EP4264815A1 - Umrichter für wechselstromsysteme - Google Patents

Umrichter für wechselstromsysteme

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Publication number
EP4264815A1
EP4264815A1 EP21844254.9A EP21844254A EP4264815A1 EP 4264815 A1 EP4264815 A1 EP 4264815A1 EP 21844254 A EP21844254 A EP 21844254A EP 4264815 A1 EP4264815 A1 EP 4264815A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phase
converter
arm
connection
arms
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21844254.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Samir Salama
Joerg Janning
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wolong Electric Drive Group Co Ltd
Original Assignee
Wolong Electric Group Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wolong Electric Group Co Ltd filed Critical Wolong Electric Group Co Ltd
Publication of EP4264815A1 publication Critical patent/EP4264815A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the invention relates to a converter for alternating current systems, in particular three-phase systems, with two or more than two phases, with one arm or two arms with converter modules connected in series and with a phase connection being or being provided for each phase and with each arm of one phase having a corresponding arm of each other phase is connected by a common potential conductive link.
  • the converter modules each have a capacitor.
  • the invention also relates to a method for operating such a converter and a three-phase machine, in particular an electric motor, or a mains feed, d. H . a device for feeding current into a power grid, with at least one converter.
  • converters In drive technology, regulated three-phase machines in low and medium voltage are fed with converters, which are often designed as intermediate circuit voltage converters.
  • the undesired harmonics generated by these converters depend on the switching frequency of the power semiconductors and the number of switchable voltage stages (level).
  • each commutation of the power semiconductor generates voltage switching edges. These switching flanks stress the insulation of the stator winding of the motor and the motor cable.
  • Higher power motors are often supplied with voltages in the medium voltage range, for which the associated converters must also be designed in medium voltage.
  • the power semiconductors In the case of a 2-level converter, the power semiconductors must have a correspondingly higher blocking voltage, which limits the choice of power semiconductors.
  • Multi-stage topologies such as the Cascaded H-Bridge topology (US Pat. No. 6,014,323) and the MMC topology from Marqwardt (ETG Conference 2002) use a scalable series connection of converter modules with their own intermediate circuit capacitors, which support the intermediate circuit DC voltages of the modules.
  • Multi-level topologies offer the advantages of a reduced blocking voltage requirement for the individual power semiconductors and thus reduced switching losses, which means that higher frequencies are made possible.
  • the converter modules consist of power semiconductor components, in particular in the form of IGBT or IGCT, and capacitors. These capacitors are essentially sized according to the expected maximum fundamental pulsating power of the phase.
  • the converter modules cause significant pulsations in the intermediate circuit voltages in the individual phases.
  • the converter modules are loaded by the pulsating power of the individual phases.
  • an additional circulating current is generated, which reduces the load on the intermediate circuits.
  • this puts an additional load on the power semiconductors and reduces the available output current.
  • the intermediate circuit capacitors must also be designed considerably larger due to the pulsating power of the individual phases, which increases the cost and volume of the converter and represents an additional fire load.
  • the invention is based on the object of providing a converter of the type mentioned at the outset, a method for operating such a converter and a three-phase machine which do not have the aforementioned disadvantages, the output power being increased and in particular the fundamental oscillation pulsation of the intermediate circuit voltages being compensated/ is reduced without increasing the load on the converter modules by circulating currents, thus enabling the use of smaller capacitors in the converter modules.
  • the balancing of the intermediate circuits is solved at low frequencies.
  • the object is achieved according to the invention with a method that has the features of claim 13 and with a three-phase machine or a mains feed that has the features of claim 15 .
  • the intermediate circuit capacitors are also loaded differently in a time sequence, while the sum the pulsating fundamental power is balanced in symmetrical operation. It is therefore provided according to the invention that the converter module, which is connected to the conductive connection, is connected to a balancing unit for each arm of a phase, which allows an energy transfer between the arm of one phase and an arm of another phase. This enables energy to be equalized by means of an energy transfer between converter modules in two phases.
  • the invention provides that for each arm of a phase the capacitor of the converter module, which is arranged furthest away from the phase connection, is connected directly to the conductive connection and connected to a balancing unit, which transmits energy between the arm of one phase and an arm of another phase allows .
  • the capacitor of the converter module which is arranged furthest away from the phase connection, is connected directly to the conductive connection and connected to a balancing unit and energy is transferred via the balancing unit to one arm other phase transmits .
  • the converter module that is farthest from Phase connection is located remotely, is in communication with the balancing unit.
  • this converter module is usually connected to the conductive connection with a uniform potential, so that the invention can therefore be easily applied to the converters that are essential in practice.
  • At least one transmission unit is provided in at least one arm, preferably in all arms, which allows energy to be transmitted independently of the load current between a converter module in the arm and at least one other converter module in the same arm.
  • the transmission unit is provided in such a way that it allows an energy transfer that is independent of the load current between a converter module of the arm and at least one other converter module of the same arm, which is connected to the balancing unit.
  • a transmission controller is provided in a preferred embodiment, which controls the energy transmission independently of the load current.
  • converter modules in at least one arm are each connected to a transmission unit. This means that energy can be equalized across all converter modules within a phase.
  • transmission units are designed as voltage converters, which enable efficient energy transfer.
  • the transmission controller controls/coordinates the energy transfer between two converter modules depending on the load status of the converter modules, in particular also depending on the switching status of the converter modules, so that the energy transfer to the desired converter module does not negatively affect the operation of the converter.
