DE102006028103A1

DE102006028103A1 - Netzseitiger Stromrichter mit unterbrechungsfreier Umschaltung zwischen getaktetem spannungsgeregelten Betrieb und grundfrequentem ungeregelten Betrieb, sowie Verfahren zum unterbrechungsfreien Umschalten eines solchen Stromrichters

Info

Publication number: DE102006028103A1
Application number: DE102006028103A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Benesch; Bernd Dr. Köhler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-12-20
Also published as: US20090285002A1; WO2007147649A3; WO2007147649A2; JP2009542170A

Abstract

Es wird ein netzseitiger Stromrichter, umfassend - Mittel zum Betrieb des Stromrichters im grundfrequenten ungeregelten Betrieb, - Mittel zum Betrieb des Stromrichters im getakteten, spannungsgeregelten Betrieb, - Mittel zur Erfassung von Paramtern, aus denen auf einen momentanen Betriebspunkt und/oder auf momentane Netzbedingungen geschlossen werden kann, - Mittel zur Bestimmung eines geeigneten Betriebszustands anhand der erfassten Parameter sowie - Mittel zur unterbrechungsfreien Umschaltung des Betriebs des Stromrichters in den anhand der erfassten Parameter bestimmten geeigneten Betriebszustand, beschrieben sowie ein Verfahren zum unterbrechungsfreien Umschalten eines solchen netzseitigen Stromrichters.

