CH714180A2 - Converter for the transmission of electrical energy between a DC and an AC system. - Google Patents
Converter for the transmission of electrical energy between a DC and an AC system. Download PDFInfo
- Publication number
- CH714180A2 CH714180A2 CH01159/17A CH11592017A CH714180A2 CH 714180 A2 CH714180 A2 CH 714180A2 CH 01159/17 A CH01159/17 A CH 01159/17A CH 11592017 A CH11592017 A CH 11592017A CH 714180 A2 CH714180 A2 CH 714180A2
- Authority
- CH
- Switzerland
- Prior art keywords
- converter
- phase
- output
- voltage
- load
- Prior art date
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 12
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 101100126960 Mus musculus Cmpk1 gene Proteins 0.000 description 1
- 101100427391 Mus musculus Uck1 gene Proteins 0.000 description 1
- 101100371688 Mus musculus Uck2 gene Proteins 0.000 description 1
- 241001125929 Trisopterus luscus Species 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
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
- H02M7/66—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal
- H02M7/68—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters
- H02M7/72—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/79—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with 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
- H02M7/797—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with 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
-
- 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
- H02M7/539—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 with automatic control of output wave form or frequency
-
- 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
- H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
- H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
- H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
- H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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
- H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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
- H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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 with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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 with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1582—Buck-boost converters
-
- 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
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0043—Converters switched with a phase shift, i.e. interleaved
-
- 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
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from AC input or output
-
- 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
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from DC input or output
- H02M1/15—Arrangements for reducing ripples from DC input or output using active elements
-
- 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
- H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
- H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
- H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
- H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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
- H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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
- H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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 with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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 with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1584—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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 with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
- H02M3/1586—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC 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 with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
-
- 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
- H02M7/539—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 with automatic control of output wave form or frequency
- H02M7/5395—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 with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft einen Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Gleichspannungs-(DC-)system und einem Wechselspannungssystem. Er weist gleichspannungsseitig eine positive DC-Eingangsspannungsschiene (1) und eine negative DC-Eingangsspannungsschiene (2) und wechselspannungsseitig mindestens zwei Ausgangsphasenanschlüsse (a, b, c) auf. Dabei liegt für jeden der Ausgangsphasenanschlüsse (a, b, c) ein Phasenkonverter vor, welcher an einer ersten Seite an die positive DC-Eingangsspannungsschiene (1) und die negative DC-Eingangsspannungsschiene (2) und an einer zweiten Seite an diesen Ausgangsphasenanschluss (a; b; c) angeschlossen ist und als Hochsetz-/Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Der Konverter weist eine Regelung auf, welche dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters jeden der Phasenkonverter, in Abhängigkeit eines Verhältnisses einer DC-Eingangsspannung zu Momentanwerten von an den Ausgangsphasenanschlüssen (a, b, c) zu erzeugenden Ausgangsphasenspannungen, zeitweise entweder als reinen Tiefsetzsteller oder als reinen Hochsetzsteller zu betreiben.The invention relates to a converter for transmitting electrical energy between a DC (DC) system and an AC system. On the DC side, it has a positive DC input voltage rail (1) and a negative DC input voltage rail (2) and at least two output phase terminals (a, b, c) on the AC voltage side. In this case, there is a phase converter for each of the output phase terminals (a, b, c), which on a first side to the positive DC input voltage rail (1) and the negative DC input voltage rail (2) and on a second side to this output phase terminal (a ; b; c) is connected and designed as a boost / buck converter. The converter has a control which is designed, in the operation of the converter, to convert each of the phase converters, depending on a ratio of a DC input voltage to instantaneous values of output phase voltages to be generated at the output phase connections (a, b, c), either as a pure step-down converter or operate as a pure boost converter.
Description
Beschreibung [0001] Die leistungselektronische Konversion einer Gleichspannung in ein dreiphasiges Wechselspannungssystem (DC/ AC-Konversion) findet industriell z.B. in der Antriebstechnik, bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und bei der Einspeisung photovoltaisch erzeugter Energie in das Dreiphasennetz breite Anwendung.Description The power electronic conversion of a DC voltage into a three-phase AC system (DC / AC conversion) is industrially e.g. in drive technology, in uninterruptible power supplies (UPS) and in the feeding of photovoltaic energy into the three-phase network wide application.
[0002] Das Eingangsgleichspannungsniveau weist hierbei aufgrund der typischerweise stark vom Ladezustand abhängigen Klemmenspannung elektrochemischer Speicher oder Brennstoffzellen (Antriebstechnik oder USV) oder zufolge der Temperaturabhängigkeit der Kennlinie von Solarzellen (Photovoltaik) eine relativ grosse Schwankungsbreite auf, sodass der leistungselektronische Konverter typischerweise zweistufig, d.h. mit einem eingangsseitigen DC/DC-Hochsetzsteller, einem Spannungszwischenkreis und einem ausgangsseitigen Dreiphasen-DC/AC-Konverter (Inverter) ausgeführt wird (siehe Fig. 1). Vorteilhaft kann so der, bei Leistungsfluss von der DC-Seite zur Dreiphasen-AC-Seite letztlich als Tiefsetzsteller wirkende Inverter für einen Betrieb mit konstanter Zwischenkreisspannung und damit mit minimaler Bauleistung ausgeführt werden. Weiters ist durch das gegenüber der Eingangsgleichspannung höhere Zwischenkreisspannungsniveau die Erzeugung einer relativ hohen Ausgangsspannung, welche auch unabhängig vom Batterieladezustand aufrecht erhalten werden kann, möglich, bzw. kann für Photovoltaikanlagen unabhängig von Einstrahlungsstärke und Temperatur ein Betrieb im Punkt maximaler Leistungslieferung erfolgen. In der Antriebstechnik bietet die hohe Zwischenkreisspannung den Vorteil der Beherrschung eines weiten Drehzahlbereiches einer gespeisten Wechselstrommaschine.The input DC voltage level in this case has a relatively large fluctuation due to the typically strongly dependent on the state of charge terminal voltage electrochemical storage or fuel cells (drive technology or UPS) or due to the temperature dependence of the characteristic of solar cells (photovoltaic), so that the power electronic converter typically two stages, i. is performed with an input side DC / DC boost converter, a voltage intermediate circuit and an output side three-phase DC / AC converter (inverter) (see Fig. 1). In this way, the inverter, which in the end acts as a step-down converter in the case of power flow from the DC side to the three-phase AC side, can advantageously be designed for operation with a constant intermediate circuit voltage and thus with minimum construction output. Furthermore, the higher DC link voltage level compared with the DC input voltage makes it possible to generate a relatively high output voltage, which can be maintained independently of the battery state of charge, or can operate at photovoltaic systems regardless of irradiance and temperature at the point of maximum power delivery. In drive technology, the high DC link voltage offers the advantage of mastering a wide speed range of a powered AC machine.
[0003] Durch den Inverter wird aus der Zwischenkreisspannung ein dreiphasiges pulsbreitenmoduliertes Spannungssystem erzeugt und bei Realisierung eines drehzahlvariablen Antriebes im einfachsten Fall direkt an die Motorklemmen gelegt. Allerdings resultiert damit zufolge der steilen Spannungsflanken eine erhebliche Isolationsbelastung der Statorwicklungen des Motors, weiters weist der Statorstrom typischerweise einen hohen schaltfrequenten Rippei auf, der zu hohen Rotorverlusten und damit aufgrund der durch den Luftspalt beschränkten Kühlung zu einer erheblichen thermischen Belastung des Rotors führen kann. Weiters sind durch den schaltfrequenten Gleichtaktanteil der Maschinenklemmenspannungen verursachte Lagerströme, welche zu einer Zerstörung der Laufbahnen der Lager führen können, als nachteilig zu nennen. Die genannten Nachteile können durch ein dreiphasiges LC-Ausgangsfilter des Inverters, welches schaltfrequente Harmonische der pulsbreitenmodulierten Inverterausgangsphasenspannungen unterdrückt und damit einen glatten, typischerweise sinusförmigen Inverterausgangsspannungsverlauf sicherstellt, vermieden werden.By the inverter is generated from the DC link voltage, a three-phase pulse width modulated voltage system and placed in the realization of a variable speed drive in the simplest case directly to the motor terminals. However, this results according to the steep voltage edges a significant insulation load of the stator windings of the motor, further, the stator typically has a high switching frequency Rippei, which can lead to high rotor losses and thus due to the air gap limited cooling to a significant thermal load on the rotor. Furthermore, caused by the switching frequency common mode component of the machine terminal voltages bearing currents, which can lead to a destruction of the raceways of the bearing, to call disadvantageous. The mentioned disadvantages can be avoided by a three-phase LC output filter of the inverter, which suppresses switching-frequency harmonics of the pulse-width-modulated inverter output phase voltages and thus ensures a smooth, typically sinusoidal inverter output voltage characteristic.
[0004] Für USV-Systeme ist dieses LC-Ausgangsfilter in jedem Fall anzuordnen, da die angeschlossenen Wechselspannungsverbraucher i.A. mit einer, nur geringförmig von einem rein sinusförmigen Verlauf abweichenden Spannung gespeist werden müssen. Gleiches gilt für Photovoltaikanwendungen, wo das LC-Ausgangsfilter die erste Stufe eines EMV-Filters darstellt, welches die Ausbreitung schaltfrequenter elektromagnetischer Störungen (Ströme) in das Dreiphasennetz unterdrücken soll.For UPS systems, this LC output filter is to be arranged in any case, since the connected AC consumers i.A. must be supplied with a, deviating only slightly from a purely sinusoidal voltage. The same applies to photovoltaic applications, where the LC output filter is the first stage of an EMC filter intended to suppress the propagation of switching-frequency electromagnetic disturbances (currents) into the three-phase network.
[0005] In diesem Kontext ist darauf hinzuweisen, dass die vorgehend beschriebene Konverterstruktur auch bei Umkehrung der Energierichtung, also für Anwendungen, bei welchen ausgehend von einer Dreiphasennetzspannung eine in weiten Grenzen schwankende Gleichspannung erzeugt werden muss, wie dies z.B. bei der Batterieladung von Elektrofahrzeugen der Fall ist, Einsatz finden kann. Der DC/DC-Hochsetzsteller arbeitet dann aufgrund der umgekehrten Energierichtung von der Zwischenkreisspannung aus gesehen als DC/DC-Tiefsetzsteller (es ist hiefür antiparallel zur Hochsetzstellerdiode ein Leistungstransistor und antiparallel zum Hochsetzstellerleistungstransistor eine Diode vorzusehen) und regelt den Leistungs- bzw. Stromfluss aus dem Zwischenkreis in die Batterie. Der Dreiphasen-AC/DC-Konverter wirkt in diesem Fall als aktiver Gleichrichter und stellt einen sinusförmigen Verlauf der aus dem Netz aufgenommenen Ströme und einen konstanten Wert der Zwischenkreisspannung sicher.In this context, it should be noted that the converter structure described above, even when the energy direction is reversed, ie for applications in which, starting from a three-phase mains voltage, a widely varying DC voltage must be generated, as e.g. in the battery charge of electric vehicles is the case, can be used. The DC / DC step-up converter then works as a DC / DC step-down converter due to the reversed direction of energy from the intermediate circuit voltage (it is antiparallel to the boost converter diode, a power transistor and antiparallel to the boost converter power transistor to provide a diode) and regulates the power flow from the DC link in the battery. The three-phase AC / DC converter acts as an active rectifier in this case and ensures a sinusoidal profile of the currents absorbed by the grid and a constant value of the DC link voltage.
[0006] Allerdings weist das Gesamtsystem mit der Induktivität des DC/DC-Hochsetzstellers, dem Zwischenkreiskondensator und der in jeder der drei Ausgangsphasen des Inverters angeordneten Filterinduktivität und Filterkapazität insgesamt einen hohen Aufwand an passiven Komponenten auf, womit ein relativ hohes Bauvolumen resultiert bzw. relativ hohe Realisierungskosten in Kauf zu nehmen sind. Weiters ist die zweistufige Energieumformung mit Blick auf hohe Energieeffizienz als nachteilig zu sehen.However, the overall system with the inductance of the DC / DC boost converter, the DC link capacitor and arranged in each of the three output phases of the inverter filter inductance and filter capacitance on the whole a lot of passive components, resulting in a relatively high volume or relatively high realization costs are to be accepted. Furthermore, the two-stage energy transformation with regard to high energy efficiency is disadvantageous.
