DE19941170A1 - Selbstsymmetrierende Einspeiseschaltung - Google Patents

Abstract

Zur massearmen Darstellung eines Einspeisesystems mit den Wirkungen einer Spannungsreduktion am Ausgang und einer oberschwingungsarmen Netzbelastung stellt sich für hohe Spannungen und niedrige Netzfrequenzen eine Kombination aus kaskadierten Teilumrichtern in 4-Q-Anordnung und einem Transformator mit hochwertiger induktiver Kopplung der Primärwicklungen und hochleitfähigem Magnetkreis als zweckmäßig dar. Die Anordnung ist selbstsymmetrierend und kann verlustarm mit merklich niedrigerem Gewicht als ein niederfrequent betriebener Transformator gestaltet werden. Zur Speisung von Fahrzeugantrieben eignet sich sowohl der Betrieb mit konstanter (Fig. 1a) als auch der mit variabler Ausgangsfrequenz.

Description

Die Ergebnisse der Entwicklung von neuen schnellschaltetenden Halbleiter-Schaltelementen mit Sperrspannungen von mehr als 2 kV führt auf die Ausführung von verlustarmen Stromkreisen der Leistungselektronik im MW-Bereich und somit auch auf massearme Konfigurationen von Stromrichtern. Mit steigender Sperrspannung nimmt die Zahl der erforderlichen Elemente und damit die Komplexität und Ausfallwahrscheinlichkeit auch bei Systemen mit hoher Spannung ab; es lassen sich somit Schaltungen für Umformaufgaben auch für neue Zielsetzungen angeben. Ein im Bereich der Bahn und Fahrzeugtechnik bekanntes Problem ist die massearme Ausführung der Hochspannungseinspeisung bei Frequenzen, die niedriger als 50 Hz sind. Bislang erfolgt die Einspeisung über besonders dimensionierte, aber doch gewichtsträchtige Transformatoren. Deren Aufgabe ist es, die hohe Eingangsspannung soweit zu reduzieren, daß Antriebsmotoren eine mit Blick auf ihre Masse und Verluste optimale Auslegung erfahren können. Neben dieser Hauptfunktion des Transformators erfüllt er auch die wichtige Zusatzbedingung einer aus der Sicherheitsbetrachtung gewünschten galvanischen Trennung vom speisenden Netz. Die gewichtsarme Auslegung der elektrischen Antriebsmaschinen hängt eng mit der thermischen Belastbarkeit der Wicklungen und damit mit deren Kühlfähigkeit und den isolationstechnischen Fragen zusammen. Auch eine preisgünstige Auslegung der den Motor speisenden Frequenzumrichter spricht für eine stark reduzierte Spannung. Die prinzipiell vorteilhafte Anwendung eines Transformators dürfte auch mittelfristig weiterbestehen, wobei der Sicherheitsaspekt der galvanischen Trennung von ganz besonderer Bedeutung ist. Er schließt den direkten Einsatz eines ausschließlich leistungselektronischen Einspeisesystems für Antriebseinheiten etwa entsprechend DE 196 14 627 A1 aus. Nach dieser Anmeldung wird ebenso wie in DE 196 15 855 A1 eine kaskadierte Stromrichterschaltung so betrieben, daß die an ihrem Ausgang liegenden Wicklungen von dreisträngigen elektrischen Maschinen mit einer frequenzvariablen Spannung versorgt werden können. Da die induktive Kopplung der (dreisträngigen) Maschinenwicklungen schwach und abhängig vom Betriebszustand ist, besteht keine Möglichkeit der Selbstsymmetrierung der Spannung. Der vorausgesetzte direkte Anschluß der Antriebsmaschinen läßt keine gleichmäßige Aufteilung auf die speisenden Teilwechselrichter zu und erfordert somit einen sehr hohen Isolationsaufwand mit allen Konsequenzen für die Auslegung der elektrischen Maschinen. An anderer Stelle sind Vorschläge für komplexe Schaltungsergänzungen beschrieben wie z. B. ein zusätzlicher Spannungsteiler vor dem Umrichter, mit dessen Hilfe eine gleichmäßige Spannungsaufteilung erzwungen werden soll. Solche und andere Vorschläge sind mit dem Grundgedanken, große Zuverlässigkeit durch hohe Einfachheit, nicht vereinbar.

