DE102012214666A1 - Three-phase multipoint power converter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter. Erfindungsgemäß weist dieser Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 21, 22) drei dreiphasigen Stromrichtern (4, 6, 8) gleicher Topologie und einen Gleichspannungszwischenkreis (10), bestehend aus wenigstens drei Kondensatoren (C1, C2, C3), die elektrisch in Reihe geschaltet sind, auf, wobei ein dreiphasiger Stromrichter (4) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem oberen Kondensator (C1) und ein weiterer dreiphasiger Stromrichter (6) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem unteren Kondensator (C3) geschaltet ist, wobei diese beiden dreiphasigen Stromrichter (4, 6) wechselspannungsseitig jeweils mittels einer Halbbrücke (R, S, T) des dritten dreiphasigen Stromrichters (8) miteinander verknüpft sind und wobei wechselspannungsseitige Anschlüsse dieser Halbbrücken (R, S, T) dieses dritten dreiphasigen Stromrichters (8) jeweils einen Ausgangs-Anschluss (RM, SM, TM) des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters (2) bilden. Somit erhält man einen dreiphasigen Hybrid-Mehrpunkt-Stromrichter, der mit Standart-Modulen ohne großen Aufwand realisiert werden kann.The invention relates to a three-phase multipoint converter. According to the invention, this three-phase multipoint converter (2, 21, 22) has three three-phase converters (4, 6, 8) of the same topology and a DC voltage intermediate circuit (10), consisting of at least three capacitors (C1, C2, C3) which are electrically connected in series are connected, with a three-phase converter (4) on the DC voltage side electrically in parallel with an upper capacitor (C1) and a further three-phase converter (6) on the DC voltage side electrically in parallel with a lower capacitor (C3), these two three-phase converters (4 , 6) on the AC voltage side are linked to one another by means of a half bridge (R, S, T) of the third three-phase converter (8), and AC voltage-side connections of these half bridges (R, S, T) of this third three-phase converter (8) each have an output connection (RM, SM, TM) of the three-phase multipoint converter (2). This results in a three-phase hybrid multipoint converter that can be implemented with standard modules without great effort.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter. The invention relates to a three-phase multipoint power converter.

Zur Generierung einer Wechselgröße, insbesondere einer dreiphasigen Wechselgröße, aus einer Gleichspannung wird ein Stromrichter, der bei dieser Wandlung auch als Wechselrichter bezeichnet wird, benötigt. Ein Wechselrichter, der auch als DC/AC-Stromrichter bezeichnet wird, wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, indem er zwischen verschiedenen Gleichspannungsstufen umschaltet. Die daraus resultierende Wechselspannung ist nicht sinusförmig, sondern besteht aus einer Reihe von hochfrequenten rechteckigen Impulsen, die so angelegt sind, dass sie einer Sinuswelle möglichst nahe kommen. Diese nicht ideale Sinusform verursacht Oberschwingungen, d.h. Ströme und Spannungen höherer Frequenz, deren Auswirkungen von einer zusätzlichen Belastung der Isolierung und der Lager von Motoren bis hin zu Störungen anderer Geräte reichen. Zwar können Oberschwingungsfilter eingesetzt werden, um problematische Oberschwingungen herauszufiltern und die Ausgangsschwingung zu filtern. Diese Oberschwingungsfilter verursachen zusätzliche Kosten und Verluste. To generate a variable, in particular a three-phase variable, from a DC voltage, a power converter, which is also called inverter in this conversion, needed. An inverter, also referred to as a DC / AC power converter, converts DC power into AC by switching between different DC voltage levels. The resulting AC voltage is not sinusoidal, but consists of a series of high-frequency rectangular pulses, which are designed so that they come as close as possible to a sine wave. This non-ideal sine wave causes harmonics, i. Higher frequency currents and voltages, the effects of which are an additional load on the insulation and the bearings of motors to disturbances of other devices. Although harmonic filters can be used to filter out problematic harmonics and to filter the output oscillation. These harmonic filters cause additional costs and losses.

Der einfachste Wechselrichter ist der Zweipunkt-Stromrichter, auch als Zwei-Stufen-Stromrichter bezeichnet, da dieser mit zwei Spannungsstufen arbeitet. Der Dreipunkt-NPC-Stromrichter (Neutral Point Clamped) stellt eine Erweiterung des Zweipunkt-Stromrichters dar. Dieser Dreipunkt-Stromrichter weist als zusätzliche Spannungsstufe die Nullpunkt-Spannung auf. Da der Dreipunkt-Stromrichter geringere Oberschwingungen erzeugt, vereinfacht sich der Filteraufwand. Der Dreipunkt-Stromrichter wird dann verwendet, wenn der Wert der Amplitude der Gleichspannung den Wert der Sperrspannung eines verwendeten abschaltbaren Halbleiterschalters übersteigt. The simplest inverter is the two-position converter, also referred to as a two-stage converter, since it works with two voltage levels. The three-point NPC power converter (neutral point clamped) represents an extension of the two-point converter. This three-point power converter has the zero voltage as an additional voltage level. Since the three-point converter generates lower harmonics, the filter effort is simplified. The three-position power converter is used when the value of the amplitude of the DC voltage exceeds the value of the blocking voltage of a switched semiconductor switch used.