[0007] In der Literatur wurden daher einstufige DC/AC-Konverter vorgeschlagen, welche aus drei identischen bidirektionalen DC/DC-Phasenkonvertern gebildet werden, welche eine gemeinsame negative Spannungsschiene aufweisen und ausgehend von derselben DC Speisespannung drei sinusförmig variierende, phasenverschobene offsetbehaftete, d.h. gegenüber der negativen Spannungsschiene stets positiv verbleibende Spannungen (Phasenkonverterausgangsspannungen) erzeugen. Die Unipolarität der Phasenkonverterausgangsspannungen, wird durch Verschiebung eines symmetrischen Phasensinuslastspannungssystems (welches letztlich zwischen der zugeordneten Phasenklemme und dem freien Sternpunkt der zu speisenden Dreiphasenlast auftreten soll) um einen positiven Offset in Höhe der Amplitude der Phasensinuslastspannungen gebildet. Am Ausgang eines Phasenkonverters treten damit Spannungswerte zwischen der zweifachen Amplitude der Phasensinuslastspannung und Null auf, es ist also in jeder Phase im allgemeinen Fall sowohl der Betrieb mit einem über der Eingangsspannung als auch mit einem unterhalb der Eingangsspannung liegenden Ausgangsspannungspegel zu beherrschen. Als Phasenkonverter werden daher in entsprechenden Publikationen Cuk-Kon-verter mit oder ohne Potentialtrennung für die Realisierung der DC/DC-Konverter vorgeschlagen.In the literature, therefore, single-stage DC / AC converters have been proposed which are formed of three identical bidirectional DC / DC phase converters having a common negative voltage rail and from the same DC supply voltage, three sinusoidally varying, phase-shifted, offset-biased, i. always produce positive voltages (phase converter output voltages) relative to the negative voltage rail. The unipolarity of the phase converter output voltages is formed by shifting a balanced phase in-phase load voltage system (which is ultimately to occur between the associated phase terminal and the free neutral point of the three-phase load to be fed) by a positive offset equal to the amplitude of the phase in-line load voltages. Thus, at the output of a phase converter, voltage values between twice the amplitude of the phase in-line load voltage and zero occur, so that in each phase in the general case both the operation with an output voltage level above the input voltage and below the input voltage must be mastered. As a phase converter Cuk Kon-verter are therefore proposed in corresponding publications with or without electrical isolation for the realization of the DC / DC converter.
[0008] Da die seitens der Last jeweils zwischen zwei positiven Ausgangsklemmen der Cuk-DC/DC-Phasenkonverter abgegriffenen Aussenleiterspannungen der Differenz der zwei zugeordneten Phasenkonverterausgangsspannungen entsprechen, findet die für alle Phasen gleiche Offsetverschiebung in den an den Klemmen des Dreiphasenverbrauchers auftretenden Aussenleiterspannungen (Verbraucheraussenleiterspannungen) keinen Ausdruck, die Verbraucheraussen-leiterspannungen weisen demgemäss einen sinusförmigen symmetrischen Verlauf auf.Since the outside of the load between two positive output terminals of the Cuk DC / DC phase converter tapped outer conductor voltages correspond to the difference of the two associated phase converter output voltages, the same for all phases offset shift occurs in the occurring at the terminals of the three-phase load Außenleiterspannungen (Verbraucheraussenleiterspannungen) no expression, the external power supply voltages accordingly have a sinusoidal symmetrical course.
[0009] Als Variante der oben beschriebenen Erzeugung unipolarer Ausgangsspannungen durch kontinuierliche Taktung aller drei Cuk-DC/DC-Phasenkonverter ist auch ein Steuerverfahren bekannt, für welches ein Phasenkonverterausgang jeweils für ein Drittel der Ausgangsspannungsperiode auf der negativen Spannungsschiene geklemmt verbleibt, wobei jeweils die Phase mit dem negativsten Momentanwert der zugehörigen Phasensinuslastspannung geklemmt wird und nur die beiden anderen Cuk-DC/DC-Phasenkonvertertakten und Ausgangsspannungen derart erzeugen, dass gegenüber dem geklemmten Phasenausgang Ausschnitte der jeweiligen Aussenleiterspannungen erzeugt werden. Somit ist eine Reduktion der Schaltverluste des Systems möglich, weiters tritt am Ausgang eines Phasenkonverters maximal der Wert der Amplitude der Grundschwingung der zu bildenden Verbraucheraussenleiterspannung und nicht der zweifache Wert der Amplitude der Phasensinusspannung auf.As a variant of the above-described generation of unipolar output voltages by continuous clocking of all three Cuk DC / DC phase converter, a control method is known for which a phase converter output each clamped for one third of the output voltage period on the negative voltage rail, wherein each phase is clamped with the most negative instantaneous value of the associated phase sinus load voltage and generate only the other two Cuk DC / DC phase converter clocks and output voltages such that compared to the clamped phase output sections of the respective outer conductor voltages are generated. Thus, a reduction of the switching losses of the system is possible, further occurs at the output of a phase converter at most the value of the amplitude of the fundamental to be formed Verbraucheraussenleiterspannung and not twice the value of the amplitude of the phase sink voltage.
[0010] Für beide Steuerverfahren zeigt die Verbraucheraussenleiterspannung aufgrund der am Ausgang der Cuk-DC/DC-Phasenkonverter angeordneten Glättungskondensatoren einen glatten Verlauf. Ein für konventionelle Inverter mit pulsbreitenmodulierter Ausgangsspannung erforderliches LC-Ausgangsfilter (siehe oben) kann somit entfallen. Allerdings ist desungeachtet ein hoher Realisierungsaufwand des Gesamtsystems gegeben, da anstelle einer Hochsetzstellerinduktivität des eingangs beschriebenen konventionellen zweistufigen Systems (siehe Fig. 1) nun drei Eingangsinduktivitäten und anstelle der Zwischenkreiskapazität drei Kapazitäten als Kemelemente der auf kapazitivem Leistungstransfer beruhenden Cuk-DC/DC-Phasenkonverter einzusetzen sind. Weiters treten an den Leistungshalbleitern signifikant höhere, durch die Summe von Ein- und Ausgangsspannung eines Phasenkonverters und nicht entweder durch die Eingangsspannung oder die Ausgangsspannung definierte Sperrspannungsbelastungen und damit letztlich auch hohe Schaltverluste auf. Der bekannte einstufige Cuk-basierte DC/AC Konverter ist daher nur für Verbraucher mit relativ tiefem Effektivwert der Aus-senleiterspannung einsetzbar und mit relativ tiefer Schaltfrequenz realisierbar, was die Möglichkeit einer Erhöhung der Schaltfrequenz zur Minimierung der Baugrösse der Filterelemente begrenzt.For both control methods, the Verbraucheraussenleiterspannung shows a smooth course due to the arranged at the output of the Cuk DC / DC phase converter smoothing capacitors. A required for conventional inverter with pulse width modulated output voltage LC output filter (see above) can thus be omitted. However, nevertheless, a high implementation cost of the overall system is given, since instead of a boost converter inductance of the conventional two-stage system described above (see Fig. 1) now use three input inductances and instead of the DC link capacitance three capacitances as Kemelemente based on capacitive power transfer Cuk-DC / DC phase converter are. Furthermore, significantly higher blocking voltage loads, which are defined by the sum of input and output voltage of a phase converter and not either by the input voltage or the output voltage, and thus ultimately also high switching losses, occur at the power semiconductors. The well-known single-stage Cuk-based DC / AC converter is therefore only for consumers with relatively low effective value of Aus-senleiterspannung used and relatively low switching frequency feasible, which limits the possibility of increasing the switching frequency to minimize the size of the filter elements.
[0011] Weiters wurde die Regelung der Phasenkonverter des einstufigen Systems bisher nur einschleifig ausgeführt, womit sich mit Blick auf die hohe Zahl an Energiespeichern bzw. die hohe Ordnung der Systeme eine klare Limitierung der Dynamik der Regelung der Phasenkonverterausgangsspannungen bzw. der Verbraucheraussenleiterspannungen ergibt, welche besonders für hochdynamische Antriebe mit Anforderungen an eine rasche Drehzahl- bzw. Spannungserhöhung oder Absenkung nachteilig ist.Furthermore, the control of the phase converter of the single-stage system has been carried out only einschleifig, resulting in view of the high number of energy storage or the high order of the systems, a clear limitation of the dynamics of the control of the phase converter output voltages and the Verbraucheraussenleiterspannungen, which especially for highly dynamic drives with requirements for rapid speed or voltage increase or reduction is disadvantageous.
[0012] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem DC-und einem AC-System zu schaffen, welcher mindestens einen der oben genannten Nachteile behebt und mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: dass er in jeder Phase mit überlappendem Ein- und Ausgangsspannungsbereich arbeiten kann und kontinuierliche (gefilterte) Ausgangsphasenwechselspannungen erzeugt, dass er eine minimale Anzahl induktiver Elemente aufweist, dass diese von geringer Baugrösse sind, dass eine, bevorzugt durch die Ein- oder Ausgangsspannung der Phasenkonverter definierte Sperrspannungsbelastung und/oder Schaltverluste der Leistungshalbleiter gering sind, dass er eine mehrschleifige Regelung der Phasenkonverter aufweist, sodass eine hohe Dynamik der Regelung der Phasenkonverterausgangsspannungen gegeben ist.The object of the invention is therefore to provide a converter for the transmission of electrical energy between a DC and an AC system which overcomes at least one of the above-mentioned disadvantages and has at least one of the following properties: that it in each phase can operate with overlapping input and output voltage range and generates continuous (filtered) output phase AC voltages that it has a minimum number of inductive elements that they are of small size, that one, preferably defined by the input or output voltage of the phase converter reverse voltage load and / or switching losses the power semiconductors are low, that it has a multi-loop control of the phase converter, so that a high dynamics of the control of the phase converter output voltages is given.
[0013] Diese Aufgabe löst ein Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem DC- und einem AC-System gemäss den Patentansprüchen.This object is achieved by a converter for the transmission of electrical energy between a DC and an AC system according to the claims.
[0014] Der Konverter zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem Gleichspannungs-(DC-)system und einem Wechselspannungs-(AC-)system, weist gleichspannungsseitig eine positive DC-Eingangsspannungsschiene und eine negative DC-Eingangsspannungsschiene und wechselspannungsseitig mindestens zwei Ausgangsphasenanschlüsse auf. Dabei liegt für jeden der Ausgangsphasenanschlüsse ein Phasenkonverter vor, welcher an einer ersten Seite an die positive DC-Eingangsspannungsschiene und die negative DC-Eingangsspannungsschiene und an einer zweiten Seite an diesen Ausgangsphasenanschluss angeschlossen ist und als Hochsetz-/Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Der Konverter weist eine Regelung auf, welche dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Konverters jeden der Phasenkonverter, in Abhängigkeit eines Verhältnisses einer DC-Eingangsspannung zu Momentanwerten von an den Ausgangsphasenanschlüssen zu erzeugenden Ausgangsphasenspannungen, zeitweise entweder als reinen Tiefsetzsteller oder als reinen Hochsetzsteller zu betreiben.The converter for transmitting electrical energy between a DC (DC) system and an AC (AC) system, the DC side has a positive DC input voltage rail and a negative DC input voltage rail and AC side at least two output phase terminals. In this case, there is a phase converter for each of the output phase terminals, which is connected on a first side to the positive DC input voltage rail and the negative DC input voltage rail and on a second side to this output phase terminal and is designed as a boost / buck converter. The converter has a control which is designed, during operation of the converter, to operate each of the phase converters, as a function of a ratio of a DC input voltage to instantaneous values of output phase voltages to be generated at the output phase terminals, either temporarily as a pure buck converter or as a pure boost converter.
[0015] Es sind also die Phasenkonverter nicht als DC/DC-Cuk-Konverter, sondern als mehrschleifig geregelte Tiefhoch-setz-DC/DC-Konverter ausgeführt, wobei die Vorgabe der Sollwerte der Phasenkonverterausgangsspannungen derart erfolgt, dass einerseits ein minimaler Maximalwert der Ausgangsspannungen erforderlich ist und andererseits eine minimale Schwankung der Ströme in den Induktivitäten der Phasenkonverter resultiert. Damit können bei gegebener Schaltfrequenz kleine Induktivitätswerte und bei gegebenen Induktivitätswerten kleine Schaltfrequenzen gewählt werden bzw. geringe Schaltverluste auftreten.Thus, the phase converter is not designed as a DC / DC Cuk converter, but as a multi-loop regulated low-set DC / DC converter, wherein the specification of the setpoints of the phase converter output voltages is such that on the one hand, a minimum maximum value of the output voltages is required and on the other hand results in a minimal fluctuation of the currents in the inductors of the phase converter. In this way, small inductance values can be selected for a given switching frequency, and small switching frequencies can be selected for given inductance values, or low switching losses can occur.
