verbindung mit leistungselektronischen Umformern bekannt. Bedingt durch die Begrenzung der Schaltfrequenz und der damit verbundenen maximalen Transformatorbetriebsfrequenz bestehen jedoch noch immer große Nachteile bzgl. Transformatorgewicht, -volumen und -wirkungsgrad. DOLLAR A Nach dem Verfahren werden primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) eines einkernigen Transformators (1) verbundene Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) abwechselnd getaktet. DOLLAR A Das Verfahren ermöglicht den Betrieb von Mittelfrequenztransformatoren mit großer Leistung, z. B. auf elektrischen Triebfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Umrichterschal tung zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertra gung mittels eines primär- und sekundärseitig mit leistungs elektronischen Stromrichtern verbundenen Transformators.

Eine Energieübertragung mittels Transformatoren mit einer we sentlich über der Netzfrequenz liegenden Betriebsfrequenz er folgt bisher vorwiegend mit sogenannten Schaltnetzteilen mit relativ niedrigen Isolationsanforderungen und kleinen Leis tungen.

Darüber hinaus sind sogenannte Mittelfrequenztransformatoren in Verbindung mit leistungselektronischen Umformern als Er satz für konventionelle Netztransformatoren bekannt. Die mit tels der leistungselektronischen Umformer erzeugte, wesent lich über der Netzfrequenz liegende Betriebsfrequenz ermög licht prinzipiell erhebliche Gewichts- und Volumeneinsparun gen der Transformatoren. Die Leistung derartiger Einheiten ist jedoch bisher stark begrenzt.

Um die konventionellen Netztransformatoren auf elektrischen Triebfahrzeugen zu ersetzen, werden jedoch übertragbare Leis tungen im Bereich mehrerer hundert Kilowatt benötigt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind in der jüngsten Zeit verschiedene Anstrengungen unternommen worden.

So ist aus H. Reinold, M. Steiner: "Characterization of Semi conductor Losses in Series Resonant DC-DC Converters for High Power Applications using Transformers with Low Leakage Induc tance", EPE 1999, Lausanne, ein IGBT-Serienresonanzumrichter bekannt.

In M. Kunz, F. Hörl, T. Klockow: "Entwicklung einer massear men Energieversorgung für elektrische Triebfahrzeuge", ZEV- DET Glas. Ann. 123, 11/12, S. 423-426, 1999, wird eine An ordnung mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Vierquadrantensteller beschrieben. Die Vierquadrantensteller bestehen aus mehreren Teilumrichtern in Kaskadenanordnung, wobei jeder Teilumrichter eine Teilwicklung eines Mittelfre quenztransformators versorgt.

Vierquadrantensteller in Kaskadenanordnung sind auch Gegens tand der Veröffentlichung Schibili, N., Rufer, A.: "Single- and three-phase multilevel converters for traction systems 50 Hz/16 2/3 Hz", Proceedings, 7th European Conference on Po wer Electronics and Applications (EPE), vol. 4, S. 210-215, Trondheim, 1997.

Bedingt durch die Begrenzung der Schaltfrequenz und der damit verbundenen maximalen Transformatorbetriebsfrequenz bestehen jedoch noch immer große Nachteile bzgl. Transformatorgewicht, -volumen und -wirkungsgrad.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine technisch und wirtschaft lich vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit für leistungs elektronische Umformer mit hoher Übertragungsleistung und ho her Umrichterzwischenkreisspannung bei transformatorischer Potentialtrennung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Ge genstand der Unteransprüche.

Danach werden primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teil wicklung eines einkernigen Transformators verbundene Strom richter abwechselnd getaktet, wobei sie entweder nacheinander bipolare Spannungspulse oder abwechselnd unipolare Spannungs pulse entgegengesetzter Polarität erzeugen.

Mit dem Verfahren und der Umrichterschaltung gelingt es, die sich teilweise widerstrebenden Forderungen nach:

a) geringem Gewicht und Volumen
b) hoher übertragbarer Leistung
c) hohem Wirkungsgrad
d) hoher Isolationsspannung
e) hoher Stromrichter-Zwischenkreisspannung
f) reduziertem Materialaufwand (insbesondere weichmagne tisches Material)

auf eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Art zu er füllen.