Es bestehen somit folgende Hauptmerkmale für die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe:

• - Schaltung, bestehend aus Frequenzumrichter und Transformator, der mit erhöhter Frequenz betrieben wird.
• - Schaltung bestehend aus einer begrenzten Zahl von Teilkreisen mit möglichst gleichartigem Aufbau und identischen Schaltelementen sowie einer möglichst gleichartigen Belastung nach Strom und Spannung.
• - Vermeidung von Schaltungen, die im Fehlerfall z. B. bei Ausfall der Steuerung oder von Regelkreisen zur Instabilität und zu ungleicher Spannungsaufteilung führen. Hieraus abgeleitet besteht das Ziel, eine selbstsymmetrierende Schaltung anzugeben.
• - Vermeidung von isolationstechnisch bzw. auslegungstechnisch schwierigen Anordnungen durch Verlegung von Funktionen von der Primär- auf die Sekundarseite.
• - Störfallbeherrschung durch Wegschaltung fehlerbehafteter Schaltungsteile und Schaltungsredundanz.
• - Funktion einer Mindestglättung des Stromeingangs und Blindstrombeeinflussung durch den Umrichter.
• - Verlustarme Ausführung durch die Wahl begrenzter Schalt- und Betriebsfrequenzen bei Leistungselektronik und Transformator.
• - Transformator mit hochwertigem Magnetkreis für Grundschwingungen bis in den Bereich von 1 kHz und Auslegung mit gut gekoppelten Wicklungen der Primärseite und der Primärwicklungen mit der Sekundärwicklung.
• - Rückspeise- und Mehrsystemfähigkeit der Schaltung (Umkehr des Energieflusses).
• - Hochzuverlässige Ausführung der Treiberschaltung und Steuerung.

Die erfindungsgemäße Darstellung wird in einer ausführlichen Beschreibung und der Darlegung der Schaltung durch 12 Figuren und deren Erläuterungen vorgenommen.

Fig. 1a zeigt die aus Glättungsdrossel, Umrichterschaltkreisen und Transformator bestehende Schaltung der Wandleranordnung.

Fig. 1b stellt für eine Teilumrichteranordnung mit Primärwicklung dar, wie durch zwei Schalter die Anlage ergänzt werden kann, um partiell im Fehlerfall eine Abschaltung vornehmen zu können.

Fig. 2 stellt die Einspeiseschaltung zusammen mit einer Antriebsanlage für einen Fahrmotor dar. Es wird auf den zeitlichen Verlauf der Spannungen an verschiedenen Stellen Bezug genommen.

Fig. 2'.0 zeigt die sinusförmige Netzspannung niedriger Frequenz.

Fig. 2'.1 zeigt die gepulste, oberwellenarme Spannung des Eingangsstromrichters.

Fig. 2'.2 zeigt die gepulste Spannung eines Stromrichters.

Fig. 2'.3 zeigt den Spannungsverlauf im Zwischenkreis.

Fig. 2'.4 zeigt den gepulsten Spannungsverlauf an der Transformator-Primärwicklung.

Fig. 2'.5 zeigt den geglätteten Spannungsverlauf im Zwischenkreis des Antriebsumrichters.

Fig. 3 zeigt den mit der Eingangsfrequenz modulierten Ausgangsstrom des Transfor­ mators.

Fig. 4a zeigt eine Wandlerschaltung, die aus zwei Umrichtergruppen und zwei gleich­ artigen Transformatoren zu direkten Speisungen von zwei Wicklungen eines Antriebsmotors eingesetzt sind. Die Ausgangsspannungen sind frequenzvariabel und phasenverschoben.

Fig. 4b zeigt die weitgehend sinusförmigen Ausgangsspannungen an den beiden Wick­ lungen des Motors.