[0016] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters in jedem der Phasenkonverter eine Taktung von Schaltern des Phasenkonverters zeitweise auf einen eingangsseitigen Tiefsetzstellerteil oder Brückenzweig oder auf einen ausgangsseitigen Hochsetzstellerteil oder Brückenzweig des Phasenkonverters zu beschränken.In embodiments, the scheme is adapted to restrict in the operation of the converter in each of the phase converter, a clocking of switches of the phase converter temporarily on an input side buck converter part or bridge branch or on an output side Hochsetzstellerteil or bridge branch of the phase converter.
[0017] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter derart vorzunehmen, dass für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltenen Gegentaktspannungsanteil minimiert.In embodiments, the scheme is adapted to make in the operation of the converter, the timing of all phase converter such that for all phase converter the same clock frequency is present and a synchronization of the clocking of the converter minimizes a differential voltage contained in the output phase voltages.
[0018] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters die Taktung aller Phasenkonverter derart vorzunehmen, dass für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz vorliegt und eine Synchronisation der Taktung der Konverter einen in den Ausgangsphasenspannungen enthaltenen Gleichtaktspannungsanteil minimiert.In embodiments, the scheme is adapted to make the operation of the converter, the timing of all phase converter such that for all phase converter has the same clock frequency and a synchronization of the timing of the converter minimizes a common-mode voltage component contained in the output phase voltages.
[0019] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters einen Offset zur Bildung von Ausgangsphasenspannungssollwerten aus Lastphasenspannungssollwerten vorzugeben, derart, dass jeweils in einem Zeitabschnitt für denjenigen Phasenkonverter, dessen zugeordneter Lastphasenspannungssollwert den höchsten negativen Wert aufweist, ein Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert, womit dieser Phasenkonverter nicht getaktet werden muss und sein Ausgangsphasenanschluss an eine Referenzspannungsschiene geklemmt verbleiben kann, und der Verlauf der Ausgangsphasenspannungssollwerte von nicht geklemmten Phasenkonvertern durch gegenüber dem geklemmten Ausgangsphasenanschluss zu erzeugende und durch Subtraktion von jeweils zwei Lastphasenspannungssollwerten in diesem Zeitabschnitt gebildete Sollwerte von Lastaussenleiterspannungen definiert ist, sodass insgesamt wieder ein sinusförmiger Verlauf aller Lastaussenleiterspannungen vorliegt.In embodiments, the controller is configured to bias the converter to provide output phase voltage setpoints from load phase voltage setpoints such that a phase output voltage setpoint equal to zero results in each time period for the phase converter whose associated load phase voltage setpoint has the highest negative value whereby said phase converter need not be clocked and its output phase terminal may remain clamped to a reference voltage rail, and the course of the output phase voltage setpoints of non-clamped phase converters is defined by setpoint output voltage voltages to be generated across the clamped output phase terminal and subtracted from each of two load phase voltage setpoints in that time period so that a total of sinusoidal course of all Lastaussenleiterspannungen is present again.
[0020] In Ausführungsformen sind die Phasenkonverter jeweils als kaskadierte Ab- Aufwärtswandler (Buck-Boost Converter) ausgebildet.In embodiments, the phase converters are each formed as a cascaded down-up converter (buck-boost converter).
[0021] In Ausführungsformen sind die Phasenkonverter jeweils durch eine Schaltung realisiert, in welcher ein Brückenzweig zwischen der positiven DC-Eingangsspannungsschiene und einem zugehörigen Ausgangsphasenanschluss angeordnet ist, eine Phasenkonverterinduktivität zwischen einen Mittelpunkt des Brückenzweiges und die negative DC-Eingangsspannungsschiene geschaltet ist, eine Ausgangskapazität zwischen den Ausgangsphasenanschluss und eine gemeinsame Referenzspannungsschiene geschaltet ist, welche mit der DC-Eingangsspannungsschiene verbunden ist.In embodiments, the phase converters are each realized by a circuit in which a bridge branch is disposed between the positive DC input voltage rail and an associated output phase terminal, a phase converter inductance is connected between a midpoint of the bridge branch and the negative DC input voltage rail has an output capacitance between the output phase terminal and a common reference voltage rail is connected, which is connected to the DC input voltage rail.
[0022] In Ausführungsformen ist in den Phasenkonvertern jeweils eine Ausgangsdiode zwischen den Ausgangsphasenanschluss und die Referenzspannungsschiene geschaltet welche eine positive Ausgangsphasenspannung am Ausgangsphasenanschluss bezüglich der Referenzspannungsschiene sicherstellt.In embodiments, in the phase converters, an output diode is connected in each case between the output phase connection and the reference voltage rail, which ensures a positive output phase voltage at the output phase connection with respect to the reference voltage rail.
Zusätzlich zur Ausgangsdiode kann auch noch ein Schalter parallelgeschaltet werden, bzw. die Ausgangsdiode durch einen Schalter mit antiparalleler Ausgangsdiode ersetzt werden. Somit kann die Phase mit der tiefsten Spannung jeweils über ein Drittel der Periode geklemmt werden (keine Schaltverluste für diese Phase) und somit die Konvertereffizienz gesteigert werden.In addition to the output diode, a switch can also be connected in parallel, or the output diode can be replaced by a switch with antiparallel output diode. Thus, the phase with the lowest voltage can each be clamped over one third of the period (no switching losses for this phase) and thus the converter efficiency can be increased.
[0023] In Ausführungsformen ist die Regelung dazu ausgebildet, im Betrieb des Konverters bei relativ kleinen Amplituden der Ausgangsphasenspannungen einen konstanten Offset der Ausgangsphasenspannungen so gross zu wählen, dass einerseits eine, durch zu erzeugende Lastphasenspannungen bedingte Schwankung der Ausgangsphasenspannungen symmetrisch um ein Niveau der DC-Eingangsspannung zu liegen kommt, und andererseits eine zweifache maximale Amplitude von Lastphasenspannungen nicht überschritten wird, wobei dies durch Absenken des Offsets bei hohen Amplituden der Lastphasenspannungen erreicht wird.In embodiments, the control is designed to select a constant offset of the output phase voltages during operation of the converter with relatively small amplitudes of the output phase voltages such that, on the one hand, a fluctuation of the output phase voltages caused by the load phase voltages to be generated is symmetrical about a level of the DC voltages. On the other hand, a double maximum amplitude of load phase voltages is not exceeded, this being achieved by lowering the offset at high amplitudes of the load phase voltages.
[0024] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:In the following, the subject invention based on preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. Each show schematically:
Fig. 1: Bidirektionales dreiphasiges Hoch-Tiefsetzsteller DC/AC-Konvertersystem gemäss dem Stand der Technik mit eingangsseitigem DC/DC-Hochsetzsteller, Zwischenkreiskondensator, ausgangsseitigem Spannungszwischenkreis-Dreiphaseninverter und nachgeschaltetem LC-Ausgangsfilter zur Erzeugung einer geglätteten Dreiphasen-Ausgangswechselspannung.Fig. 1: Bidirectional three-phase buck-boost converter DC / AC converter system according to the prior art with input side DC / DC boost converter, DC link capacitor, output side voltage intermediate circuit three-phase inverter and downstream LC output filter for generating a smoothed three-phase AC output voltage.
Fig. 2: Konvertersystem mit Anordnung je eines DC/DC-Tiefhochsetzstellers je Ausgangsphase, wobei jeder Phasenkonverter einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen Brückenzweig und eine zwischen den Brückenzweigen angeordnete, für Tief- und Hochsetzstellerbetrieb verwendete Phasenkonverterinduktivität aufweist.Fig. 2: Converter system with arrangement of a respective DC / DC Tiefhochstellstellers per output phase, each phase converter has an input side and an output side bridge branch and arranged between the bridge arms, used for buck and boost converter operation phase converter inductance.
Fig. 3: Zeitverlauf der bei Speisung einer Drehstrommaschine zu erzeugenden Phasenkonverterausgangsspannungen für (Fig. 3.1) zeitlich konstante Offsetverschiebung uoff des eigentlich zu erzeugenden Lastphasenspannungssystems in Höhe der Amplitude der Lastphasenspannung; (Fig. 3.2) bei konstanter Offsetverschiebung und zusätzlicher Überlagerung eines Wechselanteil des Offsetsignals mit dreifacher Ausgangsfrequenz und einer Phasenlage derart, dass der Maximalwert der Phasenkonverterausgangsspannungen minimiert wird; (Fig. 3.3) bei Offsetverschiebung des zu erzeugenden Lastphasenspannungssystems derart, dass für einenFig. 3: Time characteristic of the phase converter output voltages to be generated during feeding of a three-phase machine for (FIG. 3.1) time-constant offset shift uoff of the load-phase voltage system actually to be generated in the amount of the amplitude of the load phase voltage; (Figure 3.2) with a constant offset shift and additional superimposition of an alternating component of the offset signal with three times the output frequency and a phase position such that the maximum value of the phase converter output voltages is minimized; (Fig. 3.3) at offset displacement of the load phase voltage system to be generated such that for a
Phasenkonverterausgang über ein Drittel der Ausgangsperiode ein Sollwert gleich Null vorliegt, und dieser Konverter daher im Klemmzustand verbleiben kann.Phase converter output over one-third of the output period a setpoint equal to zero, and this converter can therefore remain in the clamped state.
Fig. 4: Ausführung der Phasenkonvertern mit quasi minimaler Komplexität, wobei die Ausgangsklemmen der Phasenkonverter negatives Potential zeigen, und weiters um einen einfachen Hochlauf des Systems zu ermöglichen ausgehend von den Ausgangsklemmen der Phasenkonverter Dioden gegen die Referenzspannungsschiene gelegt werden. Jeweils eine Diode parallel zu einem Ausgangskondensator kann einen parallelen Schalter aufweisen, dies ermöglicht analog zur Schaltung in Fig. 2 das Klemmen der Phase mit tiefster Spannung über ein Drittel der Periodendauer und somit Reduktion der Schalt-/Konverterverluste.Fig. 4: execution of the phase converters with virtually minimal complexity, the output terminals of the phase converter show negative potential, and further to allow a simple run-up of the system, starting from the output terminals of the phase converter diodes are placed against the reference voltage rail. In each case, a diode in parallel with an output capacitor may have a parallel switch, this analogous to the circuit in Fig. 2 allows the clamping of the phase with the lowest voltage over one third of the period and thus reducing the switching / converter losses.
Fig. 5: Zeitverlauf der Sollwerte uout* der Phasenkonverterausgangsspannungen uout (wobei mit uout in zusammenfassender Weise die einzelnen Spannungen uan, ubn, ucn bezeichnet sind für die Konverterschaltungen nach Fig. 2, welche bei gegenüber der DC-Eingangsspannung Uin kleiner Amplitude UMpk der Sollwerte der Lastphasenspannungen uM* Einsatz finden kann, um eine Minimierung der schaltfrequenten Schwankung des Stromes in der Phasenkonverterinduktivität zu erreichen (siehe Fig. 5.1). In Fig. 5.2 ist der Zeitverlauf zugehörig der Konverterschaltung nach Fig. 4 dargestellt, welcher alternativ zu Fig. 5.1 auch für die Konverterschaltung nach Fig. 2 Einsatz finden kann. 2uMpk,max bezeichnet den bei maximaler Lastphasenspannungsamplitude auftretenden Maximalwert der Phasenkonverterausgangsspannungen uout; die zugehörigen Zeitverläufe von uout sind jeweils strichliert dargestellt.Fig. 5: Time characteristic of the setpoint values uout * of the phase converter output voltages uout (uout in summary the individual voltages uan, ubn, ucn are designated for the converter circuits of Fig. 2, which with respect to the DC input voltage Uin small amplitude UMpk the setpoints the load phase voltages uM * can be used to achieve a minimization of the switching-frequency fluctuation of the current in the phase converter inductance (see Fig. 5.1) .Figure 5.2 shows the time characteristic associated with the converter circuit according to Fig. 4, which alternative to Fig. 5.1 2uMpk, max denotes the maximum value of the phase converter output voltages uout occurring at the maximum load phase voltage amplitude, and the associated time profiles of uout are shown in dashed lines in each case.
