DE102013215992A1 - Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung als AC/AC-Umrichter - Google Patents

Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung als AC/AC-Umrichter Download PDF

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Abstract

Die Schaltverluste bei einem Frequenzumrichter sollen bei einem einfach aufgebauten Frequenzumrichter reduziert werden. Daher wird eine dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung (30) insbesondere eine Vierpunkt-Stromrichteranordnung mit einem gemeinsamen Spannungszwischenkreis (5) bereitgestellt. Dieser weist zwei dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter (4, 6) in Back-to-Back-Kombination auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung mit mehreren Stromrichtern, wobei die Anordnung als Umrichter genutzt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung derjenigen Erfindung dar, die der Patentanmeldung DE 10 2012 214 666.0 zugrunde liegt.
  • Zur Steuerung der Drehzahl und der Leistung von elektrischen Antrieben wird heutzutage ein Frequenzumrichter (AC/AC-Umrichter, bei dem also ein Wechselstrom in einen anderen Wechselstrom gewandelt wird) eingesetzt. Der Frequenzumrichter kann die Frequenz und die Spannungshöhe am Anschluss des elektrischen Antriebs einstellen und somit dem Bedarf anpassen.
  • Ein klassischer Frequenzumrichter besitzt typischerweise eingangsseitig Diodenbrücken zum Erzeugen einer Gleichspannung in einem Zwischenkreis. Die Gleichspannung im Zwischenkreis wird dann durch einen aktiven Wechselrichter in die gewünschte Wechselspannung umgesetzt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der klassische und am meisten eingesetzte Frequenzumrichter basiert auf der sogenannten „B6-Brückenschaltung“. Die Ausgangsgrößen (Strom I und Spannung V) einer B6-Brückenschaltung sind in 1 gezeigt. Die Kurve 1 gibt die diskrete Spannung V wieder. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Frequenzumrichter zwischen den beiden vorhandenen Spannungen im Zwischenkreis, je nach gewünschtem Spannungsmittelwert, hin und her schaltet. Aus diesem Grund wird die B6-Brückenschaltung auch als Zwei-Punkt-Topologie bezeichnet. Der korrespondierende Strom ist in 1 mit der Kurve 2 dargestellt. Der Stromanstieg wird dabei stets durch die vorhandene Motorinduktivität begrenzt, so dass sich hier ein Verlauf nahe dem eingestellten Spannungsmittelwert (Sinus-Verlauf) einstellt, wie dies in dem Buch von Steffen Bernet: „Selbstgeführte Stromrichter am Gleichspannungszwischenkreis-Funktion, Modulation und Regelung", Springer Verlag 2012, Seiten 11 bis 38, ISBN: 978-3-540-23656-6, beschrieben ist.
  • Ein Nachteil dieser klassischen Lösung sind die hohen Spannungsflanken in der geschalteten Ausgangsspannung. Dies führt zu EMF-Abstrahlungen, hohen Schaltverlusten, hoher Spannungsbelastung der Leistungshalbleiter usw. Weiterhin wird am Ausgang des Zwei-Punkt-Umrichters stets eine große Induktivität benötigt, um den Stromverlauf zu beherrschen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Frequenzumrichter bereitzustellen, der verminderte EMV-Abstrahlungen und reduzierte Schaltverluste hervorruft.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung umfassend
    • – einen ersten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter,
    • – einen Gleichspannungszwischenkreis mit wenigstens drei Kondensatoren, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der Gleichspannungszwischenkreis an den ersten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter gleichspannungsseitig angeschlossen ist, und
    • – einen zweiten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter, der an den Gleichspannungszwischenkreis ebenfalls gleichspannungsseitig angeschlossen ist, wobei
    • – der erste dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter mit jeweils drei dreiphasigen Stromrichtern gleicher Topologie gebildet ist, von denen • ein erster dreiphasiger Stromrichter gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem oberen Kondensator der wenigstens drei Kondensatoren und • ein zweiter der dreiphasigen Stromrichter gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem unteren Kondensator geschaltet ist, wobei • diese beiden dreiphasigen Stromrichter wechselspannungsseitig pro Phase jeweils mittels einer Halbbrücke eines dritten der dreiphasigen Stromrichter miteinander verknüpft sind und wobei • wechselspannungsseitige Anschlüsse dieser Halbbrücken dieses dritten dreiphasigen Stromrichters jeweils einen Eingangs-Anschluss der dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichteranordnung bilden, und
    • – der zweite dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter mit jeweils drei dreiphasigen Stromrichtern gleicher Topologie gebildet ist, von denen • ein erster dreiphasiger Stromrichter gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu dem oberen Kondensator der wenigstens drei Kondensatoren und • ein zweiter der dreiphasigen Stromrichter gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu dem unteren Kondensator geschaltet ist, wobei • diese beiden dreiphasigen Stromrichter wechselspannungsseitig pro Phase jeweils mittels einer Halbbrücke eines dritten der dreiphasigen Stromrichters miteinander verknüpft sind, und wobei • wechselspannungsseitige Anschlüsse dieser Halbbrücken dieses dritten dreiphasigen Stromrichters jeweils einen Ausgangs-Anschluss der dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichteranordnung bilden.