Description

Die Erfindung betrifft einen netzseitigen Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Elektrische Anlagen, beispielsweise solche, die aus Sicht des Drehstromnetzes zeitweise als Verbraucher und zeitweise als Generator arbeiten, werden üblicherweise über einen so genannten Zwischenkreis an das Drehstromnetz angeschlossen. Ein Beispiel für eine solche elektrische Anlage ist eine Zentrifuge in einer Zuckerfabrik. Ebenso sind insbesondere nur zeitweilig betriebene Anlagen zur dezentralen elektrischen Energieerzeugung, wie etwa kleinere Windkraft- oder Solaranlagen über einen Zwischenkreis an das Drehstromnetz angeschlossen.
In 1 ist skizzenartig der bekannte Aufbau sowie der Anschluss eines Stromrichters 1 in Form Hochsetzstellers zum Betrieb eines Zwischenkreises 2 an einem Drehstromnetz 3 dargestellt. Der Stromrichter 1 umfasst mehrere beispielsweise als Transistoren oder Thyristoren ausgeführte Halbleiterschalter T1, ..., T6, welche jeweils zwischen einer Leitung R, S, T des Drehstromnetzes 3 sowie einer Leitung 4, 5 des Zwischenkreises 2 angeordnet sind. Die Leitungen R, S, T des Drehstromnetzes werden auch als Strang R, S, T bezeichnet. Die in 1 dargestellte Anordnung der sechs Halbleiterschalter T₁, ..., T₆ wird als sechspulsige Brückenschaltung, kurz B6 Brücke bezeichnet. Anstelle der Bezeichnung sechspulsig ist auch die Bezeichnung dreiphasig üblich. Am Zwischenkreis 2 liegt eine Zwischenkreisspannung u_DC an. Die Zwischenkreisspannung u_DC ist eine Gleichspannung. Zur Pufferung und Glättung der Gleichspannung ist zwischen den Leitungen 4, 5 unterschiedlichen elektrischen Potentials eine Zwischenkreiskapazität C_DC angeordnet. In den einzelnen Leitungen R, S, T sind zwischen Drehstromnetz 3 und Zwischenkreis 2 Kommutierungsdrosseln L_C angeordnet.
Die Schaltflanken der Halbleiterschalter liegen im grundfrequenten ungeregelten Betrieb bei den natürlichen Zündzeitpunkten, also den Schnittpunkten der Netzspannungen u_R,S,T der einzelnen Leitungen R, S, T des Drehstromnetzes 2.
Der Begriff grundfrequente Taktung umfasst eine Taktung der einzelnen Halbleiterschalter in einer solchen Art und Weise, dass diese jeweils in deren während der grundfrequenten Taktung vorgesehenen, individuellen Winkelbereichen, Segmenten oder dergleichen permanent, beispielsweise durch Ansteuerung mit einem Gleichstrom-Schaltsignal, oder zumindest überwiegend, beispielsweise durch Ansteuerung mit einem Hochfrequenz-Schaltsignal, angesteuert sind.
Der grundfrequent ungeregelte Betrieb von Stromrichtern zeichnet sich durch einige Vorteile aus, welche ihren Einsatz sinnvoll machen. Da kein hochfrequentes Takten der auch als Stromventile bezeichenbaren Halbleiterschalter erfolgt, ergeben sich beispielsweise geringe Schaltverluste und damit geringere thermische Belastung des Stromrichters, der Drossel und des Netz-Filters. Es ergibt sich weiter die Möglichkeit einer Verwendung einfacher und kostengünstiger Kommutierungsdrosseln und Netzfilter. Es ergibt sich weiter eine geringe Anregung von Systemschwingungen des Zwischenkreises gegen Erde, die beispielsweise zu hohen Motorlagerströmen führen können. Es ergibt sich weiter ein Gleichrichterverhalten, wobei die Zwischenkreisspannung geringer ist als beim Hochsetzstellerbetrieb eines aktiven Stromrichters.
Damit kann bei einem temporären Anstieg der Netzspannung ein niedrigerer Zwischenkreisspannungs-Maximalwert eingehalten werden, wodurch beispielsweise bei Anschluss eines Wechselrichters und Motors an den Zwischenkreis eine geringere Belastung der Motorisolation erreicht wird.
Ebenso wie der Hochsetzsteller-Betrieb ermöglicht der hier beschriebene grundfrequente Betrieb einen Leistungsfluss bzw. Energiefluss vom Netz in den Zwischenkreis und umgekehrt. Ein erheblicher Nachteil des grundfrequent ungeregelten Betriebs ist allerdings, dass bei Absinken der Netzspannung oder bei Leistungsentnahme aus dem Zwischenkreis die Zwischenkreisspannung abnimmt und die weiteren Komponenten am Zwischenkreis nicht mehr im optimalen Betriebspunkt arbeiten. Beispielsweise kann ein Motor bei Absinken der Zwischenkreisspannung nicht mehr seine maximale Leistung erbringen.
Darüber hinaus sind aktive Stromrichter bekannt, die im so genannten getakteten spannungsgeregelten Hochsetzsteller-Betrieb betrieben werden.
Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt dazu z.B. pulsweitenmoduliert mit der in der Fachliteratur ausführlich beschriebenen Raumzeigermodulation. Ein Vorteil des getakteten spannungsgeregelten Betriebs ist eine geregelte Zwischenkreisspannung, wobei ein bei Bedarf auch zeitvarianter Sollwert für die Zwischenkreisspannung auch bei Netzspannungsschankungen und bei Belastungsschwankungen eingehalten wird. Voraussetzung für den kontinuierlichen Hochsetzstellerbetrieb ist, dass
Ein weiterer Vorteil des getakteten spannungsgeregelten Betriebs ist es, dass nach einer Betriebsstörung, wie etwa einer Netzstörung oder einem Lastabwurf die Zwischenkreisspannung wieder kontrolliert auf ihren Sollwert geführt werden kann.
Darüber hinaus ist ein sinusförmiger Netzstrom möglich, d.h. ein Leistungsfaktor von cos φ ≈ 1 kann erreicht werden, wobei keine Blindleistungsbelastung des Netzes bzw. der Stromrichterkomponenten entsteht.
Ein weiterer Vorteil des getakteten spannungsgeregelten Betriebs ist es, dass eine Kompensation der Netz-Blindleistung möglich ist.
Darüber hinaus ist eine modellbasierte, geberlose Strom- und Spannungsregelung möglich.
Ein weiterer Vorteil des getakteten spannungsgeregelten Betriebs ist es, dass eine einfache und genaue Identifikation spezifischer physikalischer Größen, wie etwa eine Bestimmung der Induktivität des Netzes und der Drossel oder für die Zwischenkreiskapazität möglich ist.
Darüber hinaus ist eine automatische Fehlererkennung und Systemdiagnose möglich durch Vergleich von Modell- und Sensordaten, beispielsweise eine Erkennung von defekten Strom- und/oder Spannungserfassungen oder eine Erkennung von Kapazitätsänderungen.
Abhängig von sich ändernden Anwendungsfällen bzw. abhängig vom Betriebspunkt und den Netzbedingungen ist gegebenenfalls temporär eines der beiden Funktionsprinzipien besser geeignet. Bisher wird jedoch nur eine der beiden Betriebsarten in einem Stromrichter implementiert. Dementsprechend können die spezifischen Vorteile der Betriebsarten nicht ohne Prozessunterbrechung genutzt werden.
Bei zeitlich veränderlichen Betriebszuständen von an einen Zwischenkreis angeschlossenen Verbrauchern oder Generatoren, sowie bei zeitlich veränderlichen Netzbedingungen wird jedoch eine unterbrechungsfreie Umschaltung ohne Unterbrechung des Leistungsflusses zwischen den Betriebsarten benötigt, die insbesondere keine nachteiligen Auswirkungen auf die am Zwischenkreis angeschlossenen Komponenten hat. Beispielsweise darf es nicht zu Über- oder Unterspannungen im Zwischenkreis oder Netz-Überströmen kommen.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann es deshalb angesehen werden, einen netzseitigen Stromrichter anzugeben, mit dem vorzugsweise unterbrechungsfrei zwischen grundfrequentem ungeregeltem und getaktetem spannungsgeregeltem Betrieb umgeschaltet werden kann, sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Stromrichter unterbrechungsfrei zwischen grundfrequentem ungeregeltem und getaktetem spannungsgeregeltem Betrieb umgeschaltet werden kann.
Der erste Teil der Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1, der zweite Teil mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Erfindungsgemäß wird eine unterbrechungsfreie und gegebenenfalls automatische Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten vorgeschlagen.
Der erfindungsgemäße Stromrichter verfügt hierzu vorzugsweise über:

– eine Stromrichtertopologie, die beide Betriebsarten ermöglicht, wie beispielsweise eine IGBT-B6-Brücke,
– Beschaltungskomponenten, die für beide Betriebsarten geeignet sind,
– eine Steuerungshardware und/oder Steuerungssoftware für beide Betriebsarten, wie etwa ein Steuersatz-ASIC (Kundenspezifische Integrierte Schaltung; Application Specific Integrated Circuit) für beide Betriebsarten umschaltbar durch Registerkonfiguration, wobei das Konfigurationsregister vorzugsweise im ASIC zusammen mit den anderen Steuerregistern gele sen oder gelatched wird oder für die Umschaltung die Pulse für einen Abtasttakt gesperrt werden (da ein Abtasttakt klein ist gegenüber den Systemzeitkonstanten, kann auch diese Umschaltung als unterbrechungsfrei bezeichnet werden),
– ein Hardware/Software-Design, das die Umschaltung im Betrieb ermöglicht beispielsweise durch eine Änderbarkeit der Steuersatz-Betriebsart durch Registerzugriff im laufenden Betrieb, durch eine System-Ablaufsteuerung mit Zugriff und Regler-Initialisierungsroutinen zur on-the-fly-Aktivierung der jeweils anderen Betriebsart,
– eine Sensorik bzw. vorgegebene Kriterien für eine automatische Umschaltung zwischen den Betriebsarten.

