DE20122448U1

DE20122448U1 - Multi-phase voltage controlled PWM frequency converter for AC motor control has rectifier bridge connected to inverter without use of capacitor and inductor to act respectively as intermediate energy store and current peak value limiter

Info

Publication number: DE20122448U1
Application number: DE20122448U
Authority: DE
Original assignee: Ricotec Oy
Current assignee: Ricotec Oy
Priority date: 1969-01-27
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2011-01-31

Abstract

The frequency converter has a control unit (23) and a rectifier bridge (20) connected to a three phase supply. An inverter bridge (21) supplies a three phase load (22) with an AC voltage of varying magnitude and frequency. The inverter bridge also has PWM controlled semiconductor switches like IGBT (V11-V16) in parallel with diodes (D11-D16). The rectifier bridge (20) is connected to the inverter bridge (21) directly without a DC capacitor to act as an intermediate storage Also, no inductor is necessary to limit current peak wave.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mehrphasigen spannungsgesteuerten PWM-Frequenzwandler, der eine Steuereinheit, eine Gleichrichterbrücke, die dazu konstruiert ist, an eine mehrphasige Versorgungsleitung angeschlossen zu werden, eine Gleichspannungs-Zwischenschaltung sowie eine gesteuerte Wechselrichterbrücke zum Liefern einer mehrphasigen Wechselspannung an einen mehrphasigen Verbraucher aufweist.The The present invention relates to a multiphase voltage-controlled PWM frequency converter, a control unit, a rectifier bridge, the designed to be connected to a multiphase supply line to become a DC intermediate circuit and a controlled inverter bridge for providing a multi-phase Has AC voltage to a multiphase consumer.

Dreiphasige spannungsgesteuerte PWM-Frequenzwandler haben eine Gleichrichterbrücke zum Gleichrichten der dreiphasigen Wechselspannung einer Versorgungsleitung zur Erzeugung einer Gleichspannung für eine Gleichspannungs-Zwischenschaltung sowie eine Wechselrichterbrücke zum Wechselrichten des Gleichstroms der Zwischenschaltung in eine dreiphasige Wechselspannung mit variabler Frequenz, während Leistung in der Richtung von der Versorgungsleitung an einen Verbraucher fließt, wie zum Beispiel an einen Käfigläufermotor. Ein Käfigläufermotor wird allgemein in vielen Anwendungen, z. B. Pumpen oder Lüftern, verwendet. Die Wechselrichterbrücke ist eine Vollwellenbrücke mit pulsweitenmodulationsgesteuerten Halbleiterschaltern und mit Dioden, die mit jenen gegenparallel geschaltet sind. Die Gleichrichterbrücke kann eine ungesteuerte Vollwellenbrücke sein, wobei in diesem Fall nur Dioden in ihr verwendet werden, oder eine gesteuerte, wobei sie in diesem Fall mit gesteuerten Halbleiterschaltern ausgerüstet ist, sowie mit Dioden, die mit jenen gegenparallel geschaltet sind. Im Fall einer gesteuerten Gleichrichterbrücke kann Leistung auch in der Richtung vom Verbraucher zur Versorgungsleitung fließen, zum Beispiel in Situationen, bei denen ein Motor gebremst wird. Eine bekannte Möglichkeit zur Implementierung einer gesteuerten Gleichrichterbrücke besteht in einer Dreiphasenschaltung, wie sie im US-Patent mit der Nummer 4,447,868 dargestellt ist, welche einen Leistungsfluss entweder von der Wechselstromschaltung in die Gleichstromschaltung oder umgekehrt erlaubt. Nach dem oben genannten Patent wird eine Leitung durch die Transistoren der Gleichrichterschaltung so gesteuert, dass der Transistor im oberen Arm der Phase mit dem höchsten momentanen Wert der Versorgungsspannung und der Transistor im unteren Arm der Phase mit dem niedrigsten momentanen Wert der Versorgungsspannung leitend sind.Three Phase Voltage-controlled PWM frequency converters have a rectifier bridge for rectification the three-phase AC voltage of a supply line for generation a DC voltage for a DC intermediate circuit and an inverter bridge to Inverting the direct current of the intermediate circuit into a three-phase AC voltage with variable frequency, while power in the direction flows from the supply line to a consumer, such as for example, to a squirrel-cage motor. A squirrel cage motor is commonly used in many applications, e.g. As pumps or fans used. The inverter bridge is a full wave bridge with pulse width modulation controlled semiconductor switches and with Diodes connected in opposition to those. The rectifier bridge can an uncontrolled full wave bridge be, in which case only diodes are used in it, or a controlled, in which case they are controlled with semiconductor switches equipped is, as well as with diodes, which are connected in parallel with those. In the case of a controlled rectifier bridge, power can also be in the direction from the consumer to the supply line, for example in situations where a motor is braked. A known possibility for the implementation of a controlled rectifier bridge consists in a three-phase circuit as described in U.S. Patent No. 4,447,868 which shows a power flow either from the AC circuit allowed in the DC circuit or vice versa. After the above said patent becomes a line through the transistors of the rectifier circuit controlled so that the transistor in the upper arm of the phase with the highest current value of the supply voltage and the transistor in the lower Arm of the phase with the lowest instantaneous value of the supply voltage are conductive.

Die Lösungen des Standes der Technik zielen darauf ab, in der Gleichspannungszwischenschaltung eine konstante Spannung aufrecht zu erhalten, indem ein als Energiezwischenspeicher als Gleichspannungskondensator mit einer hohen Kapazität verwendet wird. Die Lösungen des Standes der Technik verwenden allgemein auch eine Dreiphasen-Wechselstrom-Induktivitätseinheit oder eine Einzelphasen-Gleichstrom-Induktivitätseinheit zusammen mit der Gleichrichterbrücke, um Versorgungsleitungsstromspitzen zu begrenzen.The solutions The prior art seeks to provide a DC intermediate circuit to maintain constant voltage by acting as an energy buffer used as a DC capacitor with a high capacity becomes. The solutions The prior art also generally uses a three-phase AC inductance unit or a single-phase DC inductance unit together with the Rectifier bridge, to limit supply line current peaks.

