DE10051156B4

DE10051156B4 - Verfahren und Umrichterschaltung zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung

Info

Publication number: DE10051156B4
Application number: DE2000151156
Authority: DE
Inventors: Martin Glinka
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: DE10051156A1

Abstract

Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung mittels eines primär- und sekundärseitig mit leistungselektronischen Stromrichtern verbundenen Transformators, wobei primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) eines einkernigen Transformators (1) verbundene Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) eingeseht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichter im Zertmultiplexverfehren derart getaktet werden, daß zu jedem Zeitpunkt pro Wicklungsseite (primär bzw. sekundär) des Transformators (1) nur jeweils ein Stromrichter stromführend ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung mittels eines primär- und sekundärseitig mit leistungselektronischen Stromrichtern verbundenen Transformators, wobei primär und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung eines einkernigen Transformators verbundene Stromrichter eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Umrichterschaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine Energieübertragung mittels Transformatoren mit einer wesentlich über der Netzfrequenz liegenden Betriebsfrequenz erfolgt bisher vorwiegend mit sogenannten Schaltnetzteilen mit relativ niedrigen Isolationsanforderungen und kleinen Leistungen.

Darüber hinaus sind sogenannte Mittelfrequenztransformatoren in Verbindung mit leistungselektronischen Umformern als Ersatz für konventionelle Netztransformatoren bekannt. Die mittels der leistungselektronischen Umformer erzeugte, wesentlich über der Netzfrequenz liegende Betriebsfrequenz ermöglicht prinzipiell erhebliche Gewichts- und Volumeneinsparungen der Transformatoren. Die Leistung derartiger Einheiten ist jedoch bisher stark begrenzt.

Um die konventionellen Netztransformatoren auf elektrischen Triebfahrzeugen zu ersetzen, werden jedoch übertragbare Leistungen im Bereich mehrerer hundert Kilowatt benötigt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind in der jüngsten Zeit verschiedene Anstrengungen unternommen worden.

So ist aus H. Reinold, M. Steiner: "Characterization of Semiconductor Losses in Series Resonant DC-DC Converters for High Power Applications using Transformers with Low Leakage Inductance", EPE 1999, Lausanne, ein IGBT-Serienresonanzumrichter bekannt.

In M. Kunz, F. Hörl, T. Klockow: "Entwicklung einer massearmen Energieversorgung für elektrische Triebfahrzeuge", ZEV-DET Glas. Ann. 123, 11/12, S. 423 – 426, 1999, wird eine Anordnung mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Vierquadrantensteller beschrieben. Die Vierquadrantensteller bestehen aus mehreren Teilumrichtern in Kaskadenanordnung, wobei jeder Teilumrichter eine Teilwicklung eines Mittelfrequenztransformators versorgt.

Vierquadrantensteller in Kaskadenanordnung sind auch Gegenstand der Veröffentlichung Schibili, N., Rufer, A.: "Single- and three-phase multilevel converters for traction systems 50 Hz/16 2/3 Hz", Proceedings, 7th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), vol. 4, S. 210 – 215, Trondheim, 1997.

Aus der DE 198 17 752 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung bekannt. Dabei sind sowohl primärseitig als auch sekundärseitig Stromrichter vorgesehen, die unabhängig steuerbar sind und mit jeweils einer Teilwicklung eines einkernigen Transformators verbunden sind. Die Blockbreite der Ansteuerung der Stromrichter kann individuell eingestellt werden, so dass im zeitlichen Ablauf gesehen diese Stromrichter abwechselnd getaktet werden können.

Bedingt durch die Begrenzung der Schaltfrequenz und der damit verbundenen maximalen Transformatorbetriebsfrequenz bestehen jedoch noch immer große Nachteile bzgl. Transformatorgewicht, -volumen und -Wirkungsgrad.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit für leistungselektronische Umformer mit hoher Übertragungsleistung und hoher Umrichterzwischenkreisspannung bei transformatorischer Potentialtrennung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung die Stromrichter im Zeitmultiplex-Verfahren derart getaktet werden, dass zu jedem Zeitpunkt pro Wicklungsseite (primär bzw. sekundär) des Transformators nur jeweils ein Stromrichter stromführend ist. Hinsichtlich einer Umrichterschaltung zur Durchführung des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 7 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach werden primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung eines einkernigen Transformators verbundene Stromrichter abwechselnd getaktet, wobei sie entweder nacheinander bipolare Spannungspulse oder abwechselnd unipolare Spannungspulse entgegengesetzter Polarität erzeugen.