Durch die quasi gleichzeitige Verfügbarkeit beider Betriebsarten in einem Stromrichter ergibt sich eine neue Qualität, da Systemzustände wie Netzüber- oder Unterspannung ohne Prozessunterbrechung beherrschbar werden.
Durch die Kombination der vorteilhaften Eigenschaften beider Betriebsarten ergibt sich bei einem erfindungsgemäßen Stromrichter:

– eine Erweiterung des zulässigen Netz-Spannungsbereichs bei Spannungsschwankungen im Betrieb,
– eine Leistungserweiterung des Stromrichters durch Reduzierung der thermischen Belastung bzw. durch Reduzierung der Blindleistung,
– eine Funktionserweiterung der grundfrequenten Betriebsart durch Blindstromkompensation bei Bedarf,
– eine erhöhte Ausfallsicherheit durch die Möglichkeit zum weiteren Betrieb bei Geberausfall,
– eine Möglichkeit zur Vermeidung von Betriebsstörungen durch Systemschwingungen, sowie
– eine Möglichkeit zur Identifikation bestimmter physikalischer Größen des Stromrichters, wie beispielsweise Filterzeitkonstanten und dergleichen, sowie zur Systemdiagnose auch im grundfrequenten Betrieb.

Zusammenfassend ergibt sich für den erfindungsgemäßen netzseitigen Stromrichter eine Leistungserweiterung bei temporären Überlastungszuständen, ein erweiteter Anwendungsbereich bei Netzschwankungen und Blindleistungsbedarf, eine Möglichkeit zur Erhöhung der Robustheit sowie zur Verbesserung der Systemdiagnose.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines netzseitigen IGBT-Stromrichters mit Kommutierungsdrossel und Netzfilter am Dreiphasennetz,
2 ein erfindungsgemäßes Schaltmuster zur Ansteuerung der Halbleiterschalter des in 1 dargestellten Stromrichters,
3 einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum temporären Wechsel von grundfrequentem Betrieb in spannungsgeregelten Betrieb bei laufendem Betrieb,
4 einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum temporären Wechsel von spannungsgeregeltem Betrieb in grundfrequenten Betrieb bei laufendem Betrieb,
5 eine schematische Darstellung eines Schaltplans eines Stromrichters am Dreiphasennetz mit Signallaufplan zur Bestimmung des Netzwinkels,
6 eine schematische Darstellung einer Netzwinkelkorrektur zur Berechnung der Transistor-Ansteuersignale aus den Nulldurchgangszählern,
7 ein Diagramm, welches den zeitlichen Verlauf der Phasenströme bei ΔΦ = 0° und ΔΦ = –5° im Fall motorischer Belastung zeigt,
8 ein Diagramm, welches den zeitlichen Verlauf der Phasenströme bei ΔΦ = 0° und ΔΦ = +5° im Fall generatorischer Belastung zeigt,
9 einen Schaltplan eines RC-Glieds,
10 einen Ablaufplan zur automatischen Bestimmung der Filterzeitkonstante T_F,korr eines erfindungsgemäßen Stromrichters,
11 ein Diagramm, welches das Einschwingverhalten des Netzmodells vor und nach dem Abgleich der Zeitkonstanten für den Nulldurchgangsfilter zeigt, sowie
12 eine Strukturskizze zur Verknüpfung von Phase-Locked-Loop (PLL) und Netzmodell im geregelten Hochsetzstellerbetrieb.
2 zeigt die Steuerlogik der Halbleiterschalter T₁ bis T₆ im grundfrequent getakteten Betrieb für eine Netzperiode von 0° bis 360°. Unter „grundfrequent" wird dabei verstanden, dass die Halbleiterschalter T₁ bis T₆ in deren individuellen Winkelbereichen permanent, beispielsweise durch Ansteuerung mit einem Gleichstrom-Schaltsignal, oder zumindest überwie gend, beispielsweise durch Ansteuerung mit einem Hochfrequenz-Schaltsignal, angesteuert sind.
Normalerweise wird an den Grenzen der 60°-Sektoren I, II, III, IV, V, VI des Netzwinkels Φ jeweils ein Halbleiterschalter T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆ ausgeschaltet und ein anderer Halbleiterschalter T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆ eingeschaltet. Ein weiterer Halbleiterschalter T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆ bleibt an der jeweiligen Grenze zwischen den Sektoren I, II, III, IV, V, VI angesteuert, alle anderen Halbleiterschalter T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆ sind geöffnet. Das Schließen der Halbleiterschalter T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆ kann nun in jedem Sektor I, II, III, IV, V, VI, in der Darstellung in 2 gezeigt für den Sektor I, um den Winkel Φ₁ verschoben und auf den Winkelbereich Φ₂ gekürzt werden. Die Halbleiterschalter T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆ sind dann nur noch jeweils in den schraffierten Segmenten angesteuert. Zu allen anderen Zeiten bzw. Netzwinkeln sind alle Halbleiterschalter T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆ geöffnet und man erhält das Verhalten einer reinen Diodenbrücke.
In den 3 und 4 ist ausgehend vom jeweiligen Normalzustand ein Ablaufdiagramm zur erfindungsgemäßen Umschaltung zwischen den Betriebsarten dargestellt.
Bei dem Ablaufdiagramm in 3 befindet sich ein erfindungsgemäßer Stromrichter im Normalzustand im grundfrequenten ungeregelten Betrieb (Schritt A1). Eine Erfassung des momentanen Betriebszustands des Stromrichters, also eine Erfassung oder Feststellung, ob der Betriebszustand des Stromrichters gegenwärtig der grundfrequente ungeregelte Betrieb, oder der getaktete, spannungsgeregelte Betrieb ist, erfolgt in diesem Fall dadurch, indem festgestellt wird, ob sich der Stromrichter im Normalzustand befindet, oder nicht.