  • Erfindungsgemäß werden also zwei dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter gemäß der Patentanmeldung DE 10 2012 214 666.0 in sogenannter „back-to-back-Kopplung“ angeordnet. Dabei fungiert dann der eine dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter wechselseitig als Eingang (z. B. zum Anschluss eines Netzes) und der andere dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter wechselstromseitig als Ausgang (z. B. zum Anschluss eines Motors). Eine derartige Anordnung kann also beispielsweise als Antriebsstromrichter mit sogenanntem „Active Front End“ verwendet werden, bei dem anstelle der üblichen Diodenbrücken zur Gleichrichtung aktive Leistungsschalter eingesetzt werden. Dadurch kann beispielsweise die Rückspeisung über den Antriebsstromrichter in einem Netz realisiert werden.
  • Vorzugsweise ist die Mehrpunkt-Stromrichteranordnung als Vierpunkt-Stromrichteranordnung mit genau drei Kondensatoren im Gleichstromzwischenkreis ausgebildet. Bei der Vierpunkt-Topologie ist die Gesamtspannung im Zwischenkreis auf drei Kondensatoren verteilt, so dass die Spannungsbelastung der Leistungshalbleiter gegenüber der Zweipunkt-Topologie deutlich reduziert ist.
  • Speziell kann, wie oben bereits angedeutet wurde, die Mehrpunkt-Stromrichteranordnung ausgangsseitig an einen dreiphasigen Motor angeschlossen und eingangsseitig an ein dreiphasiges Versorgungsnetz anschließbar sein. Damit wird die Mehrpunkt-Stromrichteranordnung als Antriebsstromrichter betrieben, wobei die Induktivität des Motors am Ausgang dazu verwendet werden kann, den Strom zu beherrschen.
  • Günstigerweise ist jeder dreiphasige Stromrichter ein sechspulsiger Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterschaltern. Damit können übliche, sogenannte „Sixpack-Module“ verwendet werden, die eine kostengünstige Herstellung der Stromrichteranordnung erlauben.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn jeweils zwei der Halbleiterschalter einer Halbbrücke des jeweiligen Stromrichters zugeordnet sind. Damit kann eine übliche Stromrichter-Topologie verwendet werden.
  • Besonders vorteilhaft ist außerdem, wenn die Kondensatoren des Zwischenkreises, insbesondere die drei Kondensatoren der Vierpunkt-Stromrichteranordnung, untereinander die gleiche Kapazität besitzen. Damit wird die Zwischenkreisspannung in gleiche Teile aufgeteilt, insbesondere bei drei gleichen Kondensatoren gedrittelt.
  • Die Spannungshöhe am Ausgang und/oder die Ausgangsfrequenz der dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichteranordnung kann durch Modulation der einzelnen Stromrichter eingestellt werden. Damit sind nahezu beliebige Netz-Antriebskombinationen möglich.
  • Vorteilhafterweise besitzen die dritten dreiphasigen Stromrichter Halbleiterschalter mit höherer Spannungsfestigkeit als die ersten und zweiten dreiphasigen Stromrichter. Damit kann zum einen eine Kostenreduktion erzielt werden und zum anderen eine Optimierung der ersten und zweiten dreiphasigen Stromrichter hinsichtlich ihrer Schaltfrequenz.