Fig. 6: Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen der Phasenkonverter um einen vorgegebenen Verlauf uM* der Lastphasenspannungen uM einzustellen, wie dies für USV Systeme oder bei der Speisung drehzahlvariabler Drehstrommaschinen benötigt wird. Die Regelung weist für jede Phase gleiche Struktur und ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für eine Phase dargestellt.Fig. 6: Device for controlling the output voltages of the phase converter to set a predetermined curve uM * the load phase voltages uM, as required for UPS systems or in the supply of variable speed three-phase machines. The regulation has the same structure for each phase and is shown for the sake of clarity only for one phase.
Fig. 7: Vorrichtung zur Regelung der im Zusammenwirken aller Phasenkonverter gebildeten DC-Ausgangsspannung bei Einsatz des Konvertersystems als Dreiphasenpulsgleichrichterschaltung, wobei durch eine unterlagerte Regelung ein sinusförmiger Verlauf der Netzphasenströme, jeweils in Phase mit der zugehörigen Netzphasenspannung sichergestellt wird. Die Regelung weist für jede Phase gleiche Struktur und ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für eine Phase dargestellt.7 shows a device for regulating the DC output voltage formed in the interaction of all the phase converters when the converter system is used as a three-phase pulse rectifier circuit, whereby a subordinate control ensures a sinusoidal profile of the network phase currents, in each case in phase with the associated mains phase voltage. The regulation has the same structure for each phase and is shown for the sake of clarity only for one phase.
Fig. 8: Modifikation eines Teiles der Regelvorrichtungen nach Fig. 6 und Fig. 7.8: Modification of a part of the control devices according to FIG. 6 and FIG. 7.
Fig. 9: Alternative Ausführung eines Teiles der Regelschaltung nach Fig. 6 bis Fig. 8.9 shows an alternative embodiment of a part of the control circuit according to FIG. 6 to FIG. 8.
[0025] Jeder Phasenkonverter des Systems (siehe Fig. 2) weist einen zwischen der positiven DC-Eingangsspannungs-schiene 1 und der negativen DC-Eingangsspannungsschiene 2 liegenden eingangsseitigen Brückenzweig 3a, 3b, 3c auf, welcher durch Serienschaltung eines oberen, typischerweise kollektor- oder drainseitig mit der positiven DC-Eingangsspannungsschiene verbundenen und eines unteren, typischerweise emitter- oder sourceseitig mit der negativen DC-Eingangsspannungsschiene verbundenen Schalter, allgemein einem Leistungstransistor realisiert wird, wobei zu beiden Transistoren eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist und der beiden Transistoren gemeinsame Schaltungspunkt (Verbindung des Emitter- oder Sourceanschlusses des oberen und des Kollektor- oder Drainanschlusses des unteren Transistors) den Brückenzweigausgang 4a, 4b, 4c bildet, von welchem eine Phasenkonverterinduktivität La, Lb, Lc abzweigt, welche mit ihrem zweiten Ende an den Eingang 5a, 5b, 5c eines weiteren ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c gelegt ist, wobei der Sourceanschluss des unteren Schalters respektive Transistors dieses Brückenzweiges mit einer Referenzspannungsschiene n und der Drainanschluss des oberen Transistors dieses Brückenzweiges mit der zugeordneten Ausgangsphasenklemme a, b, c verbunden ist, wobei zur Sicherstellung eines glatten Verlaufes der Ausgangsphasenspannung zwischen der Ausgangsphasenklemme und der Referenzspannungsschiene eine Glättungskapazität Ca, Cb, Cc gelegt ist. Die für alle Phasenkonverter gemeinsame Referenzspannungsschiene n ist schliesslich mit der negativen Schiene 2 der DC-Eingangsspannung verbunden, womit jeder Phasenkonverter die Struktur eines Tiefhochsetz-steller-DC/DC-Konverters und das gesamte dreiphasige DC/AC-Konvertersystem vorteilhaft nur drei Induktivitäten La, Lb, Lc aufweist.Each phase converter of the system (see Fig. 2) has a lying between the positive DC input voltage rail 1 and the negative DC input voltage rail 2 input side bridge branch 3a, 3b, 3c, which by series connection of an upper, typically collector or drain side connected to the positive DC input voltage rail and a lower, typically emitter or source side connected to the negative DC input voltage rail switch, generally a power transistor is realized, to both transistors, a freewheeling diode is connected in anti-parallel and the two transistors common circuit point (connection the emitter or source terminal of the upper and the collector or drain terminal of the lower transistor) forms the bridge branch output 4a, 4b, 4c, from which a phase converter inductance La, Lb, Lc branches off, which with its second end to the input 5a, 5b, 5c another exit side bridge arms 6a, 6b, 6c is set, wherein the source terminal of the lower switch or transistor of this bridge branch with a reference voltage rail n and the drain terminal of the upper transistor of this bridge branch with the associated output phase terminal a, b, c is connected, wherein to ensure a smooth course the output phase voltage between the output phase terminal and the reference voltage rail, a smoothing capacitance Ca, Cb, Cc is set. The reference voltage rail n common to all phase converters is finally connected to the negative rail 2 of the DC input voltage, whereby each phase converter advantageously has the structure of a low-boost converter DC / DC converter and the entire three-phase DC / AC converter system advantageously only three inductors La, Lb, Lc.
[0026] Eine Dreiphasenlast wird mit ihren Phasenklemmen an die Ausgangsphasenklemmen a, b, c der drei Phasenkonverter geschaltet und weist einen freien Sternpunkt auf, sodass nur die verketteten Phasenkonverterausgangsspannungen (Lastaussenleiterspannungen), definiert als Differenz von jeweils zwei Phasenkonverterausgangsspannungen bzw. die von einer Lastphasenklemme gegen einen Laststernpunkt gemessenen Lastphasenspannung die Bildung der Lastphasenströme bestimmt.A three-phase load is connected with its phase terminals to the output phase terminals a, b, c of the three phase converter and has a free neutral point, so that only the concatenated phase converter output voltages (Lastaussenleiterspannungen), defined as the difference of two phase converter output voltages or from a load phase terminal determined against a Laststernpunkt measured load phase voltage, the formation of the load phase currents.
[0027] Die Phasenkonverterausgangsspannungen werden derart erzeugt, dass die Sollwerte der typischerweise mit Ausgangsfrequenz sinusförmig verlaufenden und ein symmetrisches Dreiphasensystem bildenden Lastphasenspannungen u_an, u_bn, u_cn mittels eines im einfachsten Fall zeitlich konstanten Offsets u_off derart zu positiven Werten verschoben werden (siehe Fig. 3.1), dass jede Phasenausgangsspannung einen unipolaren Verlauf, d.h. nur positive Werte bzw. minimal den Wert Null zeigt. Wie oben erwähnt, wird dieser Offset in den Lastaussenleiterspannungen nicht wirksam und bleibt damit ohne Einfluss auf die Strombildung der Last. In Ausführungsformen kann zu diesem konstanten Offset ein weiterer Offset- mit dreifacher Ausgangsfrequenz und einer Amplitude und Phase derart addiert werden, dass die Unipo-larität der Ausgangsphasenspannungen mit einem Minimalwert des konstanten Offsets sichergestellt ist, womit die Spannungsbelastung der Transistoren der ausgangsseitigen Brückenzweige 6a, 6b, 6c der Phasenkonverter bei definierter zu erzeugender Lastphasenspannungsamplitude minimiert werden kann (siehe Fig. 3.2).The phase converter output voltages are generated in such a way that the nominal values of the load phase voltages u_an, u_bn, u_cn, which typically have an output frequency sinusoidal and form a symmetrical three-phase system, are shifted to positive values by means of a temporally constant offset u_off in the simplest case (see FIG. 3.1). in that each phase output voltage is unipolar, ie only positive values or minimal shows the value zero. As mentioned above, this offset does not become effective in the load output voltages, and thus does not affect the current generation of the load. In embodiments, at this constant offset, another offset having three times the output frequency and an amplitude and phase may be added such that the unipolarity of the output phase voltages is ensured with a minimum value of the constant offset, whereby the voltage loading of the transistors of the output side bridge branches 6a, 6b , 6c the phase converter can be minimized at a defined load phase voltage amplitude to be generated (see Fig. 3.2).
[0028] Bezüglich der Taktung der ein- und ausgangsseitigen Brückenzweige 6a, 6b, 6c der Phasenkonverter ist anzumerken, dass in Bereichen, in welchen eine über der DC-Eingangsspannung liegende Phasenkonverterausgangsspannung erzeugt werden muss, der obere Schalter respektive Leistungstransistor des eingangsseitigen Brückenzweiges 3a, 3b, 3c eines Phasenkonverters durchgeschaltet verbleiben kann, und nur der ausgangsseitige Brückenzweig 6a, 6b, 6c getaktet wird. Die Spannungsübersetzung des Konverters entspricht dann für Leistungsfluss von der DC-Eingangsspannung zur Phasenkonverterausgangsspannung jener eines Hochsetzstellers, wobei die Phasenkonverterinduktivität La, Lb, Lc als Hochsetzstellerinduktivität, der untere Leistungstransistor des ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c als Hochsetzstellertransistor und die antiparallele Diode des oberen Leistungstransistors als Hochsetzstellerfreilaufdiode wirkt, wobei in Ausführungsformen stets auch der obere Leistungstransistor durchgeschaltet wird, d.h. die Leistungstransistoren des ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c im Gegentakt betrieben werden. Da zu allen Leistungstransistoren antiparallele Dioden angeordnet sind, kann dann auch ein Leistungsfluss von der Phasenkonverterausgangsspannung in die DC-Eingangsspannung erfolgen, wobei die Funktion des Phasenkonverters in diesem Fall der eines zwischen Phasenkonverterausgangsspannung und DC-Eingangsspannung liegenden Tiefsetzstellers entspricht.With regard to the timing of the input and output side bridge branches 6a, 6b, 6c of the phase converter is to be noted that in areas in which a lying above the DC input voltage phase converter output voltage must be generated, the upper switch or power transistor of the input-side bridge branch 3a, 3b, 3c of a phase converter can remain switched through, and only the output-side bridge branch 6a, 6b, 6c is clocked. The voltage ratio of the converter then corresponds to a step-up converter for power flow from the DC input voltage to the phase converter output voltage, the phase converter inductance La, Lb, Lc as boost converter inductance, the lower power transistor of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c as boost converter transistor and the antiparallel diode of the upper power transistor acts as a boost converter freewheeling diode, wherein in embodiments always the upper power transistor is turned on, ie the power transistors of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c are operated in push-pull. Since antiparallel diodes are arranged to all power transistors, then a power flow from the phase converter output voltage to the DC input voltage can then take place, the function of the phase converter in this case corresponds to a lying between phase converter output voltage and DC input voltage buck converter.
[0029] In Bereichen, in welchen eine unterhalb der DC-Eingangsspannung liegende Phasenkonverterausgangsspannung erzeugt werden muss, verbleibt in Ausführungsformen der obere Leistungstransistor des ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c des Phasenkonverters durchgeschaltet, und die Taktung wird auf den eingangsseitigen Brückenzweig 3a, 3b, 3c beschränkt. Die Spannungsübersetzung des Konverters entspricht dann für Leistungsfluss von der DC-Eingangs-spannung zur Phasenkonverterausgangsspannung jener eines Tiefsetzstellers, wobei die Phasenkonverterinduktivität als Tiefsetzstellerinduktivität, der obere Leistungstransistor des eingangsseitigen Brückenzweiges 3a, 3b, 3c als Tiefsetzstellertransistor und die zum unteren Leistungstransistor antiparallel liegende Diode als Tiefsetzstellerfreilaufdiode wirkt, wobei in Ausführungsformen stets auch der untere Leistungstransistor durchgeschaltet, d.h. die Leistungstransistoren des eingangsseitigen Brückenzweiges 3a, 3b, 3c im Gegentakt betrieben werden. Da zu allen Leistungstransistoren antiparallele Dioden angeordnet sind, kann dann auch ein Leistungsfluss von der Phasenkonverterausgangsspannung in die DC-Eingangsspannung erfolgen, wobei die Funktion des Phasenkonverters in diesem Fall der eines zwischen Phasenkonverterausgangsspannung und DC-Eingangsspannung liegenden Hochsetzstellers entspricht.In regions in which a phase converter output voltage lying below the DC input voltage has to be generated, in embodiments the upper power transistor of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c of the phase converter remains switched through, and the timing is applied to the input-side bridge branch 3a, 3b, 3c limited. The voltage ratio of the converter then corresponds to a step down converter for power flow from the DC input voltage to the phase converter output voltage, the phase converter inductance as buck converter inductance, the upper power transistor of the input side bridge branch 3a, 3b, 3c as buck converter transistor and the lower power transistor antiparallel diode as buck converter flywheel diode acts, in embodiments always switched through the lower power transistor, ie the power transistors of the input-side bridge branch 3a, 3b, 3c are operated in push-pull. Since antiparallel diodes are arranged to all power transistors, then a power flow from the phase converter output voltage to the DC input voltage can then take place, wherein the function of the phase converter in this case corresponds to a lying between phase converter output voltage and DC input voltage boost converter.