Die Bemessungsbetriebsleistung der Kondensatoreinheit wird allgemein durch die Fähigkeit der Kondensatoren, dem durch sie hindurch fließenden elektrischen Strom und der an sie anliegenden elektrischen Spannung Stand zu halten, sowie durch die Lebensdauer unter extremen Bedingungen bestimmt. Zum Bestimmen der elektrischen Last werden die durch die Gleichrichter- und die Wechselrichterschaltung erzeugten Komponenten allgemein zuerst getrennt gerechnet und dann quadratisch summiert. Dies ist die Vorgehensweise, die eingehalten wird, wenn die Kondensatoreinheit eine beträchtliche Kapazität hat, wobei in diesem Fall die Schaltungen als getrennte Schaltungen betrachtet werden können und ihre momentanen Werte keine Auswirkung aufeinander haben. Von diesen Voraussetzungen folgt es, dass die Kapazität der Kondensatoreinheit ziemlich groß wird, weil der bevorzugte Kondensatortyp, der Elektrolytkondensator, eine relativ geringe Stromtoleranz hat. Auf der anderen Seite ist ein großer Kapazitätswert bezüglich der verschiedenen Regelungsfunktionen (z.B. Stabilität der Motorspannung, Betrieb in Bremssituationen, Betrieb im Fall eines Stromausfalls) vorteilhaft.The Rated operating power of the capacitor unit becomes common through the ability the capacitors, the electric current flowing through them and to withstand the voltage applied to them, as well as determined by the life under extreme conditions. To determine The electrical load will be through the rectifier and the Inverter circuit produced components generally first separately calculated and then sums up quadratically. This is the procedure which is maintained when the capacitor unit a considerable capacity in which case the circuits are considered separate circuits can be considered and their current values have no effect on each other. From It follows from these assumptions that the capacity of the capacitor unit gets pretty big, because the preferred type of capacitor, the electrolytic capacitor, a has relatively low current tolerance. On the other side is one greater capacitance value in terms of the various control functions (e.g., motor voltage stability, Operation in braking situations, operation in case of power failure) advantageous.

Aufgrund der großen Kondensatoreinheit ist die Gleichspannung fast konstant. Wie aus der Richtung der Versorgungsleitung zu sehen ist, hat dies die Folge, dass zum Begrenzen der Netzstromspitzenwerte an einem Punkt entlang des Stromwegs eine beträchtliche Induktivität benötigt wird. Derzeit wird diese Induktivität am häufigsten vor die Gleichrichterbrücke geschaltet, so dass sie gleichzeitig auch die Gleichrichterbrücke gegen Versorgungsleitungsüberspannungsspitzen schützt. Üblicherweise wird die Strombegrenzungsinduktivität zum Beispiel so ausgelegt, dass bei einem Nennstrom die an der Induktivität anliegende Spannung ungefähr 3–5% der Versorgungsspannung beträgt.by virtue of the big Capacitor unit, the DC voltage is almost constant. How out the direction of the supply line, this has the consequence that for limiting the mains current peaks along a point the current path a considerable inductance needed becomes. Currently, this inductance is most often switched in front of the rectifier bridge, so they also simultaneously the rectifier bridge against Supply line overvoltage spikes protects. Usually For example, the current limiting inductance is designed to that at a rated current, the voltage applied to the inductor voltage about 3-5% of Supply voltage is.

Filterkomponenten des Standes der Technik sind sperrig und teuer. Daher stellen sie einen sehr großen Faktor für die Größe und die Kosten eines Frequenzwandlers dar. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und eine Steuerungsanordnung zu schaffen, die sowohl den als ein Energiespeicher in der Gleichspannungszwischenschaltung wirkenden Kondensator als auch die zur Begrenzung der Versorgurtgsleitungsstromspitzen eingesetzte Induktivität überflüssig macht.filter components The prior art is bulky and expensive. Therefore, they represent a very big one Factor for the size and the Cost of a frequency converter. It is the object of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art, and a control arrangement to provide both as an energy storage in the DC intermediate circuit acting capacitor as well as to limit the supply line current peaks makes inductance superfluous.

Die Steuerungsanordnung macht es möglich, die Gleichrichterbrücke direkt mit der Wechselrichterbrücke zu verschalten, ohne dass dabei eine Gleichspannungskondensatoreinheit als ein zwischengeschalteter Energiespeicher dient, so dass der von der Wechselrichterbrücke erzeugte Gleichstrom direkt und ohne Beschränkung durch eine Induktivitätseinheit in die Versorgungsleitung fließt.The Control arrangement makes it possible the rectifier bridge directly with the inverter bridge to interconnect, without causing a DC capacitor unit serves as an intermediate energy store, so that the from the inverter bridge DC generated directly and without restriction by an inductance unit flows into the supply line.

Ein mehrphasiger PWM-Frequenzwandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine Gleichrichterbrücke, die vollständig steuerbare Halbleiterschalter und parallel zu diesen gegenparallel geschaltete Dioden aufweist, wobei in diesen eine Steuereinheit die Leitung der vollständig steuerbaren Halbleiterschalter der Gleichrichterbrücke steuert, so dass der vollständig steuerbare Halbleiterschalter im oberen Arm der Phase mit dem positivsten momentanen Wert der Versorgungsspannung und der vollständig steuerbare Halbleiterschalter im unteren Arm der Phase mit dem negativsten momentanen Wert der Versorgungsspannung ständig leiten. Daher kann der Zwischenschaltungsstrom unabhängig von seiner Richtung frei in die Versorgungsleitung einfließen. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzwandler keine als ein Energiespeicher wirkende Kondensatoreinheit mit großer Kapazität zum Glätten der Zwischenschaltungsspannung, keine Induktivitätseinheit mit einer großen Induktivität zum Begrenzen der Spitzenwerte der Versorgungsleitungs-Phasenströme und keine Messung der Versorgungsleitungs-Phasenströme oder des Gleichstroms wie bei Lösungen des Standes der Technik benötigt.One multi-phase PWM frequency converter according to one embodiment The present invention uses a rectifier bridge which Completely controllable semiconductor switch and parallel to these counterparallel having switched diodes, wherein in this a control unit the direction of the complete controls the controllable semiconductor switch of the rectifier bridge, so that the complete controllable semiconductor switches in the upper arm of the phase with the most positive current value of the supply voltage and the fully controllable Semiconductor switch in the lower arm of the phase with the most negative constantly transmit the instantaneous value of the supply voltage. Therefore, the Intermediate current independent from its direction flow freely into the supply line. These embodiment The present invention is characterized in that Frequency converter no acting as an energy storage capacitor unit with big ones capacity for straightening the intermediate circuit voltage, no inductance unit with a large inductance for limiting the peak values of the supply line phase currents and no measurement of the supply line phase currents or of direct current as in solutions of the prior art needed.

