WO2017059924A1 - Multilevelumrichter mit redundanzmodul - Google Patents

Multilevelumrichter mit redundanzmodul Download PDF

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WO2017059924A1
WO2017059924A1 PCT/EP2015/073369 EP2015073369W WO2017059924A1 WO 2017059924 A1 WO2017059924 A1 WO 2017059924A1 EP 2015073369 W EP2015073369 W EP 2015073369W WO 2017059924 A1 WO2017059924 A1 WO 2017059924A1
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redundancy
capacitor
multilevel converter
submodules
series
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PCT/EP2015/073369
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Hans-Joachim Knaak
Rodrigo Alonso Alvarez Valenzuela
Klemens Kahlen
Jörg LANG
Marco Schulze
Tobias WIENERS-REHRMANN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters

Definitions

  • the invention relates to a multilevel converter with a plurality of submodules connected in series, each having at least one capacitor and in
  • Discharge phases accommodate outward flow rank ⁇ ben and in charging phase current for charging the capacitor means of the capacitor.
  • Such a multilevel converter is known, for example, from the publication "An Alternative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range” (A. Lesnicar and R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.-26.
  • Multilevelumrichter is a so-called Marquardt converter arrangement, which comprises at least two parallel series circuits ge ⁇ switched.
  • Each of the parallel-connected series circuits each comprises at least two series-connected submodules, each comprising at least two switches and one capacitor.
  • the voltage level at the output of the multilevel converter can be set specifically.
  • the invention is based on the object, a
  • Multilevel converter solved with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the multilevel converter according to the invention are specified in subclaims.
  • Multilevel converter has at least one redundancy module, which in a normal operating mode of the multilevel converter is active and in a standby mode of the
  • Multilevelumrichters works as a submodule, and to the Redun ⁇ danzmodul or to the redundancy module having Re ⁇ dundanzmodul Glanscnies a switching device is connected in parallel, which is turned on in the normal operating mode and switched off in the substitute operating mode.
  • Multilevelumrichters is that in case of failure of one or - depending on the design - several active submodules another operation of the multilevel converter or at least a safe shutdown of
  • Multilevel converter is possible because failed submodules can be replaced by activating redundancy modules.
  • the activation of the redundancy module (s) may take place according to the invention by switching off a parallel switching device, ie reliably and quickly.
  • the redundancy module lying parallel or redundant modules in parallel are supplied with voltage, so that their capacitors can be charged and the redundant modules are operational.
  • Multilevel inverters are redundancy modules.
  • the at least two redundant modules are electrically switched ge ⁇ in series and form the above-mentioned redundancy module row scarf ⁇ processing. Overlooking minimal electrical losses in the on switch ⁇ th state, it is considered advantageous if the
  • Switching device has a mechanical switch.
  • the mechanical switch is in the normal operating mode of the The multilevel converter is switched on and switched off in the substitute operating mode of the multilevel converter.
  • the switching device preferably has a parallel circuit which comprises at least one mechanical switch and a semiconductor switch connected in parallel thereto.
  • the semiconductor switch is preferably switched off both in the normal operating mode of the multilevel converter and in the alternative operating mode of the multilevel converter.
  • the semicon ⁇ conductor switch is preferably used only for shorting the mechanical switch during the opening of the switch contacts of the mechanical switch to prevent the occurrence of a Lichtbo ⁇ gene or to shorten the occurrence of an arc.
  • a thyristor is preferably used. Particularly in the case that it is full bridge modules at the submodules and the redundant modules, it is considered advantageous if the switching means comprises a parallel circuit comprising at least a mechanical switch and two parallel thereto unidirectional switching semiconductor switch, said unidirektio ⁇ nal switching semiconductor switches are interconnected opposite polarity.
  • the switching means comprises a parallel ⁇ circuit comprising at least one mechanical scarf ⁇ ter and two connected in parallel with thyristors, the thyristors are connected with opposite polarity.
  • an impedance for example in the form of an ohmic resistance, is connected in series with the switching device, in particular with the semiconductor switch and / or with the mechanical switch.
  • Impedance can be used to limit the current as well as to intentionally cause a voltage drop, which co-determines or influences the charging of the capacitor (s) of the redundancy module (s).
  • the switch in series with the impedance preferably the semiconductor switch, is preferably not opened until the capacitor or capacitors of the submodule are sufficiently charged and the submodule is operable and capable of communication with a control device of the multilevel converter.
  • the invention also relates to an arrangement with a multilevel converter, as has been described above.
  • the arrangement or the multilevel converter itself preferably has a control device which is connected to the mentioned mechanical switch and the mentioned at least one semiconductor switch.
  • control device is designed such that it in the context of activation of the replacement operation of the Multilevelumrichters, before, during or after the off ⁇ switch of the mechanical switch, turns on the semiconductor switch, preferably by at a control input, in particular ignition input, the semiconductor switch or the semiconductor switch a periodic control signal, in particular a pulse comb applies.
  • the control means is preferably configured such that it can be turned on the semiconductor switch or a semiconductor switch or repeatedly, in particular by means of a periodic control signal turns on, until they insbesonde ⁇ re of the redundancy module, receives a signal that the amounts ⁇ off state of the mechanical switch signaled.
  • the control device is preferably the current through the monitor the mechanical switch and leave the semiconductor switch on until the current reaches or falls below a preset threshold.
  • the controller may be configured such that it makes the semiconductor switch or a semiconductor switch is turned on, or repeatedly, into ⁇ particular by means of a periodic control signal Power On ⁇ tet, and one for a fixed period of time after the mechanical switch or the application is switched off Switch-off command to the mechanical switch.
  • control device In order to avoid an over-voltage across the capacitor of the or of the redundant modules, and an overload and possibly destruction of the redundant modules, it will be advantageous angese ⁇ hen, when the control device is designed such that it switches on or turned on the semiconductor switch or the semiconductor switches when the voltage across a capacitor of the redundancy module reaches or exceeds a predetermined maximum voltage and / or the sum voltage of the voltages of the capacitors of the redundancy module series circuit reaches or exceeds a predetermined maximum sum voltage.
  • the redundancy module is or has a half-bridge module which, in addition to the capacitor, has two series-connected switching elements, to each of which a diode is connected in parallel, wherein the series connection of the switching elements and thus the series connection the diodes is parallel to the capacitor, the diodes are polarized such that at a positive polarity of a current flowing through the half-bridge module, the capacitor can be charged at ⁇ switched switching elements and at a negative polarity of a current flowing through the half-bridge current of the capacitor when turned off
  • Switching elements can not be loaded, and the control device is designed such that it is the replacement operation of the multilevel converter and the mechanical
  • the redundancy modules are preferably connected directly or as directly as possible to AC voltage connections of the multilevel converter. It is insbeson ⁇ particular advantageous if more submodules between the DC voltage terminals of the Multilevelumrichters and the one or more redundancy modules are within series circuits containing the submodules and the redundant modules, as between the alternating-voltage terminals and the one or more redundancy modules.
  • the electrical energy for generating control or ignition signals for switching on the semiconductor switch and for switching off ⁇ the mechanical switch, for example for He ⁇ testify said Pulskamms, preferably removes the control device of the capacitors or the intermediate circuits of other submodules.
  • the invention also relates to a method for operating a multilevel converter, which has a plurality of submodules connected in series, each having at least one capacitor and deliver in discharge phases by means of the capacitor current to the outside and record in charging phases current for charging the capacitor.
  • the Multilevelumrichter is operated in a normal operating mode, as long as the sub-modules, or a predetermined number of sub-modules is jossfä ⁇ hig, and if one of the sub-modules or sub ⁇ the predetermined number of operational submodules exceed at least one redundancy module activates is, by a switching device which is electrically connected in parallel to the redundancy module or one of the redundancy module having redundancy module series circuit, is switched from its normal in ⁇ operating mode switched state to its off state.