  • In einer besonderen Ausgestaltung ist die dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung so gesteuert, dass mit ihr Energie vom Eingang zum Ausgang und umgekehrt übertragbar ist. Dadurch kann die Stromrichteranordnung nicht nur für motorischen Betrieb, sondern auch für generatorischen Betrieb bzw. für Antrieb und Rekuperation, eingesetzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
  • 1 Phasengrößen in einer Zweipunkt-Stromrichtertopologie (B6-Brücke) gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ein Prinzipschaltbild einer Steuerung eines elektrischen Antriebs über einen Frequenzumrichter;
  • 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vierpunkt-Stromrichteranordnung mit „Active Front End“; und
  • 4 Phasengrößen der Vierpunkt-Stromrichteranordnung von 3.
  • Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Eine typische technische Anwendung eines Frequenzumrichters 30 zur Steuerung der Drehzahl und der Leistung eines elektrischen Antriebs 40 ist in 2 wiedergegeben. Gespeist wird der Antrieb 40 von einem Netz 50, das hier eine dreiphasige Versorgungsspannung bereitstellt. Der dreiphasige Frequenzumrichter 30 ist einerseits (netzseitig) also an das Netz 50 angeschlossen und andererseits (antriebs- oder motorseitig) an den dreiphasigen Antrieb 40. Der Antrieb 40 wird also mit einem dreiphasigen Wechselstrom angesteuert.
  • Der Frequenzumrichter 30 kann durch eine erfindungsgemäße dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung realisiert werden. Insbesondere kann diese Stromrichteranordnung als dreiphasige Vierpunkt-Stromrichteranordnung gemäß 3 realisiert sein. Strukturell umfasst eine erfindungsgemäße dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung einen ersten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter 4, einen Gleichspannungszwischenkreis 5 und einen zweiten dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 6. Der erste dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 4 wird hier als netzseitig bzw. eingangsseitig (Antriebsanwendung) bezeichnet, während der zweite dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 6 als antriebsseitig bzw. ausgangsseitig bezeichnet wird.
  • Der erste dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 4 weist drei dreiphasige Stromrichter 7, 8 und 9 gleicher Topologie auf. Der erste dreiphasige Stromrichter 7 ist gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem oberen Kondensator C1 von drei Kondensatoren des Spannungszwischenkreises 5 geschaltet, wogegen der zweite dreiphasige Stromrichter 8 gleichspannungsseitig elektrisch parallel zum unteren Kondensator C3 des Spannungszwischenkreises 5 geschaltet ist. Da im Spannungszwischenkreis 5 die drei Kondensatoren C1, C2 und C3 elektrisch in Reihe geschaltet sind, weist dieser Spannungszwischenkreis 5 vier Spannungsstufen φ1, φ2, φ3 und φ4 auf, weshalb eine Vierpunkt-Topologie vorliegt. Die anstehende Gleichspannung teilt sich annähernd gleichmäßig auf die drei Kondensatoren C1, C2 und C3 auf, sofern diese Kondensatoren zueinander gleich groß sind und die Stromrichter zu einer sogenannten „Kondensatorsymmetrierung“ angesteuert werden. Es steht somit jeweils eine Gleichspannung UC1, UC2 und UC3 an diesen Kondensatoren C1, C2 und C3 an, deren Amplituden jeweils annähernd ein Drittel der am Spannungszwischenkreis 5 anstehenden Gleichspannung entspricht.
  • Der dritte dreiphasige Stromrichter 9 verbindet die wechselspannungsseitigen Ausgänge R1, S1 und T1 des ersten dreiphasigen Stromrichters 7 mit den wechselspannungsseitigen Ausgängen R2, S2 und T2 des zweiten dreiphasigen Stromrichters 8. Dabei werden die Ausgänge R1, S1 und T1 des ersten dreiphasigen Stromrichters 7 jeweils mit einem positiven Anschluss 10, 11 und 12 der drei Halbbrücken R, S und T des dritten dreiphasigen Stromrichters 9 und die negativen Anschlüsse 13, 14 und 15 dieser drei Halbbrücken R, S und T des dritten dreiphasigen Stromrichters 9 mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R2, S2 und T2 des zweiten dreiphasigen Stromrichters 8 elektrisch leitend verbunden. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse dieser drei Halbbrücken R, S und T des dritten dreiphasigen Stromrichters 9 bilden die netzseitigen bzw. Eingangs-Anschlüsse RN, SN und TN des ersten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 4. An diese Anschlüsse ist das Netz 50 anzuschließen.