Mit dem Verfahren und der Umrichterschaltung gelingt es, die sich teilweise widerstrebenden Forderungen nach:

a) geringem Gewicht und Volumen
b) hoher übertragbarer Leistung
c) hohem Wirkungsgrad
d) hoher Isolationsspannung
e) hoher Stromrichter-Zwischenkreisspannung
f) reduziertem Materialaufwand (insbesondere weichmagnetisches Material)

auf eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Art zu erfüllen.

Mit Hilfe der voneinander unabhängigen Stromrichter auf der Primär- oder/und Sekundärseite des Transformators kann dessen Betriebsfrequenz bei praktisch nur geringfügig steigenden Umrichterverlusten entsprechend der Anzahl der unabhängigen Stromrichter auf der Primär- oder/und Sekundärseite erhöht

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Umrichterschaltung mit drei primärseitigen und einem sekundärseitigen Stromrichter,
2 eine Umrichterschaltung mit jeweils drei Stromrichtern primär- sowie sekundärseitig,
3 eine Umrichterschaltung mit zwei primärseitigen Stromrichtern,
4 den prinzipiellen Spannungsverlauf bei dem Verfahren mit bipolaren Spannungspulsen,
5 den prinzipiellen Spannungsverlauf bei dem Verfahren mit unipolaren Spannungspulsen,
6 die Zusammensetzung der sekundärseitigen Spannung aus den Spannungen von drei primärseitigen Stromrichtern bei bipolaren Spannungspulsen,
7 die Zusammensetzung der sekundärseitigen Spannung aus den Spannungen von zwei primärseitigen Stromrichtern bei unipolaren Spannungspulsen und
8 ein Beispiel einer Umrichterschaltung mit jeweils zwei primär- und sekundärseitigen Stromrichtern als IGBT-Halbbrücken in Mittelpunktschaltung.
Erfindungsgemäß besteht der Transformator aus mindestens zwei Wicklungen auf der Primär- oder/und Sekundärseite sowie einer entsprechenden Anzahl von unabhängigen Stromrichtern. 1 zeigt ein Beispiel mit drei primärseitigen Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 und einem sekundärseitigen Stromrichter 5.1. Jede primärseitige Teilwicklung 2.1, 2.2, 2.3 eines Transformators 1 ist mit einem eigenen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 verbunden. Entsprechend kann jeder Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 unabhängig von den anderen eine beliebige Spannung an der jeweiligen Teilwicklung 2.1, 2.2, 2.3 einprägen.
Der Betrieb der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Zeitmultiplex arbeitenden Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 kann auf zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten erfolgen, nämlich mittels bipolarer oder unipolarer Spannungspulse.
Bei der Verwendung von bipolaren Spannungspulsen erzeugen alle beteiligten Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 Spannungspulse, deren grundsätzlicher Verlauf in 4 dargestellt ist. Hierbei erzeugt jeder Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 einen bipolaren Spannungspuls für eine Periodendauer T₁. Für die anschließende Zeitdauer T₂ – T₁, in der jeweils die beiden anderen der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 einen bipolaren Spannungspuls erzeugen, geht er in Taktsperre, was einem Zustand „offener Klemmen" an der zugehörigen Transformatorwicklung entspricht, siehe 4 und 6. T₂ stellt dabei die Dauer der Gesamtperiode aller drei eingangsseitigen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 dar. 6 zeigt dabei die Spannungsverläufe für die in 1 dargestellte Schaltung mit drei primärseitigen bipolaren Spannungen U₂₁, U₂₂, U₂₃, die zur Übertragung verschiedener Leistungen unterschiedliche Phasenwinkel φ₁ bis φ₃ zu der sekundärseitigen bipolaren Spannung U₃₁ besitzen.
Der Stromrichter 5.1 auf der Sekundärseite des Transformators 1 arbeitet mit der N-fachen Umrichterschaltfrequenz der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3. Alle Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3, 5.1 arbeiten wie in allen beschriebenen Beispielen im Vollblockbetrieb. Die Umrichterschaltverluste werden beim Vollblockbetrieb auf ein Minimum begrenzt. Grundsätzlich ist jedoch auch ein Umrichterbetrieb möglich, bei dem die Umrichter mit einem Vielfachen der Grundfrequenz (sogenannter Pulsbetrieb) getaktet werden kann. Mit Hilfe der Phasenwinkel φ₁ bis φ₃ können die übertragenen Leistungen unabhängig voneinander eingestellt werden, siehe 6. Der Stromrichter 5.1 überträgt dabei die Summenleistung der drei primärseitigen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3; seine Umrichterfrequenz ist gleich der Transformator-betriebsfrequenz f₁ und damit dreimal so groß wie die der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3. Entsprechend hat sich die Umrichterfrequenz der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 gegenüber der Transformatorbetriebsfrequenz f₁ gedrittelt, was eine deutlichen Reduzierung der Halbleiterverluste in den Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 bedeutet. Mit dem Anstieg der Transformatorbetriebsfrequenz f₁ ist auch eine Reduzierung des maximalen magnetischen Flusses im Transforma torkern verbunden. Dies hat zur Folge, dass die Leistungsdichte des Transformators 1 entsprechend dem Anstieg der Transformator-Betriebsfrequenz f₁ zunimmt. Somit können die oben genannten Forderungen a) bis f) bei konstant gebliebener Schaltfrequenz der leistungselektronischen Schalter in den Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 auf der Primärseite erfüllt werden.
Verwendet man anstatt der Schaltung von 1 die Schaltung aus 2 mit drei sekundärseitigen Stromrichtern 5.1, 5.2, 5.3, kann über den gemeinsamen Transformator 1 Leistung jeweils vom primärseitigen Stromrichter 4.1 zum Stromrichter 5.1 sowie vom Stromrichter 4.2 zum Stromrichter 5.2 und analag vom Stromrichter 4.3 zum Stromrichter 5.3 übertragen werden. Dabei können die zwischen den jeweiligen Stromrichtern 4.1, 5.1; 4.2, 5.2; 4.3, 5.3 übertragenen Leistungen wiederum unabhängig voneinander eingestellt werden.
Durch die magnetische Kopplung aller beteiligten Teilwicklungen ergeben sich folgende Vorteile:

• Bei gleicher Schaltfrequenz der primärseitigen Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 als auch der sekundärseitigen Stromrichter 5.1, 5.2, 5.3 kann die Transformatorbetriebsfrequenz f₁ auf das Dreifache angehoben werden.
• Gleichzeitig ergibt sich mit der auf das Dreifache angestiegenen Transformatorbetriebsfrequenz f₁ eine deutlich gestiegene Leistungsdichte des Transformators 1.
• Trotz eines gemeinsamen Transformators 1 können die Leistungen zwischen den Stromrichtern 4.1 und 5.1, 4.2 und 5.2 sowie 4.3 und 5.3 unabhängig voneinander mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zeitmultiplexverfahrens übertragen werden.

Außerdem ist eine Leistungsübertragung unter den primärseitigen Stromrichtern 4.1, 4.2, 4.3 sowie auch den sekundärseitigen Stromrichtern 5.1, 5.2, 5.3 möglich. Dies bedeutet, dass beispielsweise die vom Stromrichter 4.1 übertragene Leistung nicht zwangsläufig der des Stromrichters 5.1 entsprechen muss, da Stromrichter 4.1 auch Leistung zum Stromrichter 4.2 oder Stromrichter 4.3 und den damit zugehörigen sekundärseitigen Stromrichtern 5.2 und 5.3 übertragen kann.
Nimmt man an, dass das Übersetzungsverhältnis des Transformators 1 zwischen allen Wicklungen immer 1 beträgt, können voneinander starke Abweichungen der Zwischenkreisspannung z. B. der Stromrichter 4.1, 4.2, 4.3 zu evtl. erwünschten Leistungsausgleichsvorgängen führen. Bei diesen Vorgängen findet teilweise eine Aufhebung des Zustandes der „offenen Klemmen" statt. So könnte z. B. Stromrichter 4.1 mit relativ hoher Zwischenkreisspannung während der Leistungsübertragung an den Stromrichter 5.1 gleichzeitig einen Teil der Leistung an den Stromrichter 4.2 oder/und Stromrichter 4.3 übertragen, wenn diese eine niedrigere Zwischenkreisspannung besitzen.
Der Zustand „offene Klemmen" kann bei allen Stromrichtertypen immer dadurch realisiert werden, dass ein separater Schalter, der zwischen Stromrichter und zugehöriger Transformatorwicklung angeordnet ist, die Transformatorwicklung vom Stromrichter trennt und damit in den Leerlauf schaltet.
Wird die Umrichterschaltung mit Stromrichtern mit Spannungszwischenkreis aufgebaut, kann der Zustand „offene Klemmen" durch die Stromrichter-Taktsperre bis zu einer Spannung, die der Zwischenkreisspannung des jeweiligen Stromrichters entspricht, realisiert werden. Dies ist ausreichend, solange alle Stromrichter eine ungefähr gleiche, dem Übersetzungsverhältnis des Transformators entsprechende Zwischenkreisspannung besitzen. Auf diese Weise kann auf den sonst zusätzlich benötigten Schalter zwischen Stromrichter und Transformatorwicklung verzichtet werden.
Bei der Benutzung von unipolaren Spannungspulsen erzeugen alle beteiligten Stromrichter Spannungspulse, deren grundsätzlicher Verlauf in 5 dargestellt ist, wobei hierbei zwei primärseitige Stromrichter 4.1, 4.2 gemäß 3 vorausgesetzt sind. Jeder Stromrichter 4.1, 4.2 erzeugt zwei unipolare Spannungspulse über jeweils die Hälfte einer Periodendauer T₁. Zwischen beiden Spannungspulsen gleicher Polarität geht der Stromrichter über eine Zeitdauer von (T₂ – T₁)/2 in den Zustand „offene Klemmen", die Taktsperre.
Für das Verfahren mit unipolaren Spannungspulsen ist es notwendig, dass immer eine gerade Anzahl von Stromrichtern an der Erzeugung des Multiplexsignals beteiligt ist, da ein Stromrichter eines Stromrichterpaares immer positive Spannungspulse und der andere Stromrichter immer negative Spannungspulse erzeugen muss (5).