In einem zweiten Schritt A2 werden Parameter erfasst, aus denen auf einen momentanen Betriebspunkt und/oder auf die momentanen Netzbedingungen geschlossen werden kann, und aus de nen auch geschlossen werden kann, ob der momentane Betriebszustand geeignet ist, den momentanen Leistungsanforderungen gerecht zu werden, oder nicht. Diese Parameter sind beispielsweise die Netz- und/oder Zwischenkreisspannnung. Ist eine der beiden zu gering, ist der grundfrequente Betrieb kein geeigneter Betriebszustand. Ebenso kann festgestellt werden, ob eine Störung vorliegt und die Zwischenkreisspannung entlang einer Rampe hochgefahren werden sollt, oder nicht. Zudem kann der Blindstrom erfasst werden. Ist dieser zu hoch, ist temporär ebenso der grundfrequente ungeregelte Betrieb kein geeigneter Betriebszustand. Weitere Kriterien können sein ein geberloser Betreib, eine mit Parameteridentifikation bezeichnete Identifikation von physikalischen Größen, wie etwa von Filterzeitkonstanten des erfindungsgemäßen Stromrichters, oder eine Systemdiagnose. Bei allen Fällen ist der grundfrequente ungeregelte Betrieb kein geeigneter Betriebszustand.
Ebenfalls im zweiten Schritt A2 wird anhand der erfassten Parameter entschieden, ob der momentane grundfrequente ungeregelte Betriebszustand für die momentanen Leistungsanforderungen geeignet ist, oder nicht.
Ist dies nicht der Fall, so wird in einem dritten Schritt A3 der getaktete spannungsgeregelte Betrieb aktiviert, wobei die Regelung initialisiert und die Zwischenkreisspannung entlang einer Rampe auf einen gewünschten Sollwert hochgefahren wird.
Ein Zwischenschritt A4 umfasst eine Wartezeit zur Vermeidung von Grenzzyklen. Dies dient dazu, dass beispielsweise kurzzeitig veränderliche Leistungsanforderungen nicht zu einem ständigen Umschalten zwischen den Betriebszuständen des Stromrichters führen.
Anschließend wird in einem fünften Schritt A5 überprüft, ob die ursprünglichen Umschaltkriterien noch erfüllt sind, oder nicht. Sind die Kriterien noch erfüllt, fährt das Verfahren mit Schritt A4 fort. Sind die Kriterien nicht mehr erfüllt, wird der Betriebszustand wieder zum grundfrequenten ungeregelten Betrieb gewechselt.
Dies erfolgt dadurch, dass zunächst in einem Schritt A6 die Zwischenkreisspannung geregelt auf einen Gleichrichterwert für den grundfrequenten ungeregelten Betrieb geführt wird.
In einem siebten Schritt A7 wird dann der Normalzustand durch Aktivierung des grundfrequenten ungeregelten Betriebs wieder erreicht.
Das Verfahren läuft weiter, indem wiederum in Schritt A2 überprüft wird, ob die Kriterien zum Umschalten in den spannungsgeregelten getakteten Betrieb wieder erfüllt sind, oder nicht. Werden die Kriterien nicht erfüllt bilden die Verfahrensschritte A2 und A7 eine immer wiederkehrende Schleife.
Das in 4 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von demjenigen in 3 im Wesentlichen dadurch, dass sich der Stromrichter im Normalzustand im spannungsgeregelten getakteten Betrieb befindet.
Ausgehend von einem Normalzustand im spannungsgeregelten getakteten Betrieb (Schritt B1) werden im Schritt B2 Parameter erfasst, die ein temporäres Umschalten in den grundfrequenten ungeregelten Betrieb erforderlich machen könnten. Die Parameter sind beispielsweise die momentane thermische Belastung des Stromrichters, eine zu hohe Netz- und/oder Zwischenkreisspannung, oder die Notwendigkeit, Systemschwingungen zu vermeiden, die im spannungsgeregelten getakteten Betrieb auftreten können.
Werden ein oder mehrere Kriterien erfüllt, wird in Schritt B2 entschieden, dass der spannungsgeregelte getaktete Betrieb kein geeigneter Betriebszustand ist und das Verfahren wird mit Schritt B3 fortgesetzt. Wird keines der Kriterien er füllt, ist der spannungsgeregelte getaktete Betrieb der geeignete Betriebszustand und das Verfahren wird mit Schritt B8 fortgesetzt.
In Schritt B3 wird die Zwischenkreisspannung geregelt auf einen Gleichrichterwert für den grundfrequenten ungeregelten Betrieb geführt, und anschließend in Schritt B4 der grundfrequente ungeregelte Betrieb aktiviert.
Es folgt aus den oben bereits genannten Gründen ein Zwischenschritt B5 der eine Wartezeit zur Vermeidung von Grenzzyklen umfasst.
In Schritt B6 wird überprüft, ob die Kriterien, die zum Umschalten vom spannungsgeregelten getakteten Betrieb in den grundfrequenten ungeregelten Betreib noch erfüllt sind. Sind die Kriterien noch erfüllt, fährt das Verfahren mit Schritt B5 fort. Sind die Kriterien nicht mehr erfüllt, fährt das Verfahren mit Schritt B7 fort.
In Schritt B7 wird der getaktete spannungsgeregelte Betrieb aktiviert, wobei die Regelung initialisiert und die Zwischenkreisspannung entlang einer Rampe auf einen gewünschten Sollwert hochgefahren wird.
Im Schritt B8 ist dann wiederum der Normalzustand im spannungsgeregelten getakteten Betrieb erreicht.
Das Verfahren läuft weiter, indem wiederum in Schritt B2 überprüft wird, ob die Kriterien zum Umschalten in den grundfrequent ungeregelten Betrieb wieder erfüllt sind, oder nicht. Werden die Kriterien nicht erfüllt bilden die Verfahrensschritte B2 und B8 eine immer wiederkehrende Schleife.
Um die beiden zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren durchführen zu können verfügt ein erfindungsgemäßer, netzseitiger Stromrichter über:

– Mittel zum Betrieb des Stromrichters im grundfrequenten ungeregelten Betrieb,
– Mittel zum Betrieb des Stromrichters im getakteten, spannungsgeregelten Betrieb,
– Mittel zur Erfassung von Parametern, aus denen auf einen momentanen Betriebspunkt und/oder auf momentane Netzbedingungen geschlossen werden kann, beispielsweise Sensoren, Strom- oder Spannungsmessvorrichtungen oder dergleichen,
– Mittel zur Bestimmung eines geeigneten Betriebszustands anhand der erfassten Parameter, sowie über
– Mittel zur unterbrechungsfreien Umschaltung des Betriebs des Stromrichters auf den anhand der erfassten Parameter bestimmten geeigneten Betriebszustand.

Wichtig ist, dass die Umschaltung während des laufenden Betriebs erfolgt und durch den Umschaltprozess weder das Netz noch die Last am Zwischenkreis nachteilig beeinflusst werden darf. Dazu werden die Umschaltvorgänge ohne Unterbrechung durchgeführt bzw. die Unterbrechungsdauer ist klein gegenüber den relevanten Zeitkonstanten auf Netzseite und Gleichspannungsseite. Anhand der genannten Kriterien ist eine automatische Umschaltung zwischen den Betriebsarten in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen, der Lastanforderung oder der Anwenderanforderungen möglich.
In den 5 bis 12 ist ein Anwendungsbeispiel zur Nutzung der erfindungsgemäßen Betriebsartumschaltung zur automatischen Bestimmung von Filterzeitkonstanten in der Netz-Synchronisierschaltung eines netzseitigen Stromrichters dargestellt.
In 5 ist skizzenartig der Anschluss und der Aufbau eines im Nachfolgenden betrachteten Stromrichters 10 dargestellt. Die Transistor-Schaltflanken für den grundfrequenten Betrieb liegen bei den natürlichen Zündzeitpunkten, also den Schnittpunkten der sinusförmigen Netzspannungen u_R,S,T.
Zur Erzeugung des Transistor-Ansteuersignale mit der in 6 dargestellten Schaltung 20 ist die Kenntnis des aktuellen Phasenwinkels Φ_Netz der symmetrischen Drei-Phasenquelle u_R,S,T erforderlich. Eine Spannungserfassung im Stromrichter, und nicht auf der Netzseite der externen Kommutierungsdrossel wie beim Stand der Technik üblich, vermeidet zusätzlichen Verdrahtungsaufwand und externe Sensorik. Allerdings sind die u_RST,Umr im Allgemeinen nicht sinusförmig und weisen Kommutierungseinbrüche auf. Für eine Netzwinkelbestimmung wird damit eine Filterung der Differenzspannungen erforderlich, beispielsweise mittels RC-Filterglieder. Die Amplitudeninformation über die Differenzspannungen u_RST,Umr wird für die Netzwinkelerfassung nicht benötigt. Die Erfassung der positiven Nulldurchgänge der drei Differenzspannungen mit Hilfe von Komparatorschaltungen ist ausreichend. Bei einem Nulldurchgang der gefilterten sinusförmigen Differenzspannungen und definiertem Vorzeichenwechsel wird beispielsweise ein jeweils zugehöriger Zähler zurückgesetzt. Aus den drei Zählerwerten kann ein Phasenwinkel Φ_Komp,Umr eindeutig ermittelt werden. Für die Transistor-Ansteuerung wird der Netzwinkel Φ_Netz der Spannungsquelle benötigt. Dieser Winkel kann näherungsweise aus Φ_Komp,Umr ermittelt werden, wenn die Netz- und Kommutierungsimpedanzen, die Zeitkostanten der RC-Spannungsfilter, sowie die Totzeiten der Messdatenerfassung bzw. des digitalen Abtastsystems bekannt sind. Der korrigierte Winkel wird als Φ_Komp,Netz bezeichnet und mit einer Phase-Locked-Loop (PLL) geglättet. Die Induktivitätswerte können im Rahmen einer Streckenidentifikation im geregelten getakteten Betrieb automatisch gemessen werden, die Totzeiten sind in der Regel konstant und können einmalig offline ermittelt werden. Die RC-Zeitkonstanten unterliegen aufgrund der Bauteil-Toleranzen, welche typischerweise im Bereich von etwa + – 10% liegen, einer großen Streuung und sind in der fertig aufgebauten Schaltung nur mit relativ großem Aufwand messbar. Bereits geringe Abweichungen des ermittelten Netzwinkels führen im grundfrequenten Betrieb aber bereits zu signifikant höheren Strommaxima und damit zu einer höheren Belastung der Halbleiterschalter bzw. zu einem vorzeitigen Abschalten des Stromrichters. Zudem verschlechtert sich im generatorischen Betriebfall der Leistungsfaktor aufgrund der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom.
7 zeigt ein Diagramm 30 in dem ein Beispiel für zu frühes Schalten der Transistoren mit einem Unterschwingen des Phasenstroms und damit insgesamt steigender Strombelastung und einer verringerten mittleren Zwischenkreisspannung dargestellt ist.
Im Diagramm 40 in 8 sind die Auswirkungen eines verzögerten Ansteuerns der Halbleiterschalter aufgrund eines fehlerhaften RC-Abgleichs dargestellt. Die Ströme steigen am Ende der Stromblöcke steil an, zudem ergibt sich eine Phasenverschiebung bezüglich der Netzspannung.
Vorteilhaft wäre daher ein Verfahren, mit dem die Zeitkonstanten der Spannungsfilter, sowie ggf. die Zeitkonstanten weiterer Filterglieder im Signalpfad, wie etwa von Filtern für die störsichere Übermittelung der analogen Messgrößen, bestimmt werden können. Das gesuchte Verfahren muss folgende Anforderungen erfüllen:

– möglichst geringe Erhöhung des Kalibrieraufwands während der Herstellung des Stromrichters,
– Möglichkeit einer Messung erst mit dem komplett aufgebauten und geschlossenen Gerät, um aufwändige Handhabungsvorgänge und Datenbanksysteme beim Kalibrieren zu vermeiden,
– einfach zu automatisierendes Verfahren, insbesondere beispielsweise keine Auswertung von Stromverläufen mit einem Oszilloskop,
– Möglichkeit eines einfachen Re-Kalibrierens für den Ersatzteilfall,
– Möglichkeit eines einfachen Re-Kalibrierens im Feld, falls Alterungseffekte auftreten, insbesondere unter Vermeidung zusätzlicher Messinstrumente und/oder Komponenten,
– kein Einsatz von genaueren Bauelementen, da dies die Kosten erhöhen würde oder weil die Bauelemente in der benötigten Bauform (SMD) nicht in der erforderlichen geringen Toleranz verfügbar sind.

Bisher wurde das Problem einer Bestimmung der Zeitkonstanten der Spannungsfilter, sowie ggf. der Zeitkonstanten weiterer Filterglieder im Signalpfad, gelöst durch:

– Verwendung von Bauelementen mit geringeren Toleranzen, verbunden mit dem Nachteil hoher Kosten,
– Verwendung zusätzlicher Messinstrumente und höheren Kalibrieraufwand beispielsweise durch Messung des Phasenoffsets zwischen Netz und Komparatoren-Eingang mit Hilfe eines Oszilloskops, verbunden mit dem Nachteil eines hohen Zeitaufwands,
– Inkaufnahme der Auswirkungen eines fehlenden Abgleichs verbunden mit dem Nachteil einer Verschlechterung der Ausnutzung des Stromrichters, dessen Maximalbelastung sowie dessen Leistungsfaktor.

In Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter mit unterbrechungsfreier Umschaltung zwischen grundfrequentem, ungeregeltem Betrieb und spannungsgeregeltem, getaktetem Be trieb kann obiges Problem wie nachfolgend beschrieben gelöst werden.
Grundsätzlich entspricht der Schaltungsaufbau des Stromrichters 10 nach 5 für den grundfrequenten Betrieb dem klassischen Schaltungsaufbau eines auch als dreiphasigen, getakteten Hochsetzstellers mit geregelter Zwischenkreisspannung bezeichneten spannungsgeregelten getakteten Stromrichters.
Die Funktionen grundfrequenter ungeregelter Betrieb und spannungsgeregelter getakteter Betrieb beispielsweise mit Pulsweitenmodulation (PWM) können mit derselben erfindungsgemäßen Hardware-Schaltung realisiert werden. Lediglich die zeitliche Abfolge der Steuersignale für die Halbleiterbauelemente muss entsprechend der Betriebsart geändert werden. Vorzugsweise erfolgt die Berechnung der jeweils benötigten Steuersignale durch Software.
Das Übertragungsverhalten eines in 9 dargestellten RC-Glieds 50 wird beschrieben durch die Laplace-Übertragungsfunktion in Abhängigkeit der komplexen Frequenz s:
Hier interessiert insbesondere der Fall s = jω0 = j2π·fNetz, (1')also die Erregung des Übertragungsglieds mit einer sinusförmigen Spannung.
mit der Amplitude A und dem Phasenwinkel Φ = –arctan(ω0RFCF). (3)
Wird bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beispielsweise ein 60°-Filter eingesetzt, so ergibt sich mit Φ = Φ₀ = –60° für die Zeitkonstante
Für den Phasenfehler ΔΦ, der bei Toleranzabweichungen der Bauelemente von ihren Nominalwerten R_F0 und C_F0 auftritt, erhält man ΔΦ = arctan(2π·fNetz·RF·CF) – arctan(2π·fNetz·RF0·CF0). (5)
Geht man von einem üblichen +/– 10%-Toleranzbereich für R_F und C_F aus, so ergibt sich bei f_Netz = 50 Hz –5,5° ≈ –0,096 rad < ΔΦmax < 0,079 rad ≈ 4,5° (6)
Wie in den 7 und 8 dargestellt, ergeben sich damit bereits erhebliche Auswirkungen auf die Strom- und Spannungsverläufe und damit auf die Betriebseigenschaften des Stromrichters.
In 10 ist der vorgeschlagene Ablauf zur Bestimmung der tatsächlich wirksamen Filterzeitkonstante dargestellt. Der Ablauf ist automatisierbar, es sind neben dem Stromrichter keine weiteren Messkomponenten oder Messinstrumente erforderlich und die Messdauer liegt im Bereich < 2s.
Zunächst wird in einem ersten Schritt a) für die Zeitkonstante des Filters der Nominalwert der Bauelemente angenommen: TF0 = RF0CF0. (7)
Die Bestimmung des Netzwinkels in Schritt b) (10) erfolgt nach dem in 6 dargestellten Schema mit Hilfe der Komparatorschaltung zunächst mit diesen Initialisierungswerten und liefert den Wert Φ_Komp,Netz0, der bereits einen nicht optimierten Teillast-Betrieb des Stromrichters ermöglicht.
In einem dritten Schritt c) (10) wird der Stromrichter in den spannungsgeregelten Hochsetzstellerbetrieb versetzt und die Halbleiterschalter werden angesteuert. Im Hochsetzstellerbetrieb sind die Stromrichterausgangsspannungen u_RST,Umr getaktet und damit in der Regel so stark gestört, dass die Komparatorschaltung keine zuverlässige Signale mehr liefert.
Mit einem Drei-Phasen-Wechselstrommodell des Netzes können die Netzspannungen und damit der Netzwinkel Φ_Mod,Netz unter der Annahme sinusförmiger Wechselgrößen aber in einem vierten Schritt d) (10) berechnet werden, beispielsweise mittels einer in 12 dargestellten Schaltung 60. Eingangsgrößen des Modells sind dabei die im Stromrichter gemessenen Ströme und Spannungen. Der geschätzte Netzwinkel Φ_Mod,Netz als Ausgangsgröße des Netzmodells bildet wiederum die Eingangsgröße der PLL zur Berechnung eines stabilen, gefilterten Netzwinkels Φ_pLL,Netz. Aufgrund von Abweichungen zwischen Φ_Komp,Netz0 und Φ_Netz stellt der Stromregler zunächst Ausgangsspannungen, die zu Regelabweichungen in den Phasenströmen führen. Aufgrund dieser Regeldifferenzen im Stromregler ergeben sich in den folgenden Abtastzyklen korrigierte Ausgangsspannungen u_RST,Umr, die wiederum zu einer Änderung des mit dem Modell geschätzten Netzwinkels führen. Nach einem Einschwingvorgang ist die Regelabweichung des Stromreglers ausgeregelt und die PLL ist eingeschwungen, d.h. es gilt Φ_PLL,Netz ≈ Φ_Netz bzw. ΔΦ ≈ 0. Der Einschwingvorgang ist im Diagramm 70 in 11 dargestellt. Der eingeschwungene Zustand kann beispielsweise dadurch festgestellt werden, dass der Betrag der zeitlichen Ableitung von f_PLL,Netz = Φ_PLL,Netz unterhalb eines Grenzwertes liegt.
Nun werden in Schritt e) (10) die Ansteuersignale für die Halbleiterschalter wieder gesperrt, so dass die Netzwinkelerfassung durch die Komparatorschaltung wieder möglich wird. Parallel dazu wird im Abtasttakt der Modellwinkel des Netzmodells unter Verwendung der zuletzt ermittelten Frequenz weiter gedreht: ΦPLL,Netz(k + 1) = ΦPLL,Netz(k) + 2π·fPLL,NetzTAbtasttakt (8)
Da sich die Netzfrequenz nur langsam ändert, ist die dabei im Sub-Sekundenbereich entstehende Phasenabweichung zwischen Modellwert und realem Phasenwinkel vernachlässigbar.
Die unmittelbar nach Pulssperre durchgeführte zweite Netzwinkelmessung mit den Komparatoren liefert Φ_Komp,Netz1. Die während des Einschwingvorgangs der PLL durchgeführte Phasenkorrektur ergibt sich dann in Schritt f) (10) als ΔΦFehler = ΦPLL,Netz – ΦKomp,Netz1. (9)
Für die korrigierte, aktuelle wirksame Zeitkonstante T_F,korr erhält man daher mit Φ_F0 als Filterphase bei Nominalwerten und Frequenz f_Netz:
Bei einer Netzfrequenz f_Netz,Betrieb während des späteren Betriebs nach dem Abgleichvorgang folgt aus Gleichung (3) für den gesamten zu korrigierenden Phasenwinkel des tatsächlichen RC-Filters mit Zeitkonstante T_F,korr Φkorr = –arctan(2π·fNetz,Betrieb·TF,korr. (11)
Für den Sonderfall f_NetZ,Betrieb = f_Netz ergibt sich die Vereinfachung Φkorr = –ΔΦFehler + ΦF0 (12)
In Schritt g) (10) wechselt der Stromrichter wieder in den grundfrequenten, ungeregelten Betrieb.
Es sei darauf hingewiesen, dass statt der zweiten Netzwinkelbestimmung mit anschließender Berechnung des Differenzwinkels auch alle Netzwinkeländerungen während des Einschwingens des Netzmodells und der PLL integriert werden können. Da der Einschwingvorgang jedoch unter Umständen mehrere Sekunden dauert, würden bei dieser Vorgehensweise auch tatsächliche Phasenabweichungen aufgrund von Netzfrequenzänderungen in den Korrekturwert für die Filterzeitkonstante eingehen und zu einer erhöhten Messungsgenauigkeit führen.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann die Zeitkonstante eines RC-Filters zur Erfassung des Netzwinkels bei Stromrichtern gemessen werden. Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