Ein spannungsgesteuerter mehrphasiger PWM-Frequenzwandler gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Dioden in seiner Gleichrichterbrücke ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit das Ausgangsspannungs-Impulsmuster über die steuerbaren Halbleiterschalter der Wechselrichterbrücke durch ein vorbestimmtes Verfahren derartig erzeugt, dass unabhängig von der Frequenz und der Last der Ausgangsleistungsfaktor über einem voreingestellten Minimalwert bleibt, was dazu führt, dass im Zwischenschaltungsstrom nur positive Stromwerte erscheinen. Daher braucht der Frequenzwandler nicht mit einer als ein Energiespeicher dienenden Kondensatorschaltung mit großer Kapazität zum Glätten der Zwischenschaltungsspannung und auch nicht mit einer Induktivitätseinheit mit hoher Induktivität zum Begrenzen der Spitzenwerte der Versorgungsleitungsphasenströme ausgerüstet zu sein.One voltage controlled polyphase PWM frequency converter according to a second embodiment of the present invention with diodes in its rectifier bridge characterized in that the control unit transmits the output voltage pulse pattern over the controllable semiconductor switch of the inverter bridge through a predetermined method is generated such that regardless of the frequency and the load the output power factor over one preset minimum value remains, resulting in that in the intermediate circuit current only positive current values appear. Therefore, the frequency converter needs not with a capacitor circuit serving as an energy storage with big ones capacity for straightening the intermediate circuit voltage and not with an inductance unit with high inductance for limiting the peak values of the supply line phase currents be.

Die Einzelheiten der für den erfindungsgemäßen Frequenzwandler kennzeichnenden Merkmale werden in den beiliegenden Ansprüchen dargestellt.The Details of for the frequency converter according to the invention Characteristic features are set forth in the appended claims.

Auch wenn der erfindungsgemäße PWM-Frequenzwandler keinen Kondensator zum Glätten der Gleichspannung der Zwischenschaltung und keine Induktivität zum Begrenzen der Spitzenwerte der Versorgungsspannung benötigt, kann immer noch ein Kondensator mit einem niedrigen Kapazitätswert eingesetzt werden, um die in Schaltsituationen durch die in den Streukapazitäten der Gleichspannungsschaltung latenten Energien erzeugten Spannungsspitzen zu begrenzen. In ähnlicher Weise kann eine Filtereinheit, die aus Induktivitäten mit niedrigen Induktivitätswerten und Kondensatoren mit niedrigen Kapazitäten besteht; auf der Seite der Versorgungsleitung eingesetzt werden, um hochfrequente Harmonische aus dem Versorgungsstrom herauszufiltern. Diese Komponenten haben jedoch in Bezug auf die vorliegende Erfindung keine entscheidende Bedeutung.Also if the PWM frequency converter according to the invention no capacitor for smoothing the DC voltage of the intermediate circuit and no inductance for limiting The peak of the supply voltage needed can still be a capacitor with a low capacity value be used to in the switching situations by in the stray capacitances the DC circuit of latent energy generated voltage spikes to limit. In similar Way, a filter unit consisting of inductors with low inductance values and capacitors with low capacitance; on the website the supply line can be used to high frequency harmonics to filter out of the supply current. These components have however, with respect to the present invention is not critical Importance.

Es folgt eine Beschreibung der Erfindung im Einzelnen anhand der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt:It follows a description of the invention in detail based on the embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 einen spannungsgesteuerten PWM-Frequenzwandler, 1 a voltage controlled PWM frequency converter,

2 die Bildung von Strom in der Gleichspannungs-Zwischenschaltung, 2 the formation of current in the DC intermediate circuit,

3 den ungefilterten Gleichstrom sowie den Wechselstrom und die Wechselspannung, 3 the unfiltered direct current as well as the alternating current and the alternating voltage,

4 den Gleichstrom bei niedrigen Leistungsfaktorwerten, 4 the direct current at low power factor values,

5 die Schaltsequenz der Phasenschalter in Sinuswellen-Dreieckswellen-Modulation, 5 the switching sequence of the phase switches in sine wave triangular wave modulation,

6 Ebenen-Dreieckswellen-Modulation, 6 Flat-triangular wave modulation,

7 Zwei-Puls-Modulation, 7 Two-pulse modulation,

8 den Motorleistungsfaktor mit konstantem Drehmoment, 8th the motor power factor with constant torque,

9 den Motorleistungsfaktor mit quadratischem Drehmoment und einer linearen und optimierten Spannung, 9 the quadratic torque motor power factor and a linear and optimized voltage,

10 einen zweiten erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten PWM-Frequenzwandler, 10 a second voltage-controlled PWM frequency converter according to the invention,

11 die Steuerung der Gleichrichterbrücke eines Frequenzwandlers nach 10 sowie seinen Gleichstrom und einen seiner Phasenströme, und 11 controlling the rectifier bridge of a frequency converter 10 as well as its direct current and one of its phase currents, and

12 die Steuerelektronik. 12 the control electronics.