Mit Hilfe der voneinander unabhängigen Stromrichter auf der Primär- oder/und Sekundärseite des Transformators kann dessen Betriebsfrequenz bei praktisch nur geringfügig steigenden Um richterverlusten entsprechend der Anzahl der unabhängigen Stromrichter auf der Primär- oder/und Sekundärseite erhöht werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Um richterschaltung mit drei primärseitigen und einem sekundärseitigen Stromrichter,

Fig. 2 eine Umrichterschaltung mit jeweils drei Stromrich tern primär- sowie sekundärseitig,

Fig. 3 eine Umrichterschaltung mit zwei primärseitigen Stromrichtern,

Fig. 4 den prinzipiellen Spannungsverlauf bei dem Verfah ren mit bipolaren Spannungspulsen,

Fig. 5 den prinzipiellen Spannungsverlauf bei dem Verfah ren mit unipolaren Spannungspulsen,

Fig. 6 die Zusammensetzung der sekundärseitigen Spannung aus den Spannungen von drei primärseitigen Strom richtern bei bipolaren Spannungspulsen,

Fig. 7 die Zusammensetzung der sekundärseitigen Spannung aus den Spannungen von zwei primärseitigen Strom richtern bei unipolaren Spannungspulsen und

Fig. 8 ein Beispiel einer Umrichterschaltung mit jeweils zwei primär- und sekundärseitigen Stromrichtern als IGBT-Halbbrücken in Mittelpunktschaltung.

Erfindungsgemäß besteht der Transformator aus mindestens zwei Wicklungen auf der Primär- oder/und Sekundärseite sowie einer entsprechenden Anzahl von unabhängigen Stromrichtern. Fig. 1 zeigt ein Beispiel mit drei primärseitigen Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 und einem sekundärseitigen Stromrichter 5.1. Jede primärseitige Teilwicklung 2.1, 2.2, 2.3 eines Transformators 1 ist mit einem eigenen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 verbunden. Entsprechend kann jeder Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 unabhän gig von den anderen eine beliebige Spannung an der jeweiligen Teilwicklung 2.1, 2.2, 2.3 einprägen.

Der Betrieb der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Zeit multiplex arbeitenden Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 kann auf zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten erfolgen, nämlich mittels bipolarer oder unipolarer Spannungspulse.

Bei der Verwendung von bipolaren Spannungspulsen erzeugen alle beteiligten Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 Spannungspulse, deren grundsätzlicher Verlauf in Fig. 4 dargestellt ist. Hierbei erzeugt jeder Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 einen bipo laren Spannungspuls für eine Periodendauer T₁. Für die an schließende Zeitdauer T₂- T₁, in der jeweils die beiden an deren der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 einen bipolaren Span nungspuls erzeugen, geht er in Taktsperre, was einem Zustand "offener Klemmen" an der zugehörigen Transformatorwicklung entspricht, siehe Fig. 4 und Fig. 6. T₂ stellt dabei die Dauer der Gesamtperiode aller drei eingangsseitigen Strom richter 4.1, 4.2, 4.3 dar. Fig. 6 zeigt dabei die Spannungs verläufe für die in Fig. 1 dargestellte Schaltung mit drei primärseitigenbipolaren Spannungen U₂₁, U₂₂, U₂₃, die zur Übertragung verschiedener Leistungen unterschiedliche Phasen winkel ϕ₁ bis ϕ₃ zu der sekundärseitigen bipolaren Spannung U₃₁ besitzen.

Der Stromrichter 5.1 auf der Sekundärseite des Transformators 1 arbeitet mit der N-fachen Umrichterschaltfrequenz der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3. Alle Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3, 5.1 arbeiten wie in allen beschriebenen Beispielen im Voll blockbetrieb. Die Umrichterschaltverluste werden beim Voll blockbetrieb auf ein Minimum begrenzt. Grundsätzlich ist je doch auch ein Umrichterbetrieb möglich, bei dem die Umrichter mit einem Vielfachen der Grundfrequenz (sogenannter Pulsbe trieb) getaktet werden kann. Mit Hilfe der Phasenwinkel ϕ₁ bis ϕ₃ können die übertragenen Leistungen unabhängig vonein ander eingestellt werden, siehe Fig. 6. Der Stromrichter 5.1 überträgt dabei die Summenleistung der drei primärseitigen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3; seine Umrichterfrequenz ist gleich der Transformator-betriebsfrequenz f₁ und damit drei mal so groß wie die der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3. Entspre chend hat sich die Umrichterfrequenz der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 gegenüber der Transformatorbetriebsfrequenz f₁ ge drittelt, was eine deutlichen Reduzierung der Halbleiterver luste in den Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 bedeutet. Mit dem Anstieg der Transformatorbetriebsfrequenz f₁ ist auch eine Reduzierung des maximalen magnetischen Flusses im Transformatorkern verbunden. Dies hat zur Folge, dass die Leistungs dichte des Transformators 1 entsprechend dem Anstieg der Transformator-betriebsfrequenz f₁ zunimmt. Somit können die oben genannten Forderungen a) bis f) bei konstant gebliebener Schaltfrequenz der leistungselektronischen Schalter in den Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 auf der Primärseite erfüllt wer den. Verwendet man anstatt der Schaltung von Fig. 1 die Schaltung aus Fig. 2 mit drei sekundärseitigen Stromrichtern 5.1, 5.2, 5.3, kann über den gemeinsamen Transformator 1 Leistung je weils vom primärseitigen Stromrichter 4.1 zum Stromrichter 5.1 sowie vom Stromrichter 4.2 zum Stromrichter 5.2 und ana log vom Stromrichter 4.3 zum Stromrichter 5.3 übertragen wer den. Dabei können die zwischen den jeweiligen Stromrichtern 4.1, 5.1; 4.2, 5.2; 4.3, 5.3 übertragenen Leistungen wiederum unabhängig voneinander eingestellt werden.