  • Im Folgenden wird der zweite dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 6 beschrieben, der die Gleichspannungen des Zwischenkreises 5 in eine dreiphasige Wechselspannung für den Motor 40 wandelt. Im Antriebsbetrieb dient der zweite dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 6 somit als Wechselrichter, während der erste dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 4 als Gleichrichter dient.
  • Auch dieser zweite dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 6 weist drei dreiphasige Stromrichter 16, 17 und 18 gleicher Topologie auf. Gleichspannungsseitig hängt dieser zweite dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 6 an dem Zwischenkreis 5 mit den drei in Reihe geschalteten Kondensatoren C1, C2 und C3. Der erste dreiphasige Stromrichter 16 ist gleichspannungsseitig elektrisch parallel zum oberen Kondensator C1 des Spannungszwischenkreises 5 geschaltet, wogegen der zweite dreiphasige Stromrichter 17 gleichspannungsseitig elektrisch parallel zum unteren Kondensator C3 des Spannungszwischenkreises 5 geschaltet ist. Wie oben erwähnt besitzt der Spannungszwischenkreis 5 aufgrund der drei Kondensatoren C1, C2 und C3 vier Spannungsstufen.
  • Der dritte dreiphasige Stromrichter 18 verbindet die wechselspannungsseitigen Ausgänge R3, S3 und T3 des ersten dreiphasigen Stromrichters 16 mit den wechselspannungsseitigen Ausgängen R4, S4 und T4 des zweiten dreiphasigen Stromrichters 17. Dabei werden die Ausgänge R3, S3 und T3 des ersten dreiphasigen Stromrichters 16 jeweils mit einem positiven Anschluss 19, 20 und 21 der drei Halbbrücken R’, S’ und T’ des dritten dreiphasigen Stromrichters 18 und die negativen Anschlüsse 22, 23 und 24 dieser drei Halbbrücken R’, S’ und T’ des dritten dreiphasigen Stromrichters 18 mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R4, S4 und T4 des zweiten dreiphasigen Stromrichters 17 elektrisch leitend verbunden. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse dieser drei Halbbrücken R’, S’ und T’ des dritten dreiphasigen Stromrichters 18 bilden die Ausgangsanschlüsse RM, SM und TM des zweiten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 6. Bei der in 3 konkret dargestellten Realisierung werden als dreiphasige Stromrichter 7, 8, 9, 16, 17 und 18 jeweils sechs-pulsige Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterschaltern, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet. Dabei werden für die ersten und zweiten dreiphasigen Zweipunkt-Stromrichter 7, 8 bzw. 16 und 17 jeweils vorzugsweise ein IGBT-Sixpack-Modul verwendet, wobei für die Realisierung des jeweiligen dritten dreiphasigen Stromrichters 9, 18 dann jeweils drei IGBT-Halbbrücken-Module verwendet werden.
  • Da die ersten und zweiten dreiphasigen Stromrichter 7, 8, 16 und 17 nur jeweils mit einem Drittel der Zwischenkreisspannung beaufschlagt werden, können abschaltbare Halbleiterschalter mit einer geringeren Sperrspannung verwendet werden im Gegensatz zu den abschaltbaren Halbleiterschaltern der dritten dreiphasigen Stromrichter 9 und 18. Wegen dieser verminderten Spannungsbelastung können die ersten und zweiten dreiphasigen Stromrichter 7, 8, 16 und 17 mit einer höheren Pulsfrequenz betrieben werden als die dritten dreiphasigen Stromrichter 9 und 18. Konkret werden die ersten und zweiten dreiphasigen Stromrichter 7, 8, 16 und 17, die jeweils gleichspannungsseitig einem Kondensator des Spannungszwischenkreises elektrisch parallel geschaltet sind, nur mit einem Drittel der Zwischenkreisspannung belastet, während die verbindenden dritten dreiphasigen Stromrichter 9 und 18 jeweils mit zwei Dritteln der Zwischenkreisspannung belastet werden.
  • Die einfachste Ausführungsform der dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter weist jeweils drei dreiphasige Stromrichter in der Topologie Zweipunkt-Stromrichter auf. Dadurch können jeweils für die beiden Conditioning-Stromrichter je 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.