Beispiel 1: Einzel-Quadranten-AnsteuerungenExample 1: Single quadrant drives

1 stellt einen dreiphasigen spannungsgesteuerten PWM-Frequenzwandler dar, der eine Gleichrichterbrücke 10 zur Gleichrichtung einer dreiphasigen Wechselspannung, die von einer Versorgungsleitung bezogen wird und die Phasenspannungen U_U, U_V und U_W hat, um so eine Gleichspannung U_DC einer Gleichspannungs-Zwischenschaltung zu erzeugen, sowie eine Wechselrichterbrücke 11 zum Wechselrichten der Gleichspannung der Gleichspannungs-Zwischenschaltung aufweist, um so eine dreiphasige Wechselspannung, die aus den Phasenspannungen U_R, U_S, U_T besteht, mit einer variablen Frequenz zu erzeugen. Bei einem solchen Frequenzwandler kann die Leistung nur in der Richtung von der Versorgungsleitung zum Verbraucher 12 (einem Drehstrom-Käfigläufermotor M) fließen. Die Wechselrichterbrücke 11 ist eine Vollwellenbrücke, in der eine Steuerungseinheit 13 die Phasenschalter einer jeden Phase über Pulsweitenmodulation steuert. "Phasenschalter" bezieht sich auf den Schalter, der durch vollständig steuerbare Halbleiterschalter im oberen bzw. unteren Arm der jeweiligen Phase ausgebildet ist (Phase R: V11, V14; Phase S: V12, V15; Phase T: V13, V16; mit gegenparallel geschalteten Dioden D11 – D16, die parallel mit jenen geschaltet sind). Die Gleichrichterbrücke 10 ist eine ungesteuerte Vollwellenbrücke, die aus einer Diodenbrücke mit Dioden D1 – D6 besteht. 1 illustrates a three-phase voltage controlled PWM frequency converter, which is a rectifier bridge 10 for rectifying a three-phase AC voltage obtained from a supply line and having the phase voltages U _U , U _V and U _W so as to generate a DC voltage U _{DC of} a DC intermediate circuit, and an inverter bridge 11 for inverting the DC voltage of the DC intermediate circuit, so as to produce a three-phase AC voltage consisting of the phase voltages U _R , U _S , U _T , with a variable frequency. In such a frequency converter, the power can only in the direction from the supply line to the consumer 12 (a three-phase squirrel cage motor M) flow. The inverter bridge 11 is a full wave bridge in which a control unit 13 controls the phase switches of each phase via pulse width modulation. "Phase switch" refers to the switch formed by fully controllable semiconductor switches in the upper and lower arms of the respective phase (phase R: V11, V14, phase S: V12, V15, phase T: V13, V16, with counter-parallel Diodes D11 - D16 connected in parallel with them). The rectifier bridge 10 is an uncontrolled full wave bridge, which consists of a diode bridge with diodes D1 - D6.

In der bisher bekannten Technik ist die Gleichspannungs-Zwischenschaltung mit einem Kondensator C_DC zum Filtern der Gleichspannung und eine Induktivitätseinheit L_AS am Eingang der Gleichrichterbrücke 10 zum Begrenzen von Netzstromspitzen ausgestattet. Wie noch zu zeigen sein wird, sind bei der Anordung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl C_DC als auch L_AC überflüssig und ist die Gleichrichterbrücke 10 direkt ohne eine Gleichstrom-Kondensatoreinheit, die als ein Energiezwischenspeicher dient, mit dem Wechselrichter 11 verbunden, und der von der Wechselrichterbrücke erzeugte Gleichstrom I_DC fließt direkt in die Versorgungsleitung ohne eine Strombegrenzung durch eine Induktivitätseinheit.In the hitherto known technology, the DC intermediate circuit is provided with a capacitor C _DC for filtering the DC voltage and an inductance unit L _AS at the input of the rectifier bridge 10 equipped for limiting mains power peaks. As will be seen, in the arrangement according to the present invention both C _DC and L _{AC are} superfluous and is the rectifier bridge 10 directly without a DC capacitor unit, which serves as an energy buffer, with the inverter 11 connected, and the direct current I _DC generated by the inverter bridge flows directly into the supply line without a current limiting by an inductance unit.

Die Richtung des Gleichstrom-Zwischenschaltungsstroms I_DC, der durch die Wechselrichterbrücke 11 erzeugt wird, ist bezüglich der Notwendigkeit des Filterns in Einzel-Quadranten-Ansteuerungen von großer Wichtigkeit. Für den durch die Wechselrichterbrücke erzeugten Zwischenschaltungsstrom gelten die folgenden Grundregeln, wenn die positive Richtung der Ströme zum Motor 12 hin ist:The direction of the DC link current I _DC passing through the inverter bridge 11 is of great importance in terms of the need to filter in single quadrant drives. For the intermediate circuit current generated by the inverter bridge, the following basic rules apply when the positive direction of the currents to the motor 12 towards is:

2 zeigt ein Beispiel dafür, wie der Strom I_DC geformt wird, wenn angenommen wird, dass die Vorrichtung mit einer vollen Spannung (Ausgangsspannung, die einen Impuls/Halbzyklus enthält) betrieben wird, dass der Strom sinusförmig ist und der Leistungsfaktor cosφ = 0,87 ist. 2 shows an example of how the current I _{DC is} formed when it is assumed that the device is operated with a full voltage (output voltage containing a pulse / half cycle), that the current is sinusoidal and the power factor cosφ = 0.87 is.

In dieser Situation ist der Strom I_DC immer positiv. Wenn nun die Gleichspannungs-Zwischenschaltung überhaupt keinen Filterkondensator hat, dann besteht der Versorgungsstrom, z.B. I_U direkt aus dem Gleichstrom wie im Beispiel von 3. Da es keinen Energiezwischenspeicher gibt, ist der Versorgungsstromspitzenwert auf die Stärke des Gleichstroms begrenzt, auch ohne dass irgendwelche Induktivitäten mit der Gleichrichterbrücke zur Begrenzung des Stroms verbunden sind.In this situation, the current I _{DC is} always positive. Now, if the DC intermediate circuit has no filter capacitor at all, then there is the supply current, eg I _U directly from the DC as in the example of 3 , Since there is no energy buffer, the supply current spike is limited to the magnitude of the DC current, even without any inductance associated with the rectifier bridge for limiting the current.