Mittlerweile gibt es Stromrichter, die mit fünf Spannungsstufen arbeiten, allerdings zeichnen sich diese Schaltungen durch eine deutlich höhere Komplexität aus. In der Veröffentlichung mit dem Titel ”Recent Advances in Multilevel Converter/Inverter Topologies and Applications” von Fang Z. Peng et al., veröffentlicht im Konferenzband der International Power Electronics Conference, IEEE 2010, Seiten 492–501 , werden mehrere Mehrpunkt-Topologien miteinander verglichen. Insbesondere ist ein Fünfpunkt-Stromrichter in der Topologie mit Klemmdioden bzw. mit Klemmkondensatoren dargestellt. Neben diesen Klemmdioden und Klemmkondensatoren sind außerdem Steuer- und Ladeschaltkreise erforderlich. Bei Wechselrichtern für Mittelspannungsantriebe beispielsweise im unteren Leistungsbereich sind einfache Lösungen gefordert. There are now power converters that work with five voltage levels, but these circuits are characterized by a much higher complexity. In the publication titled "Recent Advances in Multilevel Converter / Inverter Topologies and Applications" by Fang Z. Peng et al., Published in the conference volume of the International Power Electronics Conference, IEEE 2010, pages 492-501 , multiple multipoint topologies are compared. In particular, a five-point power converter is shown in the topology with clamping diodes or with clamping capacitors. In addition to these clamping diodes and clamp capacitors also control and charging circuits are required. Inverters for medium-voltage drives, for example in the lower power range, simple solutions are required.

Aus der Veröffentlichung ”A New Simplified Multilevel Inverter Topology for DC-AC Conversion” von Gerardo Ceglia et al., abgedruckt in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 21, No. 5, September 2006, Seiten 1311–1319 , ist eine neue Topologie für einen Fünfpunkt-Stromrichter entnehmbar, die gegenüber der herkömmlichen Topologie mit Klemmdioden bzw. Klemmkondensatoren aufwandsärmer ist. Diese neue Topolgie verwendet eine H-Brücke, die mit einem bidirektionalen Hilfsschalter verknüpft ist. Mittels dieser Topologie werden für einen Fünfpunkt-Stromrichter nur fünf abschaltbare Halbleiter, acht Dioden und zwei Kondensatoren benötigt. Bei einem DC/AC-Stromrichter mit n Spannungsstufen werden bei dieser Topologie eine H-Brücke, n – 2 bidirektionale Hilfsschalter und n – 1 Kondensatoren, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, miteinander verschaltet. From the publication "A New Simplified Multilevel Inverter Topology for DC-AC Conversion" by Gerardo Ceglia et al., Reprinted in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 5, September 2006, pages 1311-1319 , a new topology for a five-point power converter can be removed, which is less expensive than the conventional topology with clamping diodes or clamping capacitors. This new topology uses an H-bridge linked to a bidirectional auxiliary switch. Using this topology, only five turn-off semiconductors, eight diodes, and two capacitors are required for a five-point power converter. In a DC / AC power converter with n voltage levels, this topology interconnects an H-bridge, n - 2 bidirectional auxiliary switches and n - 1 capacitors, which are electrically connected in series.

Der Veröffentlichung ”Comparison of Hybrid Propulsion Drive Schemes” von K. A. Corzine et al., veröffentlicht 2005 in IEEE Electric Ship Technology Symposium, Seiten 355–362 , ist eine weitere Mehrpunkt-Topologie für einen DC/AC-Stromrichter entnehmbar. Diese Mehrpunkt-Topologie schaltet mehrere Stromrichter elektrisch in Reihe oder parallel. Diese Schaltungsvariante eines Mehrpunkt-Stromrichters wird als Hybrid-Stromrichter bezeichnet. Ein derartiger Hybrid-Stromrichter teilt die Leistung auf einen Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterschalter hoher Sperrspannung, die mit einer kleineren Schaltfrequenz betrieben werden, und einen Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterschaltern niedrigerer Sperrspannung, die mit einer hohen Schaltfrequenz betrieben werden, auf. Der erstgenannte Stromrichtertyp wird als ”bulk”-Wechselrichter und der zweitgenannte Stromrichtertyp als ”conditioning”-Wechselrichter bezeichnet. Dieser Veröffentlichung sind verschiedene Topologien von Hybrid-Stromrichtern entnehmbar. Gemäß dieser Veröffentlichung verschaltet ein Hybrid-Mehrpunkt-Stromrichter wenigstens zwei Mehrpunkt-Stromrichter elektrisch in Reihe oder parallel. Daraus resultierend Mehrpunkt-Stromrichter, die eine höhere Anzahl von Spannungsstufen aufweisen. Die Anzahl der Spannungsstufen des Hybrid-Mehrpunkt-Stromrichters ergibt sich als Produkt der Spannungsstufen des bulk- und conditioning-Wechselrichters. The publication "Comparison of Hybrid Propulsion Drive Schemes" by KA Corzine et al., Published in the IEEE Electric Ship Technology Symposium, 2005, pp. 355-362 , another multipoint topology for a DC / AC power converter is removable. This multipoint topology electrically connects several power converters in series or in parallel. This circuit variant of a multipoint power converter is referred to as a hybrid power converter. Such a hybrid power converter divides the power on a power converter with turn-off semiconductor switch high reverse voltage, which are operated at a lower switching frequency, and a power converter with turn-off semiconductor switches lower reverse voltage, which are operated at a high switching frequency on. The former type of converter is referred to as a "bulk" inverter and the second type of converter as a "conditioning" inverter. This publication shows various topologies of hybrid power converters. According to this publication, a hybrid multipoint power converter electrically connects at least two multi-point power converters in series or in parallel. As a result, multipoint power converters having a higher number of voltage levels. The number of voltage stages of the hybrid multipoint power converter is the product of the voltage levels of the bulk and conditioning inverters.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter anzugeben, der gegenüber einem Hybrid-Mehrpunkt-Stromrichter bekannter Art aufwandsärmer ist. The invention is based on the object of specifying a three-phase multipoint power converter which is less expensive than a hybrid multipoint power converter of a known type.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved with the features of claim 1.