  • Submodule capacitors are charged so that the submodule's own sub-module power supply can ramp up, and then kept charged until the controller of the submodule
  • the redundancy modules can be used like normal submodules for voltage formation. Before the transition to normal operation, it is possible to test the newly commissioned submodules (previously redundancy modules).
  • the switching direction in particular its semiconductor switch (preferably thyristor) can serve as protection during this test phase.
  • Figure 1 shows an embodiment of a three-phase
  • Multilevel converter equipped with a plurality of submodule devices, each having a plurality of submodules, and a plurality of redundancy devices, each having a plurality of redundancy modules,
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a submodule device which, in the multilevel converter according to FIG.
  • Figure 3 shows an embodiment of a Redundanzein ⁇ direction, which can be used in the Multilevelumrichter according to Figure 1, wherein the redundancy device submodules in the form of half-bridge modules,
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a submodule device that can be used in the multilevel converter according to FIG. 1, the submodule device having submodules in the form of full bridge modules, FIG.
  • FIG. 5 shows an exemplary example of a Redundanzein ⁇ device which can be used in the Multilevelumrichter according to FIG 1, wherein the redundancy danz raised submodules in the form of a full bridge modules comprising
  • FIG. 6 shows, by way of example, the time profile of a control signal which is suitable for repeated ignition of semiconductor switches of the redundancy devices according to FIGS. 3 and 5,
  • redundancy ⁇ direction which can be used in the Multilevelumrichter according to Figure 1, wherein an impedance is connected in series with a semiconductor switch of the redundancy device, and an embodiment of a Redundanzein ⁇ direction, which are used in the Multilevelumrichter according to FIG can, wherein in parallel with the semiconductor switches of the redundancy device in each case an impedance is connected in series.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a three-phase multilevel converter 5.
  • This includes AC voltage terminals W5 for feeding or exiting alternating ⁇ current and two DC voltage terminals G5a and G5b, where a DC or a variable-time DC power is fed or removed.
  • the direction of the energy flow and the time profile of the output voltage, whether at the AC voltage terminals W5 or the DC voltage terminals G5a and G5b, depends on the driving of submodule devices SME, which are connected in series in series circuits R1, R2 and R3. Such a control can be taken over by a central control device ZSE.
  • Each of the three series circuits Rl, R2 and R3 is in the embodiment of Figure 1 each with eight in series switched sub-module devices SME and two inductors L equipped. Between each of the two inductors L there is an intermediate connection Za, which lies in terms of potential between the four submodules SME in FIG. 1 and the four submodules SME in FIG. 1 and forms one of the three AC voltage connections W5 of the multilevel converter 5.
  • Multilevel converter 5 according to FIG. 1, a submodule device group SG which lies electrically between one of the intermediate connections Z and one of the DC voltage connections.
  • each of the Submodul bootss succession SG preferably at least one switching device T is present, which is connected in parallel to one of the submodule devices SME and makes them a redundancy RE: If the respective switching device T is turned on, the parallel submodule device SME is short-circuited and thereby deactivated. If the respective switching device T ⁇ turned off, so the parallel lying Submodul immunity SME is activated so that this, like the other be ⁇ -sensitive in operation Submodul respondeden SME operates. The respective switching state of the switching device T ⁇ decision is thus made on the operating state of the parallel sub ⁇ module means SME or whether it is enabled and works as a normal Submodul pain or not.
  • the already mentioned central control device ZSE is used in
  • the redundancy ⁇ equipment RE within the series circuits Rl to R3 in the embodiment according to figure 1 are possible liehst directly or directly connected to the alternating-voltage terminals of the W5
  • Multilevel converter 5 connected. It is in particular ⁇ sondere advantageous if RE are within the series circuits Rl to R3 more Submodul drivenen SME between the DC terminals and G5a G5b and the redundancy device as between the alternating-voltage terminals W5 and the redundancy device RE.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a submodule device SME that can be used in the multilevel converter 5 according to FIG.
  • the Submodul pain SME may comprise a single sub-module 10 or - as in the embodiment according to FIG 2 - a plurality of Submodu ⁇ len 10, which are connected in series.
  • the sub-modules 10 of Figure 2 is so-called half-bridge ⁇ modules, each comprising two switching elements 11, which may be each formed by a switching Halbleiterkompo ⁇ component, such as a transistor or the like.
  • To each of the switching elements 11 ne 12 is connected in parallel. Parallel to the series scarf ⁇ tion of the switching elements 11 and the diodes 12 is a capacitor thirteenth
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a redundancy device RE that can be used in the multilevel converter 5 according to FIG.
  • the redundancy device RE may comprise a single redundancy module 20 or - as in the embodiment according to Figure 3 - a plurality of Redun ⁇ danzmodulen 20 connected in series and form a Redundanzmo ⁇ dul Glansciens 21st
  • the redundancy modules 20 according to FIG. 3 may be half-bridge modules, as have been described in connection with FIG.
  • the redundancy modules 20 may be modules that are identical to the submodules 10 of the submodule device SME according to FIG. 2;
  • the half-bridge modules or the redundancy modules according to FIG. 3 reference should therefore be made to the above explanations.
  • a switching device 100 is switched, which is switched on in the normal operating mode of the Multilevelumrichters 5 and switched off in intentionallybe ⁇ operating mode of the Multilevelumrichter 5.
  • the switching device 100 has a parallel circuit which comprises at least one mechanical switch 110 and a semiconductor switch 120 connected in parallel thereto.
  • the semiconductor switch 120 is preferably a Thyris ⁇ tor.
  • the already mentioned central control device ZSE or one of the redundancy device RE assigned and this controlling another, local (preferably the central control device ZSE subordinate) control device LSE is preferably ⁇ designed such that they in the context of activation of the replacement operation of the Multilevelumrichters 5, ie before, during or after switching off the mechanical switch 110, to a control input E120, in particular ignition input, of the semiconductor switch 120 a periodic control signal ST, preferably a Pulskamm as in Figure 6 by way of example Darge ⁇ represents, applies.
  • the electrical energy for generating the control or ignition signal ST, for example, of the pulse comb according to FIG 6, ent ⁇ the controller ZSE or LSE preferably increases from the capacitors or the intermediate circuits of other sub-modules 10 of Figure 2 or other Submodul raiseden SME according to FIG 1.
  • an electrically directly adjacent ie directly connected to
  • Submodule 10 is used.
  • sub-modules 10 for energy extraction for the purpose of generating the control or Zündsig ⁇ Nals, for example, of the pulse comb according to Figure 6 are to be herangezo ⁇ gene so accordingly preferably also electrically adjacent or possible lying on similar potentials submodules chosen for reasons of redundancy.
  • the control device ZSE or LSE will preferably leave the semiconductor switch 120 switched on or repeatedly, in particular by means of the periodic control signal ST according to FIG. 6, until the mechanical switch 110 is completely switched off and deionized and the current passed through it falls below a predetermined threshold.
  • the controller ZSE or LSE will monitor for this purpose, the current through the mechanical switch 110 is preferably by means of a not shown in the figures, the current sensor via ⁇ .
  • the control device ZSE or LSE the semiconductor switch 120 for a fixed predetermined period of time, which begins with the switching off of the mechanical switch 110 or with the generation or application of a corresponding turn-off, turned on, or repeated, in particular by means of periodic control signal according to Figure 6, turns on.
  • control device ZSE or LSE is configured such that it switches the semiconductor switch 120 on again at a later time or can be switched on, provided that the voltage across the individual capacitors of the redundancy modules 20 reaches or exceeds a predetermined maximum voltage ⁇ and / or the sum voltage of the voltages of the capacitors of the redundancy module series circuit 21 reaches or exceeds a predetermined maximum sum voltage.
  • the outer terminals of the redundancy RE which are used to form the series circuit Rl, R2, and R3 are designated by the reference characters AI and A2 (see also Figure 1).
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a submodule device SME which can be used in the multilevel converter 5 according to FIG.