Voraussetzung für eine massearme Ausführung des Frequenzumrichters ist eine definierte Belastung nach Strom und Spannung, eine begrenzte Überlastung im Fehlerfall, bei dem Abschaltungen von Teilumrichtern vorgenommen werden können sowie eine verhältnismäßig hohe Ausgangsfrequenz, die zu einer Massenreduktion des Transformators eingesetzt werden kann. Um gleichzeitig der bestehenden Forderung nach einer oberschwingungsarmen Netzbelastung zu entsprechen, wird der Weg beschritten, den Eingangsstromrichter mit einer weitgehend sinusförmigen Spannung zu betreiben. Diese Zielsetzung kann am besten durch den pulsförmigen Betrieb mit Spannungsblöcken einer Frequenz entsprochen werden, die ein hohes Vielfaches der Netzfrequenz ist, etwa im Bereich von 1 kHz liegt, wenn von einer Netzfrequenz von 16 2/3 Hz ausgegangen wird. Mit Pulsen gleicher Spannungshöhe sowie identischen Pulsmustern der Teilumrichter und einer zeitlich sinusförmig verbreiterten Pulsdauer sowie einem Zeitversatz von T_p/2n (T_p-Periodendauer) der Pulsmuster einzelner Teilumrichter kann bei einer begrenzten Zahl von z. B. 3 Umrichtern bereits ein günstiger Wert zur Oberwellenreduktion erzielt werden. Die zusätzlich notwendige Induktivität, die ggf. für weitere Stromglättung erforderlich ist, dient damit ausschließlich der Reduktion von Oberschwingungen hoher Ordnungszahl und kann mit kleiner Masse ausgelegt werden. Durch eine Mindestzahl von drei Teilumrichtern kann somit bereits eine wirksame Minderung der Systemmasse erreicht werden.

Bei Netzspannungen mit z. B. 15 kV und den heute verfügbaren IGBT-Modulen mit 3,3 kV Sperrspannung ergeben sich insgesamt 16 Teilumrichter, wenn dabei der Forderung entsprochen wird, daß im Fehlerfall zwei Einheiten abschaltbar sein sollen. Die sich mittelfristig abzeichnende Bereitstellung von Modulen mit 6,5 kV Sperrspannung läßt später eine Reduktion der Zahl der Teilumrichter auf 8 zu. Mit Spannungsreserve nach dem heutigen Stand dimensionierte Teilumrichter, die mit einer Zwischenkreisspannung von 1,5 kV betrieben werden, lassen sich mit einer spezifischen Masse von etwa 50 g/kW (oder weniger) herstellen. Hierbei ist ein verlustarmer Betrieb mit einer Pulsfrequenz von etwa 1 kHz und eine indirekte Kühlung der Halbleiterbauteile über die Bodenplatte vorgesehen. Der kaskadierte Umrichter für 15 kV ist somit z. B. durch eine leistungsbezogene Masse von etwa 0,8 kg/kW zu charakterisieren.

Durch den Betrieb des Transformators mit einer Frequenz von 400 bis 500 Hz läßt die notwendige spezifische Masse sich auf weniger als 0,2 kg/kW reduzieren. Dies ist mit 2 bis 2,5 kg/kW beim konventionellen Transformator zu vergleichen und bedeutet eine Reduktion um mehr als einen Faktor 10.

Damit ist bei Leistungen von z. B. 2 MW die Systemmasse der Anlage auf etwa 1 kg/kW oder weniger zu veranschlagen. Neben der offensichtlichen Gewichtseinsparung besteht der besondere Anreiz einer beträchtlichen Reduktion der Verluste gegenüber einer konventionellen Transformatorlösung. Ungeachtet der mehrstufigen Anwendung der Umrichterschaltung läßt sich eine Halbierung der Verluste gegenüber der Bahnausführung der Transformatoren ohne größere Schwierigkeiten erzielen. Ein weiterer positiver Gesichtspunkt ist die mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Anlage mit geringer Bauhöhe.