  • this has an advantageous effect on reducing the power pulsations within a phase.
  • the transmission controller is preferably connected to the respective transmission units.
  • one arm can be provided per phase, with the conductive connection being a star point.
  • the conductive connection being a star point.
  • the compensation unit is a star point with a converter, the converter being in particular a converter with at least one central intermediate circuit.
  • a negative arm and a positive arm can be provided per phase, with the conductive connection between the positive arms of the phases being a common positive connection, in particular a positive busbar, and the conductive connection between the negative arms of the phases is a common negative connection, in particular a negative busbar.
  • the compensation unit is a parallel connection between the respective converter modules of two phases, in particular a parallel connection of the intermediate circuit capacitors of the converter modules of two phases.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a three-phase MMC converter according to the prior art
  • FIG. 6 a circuit diagram of a three-phase cascaded H-bridge converter according to the prior art
  • FIG 10 shows an arrangement of three-phase machine, converter unit and power supply system.
  • each arm 1, 2 shows the circuit diagram of a conventional MMC converter for three phases U, V, W.
  • Two arms 1, 2 with a phase connection 3 are provided for each phase U, V, W.
  • Each phase connection 3 is connected via the two arms 1, 2 to a conductive connection 4 with a uniform positive potential or negative potential.
  • Each arm 1, 2 of one phase U, V, W is connected to a corresponding arm 1, 2 of each other phase U, V, W via the conductive connection 4 with a common potential.
  • the conductive connection 4 between the positive arms 1 and the conductive connection 4 between the negative arms 2 is in this case a positive or negative busbar (Vdc/2 and -Vdc/2).
  • each arm 1, 2 consists of several converter modules 5 with capacitors K, which are connected to one another in series. The energy transfer is controlled via a converter control 7 .
  • FIG 2 shows the circuit diagram of an MMC converter according to the invention for three phases U, V, W, which differs from the conventional converter in the following features.
  • a transmission controller 9 which is connected to the transmission units 8, controls the additional energy transfer independently of the energy transfer taking place via any circulating currents, but depending on the load condition of the respective converter modules 5.
  • the execution of the transmission units 8 does not have to be identical.
  • the converter module 5, which is connected to the conductive connection 4 is connected to a balancing unit 10, which carries out an energy transfer between the arm 1, 2 of a phase U, V, W and an arm 1, 2 of another phase U, V, W allows.
  • a balancing unit 10 which carries out an energy transfer between the arm 1, 2 of a phase U, V, W and an arm 1, 2 of another phase U, V, W allows.
  • This is a modification of the conventional MMC circuit, which allows power pulsations to be compensated for without the need for circulating currents.
  • the intermediate circuit capacitors K of the top and bottom converter modules 5, which are arranged furthest from the phase connection 3, are connected to one another, which are directly connected to the busbar (Vdc/2 and -Vdc/2). This is possible because these converter modules 5 already have the same potential on one side due to the common connection to the busbar.
  • the balancing unit 10 electrically connects the intermediate circuits of the respective uppermost and lowermost converter modules 5 with one another. This balances
  • the compensation unit 10 on the top and bottom converter module 5 alone does not change the load on the other converter modules 5 .
  • a path has been created via this connection that allows a largely direct compensation of the power pulsations between the phases.
  • the converter modules 5 that are not directly connected to the compensation unit 10 are thus relieved of the power pulsations via the transmission units 8, in that these transmission units 8 transfer the energy to the compensation units transfer.
  • the converter shown in FIG. 3 essentially corresponds to the converter shown in FIG.
  • the energy transfer of the respective intermediate circuit capacitor K into the intermediate circuit capacitor K located higher in each case is achieved with the aid of a controller which is connected to the next converter module 5 via an inductor.
  • This transfer must be coordinated with the switching state of the higher-lying converter module 5 so that the current stored in the inductance does not flow past the upper capacitor.
  • the transmission controller 9, which is connected to the transmission units 8, controls the additional energy transfer independently of the energy transfer taking place via any circulating currents, but depending on the load status and the switching status of the respective converter modules 5.
  • the converter shown in FIG. 4 essentially corresponds to the converters shown in FIGS. 2 and 3 without transmission units 8 and without transmission control 9.
  • the solution to the transmission devices 8 of an arm 1, 2 consists of H-bridges which are connected to one another via a medium-frequency transformer. Due to the increased frequency, the transformer is significantly smaller than a classic 50Hz transformer. This circuit has the advantage that it can also be operated in resonant mode and the semiconductors switch with low losses when the current passes through zero. All H-bridges in a transformer are voltage synchronized to each other. If the insulation voltage of the transformer is not sufficient for all converter modules 5 or if the transformer would be too complex, another transformer is connected in series. Depending on the design, transformers with more or fewer winding systems can be used. This For each arm 1, 2, 13 of the circuit according to FIG. 2 and fig. 7 can be applied, whereby the transmission device 8, which is connected to the compensation unit 4, differs somewhat from the other transmission devices 8 of the arm. The solution is therefore conceivable for two-phase systems or three-phase systems.
  • FIG. 6 shows the circuit diagram of a three-phase Cascaded Ji-Bridge converter.
  • An arm 13 with a phase connection 3 is provided for each phase U, V, W.
  • Each phase connection 3 is connected to a conductive connection 4 of uniform potential via the arm 13 .