Wie aus den 2 und 3 zu entnehmen ist, ist der Gleichstrom I_DC durchgehend positiv, solange cosφ der Motorschaltung ≥ 0,5 (d.h. φ ≤ 60° ist). Wenn cosφ kleiner ist, was die Situation in dem Fall kleiner Lasten ist (4), dann ist der Gleichstrom über einen Teil der Zeit negativ. Um zu verhindern, dass die Gleichspannung U_IC zu stark ansteigt, ist es notwendig, der Schaltung einen Spannungsbegrenzer (Klipper) hinzuzufügen, der zum Beispiel aus einer Reihenschaltung aus einer Diode und einem Kondensator besteht. Ein Klipper mit einer kleinen Kapazität kann auch sogar während Situationen eines vollen positiven Stroms benötigt werden, weil bei einem Auftreten abrupter Wechsel im Gleichstrom die in den Versorgungsleitungsinduktivitäten gespeicherte Energie irgendwo entladen werden muss. Die Spannung des Klipper-Kondensators kann zum Beispiel dadurch entladen werden, dass er zur Speisung der Energieversorgung der Steuerungseinheit verwendet wird.Like from the 2 and 3 can be seen, the DC current I _{DC is} continuously positive, as long as cosφ the motor circuit ≥ 0.5 (ie φ ≤ 60 °). If cosφ is smaller, which is the situation in the case of small loads ( 4 ), then the direct current is negative over part of the time. In order to prevent the DC voltage U _IC from rising too much, it is necessary to add to the circuit a voltage clipper consisting, for example, of a series connection of a diode and a capacitor. A clipper with a small capacity may also be needed even during full positive current situations because, when abrupt DC changes occur, the energy stored in the supply line inductances must be discharged somewhere. The voltage of the clipper capacitor can be discharged, for example, by being used to power the power supply of the control unit.

Wenn im Fall von Teilspannungen die Ausgangsspannung mehrere Impulse pro Halbzyklus enthalten, ist die Situation in Bezug auf die Berücksichtigung des Stroms der Gleichspannungszwischenschaltung etwas komplizierter als bei einem vollen Spannungsbereich, wie er beim vorhergehenden Beispiel beschrieben wurde. Die Grundregeln 1–3, die oben angegeben sind, treffen jedoch in allen Situationen zu, so dass das Modulationsverfahren einen entscheidenden Einfluss auf die letztendliche Form des Stroms der Zwischenschaltung hat. Zum Verringern der zum Begrenzen von Gleichstrom-Schaltungs-Spannungsspitzen verwendeten Klipperschaltung ist es vorteilhaft, wenn negative Gleichstromimpulse erst erscheinen, wenn der cosφ-Wert so klein wie möglich ist. In den folgenden Passagen wird der Gleichstrom I_DC unter Bezugnahme auf unterschiedliche Modulationsverfahren betrachtet.In the case of sub-voltages, if the output voltage contains several pulses per half-cycle, the situation regarding the consideration of the DC intermediate circuit current is somewhat more complicated than with a full voltage range as described in the previous example. However, the principles 1-3 given above apply in all situations, so that the modulation technique has a decisive influence on the final form of the intermediate circuit current. To reduce the clip circuit used to clamp DC circuit voltage spikes, it is advantageous if negative DC pulses appear only when the cosφ value is as small as possible. In the following passages, the direct current I _{DC is considered} with reference to different modulation methods.

Bei der Sinuswellen-Dreieckswellen-Modulation, die derzeit üblicherweise für Teilspannungen zum Steuern der Phasenschalter verwendet wird, wird eine Sinuswelle R, S, T (5) für jede Phase mit einer üblichen Dreieckswelle verglichen. Wenn die Sinuswelle einen höheren Wert als die Dreieckswelle hat, wird der betreffende Phasenschalter in die hohe Position geschaltet und umgekehrt. Auf der Grundlage des in der Figur gegebenen Beispiels ist zu sehen, dass die Schaltsequenz der Phasenschalter, z.B. vom Null-Punkt der Phase R an wie in Tabelle 1 gezeigt ist:In sine-wave triangular wave modulation, which is currently commonly used for partial voltages to control the phase switches, a sine wave R, S, T ( 5 ) for each phase compared to a standard triangular wave. If the sine wave has a higher value than the triangular wave, the corresponding phase switch is switched to the high position and vice versa. On the basis of the example given in the figure, it can be seen that the switching sequence of the phase switches, eg from the zero point of phase R, is as shown in Table 1:

Tabelle 1

Table 1

Die Spalte "Gleichstrom" in der Tabelle zeigt diejenigen Ausgangsphasen an, von deren Strömen Abtastungen während der Modulation im Strom der Zwischenschaltung erscheinen. Zum Beispiel erscheinen Abtastungen des R-Phasenstroms im Zwischenschaltungsstroms I_DC unmittelbar nach 30°, was bedeutet, dass bei cosφ ≤ 0,87 der Zwischenschaltungsstrom negative Impulse enthält. Daher ist die Sinuswellen-Dreieckswellen-Modulation kein gutes Modulationsverfahren im Fall von Teilspannungen, weil Käfigläufermotoren allgemein einen niedrigeren cosφ-Wert als diesen haben.The column "DC" in the table indicates those output phases from the currents of which samples appear during modulation in the current of the intermediate circuit. For example, samples of the R-phase current appear in the intermediate circuit current I _DC immediately after 30 °, which means that when cosφ ≤ 0.87, the intermediate circuit current contains negative pulses. Therefore, sine wave triangular wave modulation is not a good modulation technique in the case of sub-voltages because squirrel-cage motors generally have a lower cosφ value than this.

Eine Ebenen-Dreieckswellen-Modulation ist ein weiteres allgemein bekanntes Modulationsverfahren für die Steuerung von Phasenschaltern. Die Modulation funktioniert zum Beispiel mit dem Hauptspannungsimpuls Nr. 5, wie in 6 gezeigt. Wie aus der Figur zu ersehen ist, nimmt der Phasenschalter für die Phase R erst eine andere Position als die beiden anderen Schalter ein, wenn er im Bereich von 60° – 120° ist, was bedeutet, dass negative Impulse nur dann in I_DC erscheinen, wenn cosφ der Motorschaltung ≤ 0,5 ist. Daher wird mit diesem Modulationsverfahren dasselbe Ergebnis erzielt wie in einem vollen Spannungsbereich. Der Nachteil bei diesem Modulationsverfahren liegt darin, dass es Harmonische im Ausgangsstrom erzeugt, die bei sehr niedrigen Frequenzen als eine unregelmäßige Drehung des Motors erscheinen können.Planar triangular wave modulation is another well-known modulation technique for the control of phase switches. For example, the modulation works with the main voltage pulse # 5, as in 6 shown. As can be seen from the figure, the Phase R phase switch first assumes a different position than the other two switches when it is in the range of 60 ° -120 °, which means that negative pulses only appear in I _DC if cosφ of the motor circuit is ≤ 0.5. Therefore, the same result is achieved with this modulation method as in a full voltage range. The drawback with this modulation method is that it produces harmonics in the output current, which at very low frequencies can appear as an irregular rotation of the motor.