Erfindungsgemäß werden drei dreiphasige Stromrichter gleicher Topologie miteinander und mit einem Spannungszwischenkreis mit wenigstens drei elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren verschaltet. Dabei wird jeweils ein dreiphasiger Stromrichter gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem oberen bzw. zu einem unteren Kondensator der drei Kondensatoren des Spannungszwischenkreises geschaltet. Der dritte dreiphasige Stromrichter verbindet die wechselspannungsseitigen Anschlüsse dieser beiden dreiphasigen Stromrichter miteinander, wobei die wechselspannungsseitigen Anschlüsse dieses dritten dreiphasigen Stromrichters jeweils einen Ausgangs-Anschluss des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters bilden. Bei der Verschaltung der beiden dreiphasigen Stromrichter wechselspannungsseitig mittels des dritten dreiphasigen Stromrichters werden korrespondierende wechselspannungsseitige Anschlüsse der beiden dreiphasigen Stromrichter mittels einer Halbbrücke des dritten dreiphasigen Stromrichters verknüpft. According to the invention, three three-phase converters of the same topology with each other and with a voltage intermediate circuit with at least three interconnected electrically in series capacitors. In each case, a three-phase converter DC voltage side is electrically connected in parallel to an upper or to a lower capacitor of the three capacitors of the voltage intermediate circuit. The third three-phase power converter connects the AC-side terminals of these two-phase power converters with each other, wherein the AC-side terminals of this third three-phase power converter each form an output terminal of the three-phase multi-point converter according to the invention. In the interconnection of the two three-phase converters on the alternating voltage side by means of the third three-phase converter corresponding AC-side terminals of the two three-phase converters are linked by means of a half-bridge of the third three-phase converter.

Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters besteht darin, dass für die drei dreiphasigen Stromrichter ein und dieselbe Topologie verwendet wird. Die beiden dreiphasigen Stromrichter, die jeweils gleichspannungsseitig einem Kondensator des Spannungszwischenkreises elektrisch parallel geschaltet sind, werden nur mit einem Drittel der Zwischenkreisspannung belastet, wobei der verbindende dreiphasige Stromrichter mit zwei Dritteln der Zwischenkreisspannung belastet wird. Die dreiphasigen Stromrichter, die mit einer geringen Spannung belastet werden, werden mit einer höheren Pulsfrequenz gesteuert als der dreiphasige Stromrichter, der mit einer hohen Spannung belastet wird. The advantage of this three-phase multipoint power converter according to the invention is that one and the same topology is used for the three three-phase power converters. The two three-phase converters, which are each electrically connected in parallel on the DC voltage side of a capacitor of the voltage intermediate circuit, are loaded with only one third of the intermediate circuit voltage, wherein the connecting three-phase converter is charged with two-thirds of the intermediate circuit voltage. The three-phase power converters, which are loaded with a low voltage, are controlled with a higher pulse frequency than the three-phase power converter, which is loaded with a high voltage.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters werden zwei erfindungsgemäße dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter derart miteinander verschaltet, dass die beiden Spannungszwischenkreise mittels eines weiteren Kondensators miteinander verknüpft werden und die Ausgangs-Anschlüsse der beiden dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter mittels eines weiteren Stromrichters gleicher Topologie miteinander verbunden werden. An den wechselspannungsseitigen Anschlüssen dieses verbindenden dreiphasigen Stromrichters steht jeweils eine Spannung mit acht Spannungsstufen an. Die zugehörigen verketteten Spannungen weisen dann jeweils fünfzehn Spannungsstufen auf. In an advantageous embodiment of the three-phase multipoint power converter according to the invention, two inventive three-phase multipoint converters are interconnected such that the two voltage intermediate circuits are linked together by means of another capacitor and the output terminals of the two three-phase multipoint converters by means of another power converter of the same topology with each other get connected. At the AC-side terminals of this connecting three-phase converter is in each case a voltage with eight voltage levels. The associated chained voltages then each have fifteen voltage levels.