  • Each arm 13 of a phase U, V, W is connected to an arm 13 of each other phase U, V, W via the conductive connection 4 with a uniform potential.
  • the conductive connection 4 is designed as a star point 14 .
  • each arm 13 consists of a plurality of converter modules 5 with capacitors K, which are connected in series with one another. The energy transfer is controlled via a converter control 7 .
  • FIG. 7 and 8 is a circuit diagram of a three-phase cascaded H-bridge converter according to the invention, which differs from the conventional converter in the following features.
  • voltage converters are provided as transmission units 8, which allow an additional energy transfer between a converter module 5 of an arm 13 and another converter module 5 of the same arm 13.
  • the converter module 5, which is connected to the conductive connection 4, 14, is connected to a balancing unit 10, which carries out an energy transfer between the arm 13 of a phase U, V, W and an arm 13 of another phase U, V, W allows.
  • the capacitor K of the converter module 5 which is arranged furthest from the phase connection 3 , is connected directly to the conductive connection 4 and connected to the compensation unit 10 .
  • the topology was expanded with a converter in the star point.
  • a 2-level converter (FIG. 7) or any other converter with at least one common central intermediate circuit can be used, ie. H .
  • 2-level converters, 3-level NPC converters (FIG. 8), 3-level NPP converters, nested cell NPP converters or floating-capacitor converters are conceivable.
  • the intermediate circuits of the cascaded H-bridges are connected via the transmission units 8 with the compensation units 10 to the intermediate circuit of the converter at the neutral point.
  • Fig. 9 converter shown essentially corresponds to that in FIG. 7 illustrated converter without transmission units 8 and without transmission control 9 .
  • Fig. 10 shows a power grid 20 , a converter unit 21 and a three-phase machine 22 .
  • the converter unit 21 essentially comprises a motor current converter 23 , an intermediate circuit 24 and a network converter 25 .
  • a transformer 26 can optionally be provided between the converter unit 21 and the power grid.
  • the converter unit 21 and/or the three-phase machine 22 can make use of the converter according to the invention.
  • the converter unit 21 and optionally the transformer 26 form a device for feeding current into the power grid 20 .
  • the three-phase machine 22 is operated as a generator that generates electricity. Provision can also be made for power to be supplied from the power grid 20 via the converter unit 21 to the three-phase machine 20 designed as an electric motor.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Ein Umrichter für Wechselstromsysteme, insbesondere Drehstromsysteme, hat zwei oder mehr als zwei Phasen (U, V, W), wobei pro Phase (U, V, W) ein Arm (13) oder zwei Arme (1, 2) mit in Reihe geschalteten Umrichtermodulen (5) und mit einem Phasenanschluss (3) vorgesehen ist oder sind und wobei jeder Arm(1, 2, 13) einer Phase (U, V, W) mit einem entsprechendem Arm (1, 2, 13) jeder anderen Phase (U, V, W) über eine leitende Verbindung (4) mit einheitlichem Potential verbunden ist. Pro Arm (1, 2, 13) einer Phase (U, V, W) steht das Umrichtermodul (5), das an der leitenden Verbindung (4) angeschlossen ist, mit einer Ausgleichseinheit (10) in Verbindung, die einen Energietransfer zwischen dem Arm (1, 2, 13) der einen Phase (U, V, W) und einem Arm (1, 2, 13) einer anderen Phase (U, V, W) zulässt.

Description

UMRICHTER FÜR WECHSELSTROMSYSTEME
Die Erfindung betri f ft einen Umrichter für Wechselstromsysteme , insbesondere Drehstromsysteme , mit zwei oder mehr als zwei Phasen, wobei pro Phase ein Arm oder zwei Arme mit in Reihe geschalteten Umrichtermodulen und mit einem Phasenanschluss vorgesehen ist oder sind und wobei j eder Arm einer Phase mit einem entsprechenden Arm j eder anderen Phase über eine leitende Verbindung mit einheitlichem Potential verbunden ist . Die Umrichtermodule weisen j eweils einen Kondensator auf .
Die Erfindung betri f ft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Umrichters sowie eine Drehstrommaschine , insbesondere Elektromotor, oder eine Netzeinspeisung, d . h . eine Einrichtung zum Einspeisen von Strom in ein Stromnetz , mit wenigstens einem Umrichter .
In der Antriebstechnik werden geregelte Drehstrommaschinen in Nieder- und Mittelspannung mit Umrichtern gespeist , die häufig als Zwischenkreisspannungsumrichter ausgeführt sind . Die von diesen Umrichtern erzeugten unerwünschten harmonischen Oberschwingungen hängen von der Schalt frequenz der Leistungshalbleiter und der Anzahl der schaltbaren Spannungsstufen ( Level ) ab . Weiterhin erzeugt j ede Kommutierung des Leistungshalbleiters Spannungsschaltflanken . Diese Schalt flanken belasten die I solation der Ständerwicklung des Motors und die Motorkabel . Motoren größerer Leistung werden häufig mit Spannungen im Bereich der Mittelspannung gespeist , für die die zugehörigen Umrichter ebenfalls in Mittelspannung aus zuführen sind . Im Falle eines 2-Level Umrichters müssen die Leistungshalbleiter eine entsprechend höhere Sperrspannung aufweisen, was die Auswahl der Leistungshalbleiter einschränkt . Weiterhin erzeugen Leistungshalbleiter mit höherer Sperrspannung deutlich höhere Schaltverluste als die mit niedrigerer Sperrspannung, womit die wirtschaftlich erreichbare Schalt frequenz deutlich begrenzt ist . Für die Lösung dieses Problems werden in der Mittel- und Niederspannung Umrichter mit mehreren Gleichspannungs zwischenkreisen eingesetzt . Hierdurch können die einzelnen Leistungshalbleiter versetzt angesteuert und eine bessere Modulation der Wechselspannung erreicht werden . Verbreitete Umrichtervarianten sind der 3-Level-NPC Umrichter und der 3-Level-NPP Umrichter .