Außerdem ist es möglich, den cosφ-Bereich zu erweitern, wobei keine negativen Impulse im Gleichstrom erscheinen, indem man im Fall von Teilspannungen ein Zwei-Impuls-Modulationsverfahren, wie in 7 gezeigt, einsetzt, bei dem die Hauptspannung zwei Impulse für jeden Halbzyklus enthält. Wie in der Figur gezeigt ist, nimmt der Phasenschalter für die Phase R erst eine unterschiedliche Position als die beiden anderen Phasenschalter ein, nachdem er einen Winkel von 60° + α erreicht hat, je nach dem Grad der Modulation, der erreicht wurde, d.h. wenn cosφ < 0,5 ist. Daher ist es bei diesem Modulationsverfahren möglich, bei einer ziemlich niedrigen Spannung und einem niedrigen cosφ-Wert mit einem positiven Gleichstrom zu arbeiten.In addition, it is possible to extend the cosφ range, with no negative pulses appearing in direct current, by using a two-pulse modulation method in the case of sub-voltages, as in 7 shown, in which the main voltage contains two pulses for each half-cycle. As shown in the figure, the phase R phase switch first assumes a different position than the other two phase switches after reaching an angle of 60 ° + α, depending on the degree of modulation that has been achieved, ie cosφ <0.5. Therefore, with this modulation method, it is possible to operate with a positive DC current at a fairly low voltage and a low cosφ value.

Der cosφ-Wert von Motoren am Nominalpunkt variiert je nach dem Modell und der Motorleistung, typischerweise zwischen Werten von ungefähr 0,7 bis 0,9. Für Teilleistungen ist cosφ kleiner. Die Frequenz hat keine sehr ausgeprägte Auswirkung auf cosφ, während die Last (das Drehmoment) sich mehr auswirkt, wie durch das in 8 angegebene Beispiel gezeigt, die sich auf einen Motor im Konstantdrehmomentbetrieb bezieht.The cosφ value of motors at the nominal point varies depending on the model and engine power, typically between values of about 0.7 to 0.9. For partial performances, cosφ is smaller. The frequency does not have a very pronounced effect on cosφ, while the load (the torque) has more effect, as by the in 8th Example given, which refers to a motor in the constant torque operation.

Im Fall kleiner Lasten kann die Verkleinerung von cosφ durch eine Verringerung der Motorspannung gemäß einer im Voraus berechneten Spannungskurve in Abhängigkeit von der Frequenz und der Last verhindert werden. Durch dieses Verfahren ist es möglich, cosφ ständig zum Beispiel über dem Grenzwert von 0,5 zu halten, was im Fall einer Ebenen-Dreieckswellen-Modulation kritisch ist. 9 zeigt ein Beispiel, das das Verhalten von cosφ im Fall eines quadratischen Lastdrehmoments T (Pumpen- und Lüfterantriebe) und einer linearen (Ulin) und einer optimierten (Uopt) Spannung veranschaulicht.In the case of small loads, the reduction of cosφ can be prevented by reducing the motor voltage according to a pre-calculated voltage curve depending on the frequency and the load. By this method, it is possible to keep cosφ constantly above the limit of 0.5, for example, which is critical in the case of plane triangular wave modulation. 9 shows an example that the Behavior of cosφ in the case of a quadratic load torque T (pump and fan drives) and a linear (Ulin) and an optimized (Uopt) voltage illustrated.

Unter den geeignetsten Vorgängen, die in einem einzelnen Quadranten arbeiten, in dem ein Frequenzwandler gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ohne einen Energie speichernden Kondensator in der Gleichspannungs-Zwischenschaltung und ohne eine den Strom begrenzende Induktivität an der Versorgung zum Einsatz kommen kann, sind Pumpen- und Lüfterantriebe, weil bei diesen die Richtung des Leistungsflusses immer zum Motor hin ist, das heißt, der Verbraucher ist immer quadratisch und der Arbeitspunkt ist immer bei hohen Frequenzen, so dass zum Beispiel die Fluktuationen der Drehzahl des Motors, welche durch die Ebenen-Dreieckswellen-Modulation bei niedrigen Frequenzen hervorgerufen werden, kein Problem darstellen.Under the most suitable processes, which work in a single quadrant in which a frequency converter according to the second embodiment the invention without an energy storage capacitor in the DC link circuit and without a current limiting inductance at the supply used can come are pump and fan drives, because with these the direction of the power flow always to the engine is, that is, the consumer is always square and the working point is always at high frequencies, so that, for example, the fluctuations of Speed of the motor, which is due to the plane-triangular wave modulation caused at low frequencies do not pose a problem.