Die prinzipiellen Spannungsverläufe der Schaltung mit unipolaren Spannungspulsen können daneben 7 entnommen werden, wobei hier wiederum eine Schaltung gemäß 3 vorausgesetzt ist, das heißt, dass die sekundärseitige Spannung U₃₁ aus zwei primärseitigen unipolaren Spannungen U₂₁, U₂₂ generiert wird, die zur Übertragung verschiedener Leistungen unterschiedliche Phasenwinkel φ₁, φ₂ aufweisen
Auch bei dieser Schaltung können die Stromrichter 4.1 und 4.2 unabhängig voneinander Leistung an den Stromrichter 5.1 übertragen. Dies erfolgt über die freie Einstellung der Phasenwinkel φ₁ und φ₂. Der Vorteil dieser Schaltung besteht gegenüber der Umformerschaltung von 1 darin, dass mit einem 2-Quadrantenbetrieb der Stromrichter 4.1 und 4.2 Leistung von der Primärseite zur Sekundärseite als auch in umgekehrter Richtung übertragen werden kann.
Ansonsten hat der Betrieb mit unipolaren Spannungspulsen die gleichen charakteristischen Eigenschaften wie der Betrieb mit bipolaren Spannungspulsen.
Zusätzlich zum Betrieb der Stromrichter am jeweils eigenen Zwischenkreis, wie es in den obigen Beispielen der Fall ist, ist auch der Betrieb von Stromrichtern an einem gemeinsamen Zwischenkreis denkbar. So könnten z. B. die primärseitigen Stromrichter nach 2 getrennte Zwischenkreise haben, die sekundärseitigen Stromrichter 5.1, 5.2 aber einen gemeinsamen Zweischenkreis besitzen. Es sind aber auch Kombinationen von gemeinsamen und getrennten Zwischenkreisen auf der Primär- oder der Sekundärseite des Transformators denkbar.
Abschließend ist noch in 8 ein Beispiel einer Umformerschaltung dargestellt. Stromrichter 4.1, 4.2, 5.1 und 5.2 sind in dieser Schaltung als IGBT-Halbbrücken in Mittelpunktschaltung ausgeführt.

Claims

Verfahren zur mittelfrequenten transformatorischen Energieübertragung mittels eines primär- und sekundärseitig mit leistungselektronischen Stromrichtern verbundenen Transformators, wobei primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare, mit jeweils einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) eines einkernigen Transformators (1) verbundene Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) eingeseht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichter im Zertmultiplexverfehren derart getaktet werden, daß zu jedem Zeitpunkt pro Wicklungsseite (primär bzw. sekundär) des Transformators (1) nur jeweils ein Stromrichter stromführend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) nacheinander bipolare Spannungspulse erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Stromrichtern (4.1, 4.2; 5.1, 5.2) paarweise abwechselnd unipolare Spannungspulse entgegengesetzter Polarität erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) im Vollblockbetrieb arbeiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) von den zugehörigen Teilwicklungen (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) durch separate Schalter getrennt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass teilweise eine Energieübertragung jeweils innerhalb der primär- und/oder sekundärseitigen Teilwicklungen (2.1, 2.2; 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) erfolgt.
Umrichterschaltung zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass primär- und/oder sekundärseitig mindestens zwei voneinander unabhängig steuerbare Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) jeweils mit einer Teilwicklung (2.1, 2.2, 2.3; 3.1, 3.2, 3.3) des Transformators (1) verbunden sind und alle Wicklungen über einen gemeinsamen Kern magnetisch gekoppelt sind.
Umrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) als Halbbrücken in Mittelpunktschaltung ausgebildet sind.
Umrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichter (4.1, 4.2, 4.3; 5.1, 5.2, 5.3) als im Zweiquadrantenbetrieb arbeitende Halbbrücken ohne Mittelpunktschaltung ausgebildet sind.