[0030] Hinsichtlich der Taktung aller Phasenkonverter sei darauf hingewiesen, dass in Ausführungsformen für alle Phasenkonverter dieselbe Taktfrequenz gewählt wird und eine Synchronisation der Taktung der Konverter derart erfolgt, dass der in den Phasenkonverterausgangsspannungen enthaltene Gegentaktspannungsanteil, welcher zu schaltfrequenten Ströme und damit ggf. zu Hochfrequenzverlusten in der angeschlossenen Dreiphasenlast führt, minimiert wird, d.h. schaltfrequente Änderungen der Phasenkonverterausgangsspannungen vor allem als Gleichtaktkomponenten gebildet werden, welche für alle Phasenausgänge eine gleichartige Spannungsverschiebung gegenüber der Referenzspannungsschiene bewirken.With regard to the timing of all phase converter should be noted that in embodiments for all phase converter the same clock frequency is selected and a synchronization of the timing of the converter is such that the phase converter output voltages contained in the push-pull voltage component, which to switching-frequency currents and thus possibly to high-frequency losses in the connected three-phase load is minimized, ie switching frequency changes of the phase converter output voltages are mainly formed as common mode components, which cause a similar voltage shift relative to the reference voltage rail for all phase outputs.
[0031] Für Verbraucher, welche insbesondere gegenüber hochfrequenten Gleichtaktverschiebungen sensitiv sind, kann andererseits eine Synchronisierung der wieder mit gleicher Taktfrequenz arbeitenden Phasenkonverter derart vorgenommen werden, dass die schaltfrequenten Gleichtaktspannungen minimiert werden, wobei dann allerdings eine höhere Gegentaktkomponente der Phasenkonverterausgangspannungen in Kauf zu nehmen ist.For consumers, which are particularly sensitive to high-frequency common mode shifts, on the other hand, a synchronization of working again with the same clock frequency phase converter can be made such that the switching frequency common mode voltages are minimized, in which case, however, a higher push-pull component of the phase converter output voltages is to be accepted.
[0032] Ein zu Fig. 3.1 und Fig. 3.2 alternativer Verlauf des Offsets ist derart definiert, dass für den Phasenkonverter, dessen zugeordnete Lastphasenspannung den höchsten negativen Wert aufweist, ein Ausgangsphasenspannungssollwert gleich Null resultiert (siehe Fig. 3.3), womit dieser Phasenkonverter nicht getaktet werden muss, bzw. die zugehörige Ausgangsphasenklemme an die Referenzspannungsschiene geklemmt verbleiben kann, was für die oben beschriebene Phasenkonvertertopologie (siehe Fig. 2) einfach durch gleichzeitiges Durchschalten des oberen und des unteren Leistungstransistors des ausgangsseitigen Brückenzweiges 6a, 6b, 6c erreicht werden kann. Vorteilhaft ist dann auch der untere Leistungstransistor des eingangsseitigen Brückenzweiges 3a, 3b, 3c durchzuschalten. Der Verlauf der Ausgangsspannungssollwerte der beiden anderen Phasenkonverter wird dann direkt durch die gegenüber der geklemmten Phase zu erzeugenden und durch Subtraktion von jeweils zwei Lastphasenspannungssollwerten zu bildenden Ausschnitte der Sollwerte der Lastaussenleiterspannungen definiert, sodass insgesamt wieder ein sinusförmiger Verlauf aller drei Lastaussenleiterspannungen erreicht wird. Da die Klemmung zyklisch zwischen den Phasen weitergereicht wird, bleibt jede Phase bei Erzeugung eines sinusförmigen symmetrischen Lastphasenspannungssystems für ein Drittel der Lastphasenspannungsperiode geklemmt und somit ohne Schaltverluste, womit eine Erhöhung der Effizienz der Energieübertragung erreicht wird.An alternative course to FIG. 3.1 and FIG. 3.2 is defined such that for the phase converter whose associated load phase voltage has the highest negative value, an output phase voltage setpoint equal to zero results (see FIG. 3.3), whereby this phase converter does not must be clocked, or the associated output phase terminal may remain clamped to the reference voltage rail, which for the above-described phase converter topology (see Fig. 2) can be achieved by simultaneously switching through the upper and lower power transistor of the output side bridge branch 6a, 6b, 6c. Advantageously, then the lower power transistor of the input-side bridge branch 3a, 3b, 3c durchzuschalten. The course of the output voltage setpoint values of the two other phase converters is then defined directly by the sections of the setpoint values of the load outer conductor voltages to be generated in relation to the clamped phase and formed by subtracting two load phase voltage setpoint values, so that a total sinusoidal profile of all three load external conductor voltages is again achieved. Since the clamping is passed cyclically between the phases, each phase remains clamped for a third of the load phase voltage period when generating a sinusoidal balanced load phase voltage system and thus without switching losses, thus increasing the efficiency of energy transfer is achieved.
[0033] Hinsichtlich der Realisierung der Phasenkonverter ist anzumerken, dass neben der vorstehend beschriebenen Ausführung eine Reihe vorteilhafter Modifikationen bestehen: [0034] So kann in Ausführungsformen der ein- und/oder ausgangsseitige Brückenzweig vorteilhaft in Multilevelstruktur, also z.B. als Flying Capacitor Multilevelbrückenzweig ausgeführt werden, womit für die Einstellung der Spannungsübersetzung zwischen DC-Eingangsspannung und Phasenkonverterausgangsspannung eine höhere Zahl von Spannungsniveaus zur Verfügung steht, womit ein geringerer schaltfrequenter Rippei der Ströme in den Phaseninduktivitäten auftritt.With regard to the realization of the phase converters, it should be noted that in addition to the embodiment described above there are a number of advantageous modifications: In embodiments, the input and / or output side bridge branch can advantageously be designed in a multi-level structure, e.g. be performed as Flying Capacitor Multilevelbrückenzweig, whereby for the adjustment of the voltage ratio between DC input voltage and phase converter output voltage, a higher number of voltage levels is available, whereby a lower switching frequency Rippei the currents in the phase inductances occurs.
[0035] Weiters können in Ausführungsformen die Phasenkonverter durch mehrere parallele, phasenversetzt getaktete Systeme realisiert werden, womit der in die Ausgangskapazität gespeiste und der aus der DC-Eingangsspannung bezogene Strom verglichen mit einem Einzelsystem vorteilhaft eine höhere effektive Frequenz und eine kleinere Schwankung aufweist.Furthermore, in embodiments, the phase converters can be realized by a plurality of parallel, out of phase clocked systems, whereby the power fed into the output capacitance and the current drawn from the DC input voltage compared with a single system advantageously has a higher effective frequency and a smaller variation.
[0036] Ein Konvertersystem in Ausführungsformen mit Phasenkonvertern von relativ geringer Komplexität ist in Fig. 4 gezeigt, wobei in jeder Phase zur Realisierung des bidirektionalen DC/DC-Tiefhochsetzstellers nur ein Brückenzweig zwischen der positiven Klemme der DC-Eingangsspannung und der zugehörigen Ausgangs- bzw. Lastphasenklemme angeordnet ist und die zugehörige Phasenkonverterinduktivität vom Mittelpunkt des Brückenzweiges gegen die Referenzspannungsschiene geschaltet ist. Funktionsbedingt weist dann die Referenzspannungsschiene positives Potential auf bzw. zeigen die Ausgangsklemmen der Phasenkonverter negatives Potential, was bei der Vorgabe der Sollwerte der Ausgangsphasenspannungen zu berücksichtigen ist (es wird also die Spannungszählung ausgehend von der Referenzspannungsschiene gegen die Phasenklemmen vorgenommen).A converter system in embodiments with phase converters of relatively low complexity is shown in Fig. 4, wherein in each phase for the realization of the bidirectional DC / DC Tiefhochstellstellers only a bridge branch between the positive terminal of the DC input voltage and the associated output or Load phase terminal is arranged and the associated phase converter inductance is connected from the center of the bridge branch to the reference voltage rail. Depending on the function, the reference voltage rail then has positive potential or the output terminals of the phase converter exhibit negative potential, which must be taken into account when specifying the setpoint values of the output phase voltages (ie, the voltage count is made against the phase terminals starting from the reference voltage rail).
[0037] Um einen einfachen Hochlauf des Systems zu ermöglichen können in Ausführungsformen weiters ausgehend von den Ausgangsklemmen der Phasenkonverter Dioden gegen die Referenzspannungsschiene gelegt werden. Entsprechend einer Klemmschaltung wird dann bei Vorliegen einer aktiven Dreiphasenlast oder bei Anschluss eines Dreiphasennetzes anstelle einer Dreiphasenlast eine Polaritätsumkehr der Phasenkonverterausgangsspannungen unterbunden und in einem breiten Intervall der Ausgangsperiode ohne Taktung der Leistungstransistoren eine positive Ausgangsspannung sichergestellt, welche für den Hochlauf des Systems genutzt werden kann. Zusätzlich zur jeder Ausgangsdiode kann auch noch jeweils ein Schalter parallelgeschaltet werden, bzw. die Ausgangsdiode durch einen Schalter mit antiparalleler Ausgangsdiode ersetzt werden. Somit kann wie für die Schaltung nach Fig. 2 die Phase mit der tiefsten Spannung jeweils über ein Drittel der Periode geklemmt werden (keine Schaltverluste für diese Phase) und somit die Konvertereffizienz gesteigert werden.In order to enable a simple run-up of the system can be placed in embodiments, further starting from the output terminals of the phase converter diodes against the reference voltage rail. Corresponding to a clamp circuit, in the presence of an active three-phase load or when connecting a three-phase network instead of a three-phase load, a polarity reversal of the phase converter output voltages is inhibited and a positive output voltage is ensured in a wide interval of the output period without clocking the power transistors, which can be used for booting up the system. In addition to each output diode, a switch can also be connected in parallel in each case, or the output diode can be replaced by a switch with antiparallel output diode. Thus, as for the circuit of FIG. 2, the phase with the lowest voltage can be clamped over one third of the period (no switching losses for this phase) and thus the converter efficiency can be increased.
[0038] Anzumerken ist, dass für Phasenkonverter mit einem ein- und ausgangsseitigen Brückenzweig (siehe Fig. 2) die Freilaufdioden des ausgangsseitigen Brückenzweiges während des Hochlaufs als Klemmdioden wirken und daher keine expliziten weiteren Dioden vorzusehen sind.It should be noted that for phase converter with an input and output side bridge branch (see Fig. 2), the freewheeling diodes of the output side bridge branch act as clamping diodes during startup and therefore no explicit further diodes are provided.
[0039] Für Einsatz des Systems nach Fig. 2 oder Fig. 4 für die Speisung einer an den Ausgangsphasenklemmen liegenden Drehstrommaschine (Last) sind abhängig von der Drehzahl der Maschine verschiedene Amplituden der Lastphasenspannung bzw. verschiedene Amplituden der zugeordneten Phasenkonverterausgangsspannungen zu erzeugen, wobei typischerweise bei höchster Drehzahl die höchsten Amplitudenwerte auftreten, für welche die Leistungshalbleiter des ausgangsseitigen Brückenzweiges auszulegen sind.For use of the system of FIG. 2 or FIG. 4 for feeding a three-phase machine (load) located at the output phase terminals, different amplitudes of the load phase voltage or different amplitudes of the associated phase converter output voltages are to be generated depending on the speed of the machine, typically At highest speed, the highest amplitude values occur, for which the power semiconductors of the output-side bridge branch are to be designed.