Die einfachste Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters weist drei dreiphasige Stromrichter in der Topologie Zweipunkt-Stromrichter auf. Dadurch können für die beiden conditioning-Stromrichter jeweils ein Sixpack-Modul verwendet werden, wogegen für den bulk-Stromrichter drei Halbbrücken-Module verwendet werden. Mit diesen Modulen können die drei dreiphasigen Stromrichter ohne großen Aufwand verschaltet werden. The simplest embodiment of the three-phase multipoint power converter according to the invention has three three-phase power converters in the topology of two-point converters. As a result, a six-pack module can be used in each case for the two conditioning converters, whereas three half-bridge modules are used for the bulk converter. With these modules, the three three-phase converters can be interconnected without much effort.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters wird für die drei dreiphasigen Stromrichter jeweils ein Dreipunkt-Stromrichter verwendet. Durch die Verwendung von drei dreiphasigen Dreipunkt-Stromrichtern erhöht sich die Anzahl der elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren. Für jeden dreiphasigen Dreipunkt-Stromrichter weist der Spannungszwischenkreis zwei Kondensatoren auf. Dadurch liegen im Spannungszwischenkreis sieben Spannungsstufen vor. Die Spannungen, die an den drei wechselspannungsseitigen Ausgangs-Anschlüssen des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters anliegen, weisen dann sieben Spannungsstufen auf, wogegen deren verkettete Spannungen dreizehn Spannungsstufen aufweisen. In a further embodiment of the three-phase multipoint power converter according to the invention, a three-point power converter is used in each case for the three three-phase power converters. The use of three three-phase three-phase converters increases the number of capacitors connected in series. For each three-phase three-phase converter, the voltage intermediate circuit has two capacitors. As a result, there are seven voltage levels in the voltage intermediate circuit. The voltages applied to the three AC side output terminals of the three-phase multipoint power converter then have seven voltage levels, whereas their chained voltages have thirteen voltage levels.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters ist der mittlere Kondensator, der die beiden Kondensatoren, denen jeweils gleichspannungsseitig ein dreiphasiger Stromrichter elektrisch parallel geschaltet ist, in zwei gleich große Kondensatoren unterteilt. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass der Verbindungspunkt dieser beiden gleich großen Kondenstoren mit Erde verbunden werden kann. Somit erhält man einen Spannungszwischenkreis mit Mittelpunkt, der geerdet ist, wodurch eine symmetrische Spannungsaufteilung im Stromrichter erreicht wird. In a further advantageous embodiment of the three-phase multipoint power converter according to the invention, the middle capacitor which divides the two capacitors, to which a three-phase converter is electrically connected in parallel on the DC voltage side, is subdivided into two equal capacitors. This makes it possible that the connection point of these two equal-sized Kondenstoren can be connected to ground. Thus, one obtains a voltage intermediate circuit with center, which is grounded, whereby a symmetrical voltage distribution is achieved in the converter.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which several embodiments of a three-phase multipoint power converter according to the invention are schematically illustrated.

1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters nach der Erfindung, wobei in 1 shows a block diagram of a first embodiment of a three-phase multipoint power converter according to the invention, wherein in

2 eine erste Realisierung dieses erfindungsgemäßen Stromrichters dargestellt ist, die 2 a first realization of this power converter according to the invention is shown, the

3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters in der Realisierung gemäß 2, die 3 shows an advantageous embodiment of the inventive three-phase multipoint power converter in the implementation according to 2 , the

4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters in der Realisierung gemäß 2, wogegen die 4 shows an advantageous development of the three-phase multipoint power converter according to the invention in the realization according to 2 , whereas the

5 eine vorteilhafte Ausführungsform der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters zeigt, in der 5 shows an advantageous embodiment of the advantageous development of the three-phase multipoint power converter according to the invention, in the

6 ist eine zweite Realisierung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters dargestellt, wobei die 6 a second implementation of the three-phase multipoint power converter according to the invention is shown, wherein the

7 ein Schaltbild eines Dreipunkt-Stromrichters in der Topologie ANPC zeigt, und in den 7 shows a circuit diagram of a three-point converter in the topology ANPC, and in the

8–10 sind unterschiedliche Ausführungsformen einer Gleichspannungsquelle für den dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter gemäß 1 dargestellt. 8th - 10 are different embodiments of a DC voltage source for the three-phase multipoint power converter according to 1 shown.