Durch die magnetische Kopplung aller beteiligten Teilwicklun gen ergeben sich folgende Vorteile:

- Bei gleicher Schaltfrequenz der primärseitigen Strom richter 4.1, 4.2, 4.3 als auch der sekundärseitigen Strom richter 5.1, 5.2, 5.3 kann die Transformatorbetriebsfrequenz f₁ auf das Dreifache angehoben werden.
- Gleichzeitig ergibt sich mit der auf das Dreifache ange stiegenen Transformatorbetriebsfrequenz f₁ eine deutlich ge stiegene Leistungsdichte des Transformators 1.
- Trotz eines gemeinsamen Transformators 1 können die Leistungen zwischen den Stromrichtern 4.1 und 5.1, 4.2 und 5.2 sowie 4.3 und 5.3 unabhängig voneinander mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zeitmultiplexverfahrens übertragen werden.
- Außerdem ist eine Leistungsübertragung unter den primär seitigen Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 sowie auch den sekundär seitigen Stromrichtern 5.1, 5.2, 5.3 möglich. Dies bedeutet, dass beispielsweise die vom Stromrichter 4.1 übertragene Leistung nicht zwangsläufig der des Stromrichters 5.1 ent sprechen muss, da Stromrichter 4.1 auch Leistung zum Strom richter 4.2 oder Stromrichter 4.3 und den damit zugehörigen sekundärseitigen Stromrichtern 5.2 und 5.3 übertragen kann.

Nimmt man an, dass das Übersetzungsverhältnis des Transforma tors 1 zwischen allen Wicklungen immer 1 beträgt, können voneinander starke Abweichungen der Zwischenkreisspannung z. B. der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 zu evtl. erwünschten Leis tungsausgleichsvorgängen führen. Bei diesen Vorgängen findet teilweise eine Aufhebung des Zustandes der "offenen Klemmen" statt. So könnte z. B. Stromrichter 4.1 mit relativ hoher Zwi schenkreisspannung während der Leistungsübertragung an den Stromrichter 5.1 gleichzeitig einen Teil der Leistung an den Stromrichter 4.2 oder/und Stromrichter 4.3 übertragen, wenn diese eine niedrigere Zwischenkreisspannung besitzen.

Der Zustand "offene Klemmen" kann bei allen Stromrichtertypen immer dadurch realisiert werden, dass ein separater Schalter, der zwischen Stromrichter und zugehöriger Transformatorwick lung angeordnet ist, die Transformatorwicklung vom Stromrich ter trennt und damit in den Leerlauf schaltet.

Wird die Umrichterschaltung mit Stromrichtern mit Spannungs zwischenkreis aufgebaut, kann der Zustand "offene Klemmen" durch die Stromrichter-Taktsperre bis zu einer Spannung, die der Zwischenkreisspannung des jeweiligen Stromrichters ent spricht, realisiert werden. Dies ist ausreichend, solange alle Stromrichter eine ungefähr gleiche, dem Übersetzungsver hältnis des Transformators entsprechende Zwischenkreisspan nung besitzen. Auf diese Weise kann auf den sonst zusätzlich benötigten Schalter zwischen Stromrichter und Transformator wicklung verzichtet werden.