Mehrstufige Topologien, wie die Cascaded H-Bridge Topologie (US 6014323 ) und die MMC Topologie von Marqwardt (ETG Konferenz 2002 ) verwenden eine skalierbare Reihenschaltung von Umrichtermodulen mit eigenen Zwischenkreiskondensatoren, welche die Zwischenkreisgleichspannungen der Module stützen .
Mehrstufige Topologien bieten Vorteile einer verringerten Sperrspannungsanforderung der einzelnen Leistungshalbleiter und damit verringerter Schaltverluste , wodurch höhere Frequenzen ermöglicht werden .
Nach derzeitigem Stand der Technik bestehen die Umrichtermodule aus Leistungshalbleiterbauelementen, insbesondere in der Aus führung als IGBT oder IGCT , sowie Kondensatoren . Diese Kondensatoren werden im Wesentlichen entsprechend der erwarteten maximalen pulsierenden Grundschwingungsleistung der Phase ausgelegt .
Nach derzeitigem Stand der Technik kommt es bei kleinen Frequenzen und großen Energien durch die Umrichtermodule zu erheblichen Pulsationen der Zwischenkreisspannungen in den einzelnen Phasen . Durch die pulsierende Leistung der einzelnen Phase werden die Umrichtermodule belastet . Um dennoch einen Betrieb bei geringen Ausgangs frequenzen zu ermöglichen, wird ein zusätzlicher Kreisstrom erzeugt , der die Belastung der Zwischenkreise reduziert . Dies belastet die Leistungshalbleiter j edoch zusätzlich und reduziert den verfügbaren Ausgangsstrom . Bei Applikationen, die hohe Anfahrmomente benötigen oder in bestimmten Betriebsarten längere Zeit bei kleinen Drehzahlen betrieben werden oder bei denen der Motor eine geringe Nennfrequenz aufweist , müssen aufgrund der pulsierenden Leistung der einzelnen Phase zudem die Zwischenkreiskondensatoren erheblich größer ausgelegt werden, was die Kosten und das Volumen des Umrichters erhöht und eine zusätzliche Brandlast darstellt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde , einen Umrichter der eingangs genannten Gattung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Umrichters sowie eine Drehstrommaschine zur Verfügung zu stellen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen, wobei die Ausgangsleistung erhöht wird und insbesondere die Grundschwingungspulsation der Zwischenkreisspannungen ausgeglichen/reduziert wird, ohne die Belastung der Umrichtermodule durch Kreisströme zu erhöhen, und so die Verwendung von kleineren Kondensatoren in den Umrichtermodulen ermöglicht wird . Insbesondere wird die Balancierung der Zwischenkreise bei niedrigen Frequenzen gelöst .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Umrichter gelöst , der die Merkmale des Anspruches 1 aufweist .
Zudem wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruches 13 aufweist , sowie mit einer Drehstrommaschine oder einer Netzeinspeisung, die die Merkmale des Anspruches 15 aufweist .
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Da die pulsierende Grundschwingungsleistung in einem mehrphasigen System unter den einzelnen Phasen phasenverschoben ist , werden auch die Zwischenkreiskondensatoren in einer zeitlichen Abfolge unterschiedlich belastet , während die Summe der pulsierenden Grundschwingungsleistung im symmetrischen Betrieb ausgeglichen ist . Deshalb ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass pro Arm einer Phase das Umrichtermodul , das an der leitenden Verbindung angeschlossen ist , mit einer Ausgleichseinheit in Verbindung steht , die einen Energietrans fer zwischen dem Arm der einen Phase und einem Arm einer anderen Phase zulässt . Dies ermöglicht einen Energieausgleich durch einen Energietrans fer zwischen Umrichtermodulen zweier Phasen .
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass pro Arm einer Phase der Kondensator des Umrichtermoduls , das am weitesten vom Phasenanschluss entfernt angeordnet ist , direkt an der leitenden Verbindung angeschlossen und mit einer Ausgleichseinheit verbunden ist , die einen Energietrans fer zwischen dem Arm der einen Phase und einem Arm einer anderen Phase zulässt .
Somit ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass an einem Arm wenigstens einer Phase der Kondensator des Umrichtermoduls , das am weitesten vom Phasenanschluss entfernt angeordnet ist , direkt an der leitenden Verbindung angeschlossen und mit einer Ausgleichseinheit verbunden ist und Energie über die Ausgleichseinheit auf einen Arm einer anderen Phase überträgt .
Somit wird erreicht , dass sich Leistungspulsationen einer Phase mit einer anderen Phase ausgleichen können, da pulsierende Leistung von einem Umrichtermodul wenigstens einer Phase an ein entsprechendes Umrichtermodul einer anderen Phase über eine galvanische Ausgleichseinheit übertragen wird, wodurch die Zwischenkreiskondensatoren weniger belastet werden und damit kleiner ausgelegt werden können . Weiterhin können auch Kreisströme für die Reduzierung der Leistungspulsationen reduziert werden, womit die Leistungshalbleiter entlastet werden und der verfügbare Ausgangsstrom optimiert wird .