  • the submodule device SME may comprise a single submodule 40 or, as in the exemplary embodiment according to FIG. 4, a multiplicity of submodules 40 which are connected in series.
  • full-bridge modules each of which includes four switching elements 41, which overall forms can be in each case by a switching Halbleiterkompo ⁇ component, such as a transistor or the like.
  • a diode 42 is connected in parallel in each case.
  • the switching elements are connected in pairs in series.
  • Parallel to the series scarf ⁇ lines is a capacitor 43.
  • the outer terminals of the submodule device SME, which are used to form the series circuit Rl, R2, and R3, respectively, are identified by the reference symbols A1 and A2 (see also FIG. 1).
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a redundancy device RE which can be used in the multilevel converter 5 according to FIG.
  • the Redundanzeinrich- tung RE may comprise a single redundancy module 50 or - as in the embodiment according to Figure 5 - a plurality of redundancy modules 50 connected in series and form a Re ⁇ dundanzmodul Herbertnsciens 51st
  • the redundancy modules 50 according to FIG. 5 may be full-bridge modules, as have been described in connection with FIG. 4; With regard to the structure of the full bridge modules or the redundancy modules 50 according to FIG. 5, reference should therefore be made to the above explanations.
  • a switching device 500 is connected in parallel, which is turned on in Normalbe ⁇ operating mode of the Multilevelumrichters 5 and is turned off in the replacement mode of operation Multilevelumrichters. 5
  • the switch means 500 comprises in the embodiment according to FIG 5 to a parallel circuit comprising at least egg ⁇ NEN mechanical switch 110 and switched in parallel to two ended semiconductor switch 120th
  • the semiconductor switches 120 are preferably thyristors, which are connected in parallel or opposite polarity.
  • the above-mentioned central controller ZSE or one of the redundancy device RE assigned to other, local STEU ⁇ er worn LSE is preferably designed such that they in connection with the activation of the replacement operation of the Multilevelumrichters 5, before then, during or after the off ⁇ switch of the mechanical switch 110, to the control inputs of the semiconductor switches 120 E120 periodic control signals ST, preferably combs pulse is shown by way of example in Figure 6, applies.
  • the electrical energy for generating the control and ignition ⁇ signals takes the control device ZSE or LSE preferably capacitors of the intermediate circuits con- or the other sub-modules 10 or 40 according to Figure 2 or 4 or other Submodule devices SME according to FIG. 1.
  • the electrical energy for generating the control or ignition signals or the pulse combs according to FIG or intermediate circuit of a submodule 10 is removed, which is as close as possible electrically and at a similar potential, at least not to ⁇ different potential as the semiconductor switch 120 is located. It is particularly advantageous if an electrically directly adjacent (ie, directly connected to the semiconductor switches 120) submodule 10 is used.
  • control device ZSE or LSE will preferably leave the semiconductor scarf ter ⁇ ter 120 turned on or repeatedly, in particular by means of the periodic control signal ST according to Figure 6, turn on until the mechanical switch 110 is turned off and the current passed through it falls below a predetermined threshold ne.
  • the control device ZSE or LSE will monitor the current through the mechanical switch 110, preferably by means of a current sensor, not shown in the figures.
  • control device ZSE or LSE the semiconductor switches for a fixed period of time after the mechanical switch 110 or the generation or application of a corresponding disconnection command to the power off with 120 turned on, or as derholt ⁇ , in particular by means of the periodic Control signal ST according to Figure 6, turns on. It is also advantageous if the control device ZSE or LSE is configured such that it switches the semiconductor switch 120 on again at a later time or leaves it on, provided that the voltage across the individual capacitors of the redundancy modules 50 reaches or exceeds a predetermined maximum voltage and / or or the sum voltage of the voltages of the capacitors of the redundancy module series circuit 51 reaches or exceeds a predetermined sum maximum voltage.
  • 6 shows an exemplary embodiment of the amplitudes ⁇ running a control signal ST, which constitutes a pulse sequence or a pulse comb, over the time t.
  • the control signal ST is suitable for repeated or periodic switching on of the semiconductor switches 120 according to FIGS. 3 and 5.
  • FIGS. 7 and 8 show further exemplary embodiments of redundancy devices RE which can be used in the multilevel converter 5 according to FIG.
  • an impedance Z is in each case connected in series with the semiconductor switches 120.
  • the impedance Z can serve to intentionally cause a voltage drop, which in turn causes the charging of the capacitors of the redundancy mode. specifically influenced.
  • the semiconductor switch lying with the Impe ⁇ impedance Z in series is opened only 120 in this case are when the capacitors of the Redundanzmo ⁇ modules sufficiently, so charged, for example, to a predetermined minimum voltage and the redundant modules are be ⁇ drive capable.
  • the impedance Z is preferably an ohmic resistor, an inductor or a combination of an inductor and a resistor, ⁇ example, in the form of a series or parallel connection.
  • the impedance Z may, for example, be one in which the real part is at least 10 times larger in magnitude than the imaginary part.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf einen Multilevelumrichter (5) mit einer Mehrzahl an in Reihe geschalteten Submodulen (10, 40), die jeweils zumindest einen Kondensator (13, 43) aufweisen und in Entladephasen mittels des Kondensators (13, 43) Strom nach außen abgeben und in Ladephasen Strom zum Aufladen des Kondensators (13, 43) aufnehmen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Multilevelumrichter (5) mindestens ein Redundanzmodul (20, 50) aufweist, das in einem Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters (5) inaktiv ist und in einem Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters (5) als Submodul (10, 40) arbeitet, und zu dem Redundanzmodul (20, 50) oder zu einer das Redundanzmodul (20, 50) aufweisenden Redundanzmodulreihenschaltung (21, 51) eine Schalteinrichtung (100, 500) parallel geschaltet ist, die im Normalbetriebsmodus eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus ausgeschaltet ist.

Description

Beschreibung
Multilevelumrichter mit Redundanzmodul Die Erfindung bezieht sich auf einen Multilevelumrichter mit einer Mehrzahl an in Reihe geschalteten Submodulen, die jeweils zumindest einen Kondensator aufweisen und in
Entladephasen mittels des Kondensators Strom nach außen abge¬ ben und in Ladephasen Strom zum Aufladen des Kondensators aufnehmen.
Ein derartiger Multilevelumrichter ist beispielsweise aus der Druckschrift "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range" (A. Lesnicar und R. Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, 23.-26.
Juni 2003, Bologna, Italien) bekannt. Bei diesem vorbekannten Multilevelumrichter handelt es sich um eine sogenannte Marquardt-Umrichteranordnung, die zumindest zwei parallel ge¬ schaltete Reihenschaltungen umfasst. Jede der parallel ge- schalteten Reihenschaltungen umfasst jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Submodule, die jeweils mindestens zwei Schalter und einen Kondensator umfassen. Durch eine geeignete Ansteuerung der Schalter lässt sich das Spannungsniveau am Ausgang des Multilevelumrichters gezielt einstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Multilevelumrichter anzugeben, bei dem im Falle eines Ausfalls von Submodulen ein weiterer sicherer Betrieb zumindest für eine gewisse weitere Zeitdauer möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Multilevelumrichter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Multilevelumrichters sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der
Multilevelumrichter mindestens ein Redundanzmodul aufweist, das in einem Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters in- aktiv ist und in einem Ersatzbetriebsmodus des
Multilevelumrichters als Submodul arbeitet, und zu dem Redun¬ danzmodul oder zu einer das Redundanzmodul aufweisenden Re¬ dundanzmodulreihenschaltung eine Schalteinrichtung parallel geschaltet ist, die im Normalbetriebsmodus eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus ausgeschaltet ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Multilevelumrichters besteht darin, dass im Falle eines Aus- falls eines oder - je nach Ausgestaltung - mehrerer aktiver Submodule ein weiterer Betrieb des Multilevelumrichters oder zumindest ein sicheres Herunterfahren des
Multilevelumrichters möglich ist, da ausgefallene Submodule durch Aktivieren von Redundanzmodulen ersetzt werden können. Das Aktivieren des oder der Redundanzmodule kann erfindungs¬ gemäß durch ein Ausschalten einer parallelen Schalteinrichtung, also zuverlässig und schnell, erfolgen. Durch das Aus¬ schalten der Schalteinrichtung wird das parallel liegende Redundanzmodul bzw. werden die parallel liegenden Redundanzmo- dule mit Spannung beaufschlagt, so dass ihre Kondensatoren geladen werden können und die Redundanzmodule betriebsbereit werden .