  • Es ist zu erkennen, dass der in 3 dargestellte Frequenzumrichter 30 einer Back-to-Back-Kombination von zwei Stromrichtern des Typs von 2 der Anmeldung DE 10 2012 214 666.0 entspricht. In entsprechenden Weiterentwicklungen können auch die Stromrichter der 3 bis 7 aus der Anmeldung DE 10 2012 214 666.0 jeweils paarförmig zu Frequenzumrichtern kombiniert werden. Dementsprechend können dann Frequenzumrichter in zwei Kaskaden mit Fünfpunkt- und Siebenpunkt-Topologie und Frequenzumrichter mit drei Kaskaden in Achtpunkt- oder Neunpunkt-Topologie erstellt werden. Hierzu wird explizit auf die 3 bis 7 der DE 10 2012 214 666.0 einschließlich Beschreibung Bezug genommen.
  • Der in 3 dargestellte Vierpunkt-Frequenzumrichter kann am Ausgang (Motorseite) vier verschiedene Spannungspegel zur Modulation der Ausgangsspannung nutzen, weswegen diese Schaltung ja als Vierpunkt-Topologie bezeichnet wird. Dies ist deutlich in 4 zu erkennen, wo die erzeugte Wechselspannung V in der Kurve 25 und der Stromverlauf I in der Kurve 26 gezeigt sind. Die Spannungshöhe und die Ausgangsfrequenz sind dabei durch die Modulation der Mehrpunkt-Stromrichteranordnung einstellbar.
  • Im normalen Betrieb liegt ein stetiger Energiefluss vom Netz 50 zur Maschine 40, oder umgekehrt, vor, so dass im Betrieb einer der beiden Mehrpunkt-Stromrichter Energie in den Zwischenkreis transportiert und der andere Mehrpunkt-Stromrichter die Energie wieder entnimmt.
  • Der Mehrpunkt-Stromrichter und insbesondere der Vierpunkt-Stromrichter besitzt eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber der klassischen B6-Brückenschaltung (Zweipunkt-Topologie). Beim Vergleich der 1 und 4 ist nämlich deutlich zu erkennen, dass durch die zusätzlichen Spannungsstufen die Schaltflanken in der Ausgangsspannung um zwei Drittel kleiner sind als in der Zweipunkt-Topologie. Dies verringert unter anderem die Schaltverluste im Umrichter, so dass ein höherer Wirkungsgrad mit all seinen Vorteilen erreicht werden kann. Weiterhin nimmt die EMV-Abstrahlung bei kleineren Schaltflanken ab, so dass ein besserer Betrieb ermöglicht wird.
  • Prinzipbedingt ist dadurch der Stromanstieg kleiner als in der Zweipunkt-Topologie, so dass ein kleinerer und einfacherer Filter eingesetzt werden kann oder die benötigte Schaltfrequenz verringert werden kann. Dies führt wieder zu einem effizienteren Betrieb.
  • Ein weiterer Vorteil der 3B6-Topologie, in der jeder der Mehrpunkt-Stromrichter des Beispiels von 3 realisiert ist, ist die geringe Spannungsbelastung der eingesetzten Leistungshalbleiter (bezogen auf die Zwischenkreisspannung). Dies ermöglicht wieder einen effizienteren Betrieb des Umrichters.
  • Der Einsatz von zwei 3B6-Topologien in einem Vierpunkt-Antriebsstromrichter mit Active Front End besitzt die genannten Vorteile für beide Mehrpunkt-Stromrichter. Besonders für den netzseitigen Stromrichter sind die genannten Vorteile besonders wichtig, da hier keine Motor-Induktivität vorliegt und der Stromanstieg durch zusätzliche Netzdrosseln begrenzt werden muss.
  • Ein wesentlicher Vorteil dieses erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters besteht ferner darin, dass für die drei dreiphasigen Stromrichter auf jeder Seite des Zwischenkreises jeweils ein und dieselbe Topologie verwendet werden kann.
  • Die einzelne 3B6-Topologie (wie sie als Wechselrichter in der DE 10 2012 214 666.0 eingesetzt wird) besitzt den Nachteil, dass die enthaltenen Kondensatoren durch zusätzliche Maßnahmen (angepasste Modulation, zusätzliche DC/DC-Steller, etc.) symmetriert werden müssen. Dies stellt einen nicht zu vernachlässigenden Nachteil dar. Um diesen Nachteil zu verringern, wird die Zusammenschaltung von zwei 3B6-Topologien zu einem Vierpunkt-Antriebsstromrichter mit Active Front End im obigen Beispiel vorgeschlagen.