1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 gemäß der Erfindung. Dieser dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 2 weist drei dreiphasige Stromrichter 4, 6 und 8 gleicher Topologie auf. Außerdem weist dieser dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 2 einen Spannungszwischenkreis 10 auf, der drei Kondensatoren C1, C2 und C3 aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Elektrisch parallel zum Spannungszwischenkreis 10, der auch als Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet wird, ist eine Gleichspannungsquelle 12 geschaltet, die hier als Ersatzschaltbild dargestellt ist. Der dreiphasige Stromrichter 4 ist gleichspannungsseitig elektrisch parallel zum oberen Kondensator C1 des Spannungszwischenkreises 10 geschaltet, wogegen der dreiphasige Stromrichter 6 gleichspannungsseitig elektrisch parallel zum unteren Kondensator C3 des Spannungszwischenkreises 10 geschaltet ist. Da im Spannungszwischenkreis 10 drei Kondensatoren C1, C2 und C3 elektrisch in Reihe geschaltet sind, weist dieser Spannungszwischenkreis 10 vier Spannungsstufen auf. Die anstehende Gleichspannung UDC teilt sich annähernd gleichmäßig auf die drei Kondensatoren C1, C2 und C3 auf, so dass jeweils eine Gleichspannung UC1, UC2 und UC3 an diesen Kondensatoren C1, C2 und C3 ansteht, deren Amplituden jeweils annähernd ein Drittel der am Spannungszwischenkreis 10 anstehenden Gleichspannung UDC entspricht. Der dreiphasige Stromrichter 8 verbindet die wechselspannungsseitigen Ausgänge R1, S1 und T1 des dreiphasigen Stromrichters 4 mit den wechselspannungsseitigen Ausgängen R2, S2 und T2 des dreiphasigen Stromrichters 6. Dabei werden die Ausgänge R1, S1 und T1 des oberen dreiphasigen Stromrichters 4 jeweils mit einem positiven Anschluss 14, 18 und 22 der drei Halbbrücken R, S und T des dreiphasigen Stromrichters 8 und die negativen Anschlüsse 16, 20 und 24 dieser drei Halbbrücken R, S und T des dreiphasigen Stromrichters 8 mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R2, S2 und T2 des unteren dreiphasigen Stromrichters 6 elektrisch leitend verbunden. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse dieser drei Halbbrücken R, S und T des dreiphasigen Stromrichters 8 bilden die Ausgangs-Anschlüsse RM, SM und TM des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2. 1 illustrates a block diagram of a three-phase multipoint power converter 2 according to the invention. This three-phase multipoint power converter 2 has three three-phase converters 4 . 6 and 8th same topology. In addition, this three-phase multipoint power converter has 2 a voltage intermediate circuit 10 on, which has three capacitors C1, C2 and C3, which are electrically connected in series. Electrical parallel to the voltage intermediate circuit 10 , which is also referred to as DC voltage intermediate circuit, is a DC voltage source 12 switched, which is shown here as an equivalent circuit diagram. The three-phase converter 4 DC voltage side is electrically parallel to the upper capacitor C1 of the voltage intermediate circuit 10 switched, whereas the three-phase converter 6 DC side electrically parallel to the lower capacitor C3 of the voltage intermediate circuit 10 is switched. Because in the voltage intermediate circuit 10 three capacitors C1, C2 and C3 are electrically connected in series, this voltage intermediate circuit 10 four voltage levels. The upcoming DC voltage U DC is divided approximately evenly on the three capacitors C1, C2 and C3, so that in each case a DC voltage U C1 , U C2 and U C3 is applied to these capacitors C1, C2 and C3, whose amplitudes each approximately one third of at the voltage intermediate circuit 10 pending DC voltage U DC corresponds. The three-phase converter 8th connects the AC-side outputs R 1 , S 1 and T 1 of the three-phase power converter 4 with the AC-side outputs R 2 , S 2 and T 2 of the three-phase converter 6 , In this case, the outputs R 1 , S 1 and T 1 of the upper three-phase power converter 4 each with a positive connection 14 . 18 and 22 the three half-bridges R, S and T of the three-phase converter 8th and the negative connections 16 . 20 and 24 these three half bridges R, S and T of the three-phase converter 8th with the AC-side terminals R 2 , S 2 and T 2 of the lower three-phase converter 6 electrically connected. The AC-side terminals of these three half-bridges R, S and T of the three-phase converter 8th form the output terminals R M , S M and T M of the three-phase multipoint power converter 2 ,

In 2 ist eine Realisierung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 nach 1 näher dargestellt. Als dreiphasige Stromrichter 4, 6 und 8 werden 6-pulsige Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterschaltern, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), verwendet. Dabei werden für die dreiphasigen Zweipunkt-Stromrichter 4 und 6 jeweils ein IGBT-Sixpack-Modul verwendet, wobei für die Realisierung des dreiphasigen Stromrichters 8 drei IGBT-Halbbrücken-Module verwendet werden. In 2 is an implementation of the three-phase multipoint power converter according to the invention 2 to 1 shown in more detail. As a three-phase power converter 4 . 6 and 8th 6-pulse converters with turn-off semiconductor switches, in particular insulated gate bipolar transistors (IGBT) are used. These are for the three-phase two-point converters 4 and 6 each used an IGBT six-pack module, wherein for the realization of the three-phase power converter 8th three IGBT half-bridge modules are used.

Da die dreiphasigen Stromrichter 4 und 6 nur mit einem Drittel der Zwischenkreisspannung beaufschlagt werden, können abschaltbare Halbleiterschalter mit einer geringeren Sperrspannung verwendet werden im Gegensatz zu den abschaltbaren Halbleiterschaltern des dreiphasigen Stromrichters 8. Wegen dieser Spannungsbelastung werden die dreiphasigen Stromrichter 4 und 6 mit einer höheren Pulsfrequenz betrieben als der dreiphasige Stromrichter 8. Somit kann man die Stromrichter 4 und 6 als ”conditioning”-Stromrichter und den Stromrichter 8 als ”bulk”-Stromrichter eines Hybrid-Stromrichters bezeichnen. Because the three-phase power converter 4 and 6 can be applied only with one third of the DC link voltage, turn-off semiconductor switches can be used with a lower blocking voltage in contrast to the turn-off semiconductor switches of the three-phase converter 8th , Because of this voltage load, the three-phase power converters 4 and 6 operated at a higher pulse frequency than the three-phase converter 8th , Thus one can the power converters 4 and 6 as a "conditioning" rectifier and the power converter 8th as a "bulk" conductor of a hybrid power converter designate.