In einer bevorzugten Aus führungs form ist vorgesehen, dass pro
Arm einer Phase das Umrichtermodul , das am weitesten vom Phasenanschluss entfernt angeordnet ist , mit der Ausgleichseinheit in Verbindung steht . Dieses Umrichtermodul ist in den in der Praxis relevanten Umrichtern üblicherweise mit der leitenden Verbindung mit einheitlichem Potential verbunden, so dass die Erfindung somit auf die in der Praxis wesentlichen Umrichter einfach angewendet werden kann .
Vorteilhafterweise ist in wenigstens einem Arm, vorzugsweise in allen Armen, wenigstens eine Ubertragungseinheit vorgesehen, die einen vom Laststrom unabhängigen Energietrans fer zwischen einem Umrichtermodul des Armes mit wenigstens einem anderen Umrichtermodul desselben Armes zulässt . Vorzugsweise ist die Übertragungseinheit derart vorgesehen, dass sie einen vom Laststrom unabhängigen Energietrans fer zwischen einem Umrichtermodul des Armes mit wenigstens einem anderen Umrichtermodul desselben Armes zulässt , welches mit der Ausgleichseinheit in Verbindung steht . Hiermit können neben den an die Ausgleichseinheiten angeschlossenen Umrichtermodulen noch weitere Umrichtermodule desselben Armes von den pulsierenden Grundschwingungsleistungen entlastet werden, womit auch die Zwischenkreiskondensatoren dieser Umrichtermodule reduziert werden können . Hierzu ist in einer bevorzugten Aus führungs form eine Ubertragungssteuerung vorgesehen, die den Energietrans fer unabhängig vom Laststrom steuert .
Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass Umrichtermodule in wenigstens einem Arm, vorzugsweise in allen Armen, j eweils mit einer Ubertragungseinheit in Verbindung stehen . Somit kann ein Energieausgleich über alle Umrichtermodule innerhalb einer Phase stattfinden .
Vorteilhafterweise sind Ubertragungseinheiten als Spannungswandler ausgelegt , welche einen ef fi zienten Energietrans fer ermöglichen . Gemäß einer bevorzugten Aus führungs formen der Erfindung steuert/ koordiniert die Übertragungssteuerung den Energietrans fer zwischen zwei Umrichtermodulen abhängig vom Lastzustand der Umrichtermodule , insbesondere auch abhängig vom Schalt zustand der Umrichtermodule , damit der Energietrans fer zum gewünschten Umrichtermodul den Betrieb des Umrichters nicht negativ beeinflusst . Zudem hat dies vorteilhaften Einfluss auf die Reduzierung der Leistungspulsationen innerhalb einer Phase .
Die Ubertragungssteuerung steht vorzugsweise mit den j eweiligen Ubertragungseinheiten in Verbindung .
Im Rahmen der Erfindung kann pro Phase ein Arm vorgesehen sein, wobei die leitende Verbindung ein Sternpunkt ist . Dies ist insbesondere bei der Cascaded H-Bridge Topologie der Fall . Hierbei ist es bevorzugt , wenn die Ausgleichseinheit ein Sternpunkt mit Umrichter ist , wobei der Umrichter insbesondere ein Umrichter mit wenigstens einem zentralen Zwischenkreis ist .
Alternativ dazu kann im Rahmen der Erfindung pro Phase ein negativer Arm und ein positiver Arm vorgesehen sein, wobei die leitende Verbindung zwischen den positiven Armen der Phasen ein gemeinsamer positiver Anschluss , insbesondere eine positive Sammel schiene , und die leitende Verbindung zwischen den negativen Armen der Phasen ein gemeinsamer negativer Anschluss , insbesondere eine negative Sammelschiene ist .
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Ausgleichseinheit eine Parallelschaltung zwischen den j eweiligen Umrichtermodulen zweier Phasen, insbesondere eine Parallelschaltung der Zwischenkreiskondensatoren der Umrichtermodule zweier Phasen .
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, den Schutzbereich nicht beschränkender, Aus führungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild eines dreiphasigen MMC Umrichters nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 - 5 Schaltbilder von erfindungsgemäßen MMC Umrichtern, Fig. 6 ein Schaltbild eines dreiphasigen Cascaded H-Bridge Umrichters nach dem Stand der Technik,
Fig. 7 - 9 Schaltbilder von erfindungsgemäßen Cascaded H-Bridge Umrichtern und
Fig. 10 eine Anordnung aus Drehstrommaschine, Umrichtereinheit und Stromnetz.
In Fig. 1 ist das Schaltbild eines herkömmlichen MMC Umrichters für drei Phasen U, V, W dargestellt. Pro Phase U, V, W sind zwei Arme 1, 2 mit einem Phasenanschluss 3 vorgesehen. Jeder Phasenanschluss 3 ist über die zwei Arme 1, 2 mit einer leitenden Verbindung 4 einheitlichen positiven Potentials oder negativen Potentials verbunden. Jeder Arm 1, 2 einer Phase U, V, W ist mit einem entsprechendem Arm 1, 2 jeder anderen Phase U, V, W über die leitende Verbindung 4 mit einheitlichem Potential verbunden. Die leitende Verbindung 4 zwischen den positiven Armen 1 sowie die leitende Verbindung 4 zwischen den negativen Armen 2 ist in diesem Fall eine positive bzw. negative Sammelschiene (Vdc/2 und -Vdc/2) . Jeder Arm 1, 2 besteht in dieser Ausführung aus mehreren Umrichtermodulen 5 mit Kondensatoren K, die miteinander in Reihe verbunden sind. Der Energietransfer wird über eine Umrichtersteuerung 7 gesteuert.