Die Redundanzmodule für den Ersatzbetriebsmodus und die im Normalbetriebsmodus bereits aktiven Submodule sind vorzugs¬ weise baugleich bzw. identisch.
Mit Blick auf eine ausreichende Redundanz wird es als vor¬ teilhaft angesehen, wenn mindestens zwei Submodule des
Multilevelumrichters Redundanzmodule sind. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Redundanzmodule elektrisch in Reihe ge¬ schaltet und bilden die erwähnte Redundanzmodulreihenschal¬ tung . Mit Blick auf minimale elektrische Verluste im eingeschalte¬ ten Zustand wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die
Schalteinrichtung einen mechanischen Schalter aufweist. Der mechanische Schalter ist im Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters ausgeschaltet.
Die Schalteinrichtung weist bevorzugt eine Parallelschaltung auf, die mindestens einen mechanischen Schalter und einen dazu parallel geschalteten Halbleiterschalter umfasst.
Der Halbleiterschalter ist bevorzugt sowohl im Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters als auch im Ersatzbe- triebsmodus des Multilevelumrichters ausgeschaltet. Der Halb¬ leiterschalter dient vorzugsweise nur zum Kurzschließen des mechanischen Schalters während des Öffnens der Schaltkontakte des mechanischen Schalters, um das Auftreten eines Lichtbo¬ gens zu verhindern bzw. das Auftreten eines Lichtbogens zu verkürzen.
Als Halbleiterschalter wird vorzugsweise ein Thyristor eingesetzt . Insbesondere für den Fall, dass es sich bei den Submodulen und den Redundanzmodulen um Vollbrückenmodule handelt, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Schalteinrichtung eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter und zwei dazu parallel geschaltete unidirektional schaltende Halbleiterschalter umfasst, wobei die unidirektio¬ nal schaltenden Halbleiterschalter gegenpolig verschaltet sind .
Im Falle der letztgenannten Ausführungsvariante ist es beson- ders vorteilhaft, wenn die Schalteinrichtung eine Parallel¬ schaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schal¬ ter und zwei dazu parallel geschaltete Thyristoren umfasst, wobei die Thyristoren gegenpolig verschaltet sind. Im Übrigen ist es vorteilhaft, wenn zu der Schalteinrichtung, insbesondere zu dem Halbleiterschalter und/oder zu dem mechanischen Schalter, eine Impedanz, beispielsweise in Form eines ohmschen Widerstandes, in Reihe geschaltet ist. Eine solche Impedanz kann zur Strombegrenzung sowie dazu dienen, gezielt einen Spannungsabfall hervorzurufen, der das Aufladen des oder der Kondensatoren des bzw. der Redundanzmodule mitbestimmt bzw. beeinflusst.
Bei der letztgenannten Ausführungsform wird der mit der Impedanz in Reihe liegende Schalter - dies ist bevorzugt der Halbleiterschalter - vorzugsweise erst geöffnet, wenn der oder die Kondensatoren des Submoduls ausreichend geladen sind und das Submodul betriebsfähig und mit einer Steuereinrichtung des Multilevelumrichters kommunikationsfähig ist.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung mit einem Multilevelumrichter, wie er oben beschrieben worden ist.
Die Anordnung oder der Multilevelumrichter selbst weist vorzugsweise eine Steuereinrichtung auf, die mit dem erwähnten mechanischen Schalter und dem erwähnten zumindest einen Halb- leiterschalter in Verbindung steht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie im Rahmen der Aktivierung des Ersatzbetriebs des Multilevelumrichters, also vor, während oder nach dem Aus¬ schalten des mechanischen Schalters, den Halbleiterschalter einschaltet, vorzugsweise, indem sie an einen Steuereingang, insbesondere Zündeingang, des Halbleiterschalters oder der Halbleiterschalter ein periodisches Steuersignal, insbesonde- re einen Pulskamm, anlegt.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung derart ausgestaltet, dass sie den Halbleiterschalter oder die Halbleiterschalter eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbesondere mittels eines periodischen Steuersignals, einschaltet, bis sie, insbesonde¬ re von dem Redundanzmodul, ein Signal erhält, das den ausge¬ schalteten Zustand des mechanischen Schalters signalisiert. Die Steuereinrichtung wird vorzugsweise den Strom durch den mechanischen Schalter überwachen und den Halbleiterschalter eingeschaltet lassen, bis der Strom eine vorgegebene Schwelle erreicht oder unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie den Halbleiterschalter oder die Halbleiterschalter eingeschaltet lässt oder wiederholt, ins¬ besondere mittels eines periodischen Steuersignals einschal¬ tet, und zwar für eine fest vorgegebene Zeitspanne nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters oder dem Anlegen eines Ausschaltbefehls an den mechanischen Schalter.
Um eine Überspannung an dem Kondensator des oder der Redundanzmodule und eine Überlastung und ggf. Zerstörung der Re- dundanzmodule zu vermeiden, wird es als vorteilhaft angese¬ hen, wenn die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter oder die Halbleiterschalter einschaltet oder eingeschaltet lässt, wenn die Spannung an einem Kondensator des Redundanzmoduls eine vorgegebene Maximalspan- nung erreicht oder überschreitet und/oder die Summenspannung der Spannungen der Kondensatoren der Redundanzmodulreihenschaltung eine vorgegebene Summenmaximalspannung erreicht oder überschreitet. Bei einer bevorzugten speziellen Ausgestaltung der Anordnung ist vorgesehen, dass das Redundanzmodul ein Halbbrückenmodul ist oder aufweist, das zusätzlich zu dem Kondensator zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente, zu denen jeweils eine Diode parallel geschaltet ist, aufweist, wobei die Reihenschaltung der Schaltelemente und damit die Reihenschaltung der Dioden parallel zu dem Kondensator liegt, die Dioden derart gepolt sind, dass bei einer positiven Polarität eines durch das Halbbrückenmodul fließenden Stromes der Kondensator bei aus¬ geschalteten Schaltelementen geladen werden kann und bei ei- ner negativen Polarität eines durch das Halbbrückenmodul fließenden Stromes der Kondensator bei ausgeschalteten
Schaltelementen nicht geladen werden kann, und die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie den Ersatzbetrieb des Multilevelumrichters aktiviert und den mechanischen
Schalter ausschaltet, wenn der Strom durch das Halbbrückenmo¬ dul die negative Polarität aufweist oder seinen Nulldurchgang in Richtung negativer Polarität durchführt.
Bezüglich der Anordnung der Redundanzmodule wird es mit Blick auf die Verteilung der elektrischen Potentiale innerhalb des Multilevelumrichters als vorteilhaft angesehen, wenn die Re¬ dundanzmodule auf einem möglichst geringen Gleichspannungsni- veau liegen. Vorzugsweise sind die Redundanzmodule direkt oder möglichst direkt mit Wechselspannungsanschlüssen des Multilevelumrichters verbunden. Vorteilhaft ist es insbeson¬ dere, wenn innerhalb von Reihenschaltungen, die die Submodule und die Redundanzmodule enthalten, mehr Submodule zwischen den Gleichspannungsanschlüssen des Multilevelumrichters und dem oder den Redundanzmodulen liegen als zwischen den Wechselspannungsanschlüssen und dem oder den Redundanzmodulen.