Beispiel 2: Vier-Quadranten-AnsteuerungenExample 2: Four-quadrant drives

10 stellt einen dreiphasigen spannungsgesteuerten PWM-Frequenzwandler gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung dar, der eine Gleichrichterbrücke 20 zur Gleichrichtung eines aus den Phasenspannungen U_U, U_V, U_W bestehenden dreiphasigen Wechselspannung zum Erzeugen einer Gleichstrom-Zwischenschaltungs-Gleichspannung U_DC und eine Wechselrichterbrücke 21 zum WechselRichten der Gleichspannung der Zwischenschaltung zum Erzeugen einer aus den Phasenspannungen U_R, U_S, U_T bestehenden dreiphasigen Wechselspannung mit variabler Frequenz aufweist. Der Frequenzwandler speist einen dreiphasigen Induktionsmotor (M) 22. Die Wechselrichterbrücke 21 ist eine Vollwellenbrücke, bei der eine Steuerungsschaltung 23 über Pulsweitenmodulation die vollständig steuerbaren Halbleiterschalter V11 – V16 der jeweiligen Phase (Phase R: V11, V14; Phase S: V12, V15; Phase T: V13 – V16) steuert, wobei jeder Schalter mit einer Diode D11 -D16 gegenparallel geschaltet ist. 10 FIG. 3 illustrates a three-phase voltage-controlled PWM frequency converter according to the second embodiment of the invention, which is a rectifier bridge 20 for rectifying a three-phase alternating voltage consisting of the phase voltages U _U , U _V , U _W for generating a DC intermediate circuit DC voltage U _DC and an inverter bridge 21 for WechselRichten the DC voltage of the intermediate circuit for generating a consisting of the phase voltages U _R , U _S , U _T three-phase alternating voltage with variable frequency. The frequency converter feeds a three-phase induction motor (M) 22 , The inverter bridge 21 is a full wave bridge, in which a control circuit 23 via pulse width modulation controls the fully controllable semiconductor switches V11 - V16 of the respective phase (phase R: V11, V14; phase S: V12, V15; phase T: V13 - V16), each switch being connected in parallel with a diode D11-D16.

Auch bei dieser Ausführungsform ist die Gleichrichterbrücke 20 ohne eine als ein Energiezwischenspeicher dienende Gleichschaltungskondensatoreinheit direkt mit der Wechselrichterbrücke 21 verbunden, und wird der durch die Wechselrichterbrücke erzeugte Gleichstrom I_DC ohne eine Strombegrenzung durch eine Induktivitätseinheit direkt an die Wechselstrom-Versorgungsleitung weitergeleitet.Also in this embodiment, the rectifier bridge 20 without a dc capacitor unit serving as an energy buffer, directly connected to the inverter bridge 21, and the dc current I _DC generated by the inverter bridge is directly supplied to the ac power supply line without current limitation by an inductance unit.

Um ein Weglassen der Filterung bei der Gleichspannungsschaltung ohne Einschränkung bezüglich der Richtung des Zwischenschaltungsstroms zu ermöglichen, ist es notwendig, eine Gleichrichterbrückenschaltung zu verwenden, die den Fluss von negativem Zwischenschaltungsstrom in der Richtung zur Versorgungsleitung hin erlaubt.Around omitting the filtering in the DC circuit without restriction regarding the Direction of the intermediate circuit current, it is necessary to a rectifier bridge circuit to use that the flow of negative intermediate circuit current in the direction towards the supply line.

Eine solche Schaltung für die Gleichrichterbrücke 20 wird durch eine Schaltung einer vollständig steuerbaren Halbleiterkomponente, z.B. eines IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode) V1 – V6 parallel mit jeder Gleichrichterbrückendiode D1 – D6 erreicht. Wie in 11 gezeigt ist, sind die Regeln für ihre Steuerung wie folgt:

– Der IGBT im oberen Arm der Phase mit dem höchsten momentanen Spannungswert ist leitend, und
– Der IGBT im unteren Arm der Phase mit dem niedrigsten momentanen Spannungswert ist leitend.

Such a circuit for the rectifier bridge 20 is achieved by a circuit of a fully controllable semiconductor component, eg an IGBT (bipolar transistor with insulated control electrode) V1-V6 in parallel with each rectifier bridge diode D1-D6. As in 11 is shown, the rules for their control are as follows:

- The IGBT in the upper arm of the phase with the highest instantaneous voltage value is conducting, and
- The IGBT in the lower arm of the phase with the lowest instantaneous voltage value is conducting.

In anderen Worten, wenn die mit dem IGBT parallel geschaltete Diode leitend ist, wenn Leistung zum Motor fließt, wird der IGBT auch leitend gehalten. Aufgrund der IGBTs kann Leistung aber genauso gut auch in die anderen Richtung fließen.In in other words, if the diode connected in parallel with the IGBT When power is flowing to the motor, the IGBT also becomes conductive held. Because of the IGBTs, however, performance may as well be in the other direction is flowing.

Indem man zum Beispiel einen LC-Filter, der aus Induktivitäten und Kapazitanzen besteht, zwischen die Versorgungsleitung und die Gleichrichterbrücke schaltet, können Hochfrequenz-Harmonische des Netzstroms, wie in 11 gezeigt, gefiltert werden.For example, by switching an LC filter consisting of inductors and capacitors between the supply line and the rectifier bridge, high-frequency harmonics of the line current, as in FIG 11 shown to be filtered.

12 stellt ein Beispiel dafür dar, wie die oben beschriebene Gleichrichterbrücken-Steuerlogik unter der Verwendung optischer Isolatoren implementiert werden kann. In diesem Zusammenhang wird nur die Schaltung auf der Seite der Leuchtdioden optischen Isolatoren beschrieben. Die Impulsverstärkerschaltung auf der Seite der Lichtdetektoren, welche die für die Steuerung der Leistungshalbleiter gemäß dem von den optischen Isolatoren erhaltenen Signal notwendigen tatsächlichen Spannungs- und Stromimpulse erzeugt, kann in vielen verschiedenen bekannten Arten und Weisen implementiert werden und wird hier nicht beschrieben. 12 Figure 4 illustrates one example of how the above-described rectifier bridge control logic can be implemented using optical isolators. In this connection, only the circuit on the side of the light-emitting diode optical isolators will be described. The pulse amplification circuit on the side of the light detectors, which generates the actual voltage and current pulses necessary for controlling the power semiconductors in accordance with the signal obtained from the optical isolators, can be implemented in many different known manners and will not be described here.