In 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 in der Realisierung gemäß 2 näher dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass der mittlere Kondensator C2 der drei elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren C1, C2 und C3 in zwei gleich große Kondensatoren C2/2 unterteilt ist. Der Verbindungspunkt 26 dieser beiden gleich großen Kondensatoren C2/2 ist mit Erde elektrisch leitend verbunden. Dieser Verbindungspunkt 26 stellt den Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises 10 dar. Durch die Erdung dieses Mittelpunktes wird eine symmetrische Spannungsaufteilung im dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter 2 erreicht. In 3 is an advantageous embodiment of the three-phase multi-point converter according to the invention 2 in the realization according to 2 shown in more detail. This embodiment differs from the embodiment according to FIG 2 in that the middle capacitor C2 of the three capacitors C1, C2 and C3 connected in series is divided into two equal capacitors C2 / 2. The connection point 26 These two equal capacitors C2 / 2 is electrically connected to ground. This connection point 26 represents the center of the voltage intermediate circuit 10 By grounding this center is a symmetrical voltage distribution in the three-phase multi-point converter 2 reached.

Eine Realisierung einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 gemäß 2 ist in 4 näher dargestellt. Diese vorteilhafte Weiterbildung besteht aus zwei dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichtern 2 gemäß 2, die in dieser Ausführungsform als 2 1 und 2 2 bezeichnet werden. Diese beiden dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter 2 1 und 2 2 sind gleichspannungsseitig mittels eines weiteren Kondensators C4 und wechselspannungsseitig mittels eines weiteren dreiphasigen Stromrichters 28 miteinander verknüpft. Der weitere Kondensator C4 verbindet den Spannungszwischenkreis 10 1 des ersten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 1 mit dem Spannungszwischenkreis 10 2 des zweiten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 2 derart, dass die Kondensatoren C11, C21, C31 und C12, C22, C32 und der weitere Kondensator C4 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Mittels des Weiteren dreiphasigen Stromrichters 28 werden die Ausgangs-Anschlüsse RM1, SM1 und TM1 des ersten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 1 mit dem Ausgangs-Anschlüssen RM2, SM2 und TM2 des zweiten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 2 miteinander verbunden. Dies wird dadurch erreicht, dass die positiven Anschlüsse 30, 34 und 38 der drei Halbbrücken R, S und T des weiteren dreiphasigen Stromrichters 28 jeweils mit einem Ausgangs-Anschluss RM1, SM1 und TM1 des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 1 elektrisch leitend verbunden sind, wogegen die negativen Anschlüsse 32, 36 und 40 dieser drei Halbbrücken R, S und T des weiteren dreiphasigen Stromrichters 28 jeweils mit einem Ausgangs-Anschluss RM2, SM2 und TM2 des zweiten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 2 elektrisch leitend verbunden sind. An den Ausgangs-Anschlüssen RM, SM und TM dieses dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 steht jeweils eine Phasenspannung uR, uS und uT mit jeweils acht Spannungsstufen an. Dadurch weisen die zugehörigen verketteten Spannungen uRS, uST und uTR jeweils einen Spannungsverlauf mit fünfzehn Spannungsstufen auf. A realization of an advantageous development of the three-phase multipoint power converter according to the invention 2 according to 2 is in 4 shown in more detail. This advantageous development consists of two three-phase multipoint converters 2 according to 2 used in this embodiment as 2 1 and 2 2 are designated. These two three-phase multipoint converters 2 1 and 2 2 are DC side by means of another capacitor C4 and AC side by means of another three-phase converter 28 linked together. The further capacitor C4 connects the voltage intermediate circuit 10 1 of the first three-phase multipoint power converter 2 1 with the voltage intermediate circuit 10 2 of the second three-phase multipoint power converter 2 2 such that the capacitors C1 1 , C2 1 , C3 1 and C1 2 , C2 2 , C3 2 and the further capacitor C4 are electrically connected in series. By means of the further three-phase converter 28 become the output terminals R M1 , S M1 and T M1 of the first three-phase multipoint power converter 2 1 with the output terminals R M2 , S M2 and T M2 of the second three-phase multipoint power converter 2 2 interconnected. This is achieved by having the positive connections 30 . 34 and 38 the three half-bridges R, S and T of the further three-phase converter 28 each with an output terminal R M1 , S M1 and T M1 of the three-phase multipoint power converter 2 1 are electrically connected, whereas the negative terminals 32 . 36 and 40 these three half bridges R, S and T of the further three-phase converter 28 each with an output terminal R M2 , S M2 and T M2 of the second three-phase multipoint power converter 2 2 are electrically connected. At the output terminals R M , S M and T M of this three-phase multipoint power converter 2 is in each case a phase voltage u R , u S and u T , each with eight voltage levels. As a result, the associated concatenated voltages u RS , u ST and u TR each have a voltage characteristic with fifteen voltage levels.