Die elektrische Energie zum Erzeugen von Steuer- oder Zünd- Signalen zum Einschalten des Halbleiterschalters und zum Aus¬ schalten des mechanischen Schalters, beispielsweise zum Er¬ zeugen des erwähnten Pulskamms, entnimmt die Steuereinrichtung vorzugsweise von den Kondensatoren bzw. den Zwischenkreisen anderer Submodule.
Besonders vorteilhaft ist es mit Blick auf die elektrische Potentialverteilung, wenn die elektrische Energie zum Erzeu¬ gen von Steuer- bzw. Zündsignalen (ausschließlich oder zumindest auch) von einem Kondensator bzw. Zwischenkreis eines Submoduls entnommen wird, das elektrisch möglichst benachbart ist und auf ähnlichem Potential, zumindest nicht zu unter¬ schiedlichem Potential, wie die auszulösende Schalteinrich¬ tung liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein elektrisch unmittelbar benachbartes (also mit dieser Schalteinrichtung unmittelbar verbundenes) Submodul zur Energieentnahme heran¬ gezogen wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betreiben eines Multilevelumrichters , der eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten Submodulen aufweist, die jeweils zumindest einen Kondensator aufweisen und in Entladephasen mittels des Kondensators Strom nach außen abgeben und in Ladephasen Strom zum Aufladen des Kondensators aufnehmen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Multilevelumrichter in einem Normalbetriebsmodus betrieben wird, solange die Sub- module oder eine vorgegebene Anzahl an Submodulen betriebsfä¬ hig ist, und bei Ausfall eines der Submodule oder bei Unter¬ schreiten der vorgegebenen Anzahl an betriebsfähigen Submodulen mindestens ein Redundanzmodul aktiviert wird, indem eine Schalteinrichtung, die elektrisch zum Redundanzmodul oder ei- ner das Redundanzmodul aufweisenden Redundanzmodulreihenschaltung parallel geschaltet ist, von ihrem im Normalbe¬ triebsmodus eingeschalteten Zustand in ihren ausgeschalteten Zustand geschaltet wird.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Multilevelumrichter und der erfindungsgemäßen Anordnung verwiesen. Vorzugsweise werden nach dem Öffnen der Schalteinrichtung bei den parallel liegenden Redundanzmodulen zunächst die
Submodul-Kondensatoren geladen, damit die submoduleigene Stromversorgung der Submodule hochlaufen kann, und dann geladen gehalten, bis die Steuereinrichtung des
Multilevelumrichters oder eine submoduleigene Steuerung die
Regelung der Kondensatorspannungen der Submodul-Kondensatoren übernimmt .
Danach können die Redundanzmodule wie normale Submodule zur Spannungsbildung herangezogen werden. Vor dem Übergang in de Normalbetrieb ist es möglich, die neu in Betrieb genommenen Submodule (vorher Redundanzmodule) zu testen. Die Schaltein- richtung, insbesondere deren Halbleiterschalter (vorzugsweise Thyristor) kann während dieser Testphase als Schutz dienen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für einen dreiphasigen
Multilevelumrichter, der mit einer Vielzahl an Submoduleinrichtungen, die jeweils mehrere Submo- dule aufweisen, sowie einer Mehrzahl an Redundanzeinrichtungen, die jeweils mehrere Redundanzmodule aufweisen, ausgestattet ist,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Submoduleinrich- tung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß Figur
1 eingesetzt werden kann, wobei die Submodulein- richtung Submodule in Form von Halbbrückenmodulen aufweist, Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzein¬ richtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann, wobei die Redundanzeinrichtung Submodule in Form von Halbbrückenmodulen aufweist,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Submoduleinrich- tung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann, wobei die Submodulein- richtung Submodule in Form von Vollbrückenmodulen aufweist,
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzein¬ richtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann, wobei die Redun- danzeinrichtung Submodule in Form von Vollbrückenmodulen aufweist, Figur 6 beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines Steuer¬ signals, das zum wiederholten Zünden von Halbleiterschaltern der Redundanzeinrichtungen gemäß den Figuren 3 und 5 geeignet ist,
ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzein¬ richtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann, wobei zu einem Halbleiterschalter der Redundanzeinrichtung eine Impedanz in Reihe geschaltet ist, und ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanzein¬ richtung, die bei dem Multilevelumrichter gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann, wobei zu parallel geschalteten Halbleiterschaltern der Redundanzeinrichtung jeweils eine Impedanz in Reihe geschaltet ist.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .
In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für einen dreipha- sigen Multilevelumrichter 5 gezeigt. Dieser umfasst Wechselspannungsanschlüsse W5 zum Ein- oder Ausspeisen von Wechsel¬ strom sowie zwei Gleichspannungsanschlüsse G5a und G5b, an denen ein Gleichstrom oder ein zeitlich variabler Gleichstrom eingespeist oder entnommen werden. Die Richtung des Energie- flusses und der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung, sei es an den Wechselspannungsanschlüssen W5 oder den Gleichspannungsanschlüssen G5a und G5b, hängt von der Ansteuerung von Submoduleinrichtungen SME ab, die in Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 in Reihe geschaltet sind. Eine solche Ansteuerung kann von einer zentralen Steuereinrichtung ZSE übernommen werden.
Jede der drei Reihenschaltungen Rl, R2 und R3 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 jeweils mit acht in Reihe geschalteten Submoduleinrichtungen SME sowie zwei Induktivitäten L ausgestattet. Jeweils zwischen den zwei Induktivitäten L befindet sich ein Zwischenanschluss Za, der potentialmäßig zwischen den in der Figur 1 oberen vier Submo- duleinrichtungen SME und den in Figur 1 unteren vier Submoduleinrichtungen SME liegt und einen der drei Wechselspannungsanschlüsse W5 des Multilevelumrichters 5 bildet.
Jeweils vier Submoduleinrichtungen SME bilden bei dem
Multilevelumrichter 5 gemäß Figur 1 eine Submoduleinrich- tungsgruppe SG, die elektrisch zwischen einem der Zwischenanschlüsse Z und einem der Gleichspannungsanschlüsse liegt.
Bei jeder der Submoduleinrichtungsgruppen SG ist vorzugsweise wenigstens eine Schalteinrichtung T vorhanden, die zu einer der Submoduleinrichtungen SME parallel geschaltet ist und diese zu einer Redundanzeinrichtung RE macht: Ist die jeweilige Schalteinrichtung T eingeschaltet, so wird die parallel liegende Submoduleinrichtung SME kurzgeschlossen und dadurch deaktiviert. Ist die jeweilige Schalteinrichtung T ausge¬ schaltet, so wird die parallel liegende Submoduleinrichtung SME aktiviert, so dass diese wie die anderen im Betrieb be¬ findlichen Submoduleinrichtungen SME arbeitet. Der jeweilige Schaltzustand der Schalteinrichtung T entschei¬ det also über den Betriebszustand der parallel liegenden Sub¬ moduleinrichtung SME bzw. darüber, ob diese aktiviert ist und als normale Submoduleinrichtung arbeitet oder nicht. Die bereits erwähnte zentrale Steuereinrichtung ZSE wird im
Normalbetriebsmodus die Arbeitsweise der im Betrieb befindli¬ chen Submoduleinrichtungen SME überwachen. Stellt sie dabei fest, dass einige oder mehrere der aktiv betriebenen Submo¬ duleinrichtungen SME oder deren Submodule ausgefallen sind, wird sie bei der jeweiligen Submoduleinrichtungsgruppe SG die Redundanzeinrichtung RE unmittelbar oder unter Einbezug einer anderen lokalen Steuereinrichtung aktivieren, so dass diese vollständig oder (im Falle von Submoduleinrichtungen mit meh- reren Submodulen) nur zum Teil ausgefallene Submoduleinrich- tungen SME ersetzen kann.