[0040] Vorteilhaft kann nun für die Schaltung nach Fig. 2 bei tiefen Drehzahlen, bzw. relativ kleinen Amplituden der Phasenkonverterausgangsspannungen der konstante Offset so gross gewählt werden, dass einerseits die, durch die zu erzeugenden Lastphasenspannungen bedingte Schwankung der Phasenkonverterausgangsspannungen symmetrisch um das Niveau der DC-Eingangsspannung zu liegen kommt, und andererseits die der maximalen Drehzahl zugeordnete zweifache maximale Amplitude der Lastphasenspannung nicht überschritten wird, wobei dies durch entsprechendes Absenken des Offsets bei hohen Amplituden der Lastphasenspannungen erreicht wird. Wie in Fig. 5.1 gezeigt, weisen die Sollwerte der Phasenkonverterausgangspannungen dann typischerweise Minimalwerte deutlich grösser als Null auf und die Ströme in den Phasenkonverterinduktivitäten zeigen einen relativ geringen Rippei, da dann der ein- und der ausgangsseitige Brückenzweig abwechselnd mit Tastverhältnissen nahe Eins arbeiten (d.h. die jeweils oberen Leistungstransistoren nahezu beständig durchgeschaltet sind) was bekanntermassen in einer geringen schaltfrequenten Schwankung des Stromes in der Phasenkonverterinduktivität resultiert, was wiederum in niedrigen Hochfrequenzverlusten Ausdruck findet. Auch unter Berücksichtigung der dann aufgrund der höheren geschalteten Phasenkonverterausgangsspannung höheren Schaltverluste des ausgangsseitigen Brückenzweiges ist somit eine Verbesserung der Effizienz der Energieübertragung erreichbar.Advantageously, for the circuit of Fig. 2 at low speeds, or relatively small amplitudes of the phase converter output voltages, the constant offset can be chosen so large that on the one hand, caused by the load phase voltages to be generated fluctuation of the phase converter output voltages symmetrically about the level of DC input voltage comes to rest, and on the other hand, the maximum speed associated with twice maximum amplitude of the load phase voltage is not exceeded, this being achieved by lowering the offset correspondingly at high amplitudes of the load phase voltages. As shown in Fig. 5.1, the setpoint values of the phase converter output voltages then typically have minimum values significantly greater than zero, and the currents in the phase converter inductors exhibit a relatively low ripple, since then the input and output side bridge branches operate alternately at duty ratios close to one (ie each upper power transistors are almost constantly through-connected), which is known to result in a low switching-frequency fluctuation of the current in the phase converter, which in turn finds expression in low high-frequency losses. Even taking into account the then due to the higher switched phase converter output voltage higher switching losses of the output side bridge branch thus an improvement in the efficiency of energy transfer can be achieved.
[0041] Für die Schaltung nach Fig. 4 sind die Phasenkonverterausgangsphasenspannungen im Gegensatz zu Fig. 5.1 stets möglichst tief, d.h. der konstante Offset unabhängig von der Amplitude der Lastphasenspannung bzw. Maschinendrehzahl möglichst klein zu halten, also nur so gross zu wählen, dass als minimaler Spannungswert Null auftritt (siehe Fig. 5.2). Dies deshalb, da dann die oberen Leistungstransistoren der eingangsseitigen Brückenzweige der Phasenkonverter geringe relative Einschaltdauern aufweisen, was wieder in einer geringen Schwankung der Ströme in den Phasenkonverterinduktivitäten resultiert.For the circuit of Fig. 4, in contrast to Fig. 5.1, the phase converter output phase voltages are always as low as possible, i. The constant offset regardless of the amplitude of the load phase voltage or machine speed to keep as small as possible, so only to choose so large that zero occurs as a minimum voltage value (see Fig. 5.2). This is because then the upper power transistors of the input side bridge branches of the phase converters have low duty cycles, again resulting in a small variation in the currents in the phase converter inductors.
[0042] Eine kaskadierte Regelung des dreiphasigen Konvertersystems nach Fig. 2 ist in Fig. 6 gezeigt. Die Regelschaltung ist für jede Phase gleichartig und im der Sinne der Übersichtlichkeit nur für eine Phase gezeigt. Spannungen werden, wie eingetragen gegenüber der Referenzspannungsschiene n bzw. der negativen Schiene DC- der DC-Eingangsspannung Uin gemessen.A cascaded control of the three-phase converter system of Fig. 2 is shown in Fig. 6. The control circuit is similar for each phase and shown in the interest of clarity only for one phase. Voltages are measured as registered with respect to the reference voltage rail n or the negative rail DC- of the DC input voltage Uin.
[0043] Der Sollwert einer Phasenkonverterausgangsspannung uout* wird durch Addition des typischerweise sinusförmig verlaufenden Sollwertes uM* der zugehörigen Lastphasenspannung uM einer gespeisten Dreiphasenlast (z.B. einer elektrischen Maschine M) und des für alle Phasen gleichen Sollwert uoff* des Offsets uoff gebildet, welcher typischerweise durch Addition eines über die Ausgangsperiode konstanten Anteils uoffDC* und eines mit dreifacher Ausgangsfrequenz schwankenden Anteils uoffAC* erzeugt wird. Vorteilhaft wird der Zeitverlauf von uoff* derart gewählt, dass uout* für ein vor gegebenes zu erzeugendes Lastphasenspannungssystems uM* auf möglichst tiefe Werte beschränkt bleibt, wodurch auch die Sperrspannungsbeanspruchung und die Schaltverluste der ausgangsseitigen Brückenzweige BB der Phasenkonverter minimiert werden. Dies schliesst eine Vorgabe von uoff* derart ein, dass jeweils ein Phasenkonverter über ein Drittel der Ausgangsperiode im geklemmten Zustand vorbleibt, d.h. uout* entsprechend breite Intervalle mit uout* = 0 aufweist.The setpoint of a phase converter output voltage uout * is formed by adding the typically sinusoidal setpoint value uM * of the associated load phase voltage uM a fed three-phase load (eg an electric machine M) and the same for all phases setpoint uoff * of the offset uoff, which typically by Addition of a constant portion over the output period uoffDC * and a three times the output frequency fluctuating portion uoffAC * is generated. Advantageously, the time course of uoff * is chosen such that uout * remains limited to the lowest possible values for a given prior to generating load phase voltage system uM *, whereby the reverse voltage stress and the switching losses of the output side bridge branches BB of the phase converter are minimized. This includes a default of uoff * such that one phase converter each remains in the clamped state for one-third of the output period, i. uout * has correspondingly broad intervals with uout * = 0.
[0044] Der Phasenkonverterausgangsspannungssollwert uout* wird mit dem gemessenen Istwert der Phasenkonverter-ausgangsspannung verglichen und die Regelabweichung Deltauout einem Phasenkonverterausgangsspannungsregler Ruout zugeführt, an dessen Ausgangs der zur Korrektur von Deltauout erforderliche Ausgangskondensatorsstromsollwert iCout* gebildet wird, welcher durch eine Vorsteuerung des gemessenen zugehörigen Lastphasenstromes iLoad den Ausgangsstrom i des ausgangsseitigen Brückenzweiges BB des Phasenkonverters bestimmt, der durch Division durch die relative Einschaltdauer dB des oberen Transistors T3 dieses Brückenzweiges in einen Sollwert iL* des Stromes iL in der Phasenkonverterinduktivität L umgerechnet werden kann. Durch Vergleich von iL* mit dem gemessenen Istwert iL wird anschliessend die Regelabweichung DeltaiL des Stromes in L gebildet und einem Phaseninduktivitätsstromregler RiL zugeführt, welcher an seinem Ausgang die zur Korrektur der Regelabweichung DeltaiL erforderliche Sollwert uL* der an L zu legenden Spannung bildet.The phase converter output voltage setpoint uout * is compared with the measured actual value of the phase converter output voltage and the deviation Deltauout fed to a phase converter output voltage regulator Ruout, at the output of the required to correct delta output output capacitor current setpoint iCout * is formed, which by pre-control of the measured associated load phase current iLoad determines the output current i of the output side bridge branch BB of the phase converter, which can be converted by dividing by the relative duty cycle dB of the upper transistor T3 of this bridge branch into a desired value iL * of the current iL in the phase converter inductance L. By comparing iL * with the measured actual value iL, the deviation DeltaiL of the current is then formed in L and fed to a phase inductance current regulator RiL, which at its output forms the desired value uL * of the voltage to be applied to L for correcting the deviation DeltaiL.
[0045] Ausgehend von der Annahme eines Betriebes mit kontinuierlich durchgeschaltetem oberen Transistor T3 des ausgangsseitigen Brückenzweiges BB, welcher durch das Auftreten von uout an der Eingangsklemme B von BB und damit auch am ausgangsseitigen Ende von L gekennzeichnet ist, ist dann der Sollwert uA* der an das eingangsseitige Ende A von L zu legenden bzw. am Ausgangs A des eingangsseitigen Brückenzweiges BA zu erzeugenden Spannung uA durch Addition von uL* und uout zu erhalten. Das Tastverhältnis dA, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors T1 von BA wird dann einfach im Sinne einer Tiefsetzstellerfunktion von BB durch Division von uA* und des Istwertes der DC-Eingangsspannung Vin erhalten.Starting from the assumption of an operation with continuously switched-through upper transistor T3 of the output side bridge branch BB, which is characterized by the occurrence of uout at the input terminal B of BB and thus also at the output end of L, then the setpoint uA * is the to be applied to the input-side end A of L or to be generated at the output A of the input-side bridge branch BA to be generated voltage uA by adding uL * and uout. The duty cycle dA, i. the duty ratio of the upper transistor T1 of BA is then simply obtained in the sense of a buck converter function of BB by dividing uA * and the actual value of the DC input voltage Vin.
[0046] Da dA auf Werte zwischen Null und Eins beschränkt ist, ist uA* entsprechend nach oben durch Uin und nach unten durch den Wert Null zu begrenzen. Vorteilhaft kann zufolge dieser Begrenzung auch die relative Einschaltdauer des Brückenzweiges BB einfach generiert werden, indem von uA* die gemessene DC-Eingangsspannung Uin subtrahiert wird. Die so erhaltene Differenz Delta uA* wird nach unten durch den Wert Null und nach oben durch uout begrenzt, was den physikalisch einstellbaren Grenzen von uA entspricht. Tritt nun ein positiver Wert DeltauA* auf, bedeutet dies letztlich, dass BB den über L für korrekte Stromregelung zu erzeugenden Spannungswert uL* auch bei Maximalaussteuerung von BA mit dA = I bzw. uA = Uin nicht erzeugen kann. Entsprechend darf dann der Eingang B von BB nicht weiter das Tastverhältnis dB = I aufweisen bzw. darf T3 nicht mehr wie oben angenommen dauerhaft im durchgeschalteten Zustand verbleiben. Der Eingang B ist also spannungsmässig um DeltauA* abzusenken, bzw. letztlich ein Sollwert uB* der an B zu erzeugenden Spannung gemäss einer Subtraktion des begrenzten Wertes von uA* von uout zu bilden, wobei das Tastverhältnis dB von BB dann mit Blick auf die Tiefsetzstellerfunktion von BB von uout nach uB durch Division von uB* durch uout zu erhalten.Since dA is limited to values between zero and one, uA * is to be limited correspondingly upwards by Uin and downwards by the value zero. Advantageously, according to this limitation, the relative duty cycle of the bridge branch BB can be easily generated by subtracting from uA * the measured DC input voltage Uin. The difference delta uA * thus obtained is limited downwards by the value zero and upwards by uout, which corresponds to the physically adjustable limits of uA. If a positive value DeltauA * now occurs, this ultimately means that BB can not generate the voltage value uL * to be generated via L for correct current regulation, even with maximum modulation of BA with dA = I or uA = Uin. Correspondingly, then, the input B of BB may not further have the duty ratio dB = I or T3 may no longer remain permanently in the through-connected state as assumed above. The input B is thus voltage-wise to lower DeltauA *, or ultimately a desired value uB * of the voltage to be generated at B according to a subtraction of the limited value of uA * of uout, the duty cycle dB of BB then with respect to the buck converter function from BB from uout to uB by dividing uB * by uout.
[0047] Für über uout* liegende Werte der DC-Eingangsspannung Uin wird dann das Konvertersystem vorwiegend im Tiefsetzstellerbetrieb, d.h. mit Taktung von BA arbeiten, BB wird mit dB = I bzw. T3 kontinuierlich eingeschaltet verbleiben. Einzig bei raschen transienten Änderungen von uout* oder iLoad wird vorübergehend eine Taktung von BB auftreten.For values of the DC input voltage Uin above uout *, the converter system is then predominantly in buck converter mode, i. work with BA timing, BB will remain on continuously with dB = I or T3. Only with rapid transient changes of uout * or iLoad will a temporary clocking of BB occur.
[0048] Allerdings beherrscht die Regelschaltung nach Fig. 6 auch den Betrieb für Spannungen Uin < uout, da die Aktivierung der Brückenzweige BA und BBja direkt vom Sollwert uL* und den Istwerten uout und Uin abgeleitet wird. Vorteilhaft ist die Regelschaltung daher unabhängig vom jeweiligen Verhältnis von Uin und uout* und auch für beide Leistungsflussrichtungen, d.h. für Speisung eines Motors M aus Uin oder Rückspeisung von Bremsenergie des Motors M in Uin einsetzbar.However, the control circuit according to FIG. 6 also controls the operation for voltages Uin <uout, since the activation of the bridge branches BA and BBja is derived directly from the desired value uL * and the actual values uout and Uin. Advantageously, the control circuit is therefore independent of the respective ratio of Uin and uout * and also for both power flow directions, i. for supplying a motor M Uin or feedback of braking energy of the motor M can be used in Uin.