In 5 ist die Ausführungsform des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 gemäß 4 dargestellt, wobei sein Spannungszwischenkreis 10 einen Mittelpunkt aufweist, der geerdet ist. Dadurch wird eine symmetrische Spannungsaufteilung erreicht. In 5 is the embodiment of the three-phase multipoint power converter 2 according to 4 shown, with its voltage intermediate circuit 10 has a center that is grounded. As a result, a symmetrical voltage distribution is achieved.

In 6 ist eine zweite Realisierung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 gemäß 1 näher dargestellt. Diese Realisierung unterscheidet sich von der Realisierung des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 gemäß 2 darin, dass anstelle von 6-pulsigen Zweipunkt-Stromrichtern für die drei dreiphasigen Stromrichter 4, 6 und 8 jeweils ein Dreipunkt-Stromrichter in der Topologie NPC (Neutral Point Clamped) verwendet wird. Durch die Verwendung von dreiphasigen Dreipunkt-Stromrichtern weist der Spannungszwischenkreis 10 doppelt so viele Kondensatoren C1, ..., C6 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dadurch weist dieser Spannungszwischenkreis 10 sieben Spannungsstufen auf. In 6 is a second implementation of the three-phase multipoint power converter according to the invention 2 according to 1 shown in more detail. This realization differs from the realization of the three-phase multi-point converter 2 according to 2 in that instead of 6-pulse two-point converters for the three three-phase converters 4 . 6 and 8th in each case a three-point power converter in the topology NPC (Neutral Point Clamped) is used. By using three-phase three-point converters, the voltage intermediate circuit 10 twice as many capacitors C1, ..., C6, which are electrically connected in series. As a result, this voltage intermediate circuit 10 seven voltage levels.

Anstelle von dreiphasigen Dreipunkt-Stromrichtern in der Topologie NPC können auch dreiphasige Dreipunkt-Stromrichter in der Topologie ANPC (Advanced Neutral Point Clamped) verwendet werden. Diese beiden Topologien unterscheiden sich schaltungstechnisch dadurch, dass anstelle von Mittelpunkts-Dioden abschaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), verwendet werden. Ein Blockschaltbild eines dreiphasigen Dreipunkt-Stromrichters in der Topologie ANPC ist in 7 näher dargestellt und aus der US 2006/0056209 A1 bekannt. Instead of three-phase three-phase converters in the topology NPC, three-phase three-phase converters in the ANPC (Advanced Neutral Point Clamped) topology can also be used. In terms of circuitry, these two topologies differ in that, instead of center-point diodes, turn-off semiconductor switches, in particular insulated gate bipolar transistors (IGBTs), are used. A block diagram of a three-phase three-phase converter in the topology ANPC is in 7 shown in more detail and from the US 2006/0056209 A1 known.

In den 8 bis 10 sind verschiedene Ausführungsformen der Gleichspannungsquelle dargestellt. Gemäß der Ausführungsform der 8 ist die Quelle als einfache Gleichspannungsquelle 12 (geerdet oder potentialfrei) ausgeführt. In der Ausführungsform gemäß 9 ist die Quelle mit zwei getrennten Gleichspannungsquellen 12 1 und 12 2 als bipolare Gleichspannungsquelle mit Mittelpunktserdung ausgeführt. Bei der Ausführungsform gemäß 10 ist die Gleichspannungsquelle 12 als einfache potentialfreie Gleichspannungsquelle ausgeführt, wobei der Spannungszwischenkreis 10 derart ausgebildet ist, dass ein Mittelpunkt existiert, der mit Erde elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch erhält man trotzdem eine symmetrische Spannungsaufteilung im dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter 2. Somit kann der dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter nach der Erfindung an unterschiedlichen Spannungsquellen betrieben werden. Ein Anwendungsgebiet dieses erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 ist die Photovoltaik, Windkraft, Antriebe. In the 8th to 10 different embodiments of the DC voltage source are shown. According to the embodiment of the 8th is the source as a simple DC source 12 (earthed or floating). In the embodiment according to 9 is the source with two separate DC sources 12 1 and 12 2 designed as a bipolar DC voltage source with center grounding. In the embodiment according to 10 is the DC voltage source 12 designed as a simple potential-free DC voltage source, wherein the voltage intermediate circuit 10 is formed such that a center exists, which is electrically connected to earth. This still gives a symmetrical voltage distribution in the three-phase multipoint power converter 2 , Thus, the three-phase multi-point converter according to the invention can be operated at different voltage sources. A field of application of this three-phase multipoint converter according to the invention 2 is the photovoltaic, wind power, drives.