– hohe Genauigkeit (Messfehler < 1°), geeignet für die Optimierung des grundfrequenten Betriebsmodus (s.a. 8) – damit optimale Ausnutzung bzw. Belastungsfähigkeit des Stromrichters,
– keine zusätzlichen Komponenten oder Messinstrumente erforderlich,
– automatisierbar und z.B. in den Inbetriebnahme-Ablauf des Stromrichters integrierbar,
– schnell (Einschwingdauer der PLL in der Regel < 2s),
– gesamte Phasenverzögerung aller Filter im Signalpfad für die Netzwinkelbestimmung wird erfasst,
– kein zusätzlicher Kalibrieraufwand in der Stromrichter-Fertigung,
– einfaches Re-Kalibrieren für den Ersatzteilfall,
– einfaches Re-Kalibrieren im Feld für den Servicefall oder auch automatisch,
– keine speziellen Bauelemente erforderlich für die Filterschaltungen,
– kostengünstig.

Das oben beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Filterzeitkonstanten T_F,korr ist insbesondere in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter mit unterbrechungsfreier Umschaltung zwischen grundfrequentem ungeregeltem Betrieb und spannungsgeregeltem getaktetem Betreib anwendbar.

Claims

Netzseitiger Stromrichter, gekennzeichnet durch – Mittel zum Betrieb des Stromrichters im grundfrequenten ungeregelten Betrieb, – Mittel zum Betrieb des Stromrichters im getakteten, spannungsgeregelten Betrieb, – Mittel zur Erfassung von Parametern, aus denen auf einen momentanen Betriebspunkt und/oder auf momentane Netzbedingungen geschlossen werden kann, – Mittel zur Bestimmung eines geeigneten Betriebszustands anhand der erfassten Parameter, sowie – Mittel zur unterbrechungsfreien Umschaltung des Betriebs des Stromrichters in den anhand der erfassten Parameter bestimmten geeigneten Betriebszustand.
Netzseitiger Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Betrieb des Stromrichters im grundfrequenten ungeregelten Betrieb sowie die Mittel zum Betrieb des Stromrichters im getakteten spannungsgeregelten Betrieb eine Stromrichtertopologie umfasst, die beide Betriebsarten ermöglicht, sowie Beschaltungskomponenten des Stromrichters umfasst, die für beide Betriebsarten geeignet sind, und eine Steuerungshardware und/oder Steuerungssoftware umfasst, die für beide Betriebsarten umschaltbar ist.
Netzseitiger Stromrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichtertopologie eine IGBT-B6-Brücke umfasst.
Netzseitiger Stromrichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für beide Betriebsarten umschaltbare Steuerungshardware und/oder Steuerungssoftware ein durch Registerkonfiguration umschaltbares Steuersatz-ASIC umfasst.
Netzseitiger Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur unterbre chungsfreien Umschaltung des Betriebs des Stromrichters auf den geeigneten Betriebszustand ein Hardware/Software-Design umfasst, das die Umschaltung im Betrieb durch Registerzugriff im laufenden Betrieb und/oder durch eine System-Ablaufsteuerung mit Zugriff und Reglerinitialisierungsroutinen zur on-the-fly-Aktivierung der jeweils anderen Betriebsart und/oder durch eine Sperrung der Pulse für einen Abtasttakt während der Umschaltung ermöglicht.
Verfahren zum unterbrechungsfreien Umschalten eines netzseitigen Stromrichters, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – Erfassung des momentanen Betriebszustands des Stromrichters, – Erfassung von Parametern, aus denen auf einen momentanen Betriebspunkt und/oder auf die momentanen Netzbedingungen geschlossen werden kann, – Entscheidung anhand der erfassten Parameter, ob der momentane Betriebszustand der für die momentanen Leistungsanforderungen geeignet ist oder nicht, sowie – Umschalten des Betriebszustands, wenn der momentane Betriebszustand kein geeigneter Betriebszustand ist, oder – Beibehaltung des momentanen Betriebszustands, wenn der momentane Betriebszustand ein geeigneter Betriebszustand ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umschalten des momentanen Betriebszustands auf einen geeigneten Betriebszustand das Konfigurationsregister im ASIC zusammen mit den anderen Steuerregistern gelesen oder gelatched wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umschalten des momentanen Betriebszustands auf einen geeigneten Betriebszustand die Pulse für einen Abtastakt gesperrt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Parameter die Netzspannung und/oder die Zwischenkreisspannung umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten vom grundfrequenten ungeregelten Betrieb zum getakteten spannungsgeregelten Betrieb die Zwischenkreisspannung vorzugsweise entlang einer Rampe auf einen Sollwert verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten vom getakteten spannungsgeregelten Betrieb zum grundfrequenten ungeregelten Betrieb die Zwischenkreisspannung geregelt auf einen Gleichrichterwert für den grundfrequenten Betrieb geführt wird.