Die in 12 gezeigte Schaltung ist an dieselben Versorgungsspannungsklemmen U_U, U_V, U_W angeschlossen, wie sie in 10 gezeigt sind, an welche die Gleichrichterbrücke 20 ebenfalls angeschlossen ist. Die Schaltung umfasst eine Diodenbrücke D21 – D26, Optokoppler-Emitter-Dioden V1c – V6c, die mit den Dioden in Reihe geschaltet sind, sowie einen Widerstand R1, der mit den Gleichspannungsklemmen der Diodenbrücke verbunden ist. In der Schaltung fließt ein durch den Widerstand R1 bestimmter Strom durch diese Emitterdioden, die gemäß der in 11 gezeigten Steuerlogik einen ihnen entsprechenden Steuerbefehl an die Halbleiterschalter V1 – V6 abgeben. Zum Beispiel fließt nur dann ein Strom durch die Emitterdiode V1c, wenn die Phasenspannung U_U positiver als die anderen Phasenspannungen ist. Auf diese Weise leitet ein dieser Diode entsprechender Halbleiterschalter V1 genau zum richtigen Zeitpunkt.In the 12 shown circuit is connected to the same supply voltage terminals U _U , U _V , U _W , as in 10 are shown, to which the rectifier bridge 20 is also connected. The circuit comprises a diode bridge D21-D26, optocoupler-emitter diodes V1c-V6c connected in series with the diodes, and a resistor R1 connected to the DC terminals of the diode bridge. In the circuit, a current determined by the resistor R1 flows through these emitter diodes, which according to the in 11 shown control logic give them a corresponding control command to the semiconductor switches V1 - V6. For example, a current flows through the emitter diode V1c only when the phase voltage U _{U is} more positive than the other phase voltages. In this way, a semiconductor switch V1 corresponding to this diode conducts at exactly the right time.

Diese Ausführungsform der Erfindung erlegt den Anwendungen des Frequenzwandlers keinerlei Einschränkungen auf.These embodiment The invention does not impose the applications of the frequency converter restrictions on.

Es ist zu bemerken, dass die Implementierung der Gleichrichterbrücken-Steuerlogik keine Messung eines Netzstromes oder Gleichstroms erfordert, wie das bei erfindungsgemäß implementierten Schaltungen der Fall ist.It It should be noted that the implementation of the rectifier bridge control logic no Measuring a mains current or direct current requires, as with implemented according to the invention Circuits is the case.

Die Erfindung kann auch in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen mehrere dreiphasige Systeme eine gemeinsame Gleichspannungs-Zwischenschaltung (z.B. 12-Puls- und 18-Puls-Brücken) speisen, oder bei denen mehrere Wechselrichterbrücken an dieselbe Gleichspannungs-Zwischenschaltung angeschlossen sind, um mehrere getrennte Verbraucher zu speisen.The The invention can also be used in applications in which several three-phase systems a common DC intermediate circuit (e.g., 12-pulse and 18-pulse bridges) feed, or where multiple inverter bridges to the same DC intermediate circuit are connected to feed several separate consumers.

Einem Fachmann auf diesem Gebiet wird klar sein, dass die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die oben gegebenen Ausführungen eingeschränkt sind, sondern dass sie innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche variiert werden können. Neben IGBTs können die vollständig steuerbaren Halbleiterschalter auch aus anderen vollständig gittergesteuerten Halbleiterschaltern bestehen, d.h. Schaltern, die ein- bzw. ausgeschaltet werden können, wie zum Beispiel Transistoren.a It will be apparent to those skilled in the art that the embodiments of the invention are not limited to the embodiments given above, but that it varies within the scope of the following claims can be. In addition to IGBTs can the complete controllable semiconductor switch also from other fully grid-controlled Semiconductor switches exist, i. Switches that are on or off can be such as transistors.

Claims

Multi-phase voltage-controlled PWM frequency converter, With - at least a control unit - at least a rectifier bridge, which is designed to be connected to a multi-phase supply line to be, - one DC intermediate circuit and at least one controlled Inverter bridge to feed at least one multiphase consumer with one AC voltage of varying magnitude and frequency, wherein the inverter bridge is pulse width modulation controlled Semiconductor switch and parallel to these counter-parallel Having diodes, the rectifier bridge being fully controllable semiconductor switch and parallel to these diodes connected in parallel, and wherein the control unit is the fully controllable semiconductor switch the rectifier bridge so controls that in an upper arm the switch's phase substantially as long as a current value of the respective supply line phase voltage is the most positive, and in a lower arm the switch of the phase essentially as long as the current value of a given one Supply line phase voltage is the most negative, in which the rectifier bridge without a DC capacitor unit serving as an energy buffer serves, is connected directly to the inverter bridge, and one generated by the inverter bridge DC without a current peak limitation by an inductance unit in a DC side (dc) or an AC side (ac) of the rectifier can flow directly into the supply line.

Apparatus according to claim 1, wherein the control unit with control units equipped for controlling the semiconductor switches of the rectifier bridge, being the controllers to the same terminals of the supply line phase voltages as the rectifier bridge are connected.

Apparatus according to claim 2, wherein the control devices optical Insulators and the control unit comprises a diode bridge, wherein optocoupler emitter diodes in series with the diode bridge diodes are switched and a resistor with the DC voltage terminals the diode bridge is interconnected, creating a current determined by the resistor flows through these emitter diodes, the according to the control logic to the rectifier bridge semiconductor switches corresponding to them To issue a control command.

A multiphase voltage-controlled PWM frequency converter, comprising: - at least one control unit, - at least one uncontrolled rectifier bridge, which is designed to be connected to a multiphase supply line, - a DC intermediate circuit and at least one controlled inverter bridge ( 11 ) for feeding a multiphase load having an AC voltage of varying magnitude and frequency, the inverter bridge comprising pulse width modulated semiconductor switches and diodes connected in parallel therewith, the rectifier bridge comprising diodes, and wherein the control unit generates an output voltage pulse pattern such that only positive current pulses in the DC voltage Intermediate circuit appear when an output power factor is above a predetermined minimum value, wherein the control unit controls the output voltage by means of the pulse width modulation controlled semiconductor switches such that regardless of the frequency and the load, the output power factor remains above the predetermined minimum value, and the rectifier bridge without serving as an intermediate energy storage DC capacitor unit is connected directly to the inverter bridge and a generated by the inverter bridge DC current can flow directly into the supply line without limiting a current peak through an inductance device in a DC side (dc) or an AC side (ac) of the rectifier.

Multiphase voltage-controlled PWM frequency converter according to claim 4, wherein the predetermined minimum value is 0.5.

Multiphase voltage-controlled PWM frequency converter according to claim 4, wherein the predetermined minimum value is 0.5 or greater.