Bezüglich der Anordnung der Redundanzeinrichtungen RE inner- halb der Reihenschaltungen Rl bis R3 wird es als vorteilhaft angesehen, wenn diese auf einem möglichst geringen Gleichspannungsniveau liegen. Aus diesem Grunde sind die Redundanz¬ einrichtungen RE innerhalb der Reihenschaltungen Rl bis R3 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 direkt oder mög- liehst direkt mit den Wechselspannungsanschlüssen W5 des
Multilevelumrichters 5 verbunden. Vorteilhaft ist es insbe¬ sondere, wenn innerhalb der Reihenschaltungen Rl bis R3 mehr Submoduleinrichtungen SME zwischen den Gleichspannungsanschlüssen G5a bzw. G5b und der Redundanzeinrichtung RE liegen als zwischen den Wechselspannungsanschlüssen W5 und der Redundanzeinrichtung RE .
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Submodul- einrichtung SME, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß Fi- gur 1 eingesetzt werden kann. Die Submoduleinrichtung SME kann ein einziges Submodul 10 umfassen oder - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 - eine Vielzahl an Submodu¬ len 10, die in Reihe geschaltet sind. Bei den Submodulen 10 gemäß Figur 2 handelt es sich um soge¬ nannte Halbbrückenmodule, die jeweils zwei Schaltelemente 11 umfassen, die jeweils durch eine schaltende Halbleiterkompo¬ nente, beispielsweise einen Transistor oder dergleichen, gebildet sein können. Zu den Schaltelementen 11 ist jeweils ei- ne Diode 12 parallel geschaltet. Parallel zu der Reihenschal¬ tung der Schaltelemente 11 und der Dioden 12 liegt ein Kondensator 13.
Die äußeren Anschlüsse der Submoduleinrichtung SME, die zur Bildung der Reihenschaltung Rl, R2, bzw. R3 herangezogen werden, sind mit den Bezugszeichen AI und A2 gekennzeichnet (siehe auch Figur 1) . Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Redundanz¬ einrichtung RE, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Die Redundanzeinrichtung RE kann ein einziges Redundanzmodul 20 umfassen oder - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 - eine Vielzahl an Redun¬ danzmodulen 20, die in Reihe geschaltet und eine Redundanzmo¬ dulreihenschaltung 21 bilden.
Bei den Redundanzmodulen 20 gemäß Figur 3 kann es sich um Halbbrückenmodule handeln, wie sie im Zusammenhang mit der Figur 2 beschrieben worden sind. Mit anderen Worten kann es sich bei den Redundanzmodulen 20 um Module handeln, die mit den Submodulen 10 der Submoduleinrichtung SME gemäß Figur 2 identisch sind; bezüglich des Aufbaus der Halbbrückenmodule bzw. der Redundanzmodule gemäß Figur 3 sei deshalb auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Parallel zu der Redundanzmodulreihenschaltung 21 ist eine Schalteinrichtung 100 geschaltet, die im Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters 5 eingeschaltet und im Ersatzbe¬ triebsmodus des Multilevelumrichter 5 ausgeschaltet ist.
Die Schalteinrichtung 100 weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 eine Parallelschaltung auf, die mindestens ei- nen mechanischen Schalter 110 und einen dazu parallel geschalteten Halbleiterschalter 120 umfasst. Bei dem Halbleiterschalter 120 handelt es sich vorzugsweise um einen Thyris¬ tor . Die bereits erwähnte zentrale Steuereinrichtung ZSE oder eine der Redundanzeinrichtung RE zugeordnete und diese ansteuernde andere, lokale (vorzugsweise der zentralen Steuereinrichtung ZSE untergeordnete) Steuereinrichtung LSE ist bevorzugt der¬ art ausgestaltet, dass sie im Rahmen der Aktivierung des Er- satzbetriebs des Multilevelumrichters 5, also vor, während oder nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters 110, an einen Steuereingang E120, insbesondere Zündeingang, des Halbleiterschalters 120 ein periodisches Steuersignal ST, vor- zugsweise einen Pulskamm wie in Figur 6 beispielhaft darge¬ stellt, anlegt.
Die elektrische Energie zum Erzeugen des Steuer- bzw. Zünd- signals ST, beispielsweise des Pulskamms gemäß Figur 6, ent¬ nimmt die Steuereinrichtung ZSE oder LSE vorzugsweise von den Kondensatoren bzw. den Zwischenkreisen anderer Submodule 10 gemäß Figur 2 oder anderer Submoduleinrichtungen SME gemäß Figur 1. Besonders vorteilhaft ist es mit Blick auf die elektrische Potentialverteilung in den Reihenschaltungen Rl bis R3 gemäß Figur 1, wenn die elektrische Energie zum Erzeu¬ gen des Steuer- bzw. Zündsignals bzw. des Pulskamms gemäß Fi¬ gur 6 von einem Kondensator bzw. Zwischenkreis eines Submo- duls 10 entnommen wird, das elektrisch möglichst benachbart ist und auf ähnlichem Potential, zumindest nicht zu unter¬ schiedlichem Potential, wie der Halbleiterschalter 120 liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein elektrisch unmittelbar benachbartes (also mit diesem unmittelbar verbundenes)
Submodul 10 herangezogen wird.
Wenn aus Redundanzgründen mehrere andere Submodule 10 zur Energieentnahme zwecks Erzeugung des Steuer- bzw. Zündsig¬ nals, beispielsweise des Pulskamms gemäß Figur 6, herangezo¬ gen werden sollen, so werden dementsprechend vorzugsweise ebenfalls elektrisch möglichst benachbarte bzw. auf ähnlichen Potentialen liegende Submodule gewählt.
Die Steuereinrichtung ZSE oder LSE wird den Halbleiterschalter 120 vorzugsweise eingeschaltet lassen oder wiederholt, insbesondere mittels des periodischen Steuersignals ST gemäß Figur 6, einschalten, bis der mechanische Schalter 110 vollständig ausgeschaltet und entionisiert ist und der durch ihn geführte Strom eine vorgegebene Schwelle unterschreitet. Die Steuereinrichtung ZSE oder LSE wird zu diesem Zwecke den Strom durch den mechanischen Schalter 110 vorzugsweise mittels eines in den Figuren nicht gezeigten Stromsensors über¬ wachen . Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ZSE oder LSE den Halbleiterschalter 120 für eine fest vorgegebene Zeitspanne, die mit dem Ausschalten des mechanischen Schalters 110 bzw. mit dem Erzeugen oder Anlegen eines entsprechenden Ausschaltbefehls beginnt, eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbesondere mittels des periodischen Steuersignals gemäß Figur 6, einschaltet.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung ZSE oder LSE derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter 120 zu einem späteren Zeitpunkt wieder einschaltet oder eingeschaltet lässt, sofern die Spannung an den einzelnen Kondensatoren der Redundanzmodule 20 eine vorgegebene Maximal¬ spannung erreicht oder überschreitet und/oder die Summenspan- nung der Spannungen der Kondensatoren der Redundanzmodulreihenschaltung 21 eine vorgegebene Summenmaximalspannung erreicht oder überschreitet.
Die äußeren Anschlüsse der Redundanzeinrichtung RE, die zur Bildung der Reihenschaltung Rl, R2, bzw. R3 herangezogen werden, sind mit den Bezugszeichen AI und A2 gekennzeichnet (siehe auch Figur 1) .
Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Submoduleinrichtung SME, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Die Submoduleinrichtung SME kann ein einziges Submodul 40 umfassen oder - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 - eine Vielzahl an Submodu- len 40, die in Reihe geschaltet sind.
Bei den Submodulen 40 gemäß Figur 4 handelt es sich um sogenannte Vollbrückenmodule, die jeweils vier Schaltelemente 41 umfassen, die jeweils durch eine schaltende Halbleiterkompo¬ nente, beispielsweise einen Transistor oder dergleichen, ge- bildet sein können. Zu den Schaltelementen 41 ist jeweils eine Diode 42 parallel geschaltet. Die Schaltelemente sind paarweise in Reihe geschaltet. Parallel zu den Reihenschal¬ tungen liegt ein Kondensator 43. Die äußeren Anschlüsse der Submoduleinrichtung SME, die zur Bildung der Reihenschaltung Rl, R2, bzw. R3 herangezogen werden, sind mit den Bezugszeichen AI und A2 gekennzeichnet (siehe auch Figur 1) .