In Fig. 2 ist das Schaltbild eines erfindungsgemäßen MMC Umrichters für drei Phasen U, V, W dargestellt, der sich in den folgenden Merkmalen vom herkömmlichen Umrichter unterscheidet.
In allen Armen 1, 2 sind Spannungswandler als Übertragungseinheiten 8 vorgesehen, die einen zusätzlichen Energietransfer zwischen einem Umrichtermodul 5 eines Armes 1,2 mit einem anderen Umrichtermodul 5 desselben Armes 1 , 2 zulässt . Eine Ubertragungssteuerung 9 , die mit den Ubertragungseinheiten 8 in Verbindung steht , steuert den zusätzlichen Energietrans fer unabhängig vom über eventuelle Kreisströme statt findenden Energietrans fer, j edoch abhängig vom Lastzustand der j eweiligen Umrichtermodule 5 . Die Aus führung der Ubertragungseinheiten 8 müssen dabei nicht identisch ausgeführt werden .
Pro Arm 1 , 2 einer Phase U, V, W steht das Umrichtermodul 5 , das an der leitenden Verbindung 4 angeschlossen ist , mit einer Ausgleichseinheit 10 in Verbindung, die einen Energietrans fer zwischen dem Arm 1 , 2 der einen Phase U, V, W und einem Arm 1 , 2 einer anderen Phase U, V, W zulässt . Dies ist eine Modi fikation der herkömmlichen MMC Schaltung, die einen Ausgleich der Leistungspulsationen erlaubt , ohne dass Kreisströme benötigt werden . Insbesondere werden die Zwischenkreiskondensatoren K der obersten und untersten Umrichtermodule 5 , die am weitesten vom Phasenanschluss 3 entfernt angeordnet sind, miteinander verbunden, die mit der Sammelschiene (Vdc/2 und -Vdc/2 ) direkt verbunden sind . Dies ist möglich, da diese Umrichtermodule 5 durch den gemeinsamen Anschluss an die Sammelschiene ohnehin einseitig dasselbe Potential haben . Die Ausgleichseinheit 10 verbindet die Zwischenkreise der j eweiligen obersten und der j eweiligen untersten Umrichtermodule 5 galvanisch miteinander . Hiermit werden die pulsierenden Leitungen ausgeglichen .
Die Ausgleichseinheit 10 am obersten und untersten Umrichtermodul 5 allein ändert noch nicht die Belastung der übrigen Umrichtermodule 5 . Jedoch ist über diese Verbindung ein Pfad entstanden, der einen weitgehend direkten Ausgleich der Leistungspulsationen zwischen den Phasen erlaubt . Die nicht direkt an die Ausgleichseinheit 10 angeschlossenen Umrichtermodule 5 werden also über die Ubertragungseinheiten 8 von den Leistungspulsationen entlastet , indem diese Übertragungseinheiten 8 die Energie zu den Ausgleichseinheiten transferieren.
Der in Fig. 3 dargestellte Umrichter entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 2 dargestellten Umrichter. Hierbei wird der Energietransfer des jeweiligen Zwischenkreiskondensators K in den jeweils höher liegenden Zwischenkreiskondensator K mit Hilfe eines Stellers erreicht, der über eine Induktivität an das nächste Umrichtermodul 5 angeschlossen ist. Diese Übertragung muss mit dem Schalt zustand des höher liegenden Umrichtermoduls 5 koordiniert werden, damit der in der Induktivität gespeicherte Strom nicht an dem oberen Kondensator vorbeifließt. Die Übertragungssteuerung 9, die mit den Ubertragungseinheiten 8 in Verbindung steht, steuert den zusätzlichen Energietransfer unabhängig vom über eventuelle Kreisströme statt findenden Energietransfer, jedoch abhängig vom Lastzustand und vom Schalt zustand der jeweiligen Umrichtermodule 5.
Der in Fig. 4 dargestellte Umrichter entspricht im Wesentlichen den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Umrichtern ohne Übertragungseinheiten 8 und ohne Ubertragungssteuerung 9.
Bei dem Umrichter gemäß Fig. 5 besteht die Lösung zu den Übertragungseinrichtungen 8 eines Armes 1, 2aus H-Brücken, die über einen Mittelfrequenz-Transformator miteinander verbunden sind. Durch die erhöhte Frequenz ist der Transformator gegenüber einem klassischen 50Hz Transformator deutlich kleiner. Diese Schaltung hat den Vorteil, dass sie auch resonant betrieben werden kann und die Halbleiter damit im Stromnulldurchgang verlustarm schalten. Alle H-Brücken eines Transformators sind miteinander über die Spannung synchronisiert. Falls die Isolationsspannung des Transformators nicht für alle Umrichtermodule 5 reicht oder der Transformator zu aufwändig würde, wird ein weiterer Transformator in Reihe geschaltet. Je nach Aus führungs form können Transformatoren mit mehr oder weniger Wicklungssystemen verwendet werden. Dieses Aus führungsbeispiel kann für j eden Arm 1 , 2 , 13 der Schaltung nach Fig . 2 und Fig . 7 angewendet werden, wobei sich die Übertragungseinrichtung 8 , welche an die Ausgleichseinheit 4 angeschlossen ist , von den anderen Übertragungseinrichtungen 8 des Armes etwas unterscheidet . Die Lösung ist damit für zweiphasige Systeme oder auch dreiphasige Systeme denkbar .