In Fig. 1a ist die Schaltung der aus Umrichter F und Transformator T bestehenden Wandleranordnung W zusammen mit der Glättungsinduktivität L_g dargestellt. Erfindungsge­ mäß wird durch den versetzten Pulsbetrieb der kaskadierten Teilumrichter F₁₁ bis F_n1 mit ihren entsprechenden Teilspannungen U_F1 bis U_Fn in der Summe U_Fe weitgehend sinusförmig erreicht. Durch die Wahl bestimmter Pulsbreiten in der Folge einer Halbperiode, einer bestimmten Pulsfrequenz und eines geeigneten Pulsversatzes der Teilspannungen lassen sich gezielt bestimmte Oberschwingungen in der Spannungsaddition U_Fe und damit im Netzstrom unterdrücken. Zur Erzielung definierter Ergebnisse ist eine bestimmte Mindestzahl an Teilumrichtern n und eine bestimmte Pulsfrequenz f_T notwendig.

In Fig. 2 ist das Schaltbild mit den wichtigsten Teilen von Netzeinspeisung N, Umrichter F, Transformator T sowie Antriebsumrichter A und Motor M wiedergegeben.

Fig. 2'.1 zeigt für den Fall von drei Teilumrichtern ein entsprechendes Pulsmuster der Summenspannung U_Fe, während in Fig. 2'.2 die Eingangsspannung eines Teilumrichters U_Fn gezeigt ist. Die Höhe der Spannungspulse ist gleichartig, ihre Breite wird sinusförmig verändert. U_F1 und andere Teilspannungen unterscheiden sich von U_Fn nur durch den zeitlichen Versatz des Pulsmusters. Der erzielbare Glättungsgrad steigt mit der Zahl der Teilumrichter und der Pulsfrequenz. Es wird damit erreicht, daß vornehmlich die durch den Pulsbetrieb verursachte hohe Störfrequenz von 2n . f_T (mit f_T der Pulsfrequenz) durch die Glättungsinduktivität L_g zu unterdrücken ist. Mit der damit erzielten Systemspannung sind gegenüber der sinusförmigen Netzspannung U_N nach Fig. 2'.0 nur noch minimale Differenzen gegeben. Der somit sehr oberwellenarme Betrieb wird mit einer minimierten Glättungseinrichtung und kleinen Verlusten möglich.

Wie Fig. 2'.3, in der U_dn den Spannungsverlauf im Zwischenkreis des Teilumrichters n darstellt, erkennen läßt, wird durch den Kondensator C die Schwankung ΔU mit der doppelten Speisefrequenz von U_N in der Größe von 10÷15% des Mittelwerts zugelassen. Eine Saugdrosselschaltung auf der Primärseite des Transformators wäre aus isolationstechnischen Gründen aufwendig und ist hier nicht ausgeführt. Evtl. notwendige Glättungsmaßnahmen finden zweckmäßig auf der Sekundärseite mit geringem Aufwand statt. Im Zwischenkreis von Umrichter A, der aus Gleichrichter und Wechselrichter besteht, ist nach Fig. 2 eine Saugdrossel-Anordnung vorgesehen. Damit ist z. B. die Spannung U_dM entsprechend Fig. 2'.5 im Zwischenkreis schwankungsarm darstellbar.

Wie Fig. 2'.4 andeutet, sind die. Wechselrichter F₁₂ bis F_n2 alle mit gleichartigen und zeitgleichen Pulsmustern, also synchron gepulst. Die Spannungen U_Tn als Eingangsspannung der gleichartig mit der Windungszahl w_p ausgeführten Primärwicklungen haben magnetische Flüsse zur Folge, die sich im Transformator-Magnetkreis E identisch überlagern und die gemeinsame Sekundärwicklung mit der Windungszahl w_s induzieren. Die dort erzeugte Spannung U_Ta weist die gleiche Grundfrequenz wie U_T auf, ist aber im Verhältnis der Windungszahlen w_s/nw_p gegenüber der Eingangsspannung U_N reduziert.

Wie Fig. 3 zeigt, ist der pulsierenden Leistung entsprechend, der Transformatorstrom so beschaffen, daß sein Anteil der Grundfrequenz mit der Eingangsfrequenz moduliert ist. Die Auslegung von Transformator und der ihn speisenden Teilwechselrichter haben den dadurch größeren Strommaximalwert zu berücksichtigen.