Die Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Redundanzeinrichtung RE, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Die Redundanzeinrich- tung RE kann ein einziges Redundanzmodul 50 umfassen oder - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 - eine Vielzahl an Redundanzmodulen 50, die in Reihe geschaltet und eine Re¬ dundanzmodulreihenschaltung 51 bilden. Bei den Redundanzmodulen 50 gemäß Figur 5 kann es sich um Vollbrückenmodule handeln, wie sie im Zusammenhang mit der Figur 4 beschrieben worden sind; bezüglich des Aufbaus der Vollbrückenmodule bzw. der Redundanzmodule 50 gemäß Figur 5 sei deshalb auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Parallel zu der Redundanzmodulreihenschaltung 51 ist eine Schalteinrichtung 500 parallel geschaltet, die im Normalbe¬ triebsmodus des Multilevelumrichters 5 eingeschaltet und im Ersatzbetriebsmodus des Multilevelumrichters 5 ausgeschaltet ist.
Die Schalteinrichtung 500 weist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 eine Parallelschaltung auf, die mindestens ei¬ nen mechanischen Schalter 110 und zwei dazu parallel geschal- teten Halbleiterschalter 120 umfasst. Bei den Halbleiterschaltern 120 handelt es sich vorzugsweise um Thyristoren, die gegenpolig bzw. mit gegensätzlicher Polarität parallel geschaltet sind. Die bereits erwähnte zentrale Steuereinrichtung ZSE oder eine der Redundanzeinrichtung RE zugeordnete andere, lokale Steu¬ ereinrichtung LSE ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass sie im Rahmen der Aktivierung des Ersatzbetriebs des Multilevelumrichters 5, also vor, während oder nach dem Aus¬ schalten des mechanischen Schalters 110, an die Steuereingänge E120 der Halbleiterschalter 120 periodische Steuersignale ST, vorzugsweise Pulskämme wie in Figur 6 beispielhaft darge- stellt, anlegt.
Die elektrische Energie zum Erzeugen der Steuer- bzw. Zünd¬ signale, beispielsweise der Pulskämme gemäß Figur 6, entnimmt die Steuereinrichtung ZSE oder LSE vorzugsweise von den Kon- densatoren bzw. den Zwischenkreisen anderer Submodule 10 oder 40 gemäß Figur 2 oder 4 bzw. anderer Submoduleinrichtungen SME gemäß Figur 1. Besonders vorteilhaft ist es mit Blick auf die elektrische Potentialverteilung in den Reihenschaltungen Rl bis R3 gemäß Figur 1, wenn die elektrische Energie zum Er- zeugen der Steuer- bzw. Zündsignale bzw. der Pulskämme gemäß Figur 6 von einem Kondensator bzw. Zwischenkreis eines Submo- duls 10 entnommen wird, das elektrisch möglichst benachbart ist und auf ähnlichem Potential, zumindest nicht zu unter¬ schiedlichem Potential, wie die Halbleiterschalter 120 liegt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein elektrisch unmittelbar benachbartes (also mit den Halbleiterschaltern 120 unmittel¬ bar verbundenes) Submodul 10 herangezogen wird.
Wenn aus Redundanzgründen mehrere andere Submodule 10 zur Energieentnahme zwecks Erzeugung der Steuer- bzw. Zündsignale herangezogen werden sollen, so werden dementsprechend vorzugsweise ebenfalls elektrisch möglichst benachbarte und auf ähnlichen Potentialen liegende Submodule gewählt. Die Steuereinrichtung ZSE oder LSE wird die Halbleiterschal¬ ter 120 vorzugsweise eingeschaltet lassen oder wiederholt, insbesondere mittels des periodischen Steuersignals ST gemäß Figur 6, einschalten, bis der mechanische Schalter 110 ausgeschaltet ist und der durch ihn geführte Strom eine vorgegebe- ne Schwelle unterschreitet. Die Steuereinrichtung ZSE oder LSE wird zu diesem Zweck den Strom durch den mechanischen Schalter 110 vorzugsweise mittels eines in den Figuren nicht gezeigten Stromsensors überwachen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ZSE oder LSE die Halbleiterschalter 120 für eine fest vorgegebene Zeitspanne nach dem Ausschalten des me- chanischen Schalters 110 bzw. dem Erzeugen oder Anlegen eines entsprechenden Ausschaltbefehls eingeschaltet lässt oder wie¬ derholt, insbesondere mittels des periodischen Steuersignals ST gemäß Figur 6, einschaltet. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung ZSE oder LSE derart ausgestaltet ist, dass sie die Halbleiterschalter 120 zu einem späteren Zeitpunkt wieder einschaltet oder eingeschaltet lässt, sofern die Spannung an den einzelnen Kondensatoren der Redundanzmodule 50 eine vorgegebene Maximal- Spannung erreicht oder überschreitet und/oder die Summenspannung der Spannungen der Kondensatoren der Redundanzmodulreihenschaltung 51 eine vorgegebene Summenmaximalspannung erreicht oder überschreitet. Die äußeren Anschlüsse der Redundanzeinrichtung RE, die zur
Bildung der Reihenschaltung Rl, R2, bzw. R3 herangezogen werden, sind mit den Bezugszeichen AI und A2 gekennzeichnet (siehe auch Figur 1) . Die Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Amplituden¬ verlauf eines Steuersignals ST, das eine Pulsfolge bzw. einen Pulskamm bildet, über der Zeit t. Das Steuersignal ST ist zum wiederholten bzw. periodischen Einschalten der Halbleiterschalter 120 gemäß den Figuren 3 und 5 geeignet.
Die Figuren 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für Redundanzeinrichtungen RE, die bei dem Multilevelumrichter 5 gemäß Figur 1 eingesetzt werden können. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist, beispielsweise zum Zwecke der Strombe- grenzung, zu den Halbleiterschaltern 120 jeweils eine Impedanz Z in Reihe geschaltet. Im Übrigen kann die Impedanz Z dazu dienen, absichtlich einen Spannungsabfall hervorzurufen, der wiederum das Aufladen der Kondensatoren der Redundanzmo- dule gezielt beeinflusst. Vorzugsweise wird der mit der Impe¬ danz Z in Reihe liegende Halbleiterschalter 120 in diesem Falle erst geöffnet, wenn die Kondensatoren der Redundanzmo¬ dule ausreichend, also beispielsweise auf eine vorgegebene Mindestspannung, aufgeladen sind und die Redundanzmodule be¬ triebsfähig sind.
Bei der Impedanz Z handelt es sich vorzugsweise um einen ohmschen Widerstand, eine Induktivität oder eine Kombination aus einer Induktivität und einem ohmschen Widerstand, beispiels¬ weise in Form einer Reihen- oder Parallelschaltung.