In Fig . 6 ist das Schaltbild eines dreiphasigen Cascaded Ji- Bridge Umrichters dargestellt . Pro Phase U, V, W ist ein Arm 13 mit einem Phasenanschluss 3 vorgesehen . Jeder Phasenanschluss 3 ist über den Arm 13 mit einer leitenden Verbindung 4 einheitlichen Potentials verbunden . Jeder Arm 13 einer Phase U, V, W ist mit einem Arm 13 j eder anderen Phase U, V, W über die leitende Verbindung 4 mit einheitlichem Potential verbunden . Die leitende Verbindung 4 ist in diesem Fall als Sternpunkt 14 ausgelegt . Jeder Arm 13 besteht in dieser Aus führung aus mehreren Umrichtermodulen 5 mit Kondensatoren K, die miteinander in Reihe geschaltet sind . Der Energietrans fer wird über eine Umrichtersteuerung 7 gesteuert .
In den Fig . 7 und 8 ist ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen dreiphasigen Cascaded H-Bridge Umrichters dargestellt , der sich in den folgenden Merkmalen vom herkömmlichen Umrichter unterscheidet .
In allen Armen 13 sind Spannungswandler als Übertragungseinheiten 8 vorgesehen, die einen zusätzlichen Energietrans fer zwischen einem Umrichtermodul 5 eines Armes 13 mit einem anderen Umrichtermodul 5 desselben Armes 13 zulässt . Eine Übertragungssteuerung 9 , die mit den Ubertragungseinheiten 8 in Verbindung steht , steuert den zusätzlichen Energietrans fer unabhängig vom Laststrom, j edoch abhängig von dem Lastzustand der j eweiligen Umrichtermodule 5 und wahlweise auch abhängig oder unabhängig von dem j eweiligen Schalt zustand . Pro Arm 13 einer Phase U, V, W steht das Umrichtermodul 5 , das an der leitenden Verbindung 4 , 14 angeschlossen ist , mit einer Ausgleichseinheit 10 in Verbindung, die einen Energietrans fer zwischen dem Arm 13 der einen Phase U, V, W und einem Arm 13 einer anderen Phase U, V, W zulässt . Insbesondere ist pro Arm 13 einer Phase U, V, W der Kondensator K des Umrichtermoduls 5 , das am weitesten vom Phasenanschluss 3 angeordnet ist , direkt an der leitenden Verbindung 4 angeschlossen und mit der Ausgleichseinheit 10 verbunden . Hierfür wurde die Topologie mit einem Umrichter im Sternpunkt erweitert . Es kann ein 2-Level Umrichter ( Fig . 7 ) oder j eder andere Umrichter mit wenigstens einem gemeinsamen zentralen Zwischenkreis verwendet werden, d . h . es sind beispielsweise 2-Level Umrichter, 3-Level-NPC Umrichter ( Fig . 8 ) , 3-Level-NPP Umrichter Nested Cell-NPP Umrichter oder Floating Capacitor Umrichter denkbar . Die Zwischenkreise der kaskadierten H-Brücken sind über die Ubertragungseinheiten 8 mit den Ausgleichseinheiten 10 an den Zwischenkreis des Umrichters im Sternpunkt angeschlossen .
Der in Fig . 9 dargestellte Umrichter entspricht im Wesentlichen dem in Fig . 7 dargestellten Umrichter ohne Ubertragungseinheiten 8 und ohne Ubertragungssteuerung 9 .
Fig . 10 zeigt ein Stromnetz 20 , eine Umrichtereinheit 21 sowie eine Drehstrommaschine 22 . Die Umrichtereinheit 21 umfasst im Wesentlichen einen Motorstromumrichter 23 einen Zwischenkreis 24 und einen Netzumrichter 25 . Zwischen der Umrichtereinheit 21 und dem Stromnetz kann optional ein Trafo 26 vorgesehen sein . Die Umrichtereinheit 21 und/oder die Drehstrommaschine 22 können von dem erfindungsgemäßen Umrichter Gebrauch machen .
Im Falle einer Netzeinspeisung bildet die Umrichtereinheit 21 und optional der Trafo 26 eine Einrichtung zum Einspeisen von Strom in das Stromnetz 20 . In diesem Fall wird die Drehstrommaschine 22 als Generator betrieben, der Strom erzeugt . Es kann auch vorgesehen sein, dass Strom aus dem Stromnetz 20 über die Umrichtereinheit 21 der als Elektromotor ausgeführten Drehstrommaschine 20 zugeführt wird .