Eine Ergänzung der Umrichterschaltung von F durch die Schalter S1 und S2 ist in der Fig. 1b angedeutet. In der geschlossen gezeichneten Schalterstellung von S1 und S2 befindet sich der Umrichter F in funktionsfähigem Zustand und liefert die eben beschriebenen Spannungen in pulsförmiger Form an die Primärwicklungen w_p des Transformators. Wird durch die Überwachungsschaltung eine Fehlfunktion im Gleichrichter GR oder im Wechselrichter WR festgestellt, so kann die Wicklung w_p durch Öffnen der beiden Schalter S1 und S2 stromlos geschaltet werden. Es folgt daraufhin eine Neusymmetrierung der Spannungen mit im Verhältnis n/n - 1 höheren Spannungspulsen in der betriebsfähig verbleibenden Schaltung. Wird durch fehlerhafte Ansteuerung oder allgemein durch Schaltvorgänge eine Störung der bestehenden symmetrischen Spannungsaufteilung angeregt, so lassen die vorgesehene Schaltung des Umrichters F, dessen 4-Q-Konfiguration (Fig. 1b) mit IGBT-Modulen und deren antiparallele Dioden sowie die erwähnte hochwertige induktive Kopplung des Transformators T ein instabiles Verhalten, auch bei nicht vorgesehener Regelung, nicht zu. Es wird vorausgesetzt, daß mindestens die Hälfte der Primärwicklungen im Falle eines rahmenförmigen Magnetkreises auf einem Schenkel axial in enger Nachbarschaft und mit geringer magnetischer Streuung positioniert sind. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Wicklung ihre Spannungsänderung einer größeren Gruppe von Primärwicklungen schnell im ausgleichenden Sinne mitteilt. Diese Symmetrierungswirkung wird dadurch verstärkt, daß die richtungsbezogene Stromführung der Dioden den Ausgleichsvorgang noch weiter beschleunigt.

Systemanwendungen, bei denen Antriebsmotoren mit gegenüber der Netzspannung U_N reduzierter und vom Transformator übertragenen Spannung direkt und begrenzt frequenzvariabel gespeist werden, sind grundsätzlich möglich und ebenfalls in zweckmäßiger Form ausführbar.

Fig. 4a stellt ein Beispiel dar, bei dem die Transformatoren T1 und T2 in gleicher Ausführung mit den Sekundärwicklungen w_s1 und w_s2 mlt Eisenkernen E1 und E2 und mit zwei Gruppen von Primärwicklungen w_p1 bis w_p3 sowie w_p4 bis w_p6 aufgeteilt sind. Auch die Frequenzumrichter F sind in die beiden Gruppen F_G1 und F_G2 unterteilt; die Eingangsspannungen sind U_Fe1 und U_Fe2, die sich zur Summenspannung U_Fe addieren, Fig. 4b.

Weiter ist in Fig. 4a vorausgesetzt, daß der Antriebsmotor M beispielsweise mit zwei um 90° versetzt betriebenen Wicklungen ausgestattet ist, deren Windungen wma und wmb mit entsprechend phasenverschobenen Spannungen U_T1a und U_T2a Fig. 4c zu speisen sind. Es soll auch berücksichtigt sein, daß der Motor nicht mit der Frequenz 0 betrieben werden muß, sondern daß erst oberhalb einer bestimmten Minimalfrequenz f₀ vom Transformator genügend Leistung zum Betrieb des Antriebs zur Verfügung steht. Mit zunehmend höherer Frequenz steigt die Spannung am Transformator U_T an, so daß der Antrieb mit steigender Leistung versorgt werden kann. Der Maximalwert der Leistung wird bei einer Frequenz f₁ erreicht, die bereits um ein Mehrfaches höher als die Eingangsfrequenz bzw. die Speisefrequenz des Netzes ist. Damit kann auch bei Anwendung von mehreren Transformatoreinheiten und der auf der Netzseite kaskadierten Umrichterschaltung ein ähnlicher Gewichtsvorteil wie bei einer Transformatorausführung mit nur einer Einheit erreicht werden. Die Auswirkungen einer Leistungseinschränkung bei kleinen Frequenzen sind z. B. bei Asynchronmotoren leicht tolerierbar und lassen sich bei bestimmten Voraussetzungen auch bei Synchronmotoren minimieren.