Bei der Impedanz Z kann es sich beispielsweise um eine solche handeln, bei der der Realteil betragsmäßig zumindest 10-mal größer ist als der Imaginärteil.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs¬ beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugs zeichenliste
5 Multilevelumrichter
10 Submodul
11 Schaltelement
12 Diode
13 Kondensator
20 Redundanzmodul
21 Redundanzmodulreihenschaltung
40 Submodul
41 Schaltelement
42 Diode
43 Kondensator
50 Redundanzmodul
51 Redundanzmodulreihenschaltung
100 Schalteinrichtung
110 mechanischer Schalter
120 Halbleiterschalter
500 Schalteinrichtung
AI äußerer Anschluss der Submoduleinrichtung
A2 äußerer Anschluss der Submoduleinrichtung
E120 Steuereingang
G5a Gleichspannungsanschluss
G5b Gleichspannungsanschluss
L Induktivität
LSE lokale Steuereinrichtung
Rl Reihenschaltung
R2 Reihenschaltung
R3 Reihenschaltung
RE Redundanzeinrichtung
SG Submoduleinrichtungsgruppe
SME Submoduleinrichtung
ST Steuersignal
t Zeit
T Schalteinrichtung
W5 Wechselspannungsanschluss
Z Impedanz Zwischenanschluss
zentrale Steuereinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Multilevelumrichter (5) mit einer Mehrzahl an in Reihe ge- schalteten Submodulen (10, 40), die jeweils zumindest einen
Kondensator (13, 43) aufweisen und in Entladephasen mittels des Kondensators (13, 43) Strom nach außen abgeben und in La¬ dephasen Strom zum Aufladen des Kondensators (13, 43) aufnehmen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Multilevelumrichter (5) mindestens ein Redundanzmodul (20, 50) aufweist, das in einem Normalbetriebsmodus des Multilevelumrichters (5) inaktiv ist und in einem Ersatz¬ betriebsmodus des Multilevelumrichters (5) als Submodul (10, 40) arbeitet, und
zu dem Redundanzmodul (20, 50) oder zu einer das Redun¬ danzmodul (20, 50) aufweisenden Redundanzmodulreihenschaltung (21, 51) eine Schalteinrichtung (100, 500) parallel geschaltet ist, die im Normalbetriebsmodus einge- schaltet und im Ersatzbetriebsmodus ausgeschaltet ist.
2. Multilevelumrichter (5) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
mindestens zwei Submodule (10, 40) des
Multilevelumrichters (5) Redundanzmodule (20, 50) sind und
die mindestens zwei Redundanzmodule (20, 50) elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Redundanzmodulreihen¬ schaltung (21, 51) bilden.
3. Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Schalteinrichtung (100, 500) einen mechanischen Schalter (110) aufweist.
4. Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Schalteinrichtung (100, 500) eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter (110) und einen dazu parallel geschalteten weiteren Schalter umfasst, bei dem es sich vorzugsweise um einen Halbleiterschalter
(120) handelt und/oder mit dem vorzugsweise eine Impedanz in Reihe geschaltet ist.
5. Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden An- Sprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
innerhalb von Reihenschaltungen (Rl, R2, R3) , die die Submo- dule (10, 40) und die Redundanzmodule (20, 50) enthalten, mehr Submodule (10, 40) zwischen Gleichspannungsanschlüssen (G5a, G5b) des Multilevelumrichters (5) und dem oder den Re¬ dundanzmodulen (20, 50) liegen als zwischen Wechselspannungsanschlüssen (W5) des Multilevelumrichters (5) und dem oder den Redundanzmodulen (20, 50) .
6. Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Schalteinrichtung (100, 500) eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter (110) und zwei dazu parallel geschaltete unidirektional schal¬ tende Halbleiterschalter (120) umfasst,
- wobei die unidirektional schaltenden Halbleiterschalter (120) gegenpolig verschaltet sind.
7. Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Schalteinrichtung (100, 500) eine Parallelschaltung aufweist, die mindestens einen mechanischen Schalter (110) und zwei dazu parallel geschaltete Thyristoren umfasst,
- wobei die Thyristoren gegenpolig verschaltet sind.
8. Anordnung mit einem Multilevelumrichter (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Anordnung oder der Multilevelumrichter (5) selbst eine Steuereinrichtung (ZSE, LSE) aufweist, die mit dem mechanischen Schalter (110) und dem zumindest einen Halbleiterschal¬ ter (120) in Verbindung steht.
9. Anordnung nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- das Redundanzmodul (20, 50) ein Halbbrückenmodul ist oder aufweist, das zusätzlich zu dem Kondensator (13, 43) zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente (11, 41), zu denen je¬ weils eine Diode (12, 42) parallel geschaltet ist, auf- weist, wobei die Reihenschaltung (Rl, R2, R3) der Schalt¬ elemente (11, 41) und damit die Reihenschaltung (Rl, R2, R3) der Dioden (12) parallel zu dem Kondensator (13, 43) liegt,
- die Dioden (12) derart gepolt sind, dass bei einer positi- ven Polarität eines durch das Halbbrückenmodul fließenden
Stromes der Kondensator (13, 43) bei ausgeschalteten
Schaltelementen (11, 41) geladen werden kann und bei einer negativen Polarität eines durch das Halbbrückenmodul flie¬ ßenden Stromes der Kondensator (13, 43) bei ausgeschalte- ten Schaltelementen (11, 41) nicht geladen werden kann, und
- die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie den Ersatzbetrieb des Multilevelumrichters (5) aktiviert und den mechanischen Schalter (110) ausschaltet, wenn der Strom durch das Halbbrückenmodul die negative Po¬ larität aufweist oder seinen Nulldurchgang in Richtung negativer Polarität durchführt.
10. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie im Rahmen der Aktivierung des Ersatzbetriebs des Multilevelumrichters (5) , also vor, während oder nach dem Ausschalten des mechanischen Schalters (110), an einen Steuereingang, insbesondere Zündeingang, des Halbleiterschalters (120) oder der Halbleiterschalter (120) ein periodisches Steuersignal (ST), insbesondere einen Pulskamm, anlegt.
11. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter (120) oder die Halbleiterschalter (120) eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbeson¬ dere mittels eines periodischen Steuersignals (ST) , einschal¬ tet, bis sie, insbesondere von dem Redundanzmodul (20, 50), ein Signal erhält, das den ausgeschalteten Zustand des mecha¬ nischen Schalters (110) signalisiert.
12. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter (120) oder die Halbleiterschalter (120) eingeschaltet lässt oder wiederholt, insbeson¬ dere mittels eines periodischen Steuersignals (ST) einschal- tet, und zwar für eine fest vorgegebene Zeitspanne nach dem
Ausschalten des mechanischen Schalters (110) oder Anlegen eines Ausschaltbefehls an den mechanischen Schalters (110).
13. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Steuereinrichtung (ZSE, LSE) derart ausgestaltet ist, dass sie den Halbleiterschalter (120) oder die Halbleiterschalter (120) einschaltet oder eingeschaltet lässt, wenn die Spannung an einem Kondensator (13, 43) des Redundanzmoduls
(20, 50) eine vorgegebene Maximalspannung erreicht oder über¬ schreitet und/oder die Summenspannung der Spannungen der Kondensatoren der Redundanzmodulreihenschaltung (21, 51) eine vorgegebene Summenmaximalspannung erreicht oder überschrei¬ tet .
14. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 bis 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die elektrische Energie zum Erzeugen von Steuersignalen für die Schalteinrichtung (100, 500) ausschließlich oder zumindest auch von einem Kondensator (13, 43) oder einem Zwischen- kreis eines Submoduls (10, 40) entnommen wird, das elektrisch mit dieser Schalteinrichtung (100, 500) unmittelbar verbunden ist .
15. Verfahren zum Betreiben eines Multilevelumrichters (5), der eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten Submodulen (10,
40) aufweist, die jeweils zumindest einen Kondensator (13, 43) aufweisen und in Entladephasen mittels des Kondensators (13, 43) Strom nach außen abgeben und in Ladephasen Strom zum Aufladen des Kondensators (13, 43) aufnehmen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Multilevelumrichter (5) in einem Normalbetriebsmodus betrieben wird, solange die Submodule (10, 40) oder eine vorgegebene Anzahl an Submodulen (10, 40) betriebsfähig ist, und
- bei Ausfall eines der Submodule (10, 40) oder bei Unter¬ schreiten der vorgegebenen Anzahl an betriebsfähigen Submodulen (10, 40) mindestens ein Redundanzmodul (20, 50) aktiviert wird, indem eine Schalteinrichtung (100, 500), die elektrisch zum Redundanzmodul (20, 50) oder einer das Redundanzmodul (20, 50) aufweisenden Redundanzmodulrei¬ henschaltung (21, 51) parallel geschaltet ist, von ihrem im Normalbetriebsmodus eingeschalteten Zustand in ihren ausgeschalteten Zustand geschaltet wird.
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