Bei der Benutzung von unipolaren Spannungspulsen erzeugen alle beteiligten Stromrichter Spannungspulse, deren grund sätzlicher Verlauf in Fig. 5 dargestellt ist, wobei hierbei zwei primärseitige Stromrichter 4.1, 4.2 gemäß Fig. 3 voraus gesetzt sind. Jeder Stromrichter 4.1, 4.2 erzeugt zwei uni polare Spannungspulse über jeweils die Hälfte einer Perioden dauer T₁. Zwischen beiden Spannungspulsen gleicher Polarität geht der Stromrichter über eine Zeitdauer von (T₂-T₁)/2 in den Zustand "offene Klemmen" die Taktsperre.

Für das Verfahren mit unipolaren Spannungspulsen ist es not wendig, dass immer eine gerade Anzahl von Stromrichtern an der Erzeugung des Multiplexsignals beteiligt ist, da ein Stromrichter eines Stromrichterpaares immer positive Span nungspulse und der andere Stromrichter immer negative Span nungspulse erzeugen muss (Fig. 5).

Die prinzipiellen Spannungsverläufe der Schaltung mit unipo laren Spannungspulsen können daneben Fig. 7 entnommen werden, wobei hier wiederum eine Schaltung gemäß Fig. 3 vorausgesetzt ist, das heißt, dass die sekundärseitige Spannung U₃₁ aus zwei primärseitigen unipolaren Spannungen U₂₁, U₂₂ generiert wird, die zur Übertragung verschiedener Leistungen unterschiedliche Phasenwinkel ϕ1, ϕ2 aufweisen

Auch bei dieser Schaltung können die Stromrichter 4.1 und 4.2 unabhängig voneinander Leistung an den Stromrichter 5.1 über tragen. Dies erfolgt über die freie Einstellung der Phasen winkel ϕ₁ und ϕ₂. Der Vorteil dieser Schaltung besteht gegen über der Umformerschaltung von Fig. 1 darin, dass mit einem 2-Quadrantenbetrieb der Stromrichter 4.1 und 4.2 Leistung von der Primärseite zur Sekundärseite als auch in umgekehrter Richtung übertragen werden kann.

Ansonsten hat der Betrieb mit unipolaren Spannungspulsen die gleichen charakteristischen Eigenschaften wie der Betrieb mit bipolaren Spannungspulsen.

Zusätzlich zum Betrieb der Stromrichter am jeweils eigenen Zwischenkreis, wie es in den obigen Beispielen der Fall ist, ist auch der Betrieb von Stromrichtern an einem gemeinsamen Zwischenkreis denkbar. So könnten z. B. die primärseitigen Stromrichter nach Fig. 2 getrennte Zwischenkreise haben, die sekundärseitigen Stromrichter 5.1, 5.2 aber einen gemeinsamen Zweischenkreis besitzen. Es sind aber auch Kombinationen von gemeinsamen und getrennten Zwischenkreisen auf der Primär- oder der Sekundärseite des Transformators denkbar.

Abschließend ist noch in Fig. 8 ein Beispiel einer Umformer schaltung dargestellt. Stromrichter 4.1, 4.2, 5.1 und 5.2 sind in dieser Schaltung als IGBT-Halbbrücken in Mittelpunkt schaltung ausgeführt.

Claims

1. Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Ener gieübertragung mittels eines primär- und sekundärseitig mit leistungselektronischen Stromrichtern verbundenen Transforma tors, dadurch gekennzeichnet, dass primär- und/oder se kundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuer bare, mit jeweils einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) eines einkernigen Transformators (1) verbundene Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) abwechselnd ge taktet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander bipo lare Spannungspulse erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Stromrichtern (4.1, 4.2; 5.1, 5.2) paarweise abwechselnd unipolare Spannungspulse entgegen gesetzter Polarität erzeugt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) im Vollblockbetrieb arbeiten.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) von den zugehörigen Teilwicklungen (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) durch separate Schalter getrennt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass teilweise eine Energieübertra gung jeweils innerhalb der primär- und/oder sekundärseitigen Teilwicklungen (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) erfolgt.

7. Umrichterschaltung zur Durchführung des Verfahren nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei vonein ander unabhängig steuerbare Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) jeweils mit einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) des Transformators (1) verbunden sind und alle Wicklungen über einen gemeinsamen Kern magnetisch gekoppelt sind.

8. Umrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) als Halbbrücken in Mittelpunktschaltung ausgebildet sind.

9. Umrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) als im Zweiquadrantenbetrieb arbeitende Halbbrücken ohne Mittelpunktschaltung ausgebildet sind.