  • Die Zusammenschaltung der 3B6-Topologien mit einem gemeinsamen Zwischenkreis hilft bei der Kondensatorsymmetrierung, so dass in diesem Fall die genannten Vorteile der Schaltung ohne weiteren Aufwand voll ausgenutzt werden können. Bei der Kondensatorsymmetrierung werden die Kondensatoren so balanciert, dass jeder Kondensator in etwa konstant ein Drittel der Zwischenkreisspannung trägt. Dies wird über die Modulation der Schalter, d.h. die Betriebsweise der Stromrichter erreicht. Die Back-to-Back-Koppelung der Mehrpunkt-Stromrichter erleichtert diese Kondensatorsymmetrierung, wie oben erwähnt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012214666 [0002, 0014, 0038, 0038, 0038, 0046]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Claims (9)

  1. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung (30) gekennzeichnet durch – einen ersten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter (4), – einen Gleichspannungszwischenkreis (5) mit wenigstens drei Kondensatoren (C1, C2, C3), die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der Gleichspannungszwischenkreis (5) an den ersten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter (4) gleichspannungsseitig angeschlossen ist, und – einen zweiten dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter (6), der an den Gleichspannungszwischenkreis (5) ebenfalls gleichspannungsseitig angeschlossen ist, wobei – der erste dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter (4) mit drei dreiphasigen Stromrichtern (7, 8, 9) gleicher Topologie gebildet ist, • von denen ein erster dreiphasiger Stromrichter (7) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem oberen Kondensator (C1) der wenigstens drei Kondensatoren und • von denen ein zweiter dreiphasiger Stromrichter (8) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem unteren Kondensator (C3) geschaltet ist, wobei • diese beiden dreiphasigen Stromrichter (7, 8) wechselspannungsseitig pro Phase jeweils mittels einer Halbbrücke (R, S, T) eines dritten der dreiphasigen Stromrichter miteinander verknüpft sind und wobei • wechselspannungsseitige Anschlüsse dieser Halbbrücken (R, S, T) dieses dritten dreiphasigen Stromrichters (9) jeweils einen Eingangs-Anschluss (RN, SN, TN) der dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichteranordnung (2) bilden, und – der zweite dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter (6) mit drei dreiphasigen Stromrichtern (16, 17, 18) jeweils gleicher Topologie gebildet ist, • von denen ein erster dreiphasiger Stromrichter (16) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu dem oberen Kondensator (C1) der wenigstens drei Kondensatoren und • von denen ein zweiter dreiphasiger Stromrichter (17) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu dem unteren Kondensator (C3) geschaltet ist, wobei • diese beiden dreiphasigen Stromrichter (16, 17) wechselspannungsseitig pro Phase jeweils mittels einer Halbbrücke (R’, S’, T’) eines dritten der dreiphasigen Stromrichter (18) miteinander verknüpft sind, und wobei • wechselspannungsseitige Anschlüsse dieser Halbbrücken (R’, S’, T’) dieses dritten dreiphasigen Stromrichters (18) jeweils einen Ausgangs-Anschluss (RM, SM, TM) der dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichteranordnung (30) bilden.
  2. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, die als Vierpunkt-Stromrichteranordnung mit genau den drei Kondensatoren (C1, C2, C3) im Gleichstromzwischenkreis (5) ausgebildet ist.
  3. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, die ausgangsseitig an einem dreiphasigen Motor (40) angeschlossen ist und eingangsseitig an ein dreiphasiges Versorgungsnetz (50) anschließbar ist.
  4. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder dreiphasige Stromrichter (7, 8, 9, 16, 17, 18) ein sechs-pulsiger Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterschaltern ist.
  5. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung nach Anspruch 4, wobei jeweils zwei der Halbleiterschalter einer Halbbrücke des jeweiligen Stromrichters zugeordnet sind.
  6. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die drei Kondensatoren (C1, C2, C3) untereinander die gleiche Kapazität besitzen.
  7. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungshöhe am Ausgang und/oder die Ausgangsfrequenz der dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichteranordnung (30) durch Modulation der einzelnen Stromrichter einstellbar ist.
  8. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritten dreiphasigen Stromrichter (9, 18) Halbleiterschalter mit höherer Spannungsfestigkeit besitzen als die ersten und zweiten dreiphasigen Stromrichter (7, 8, 16, 17).
  9. Dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit der Energie vom Eingang zum Ausgang und umgekehrt übertragbar ist.
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