[0049] Die Ansteuersignale der im Gegentakt betriebenen Brückenzweige BA und BB werden ausgehend von dA und dB durch entsprechende Pulsbreitenmodulation erhalten.The drive signals of the push-pull operated bridge arms BA and BB are obtained from dA and dB by appropriate pulse width modulation.
[0050] Wie eingangs erwähnt, kann die Konverterschaltung einerseits zur Speisung einer elektrischen Maschine M, andererseits aber auch als Dreiphasengleichrichtersystem mit vorteilhaft sinusförmigen Netzströmen iN und einer auf einen konstanten Wert geregelten DC-Ausgangsspannung Uout eingesetzt werden.As mentioned above, the converter circuit on the one hand for supplying an electric machine M, on the other hand, but also as a three-phase rectifier system with advantageously sinusoidal mains currents iN and a regulated to a constant value DC output voltage Uout can be used.
[0051] Wie in Fig. 7 gezeigt, sind dann unter weitestgehender Verwendung der in Verbindung mit Fig. 6 eingeführten Bezeichnungen die positiven Ausgänge der Phasenkonverter zu verbinden und an die positive Klemme DC+ eines für alle Phasen gemeinsamen Ausgangskondensators Cout zu legen, dessen negative Schiene DC- mit der Referenzspannungsschiene n, gegen die die eingangsseitigen Brückenzweige BA geschaltet sind, verbunden ist. Weiters werden die für Fig. 6 sämtlich an der positiven Klemme der DC-Eingangsspannung liegenden Eingänge der Brückenzweige BA der Phasenkonverter nun getrennt ausgeführt und über Phasenvorschaltinduktivitäten LN an die Klemmen aN,bN,cN des Dreiphasennetzes N geführt. Weiters wird in jedem Phasenkonverter ein Filterkondensator Cin parallel zum jeweiligen eingangsseitigen Brückenzweig BA von der jeweiligen Eingangsklemme a, b, c gegen die für alle Phasenkonverter gemeinsame Referenzspannungsschiene n geschaltet.As shown in Fig. 7, then, using as much as possible the designations introduced in connection with Fig. 6, the positive outputs of the phase converters are to be connected and connected to the positive terminal DC + of an output capacitor Cout common to all phases, its negative rail DC- with the reference voltage rail n, against which the input-side bridge branches BA are connected. Furthermore, the inputs of the bridge branches BA of the phase converters, which are all located at the positive terminal of the DC input voltage for FIG. 6, are now carried out separately and are conducted via phase connection inductances LN to the terminals aN, bN, cN of the three-phase network N. Furthermore, in each phase converter, a filter capacitor Cin is connected in parallel to the respective input-side bridge branch BA from the respective input terminal a, b, c against the common reference voltage rail n for all phase converters.
[0052] Für die Regelung von Vout wird die Differenz des DC-Ausgangsspannungssollwertes Uout* und des gemessenen Wertes uout gebildet und die Regelabweichung Deltauout einem für alle Phasenkonverter gemeinsamen Ausgangsspannungsregler Ruout zugeführt, der an seinem Ausgangs den für eine entsprechende Ladungsänderung von Cout erforderlichen Stromsollwert iCout* bildet, zu welchem vorteilhaft der Messwert iLoad des an einen DC-Verbraucher RLoad fliessenden Stromes addiert wird um den Sollwert iout* des von der Parallelschaltung der Phasenkonverter gesamt zu bildenden Ausgangsstromes iout (Summe der Ausgangsströme i der ausgangsseitigen Brückenzweige BB) zu erhalten. Durch Multiplikation mit Uout* wird dann ein Sollwert pout* der Konverterausgangsleistung erhalten und unter Annahme eines symmetrischen und sinusförmigen Verlaufes der Netzphasenspannungen uN durch Division durch das dreifache Quadrat der Amplitude UNpk einer Netzphasenspannung und Division durch 2, 3/2 UNpkA2, in den Sollwert eines Ersatzleitwertes G* der Phasenzweige einer Widerstandsersatzsternschaltung, welche durch das Konvertersystem für das Netz repräsentiert werden soll um ein ohmsches Netzverhalten sicherzustellen, umgerechnet. Durch Multiplikation von G* mit dem Messwert der zugeordneten Netzphasenspannung uN ist dann einfach der Sollwert iN* des vom jeweiligen Phasenkonverter zu beziehenden Netzphasenstromes iN zu erhalten, von welchem der Messwert iN des Netzphasenstromes subtrahiert wird um eine Regelabweichung DeltaiN zu erhalten, welche einem Netzstromregler RiN zugeführt wird, der an seinem Ausgang den Sollwert uLN* der über der zugehörigen Phasenvorschaltinduktivität LN zu erzeugenden Spannung uLN erzeugt, welcher von uN zu subtrahieren ist um den Sollwert uinY* der am Eingang des Phasenkonverters gegenüber dem Netzsternpunkt Y zu erzeugende Phasenspannung uinY zu erhalten, zu welchem ein Sollwert eines für alle Phasen gleichen Offsets, uoff, addiert wird um den Sollwert uin* der auf die Referenzspannungsschiene n bezogenen Phasenkonvertereingangsspannung uin zu erhalten. Der Offsetsollwert uoff* wird dabei typischerweise durch Addition eines über die Netzperiode konstanten Anteils uoffDC* und eines mit dreifacher Netzfrequenz schwankenden Anteils uoffAC* erzeugt und so gestaltet dass uin* für ein vorgegebenes Netzphasenspannungssystems uN auf möglichst tiefe Werte beschränkt bleibt, wodurch auch die Sperrspannungsbeanspruchung und die Schaltverluste der eingangsseitigen Brückenzweige der Phasenkonverter minimiert werden. Dies schliesst eine Vorgabe von uoff* derart ein, dass jeweils ein Phasenkonverter über ein Drittel der Ausgangsperiode im geklemmten Zustand verbleibt, wobei dann das zugeordnete uin* entsprechend breite Intervalle mit uout* = 0 aufweist.For the regulation of Vout, the difference between the DC output voltage setpoint Uout * and the measured value uout is formed and the control deviation Deltauout is fed to an output voltage regulator Ruout which is common to all phase converters and at its output the required current value iCout for a corresponding charge change of Cout * to which the measured value iLoad of the current flowing to a DC consumer RLoad is advantageously added in order to obtain the desired value iout * of the output current iout (total of the output currents i of the output-side bridge branches BB) to be formed in total by the parallel connection of the phase converters. By multiplying by Uout *, a nominal value pout * of the converter output power is then obtained and assuming a symmetric and sinusoidal characteristic of the mains phase voltages uN by dividing by the threefold square of the amplitude UNpk of a mains phase voltage and dividing by 2, 3/2 UNpkA2, into the nominal value of The equivalent conductance G * of the phase branches of a resistor replacement star connection, which is to be represented by the converter system for the network in order to ensure an ohmic network behavior, is converted. By multiplying G * by the measured value of the assigned mains phase voltage uN, it is then easy to obtain the desired value iN * of the line phase current iN to be obtained from the respective phase converter, from which the measured value iN of the mains phase current is subtracted in order to obtain a system deviation DeltaiN which corresponds to a line current controller RiN is supplied, which generates at its output the setpoint uLN * of the voltage to be generated over the associated Phasenvorschaltinduktivität LN uNN which is to be subtracted from uN to get the setpoint uinY * to be generated at the input of the phase converter relative to the Netzsternpunkt Y phase voltage uyY to which a setpoint value of a same offset for all phases, uoff, is added to obtain the setpoint value uin * of the phase converter input voltage uin related to the reference voltage rail n. The offset setpoint uoff * is typically generated by adding a constant component uoffDC * over the network period and a component uoffAC * fluctuating with three times the network frequency, and is designed such that uin * is limited to the lowest possible values uN * for a given mains phase voltage system, whereby the reverse voltage stress and the switching losses of the input side bridge branches of the phase converter can be minimized. This includes a specification of uoff * such that in each case a phase converter remains in the clamped state for one third of the output period, in which case the associated uin * has correspondingly broad intervals with uout * = 0.
[0053] Der Phasenkonvertereingangsspannungssollwert uin* wird dann mit dem gemessenen Istwert der Phasenkonvertereingangsspannung uin verglichen und die Regelabweichung Deltauin einem Phasenkonvertereingangsspannungsregler Ruin zugeführt, an dessen Ausgangs der zur Korrektur von Deltauin erforderliche Eingangskondensatorsstromsollwert iCin* gebildet wird, welcher vom Sollwertes iN* des zugehörigen Netzphasenstromes subtrahiert wird, um den Sollwert iin* der Eingangsstromes iin des eingangsseitigen Brückenzweiges BA des Phasenkonverters zu erhalten. Durch Division von iin* durch die relative Einschaltdauer dA des oberen Transistors von BA kann dann der Sollwert iL* des Stromes iL in der Phasenkonverterinduktivität L erhalten werden. Der Vergleich (Subtraktion) von iL* mit dem zugehörigen Messwert iL führt dann auf die Regelabweichung DeltaiL des Stromes in L welche einem Phaseninduktivitätsstromregler RiL zugeführt wird, der an seinem Ausgang den Sollwert uL* der zur Korrektur der Regelabweichung DeltaiL über L zu legenden Spannung uL bildet. Die übrige Regelschaltung zwischen iL* und den relativen Einschaltdauern dA und dB der Brückenzweige BA und BB ist gleich wie für die Schaltung nach Fig. 6, weshalb hier auf eine Beschreibung verzichtet werden kann.The phase converter input voltage setpoint uin * is then compared with the measured actual value of the phase converter input voltage uin and the control deviation Deltauin fed to a phase converter input voltage controller Ruin, at whose output required for the correction of delta input capacitor current setpoint iCin * is subtracted from the setpoint iN * of the associated network phase current to obtain the set value iin * of the input current iin of the input-side bridge branch BA of the phase converter. By dividing iin * by the duty ratio dA of the upper transistor of BA, the setpoint value iL * of the current iL in the phase converter inductance L can then be obtained. The comparison (subtraction) of iL * with the associated measured value iL then leads to the control deviation DeltaiL of the current in L which is supplied to a Phaseninduktivitätsstromregler RiL, at its output the setpoint uL * the voltage to be applied to correct the deviation DeltaiL L to be laid forms. The remaining control circuit between iL * and the relative turn-on durations dA and dB of the bridge branches BA and BB is the same as for the circuit of FIG. 6, for which reason a description can be omitted here.
[0054] Die Regelschaltung nach Fig. 6 und Fig. 7 geht von einem Tiefsetzstellerbetrieb des eingangsseitigen Brückenzweiges BA und einem durchgeschalteten Zustand des Transistors T3 des ausgangsseitigen Brückenzweiges BB als Regulärbetrieb aus, wobei jedoch auch der Fall einer über der Eingangsspannung liegenden Ausgangsspannung eines Phasenkonverters, d.h. der Hochsetzstellerbetrieb beherrscht wird.The control circuit of FIG. 6 and FIG. 7 assumes a buck converter operation of the input-side bridge branch BA and a through-connected state of the transistor T3 of the output side bridge branch BB as a regular operation, but also the case of a lying above the input voltage output voltage of a phase converter, ie the boost converter operation is mastered.
[0055] Alternativ kann auch der Hochsetzstellerbetrieb des Konverters, d.h. ein bleibender Durchschaltzustand von T1 und Taktung des Brückenzweiges BB als Regulärbetrieb angesehen werden, womit die in Fig. 8 gezeigte alternative Ausführung eines Teiles der Regelschaltungen nach Fig. 6 und Fig. 7 resultiert. Die übrigen Teile der Regelschaltungen bleiben unverändert. Die nachfolgende Beschreibung wird daher auf den zu ersetzenden Teil der bereits beschriebenen Vorrichtungen beschränkt.Alternatively, the boost converter operation of the converter, i. a steady state of T1 and clocking of the bridge branch BB are considered to be regular operation, thus resulting in the alternative embodiment shown in Fig. 8 of a part of the control circuits of Fig. 6 and Fig. 7. The remaining parts of the control circuits remain unchanged. The following description is therefore limited to the part of the already described devices to be replaced.