Claims

Ansprüche : Umrichter für Wechselstromsysteme, insbesondere Drehstromsysteme, mit zwei oder mehr als zwei Phasen (U, V, W) , wobei pro Phase (U, V, W) ein Arm (13) oder zwei Arme (1, 2) mit in Reihe geschalteten Umrichtermodulen (5) und mit einem Phasenanschluss (3) vorgesehen ist oder sind und wobei jeder Arm (1, 2, 13) einer Phase (U, V, W) mit einem entsprechendem Arm (1, 2, 13) jeder anderen Phase (U, V, W) über eine leitende Verbindung (4) mit einheitlichem Potential verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass pro Arm (1, 2, 13) einer Phase (U, V, W) das Umrichtermodul (5) , das an der leitenden Verbindung (4) angeschlossen ist, mit einer Ausgleichseinheit (10) in Verbindung steht, die einen Energietransfer zwischen dem Arm (1, 2, 13) der einen Phase (U, V, W) und einem Arm (1, 2, 13) einer anderen Phase (U, V, W) zulässt. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Arm (1, 2, 13) einer Phase (U, V, W) das Umrichtermodul (5) , das am weitesten vom Phasenanschluss (3) entfernt angeordnet ist, mit der Ausgleichseinheit (10) in Verbindung steht. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtermodule (5) jeweils in Reihe geschaltet sind und dass in wenigstens einem Arm (1, 2, 13) , vorzugsweise in allen Armen (1, 2, 13) , wenigstens eine Übertragungseinheit (8) vorgesehen ist, die einen vom Laststrom unabhängigen Energietransfer zwischen einem Umrichtermodul (5) des Armes (1, 2, 13) mit wenigstens einem anderen Umrichtermodul (5) desselben Armes (1, 2, 13) zulässt, und dass insbesondere eine Übertragungssteuerung (9) vorgesehen ist, die den Energietransfer unabhängig vom Laststrom steuert. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Arm (1, 2, 13) , vorzugsweise in allen Armen (1, 2, 13) , in Reihe geschaltete Übertragungseinheiten (8) vorgesehen sind. Umrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Umrichtermodule (5) in wenigstens einem Arm (1, 2, 13) , vorzugsweise in allen Armen (1, 2, 13) , jeweils mit einer Übertragungseinheit (8) in Verbindung stehen. Umrichter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Übertragungseinheiten (8) als Spannungswandler ausgeführt sind. Umrichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungssteuerung (9) den zusätzlichen Energietransfer abhängig vom Schalt zustand und vom Lastzustand der verbundenen Umrichtermodule (5) steuert . Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass pro Phase (U, V, W) ein Arm (13) vorgesehen ist und dass die leitende Verbindung (4) ein Sternpunkt ist. Umrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichseinheit (10) ein Sternpunkt mit Umrichter ist, wobei der Umrichter insbesondere ein Umrichter mit wenigstens einem zentralen Zwischenkreis ist. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass pro Phase (U, V, W) ein negativer Arm (2) und ein positiver Arm (1) vorgesehen sind und dass die leitende Verbindung (4) zwischen den positiven Armen (1) der Phasen (U, V, W) ein gemeinsamer positiver Anschluss, insbesondere eine positive Sammel schiene, und die leitende 15
Verbindung (4) zwischen den negativen Armen (2) der Phasen (U, V, W) ein gemeinsamer negativer Anschluss, insbesondere eine negative Sammelschiene ist. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichseinheit (10) eine Parallelschaltung zwischen den jeweiligen Umrichtermodulen (5) zweier Phasen (U, V, W) ist, insbesondere eine Parallelschaltung von Zwischenkreiskondensatoren (K) der Umrichtermodule (5) zweier Phasen (U, V, W) . Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass pro Arm (1, 2, 13) einer Phase (U, V, W) der Kondensator (K) des Umrichtermoduls (5) , das am weitesten vom Phasenanschluss (3) entfernt angeordnet ist, direkt an der leitenden Verbindung (4) angeschlossen und mit einer Ausgleichseinheit (10) verbunden ist, die einen Energietransfer zwischen dem Arm (1, 2, 13) der einen Phase (U, V, W) und einem Arm (1, 2, 13) einer anderen Phase (U, V, W) zulässt. Verfahren zum Betreiben eines Umrichters für Wechselstromsysteme, insbesondere Drehstromsysteme, mit zwei oder mehr als zwei Phasen (U, V, W) , wobei pro Phase (U, V, W) ein Arm (13) oder zwei Arme (1, 2) mit in Reihe geschalteten Umrichtermodulen (5) und mit einem Phasenanschluss (3) vorgesehen ist oder sind und wobei jeder Arm (1, 2, 13) einer Phase (U, V, W) mit einem entsprechendem Arm (1, 2, 13) jeder anderen Phase (U, V, W) über eine leitende Verbindung (4) mit einheitlichem Potential verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Arm (1, 2, 13) wenigstens einer Phase (U, V, W) das Umrichtermodul (5) , das an der leitenden Verbindung (4) angeschlossen ist, Energie über eine Ausgleichseinheit (10) auf einen Arm (1, 2, 13) einer anderen Phase (U, V, 16
W) überträgt. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Arm (1, 2, 13) wenigstens einer Phase (U, V, W) der Kondensator (K) des Umrichtermoduls (5) , das am weitesten vom Phasenanschluss (3) entfernt angeordnet ist, direkt an der leitenden Verbindung (4) angeschlossen und mit einer Ausgleichseinheit (10) verbunden ist und Energie über die Ausgleichseinheit (10) auf einen Arm (1, 2, 13) einer anderen Phase (U, V, W) überträgt. Drehstrommaschine, insbesondere Elektromotor, oder Netzeinspeisung mit wenigstens einem Umrichter, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Umrichter nach einem der Patentansprüche 1 bis 12 ausgeführt ist.
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