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Claims (10)

Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) mit drei dreiphasigen Stromrichtern (4, 6, 8) gleicher Topologie und mit einem Gleichspannungszwischenkreis (10), bestehend aus wenigstens drei Kondensatoren (C1, C2, C3), die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei ein dreiphasiger Stromrichter (4) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem oberen Kondensator (C1) und ein weiterer dreiphasiger Stromrichter (6) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem unteren Kondensator (C3) geschaltet ist, wobei diese beiden dreiphasigen Stromrichter (4, 6) wechselspannungsseitig jeweils mittels einer Halbbrücke (R, S, T) des dritten dreiphasigen Stromrichters (8) miteinander verknüpft sind und wobei wechselspannungsseitige Anschlüsse dieser Halbbrücken (R, S, T) dieses dritten dreiphasigen Stromrichters (8) jeweils einen Ausgangs-Anschluss (RM, SM, TM) des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters (2) bilden.Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) with three three-phase converters ( 4 . 6 . 8th ) of the same topology and with a DC voltage intermediate circuit ( 10 ), consisting of at least three capacitors (C1, C2, C3), which are electrically connected in series, wherein a three-phase power converter ( 4 ) on the DC side electrically parallel to an upper capacitor (C1) and another three-phase power converter ( 6 ) is connected electrically parallel to a lower capacitor (C3) on the DC side, these two three-phase converters ( 4 . 6 ) on the AC side in each case by means of a half-bridge (R, S, T) of the third three-phase power converter ( 8th ) and wherein AC side terminals of these half bridges (R, S, T) of this third three-phase power converter ( 8th ) each have an output terminal (R M , S M , T M ) of the three-phase multipoint power converter ( 2 ) form. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) mit zwei dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichtern (2 1, 2 2) nach Anspruch 1, wobei die Gleichspannungszwischenkreise (10 1, 10 2) der beiden dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter (2 1, 2 2) mittels eines weiteren Kondensators (C4) elektrisch miteinander verbunden sind, und wobei die Ausgangs-Anschlüsse (RM1, SM1, TM1, RM2, SM2, TM2) dieser beiden dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter (2 1, 2 2) jeweils mittels einer Halbbrücke (R, S, T) eines weiteren Stromrichters (28) miteinander verknüpft sind. Three-phase multipoint power converter ( 2 ) with two three-phase multipoint converters ( 2 1 , 2 2 ) according to claim 1, wherein the DC voltage intermediate circuits ( 10 1 , 10 2 ) of the two three-phase multipoint converters ( 2 1 , 2 2 ) are electrically connected to one another by means of a further capacitor (C4), and wherein the output terminals (R M1 , S M1 , T M1 , R M2 , S M2 , T M2 ) of these two three-phase multipoint converters ( 2 1 , 2 2 ) each by means of a half-bridge (R, S, T) of another power converter ( 28 ) are linked together. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dreiphasige Stromrichter (4, 6, 8) ein 6-pulsiger Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterschaltern ist. Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that each three-phase power converter ( 4 . 6 . 8th ) is a 6-pulse power converter with turn-off semiconductor switches. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dreiphasige Stromrichter (4, 6, 8) ein Dreipunkt-Stromrichter ist. Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that each three-phase power converter ( 4 . 6 . 8th ) is a three-point converter. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Kondensator (C2) der Reihenschaltung dreier Kondensatoren (C1, C2, C3) durch zwei Kondensatoren (C2/2, C2/2) ersetzt wird und deren Verbindungspunkt (26) geerdet ist. Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) according to claim 1, characterized in that the middle capacitor (C2) of the series connection of three capacitors (C1, C2, C3) is replaced by two capacitors (C2 / 2, C2 / 2) and their connection point ( 26 ) is grounded. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskondensator (C4) der beiden Spannungszwischenkreise (10 1, 10 2) der beiden Mehrpunkt-Stromrichter (2 1, 2 2) durch zwei Kondensatoren (C4/2, C4/2) ersetzt wird und deren Verbindungspunkt (26) geerdet ist. Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) according to claim 2, characterized in that the connecting capacitor (C4) of the two voltage intermediate circuits ( 10 1 , 10 2 ) of the two multipoint converters ( 2 1 , 2 2 ) is replaced by two capacitors (C4 / 2, C4 / 2) and their connection point ( 26 ) is grounded. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dreiphasige Dreipunkt-Stromrichter als NPC-Stromrichter ausgeführt ist. Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) according to claim 4, characterized in that the three-phase three-phase converter is designed as an NPC power converter. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dreiphasige Dreipunkt-Stromrichter als ANPC-Stromrichter ausgeführt ist. Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) according to claim 1, characterized in that the three-phase three-phase converter is designed as an ANPC converter. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als abschaltbarer Halbleiterschalter Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren niedriger Spannungsbelastung vorgesehen sind. Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) according to claim 3, characterized in that are provided as turn-off semiconductor switch insulated gate bipolar transistors low voltage load. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2, 2 1, 2 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als abschaltbarer Halbleiterschalter einer jeden Halbbrücke (R, S, T) des dritten dreiphasigen Stromrichters (8, 8 1, 8 2) jeweils ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor höherer Spannungsbelastung vorgesehen ist. Three-phase multipoint power converter ( 2 . 2 1 , 2 2 ) according to claim 1, characterized in that as turn-off semiconductor switch of each half-bridge (R, S, T) of the third three-phase power converter ( 8th . 8th 1 , 8th 2 ) in each case an insulated gate bipolar transistor of higher voltage load is provided.
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