Claims (7)

1. Einspeisesystem, bestehend aus Frequenzumrichter und Transformator zur massearmen Umwandlung einer hohen Wechselspannung niedriger Frequenz in eine oder mehrere niedrigere Spannungen erhöhter Frequenz durch Verwendung mehrerer gleichartiger Umrichtermodule die aus je zwei Teilumrichtern bestehen, die ihrerseits über einen Gleichstrom-Zwischenkreis verbunden sowie eingangsseitig kaskadiert sind und deren Ausgang eine Spannung führt, die in ihrer Höhe einen Bruchteil der Eingangsspannung beträgt und deren Frequenz bei voller Leistung ein Mehrfaches der Eingangsfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichartigen Teilumrichter in 4-Q-Schaltung ausgeführt und mit mindestens einem Transformator verbunden sind, wobei die Zahl der Primärwicklungen der Zahl der Teilumrichter entspricht, die Primärwicklungen je Transformator induktiv hochwertig gekoppelt sind und ihrerseits eine gute Kopplung mit jeweils einer gemeinsamen Sekundärwicklung je Transformator aufweisen, wobei die Spannung der Primärwick­ lungen so gewählt ist, daß in den Teilumrichtern hochsperrende Halbleiterschalter einstufig eingesetzt werden können, die ohne aktive Regelung bezüglich der Spannungsaufteilung oder eine zusätzliche Schaltung spannungssymmetrisch bean­ sprucht sind, dabei aber die Zahl der Teilumrichter je Transformator mindestens 3 beträgt.

2. Einspeisesystem nach A1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Eingangsstromrichter aus einer Folge gleichartiger Pulsmuster besteht die gegeneinander versetzt sind und die Pulsfrequenz etwa 1 kHz beträgt, während die Ausgangsstromrichter mit synchronisierten Pulsfolgen und etwa doppelter Pulsfrequenz betrieben werden, wobei der Grundfrequenz der Sekundärspannung die Frequenz der Eingangsspannung überlagert ist.

3. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrom-Zwischenkreise der Frequenzumrichter mit gleichgroßen Zwischen­ kreis-Kondensatoren C ausgestattet sind, die begrenzte Spannungsschwankungen von 10 bis 15% des Mittelwerts mit der doppelten Speisefrequenz erlauben und eine Transformatorauslegung gewählt ist, die den mit dieser Frequenz modulierten Strom und somit einen entsprechend erhöhten Effektivwert elektromagnetisch und thermisch berücksichtigt, wobei die Spannungsschwankungen in nachgeschalteten Siebgliedern auf der Niederspannungsseite aufgenommen werden.

4. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fehlern von Teilumrichtern, diese durch zusätzliche Schalter außer Betrieb genommen werden, und die verbleibenden Umrichter den Betrieb übernehmen, wobei die Auslegung der Schaltelemente für den Höchstwert der im Fehlerfall auftretenden Spannung erfolgt.

5. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspannung so gewählt wird, daß die Stromrichter der Antriebsmaschine (oder Maschinen) mit einstufig angeordneten Halbleiter-Schaltelementen (ohne Reihenschaltung) ausgestattet sind und aus isolationstechnischer und thermischer Sicht zu einer zweckmäßigen Maschinenauslegung mit geringer Masse bei hohem Drehmoment führt.

6. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltungen für die IGBT-Module über Lichtwellenleiter und damit mit galvanischer Trennung angesteuert werden, ihre Stromversorgung ebenfalls galvanisch getrennt durch Übertrager erfolgt, und daß Zusatzfunktionen wie Kurzschlußab­ schaltung und die Abgabe von Überwachungssignalen mit Hilfe von Lichtleitern integriert sind.

7. Einspeisesystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß Umrichter und Transformator mit getrennten Kühlkreisläufen so ausgeführt und der Umrichter durch modulare Reihenanordnung so gegliedert wird, daß Montage und Auswechselung von Teilkreisen des Umrichters einfach ermöglicht werden.