[0056] Für die Ermittlung der relativen Einschaltzeiten der Brückenzweige BA und BB wird der Sollwert uL* invertiert und dann diese physikalisch von der Ausgangsseite zur Eingangsseite gerichtete Spannung -uL* zur Eingangsspannung uin des Phasenkonverters addiert und so der am Eingang B von BB einzustellende Spannungssollwert uB* ermittelt. Nach Begrenzung auf uout nach oben und Null nach unten - es können ja nur zwischen Null und Eins liegende Tastverhältnisse dB eingestellt werden - wird dann das Tastverhältnis, d.h. die relative Einschaltdauer des oberen Transistors T3 von BB erhalten.For determining the relative turn-on of the bridge arms BA and BB, the setpoint uL * is inverted and then adds this physically-from the output side to the input side directed voltage -uL * to the input voltage uin the phase converter and so to be set at input B of BB voltage setpoint transmitted. After limiting to uout up and zero down - it is only possible to set dB between zero and one - so the duty cycle, i. obtained the duty cycle of the upper transistor T3 of BB.
[0057] Um die geforderte Spannung uL* auch dann einstellen zu können, wenn uB* den Wert uout übersteigt, wird weiters die Differenz Delta uB* von uB* und uout ermittelt und nach Begrenzung mit uin nach oben und Null nach unten von der Eingangsspannung uin subtrahiert. Dies folgt der Überlegung, dass zur Einstellung eines Sollwertes uL* welcher auf uB* = uout bzw. db = I führt, der Ausgang A des Brückenzweiges BA von der Eingangsspannung gelöst und durch entsprechende Taktung potentialmässig abgesenkt werden muss. Das dann einzustellende Tastverhältnis dA ist dann einfach durch Division von uA* durch uin zu erhalten.In order to be able to set the required voltage uL * even when uB * exceeds the value uout, the difference delta uB * of uB * and uout is furthermore determined and after limitation with uin up and zero down from the input voltage subtracted. This follows the consideration that to set a desired value uL * which leads to uB * = uout or db = I, the output A of the bridge branch BA must be released from the input voltage and lowered in potential by appropriate timing. The duty cycle dA to be set then can be obtained simply by dividing uA * by uin.
[0058] Für unterhalb von uout liegende Werte der Eingangsspannung uin wird dann das Konvertersystem vorwiegend im Hochsetzstellerbetrieb, d.h. mit Taktung von BB arbeiten, BA wird mit dA = I bzw. T1 kontinuierlich eingeschaltet verbleiben. Einzig bei raschen transienten Änderungen von uin* oder iLoad wird vorübergehend eine Taktung von BA auftreten. Allerdings beherrscht die Regelschaltung auch den Betrieb für Spannungen uin > uout, da die Aktivierung der Brückenzweige BB und BA ja direkt vom Sollwert uL* (und den Istwerten uin und uout) abgeleitet wird. Vorteilhaft ist die Regelschaltung daher unabhängig vom jeweiligen Verhältnis von uin und uout und auch für beide Leistungsflussrichtungen, d.h. für Speisung eines Motors M aus uin, oder für Realisierung eine Photovoltaikinverters zur Netzeinspeisung photovoltaisch erzeugter Leistung (uin stellt dann die Spannung des Solarpaneels dar) oder für die Rückspeisung von Bremsenergie eines Drehstrommotors M in die DC-Eingangsspannung uin, bzw. für den Betrieb der Vorrichtung als aktives Dreiphasengleichrichtersystem (Erzeugung einer DC-Ausgangsspannung uout) einsetzbar.For values of the input voltage u in which are below uout, then the converter system is operated predominantly in boost converter mode, i. work with BB timing, BA will remain on continuously with dA = I or T1. Only in case of rapid transient changes of uin * or iLoad will BA temporarily be clocked. However, the control circuit also controls the operation for voltages uin> uout, since the activation of the bridge branches BB and BA yes directly from the setpoint uL * (and the actual values uin and uout) is derived. Advantageously, the control circuit is therefore independent of the respective ratio of uin and uout and also for both power flow directions, i. for supply of a motor M from uin, or for realization of a photovoltaic inverter for feeding photovoltaic generated power (uin then represents the voltage of the solar panel) or for the recovery of braking energy of a three-phase motor M in the DC input voltage uin, or for the operation of the Device can be used as an active three-phase rectifier system (generation of a DC output voltage uout).
[0059] Eine alternative Ausführung eines Teiles der Regelschaltung nach Fig. 6, welche zur Berechnung der Tastverhältnisse dA und dB, im Gegensatz zu den beiden Regelungskonzepten nach Fig. 6 bis Fig. 8, beide Betriebsarten, d.h. Buck-und Boostbetrieb, gleich favorisiert, ist in Fig. 9 gezeigt. Einerseits wird für den Brückenzweig BA von einem Buckbetrieb ausgegangen, d.h. es wird angenommen, dass der Brückenzweig BA getaktet wird und andererseits wird für den Brückenzweig BB von einem Boostbetrieb ausgegangen, d.h. es wird angenommen, dass der Brückenzweig BB getaktet wird. Um die Sollspannung uA* des Brückenzweiges BA zu erhalten, wird der Sollwert uL* zur Ausgangsspannung uout addiert und aber nach oben auf uin und nach unten auf Null begrenzt. Umgekehrt wird für die Berechnung der Sollspannung uB* des Brückenzweiges BB der Sollwert uL* von der Eingangsspannung uin subtrahiert und aber nach oben auf uout und nach unten auf Null begrenzt. Durch diese gegenseitige Verrechnung der Ausgangsspannung uout in die Sollspannung uA* und der Eingangsspannung uin in die Sollspannung uB* und die entsprechende Begrenzung auf den möglichen Stellbereich, werden schliesslich die beiden Betriebsarten voneinander ausgeschlossen, d.h. der Konverter arbeitet trotz anfänglicher Betrachtung beider Betriebsarten schliesslich entweder im reinen Buck- oder reinen Boostbetrieb. Die einzustellenden Tastverhältnis dA und dB sind dann einfach durch Division von uA* durch uin bzw. uB* durch uout zu erhalten.An alternative embodiment of a part of the control circuit according to FIG. 6, which is used to calculate the duty cycles dA and dB, in contrast to the two control concepts according to FIGS. 6 to 8, both modes of operation, ie. Buck and boost operation, equally favored, is shown in FIG. On the one hand, for the bridge branch BA, a bucking operation is assumed, i. it is assumed that the bridge branch BA is clocked and, on the other hand, a bridge operation is assumed for the bridge branch BB, i. it is assumed that the bridge branch BB is clocked. In order to obtain the setpoint voltage uA * of the bridge branch BA, the setpoint value uL * is added to the output voltage uout and limited up to uin and down to zero. Conversely, for the calculation of the setpoint voltage uB * of the bridge branch BB, the setpoint value uL * is subtracted from the input voltage uin and limited up to uout and down to zero. By this mutual offset of the output voltage uout in the target voltage uA * and the input voltage uin in the target voltage uB * and the corresponding limitation on the possible adjustment range, the two modes are finally excluded from each other, i. The converter works despite initial consideration of both modes, either in pure buck or pure boost mode. The duty cycle dA and dB to be set can then be obtained simply by dividing uA * by uin or uB * by uout.
Claims (22)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH01159/17A CH714180B1 (en) | 2017-09-20 | 2017-09-20 | Converter for transferring electrical energy between a DC and an AC system. |
| PCT/EP2018/075349 WO2019057771A1 (en) | 2017-09-20 | 2018-09-19 | AC / DC CONVERTERS WITH HIGH-RESILIENT PHASE MODULES |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH01159/17A CH714180B1 (en) | 2017-09-20 | 2017-09-20 | Converter for transferring electrical energy between a DC and an AC system. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH714180A2 true CH714180A2 (en) | 2019-03-29 |
| CH714180B1 CH714180B1 (en) | 2021-11-15 |
Family
ID=63667914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH01159/17A CH714180B1 (en) | 2017-09-20 | 2017-09-20 | Converter for transferring electrical energy between a DC and an AC system. |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH714180B1 (en) |
| WO (1) | WO2019057771A1 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111711227B (en) * | 2020-07-22 | 2022-05-24 | 阳光电源股份有限公司 | Photovoltaic power generation system and starting control method thereof |
| NL2026324B1 (en) * | 2020-08-21 | 2022-04-14 | Prodrive Tech Bv | Modular reconfigurable electrical AC/DC converter |
| CN115117901B (en) * | 2022-06-17 | 2025-01-03 | 佳源科技股份有限公司 | Three-phase unbalance optimization method and system for distributed photovoltaic access |
| CN118801419B (en) * | 2024-09-14 | 2024-12-06 | 深圳市格伏恩新能源科技有限公司 | Multiphase power splitting method and system based on hybrid inverter |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4196867B2 (en) * | 2004-03-31 | 2008-12-17 | 株式会社デンソー | Bidirectional buck-boost chopper circuit, inverter circuit using the same, and DC-DC converter circuit |
| JP4561841B2 (en) * | 2008-02-12 | 2010-10-13 | 株式会社デンソー | Rotating machine control device and rotating machine control system |
| JP4535153B2 (en) * | 2008-03-21 | 2010-09-01 | 株式会社デンソー | Power conversion circuit control device and power conversion system |
| JP2011188638A (en) * | 2010-03-09 | 2011-09-22 | Denso Corp | Controller for power conversion circuit |
| DE102014211853A1 (en) * | 2014-06-20 | 2015-12-24 | Robert Bosch Gmbh | Voltage converter and method for converting an electrical voltage |
| DE102014219909A1 (en) * | 2014-10-01 | 2016-04-07 | Robert Bosch Gmbh | Charging circuit for an electrical energy storage, electric drive system and method for operating a charging circuit |
| DE102016201283A1 (en) * | 2016-01-28 | 2016-12-29 | Conti Temic Microelectronic Gmbh | Inverter, electric drive arrangement with an inverter |
-
2017
- 2017-09-20 CH CH01159/17A patent/CH714180B1/en not_active IP Right Cessation
-
2018
- 2018-09-19 WO PCT/EP2018/075349 patent/WO2019057771A1/en not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH714180B1 (en) | 2021-11-15 |
| WO2019057771A1 (en) | 2019-03-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3183809B1 (en) | Mains-coupled inverter, inverter arrangement, and operating method for an inverter arrangement | |
| DE69506612T2 (en) | Control circuit for inductive load | |
| EP3729623B1 (en) | Voltage converter arrangement comprising an input control element, and method for operating a voltage converter arrangement | |
| DE102013201055A1 (en) | Power conversion circuitry | |
| WO2019057771A1 (en) | AC / DC CONVERTERS WITH HIGH-RESILIENT PHASE MODULES | |
| DE112019002256T5 (en) | POWER CONVERTER | |
| DE102012010092A1 (en) | Controller for use in controlling system for controlling motor of compressor i.e. variable speed compressor, has power factor correction unit including compensation transducer and providing power supply to inverter | |
| EP2985896B1 (en) | System for increasing the network-side power factor of three phase ec motors | |
| CH715005A2 (en) | Device for converting a DC voltage that varies within wide limits into a multi-phase AC voltage with variable frequency and amplitude. | |
| CH704553B1 (en) | Three-phase hybrid AC / DC converter, and method for its control. | |
| DE102013007056A1 (en) | DC converter | |
| DE102018114589B4 (en) | POWER CONVERSION CIRCUIT AND POWER CONVERSION METHOD | |
| WO2019166642A1 (en) | Method for controlling a three-phase pulse rectifier system | |
| EP3369167B1 (en) | Network feedback unit and electrical drive system | |
| WO2013127597A2 (en) | Feed/return converter | |
| EP3353885A1 (en) | Method for operating a modular multi-level power converter, modular multi-level power converter, and computer program | |
| DE102007040166B4 (en) | Engine control device | |
| AT404527B (en) | ACTIVE MAINS VOLTAGE FILTERING WITH A PRESETABLE INNER IMPEDANCE | |
| DE102013220940A1 (en) | inverter | |
| DE112019006065T5 (en) | ELECTRIC ENERGY CONVERSION DEVICE AND CONTROL DEVICE FOR IT | |
| CH698490B1 (en) | Control of the part-output voltages at a three-point boost converter prevents a current overload at the power transistors | |
| DE202011111039U1 (en) | Control system for operating an electric motor | |
| CH714100A2 (en) | Method for controlling a polyphase inverter. | |
| DE102013005808B4 (en) | DC converter | |
| AT407456B (en) | Bidirectional converter system for mains coupling, with little reaction, of a DC voltage intermediate-circuit pulse-controlled inverter system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |