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Title:
METHOD FOR SUPPLYING AN INDUCTIVE LOAD WITH SOFT-SWITCHING INVERTERS WHICH ARE CONNECTED IN PARALLEL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/049197
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a method and a device for supplying an inductive load in the form of an inductor or an induction furnace with a high frequency-power product, using any number of soft-switching inverters which are connected in parallel and which are supplied by at least one rectifier. A capacitor is connected in parallel, upstream of each inverter and is connected to at least one voltage link. The outputs of the inverters are linked to at least one L¿1?C¿1?L¿2?R-parallel oscillating circuit, which consists of the ohmic-inductive load L¿2?R and a resonant capacitor C¿1? and the total inductance L¿1? of the resonance reactors. The inverters are connected synchronously and are controlled with the resonant frequency (f¿0?) of the L¿1?C¿1?L¿2?R-parallel oscillating circuit or slightly above or below the resonance frequency (f¿0?) with the switching frequency (f¿s?).

Inventors:
SCHOENKNECHT ANDREAS (DE)
DE DONCKER RIK W (BE)
Application Number:
PCT/DE2001/004533
Publication Date:
June 20, 2002
Filing Date:
December 05, 2001
Export Citation:
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Assignee:
JUNKER GMBH O (DE)
SCHOENKNECHT ANDREAS (DE)
DE DONCKER RIK W (BE)
International Classes:
H02M3/158; (IPC1-7): H02M7/00
Foreign References:
US5081409A1992-01-14
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1998, no. 03, 27. Februar 1998 (1998-02-27) & JP 09 289979 A (HITACHI MEDICAL CORP.), 11. November 1997 (1997-11-11)
WINFRIED HOFFMANN: "Pwm inverter for parallel operation as high quality AC source in Telecommunication." POWER SUPPLY DEVICES FOR TELECOM APPLICATIONS, 27. September 1993 (1993-09-27), Seiten 420-423, XP000496177
Attorney, Agent or Firm:
König, Werner E. (König & Kollegen Kackerstrasse 10 Aachen, DE)
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Claims:
Ansprüche
1. Anwendung eines Verfahrens zur Speisung einer induktiven Last (11) mit parallelgeschalteten weichschaltenden Wechselrichtern (1) beliebiger Anzahl, die von zumindest einem Gleichrichter (2) gespeist werden, wobei jedem Wechselrichter (1) zumindest eine Kondensatorbank (3) parallel vorgeschaltet wird, die an zumindest einen Spannungszwischenkreis angeschlossen wird und die Ausgänge der Wechselrichter (1) an eine Last angekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (11) in Form eines Induktors oder eines Induktionsofens Bestandteil eines LCL2RParallelschwingkreises (5), bestehend aus Drosseln (7) mit einer Gesamtinduktivität (6), zumindest einem Kondensator (8) und zumindest der ohmsch induktiven Last (11), ist, dass die Wechselrichter (1) mit der Resonanzfrequenz (fo) des L1C1L2RParallelschwingkreises (5) oder geringfügig oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz (fo) mit der Schaltfrequenz (fs) angesteuert werden, wobei die Resonanzfrequenz (fo) sich aus der Parallelschaltung aller Gesamtinduktivitäten (6,9) mit dem Resonanzkondensator (8) unter Vernachlässigung der Dämpfung wie folgt berechnet dass für die Gesamtinduktivität (6) Resonanzdrosseln (7) eingesetzt werden, die derart auf die parallel geschalteten Wechselrichter (1) aufzuteilen sind, dass gilt mit L1n : Resonanzdrossel am Ausgang des nten Wechselrichters (1), und Li : Gesamtinduktivität der Resonanzdrosseln, die sich aus der Parallelschaltung der einzelnen Resonanzdrosseln (7) ergibt, und dass jede Resonanzdrossel (7) auf beide Ausgänge des jeweiligen Wechselrichters (1) in Form zweier unabhängiger Resonanzdrosseln mit gleich großer oder ungefähr gleich großer Induktivität aufgeteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzdrosseln (7) auf beide Ausgänge des jeweiligen Wechselrichters (1) in Form zweier Drosseln (6) gleich großer oder ungefähr gleich großer Induktivität aufgeteilt sind, deren Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern aufgebracht sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wech selrichter (1) ein eigener unabhängiger Gleichrichter (2) zwischen Wechselrichter (1) und Kondensator (3) vorgeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter (1) aus abschaltbaren Leistungshalbleitern, insbesondere IGCT, IGBT und/oder MOSFETLeistungshalbleitern, aufgebaut sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass bei Ausfall eines Wechselrichters (1) dieser elektrisch durch einen Leistungshalbleiter und/oder durch mechanisches Trennen vom speisenden Spannungszwischenkreis Udc getrennt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass bei Ausfall eines Wechselrichters (1) dieser ausgangsseitig elektrisch vom L1 C1 L2RParallelschwingkreis (5) getrennt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wechselrichter (1) mit eigenen unabhängigen Steuerungen versehen werden, die ohne miteinander zu kommunizieren die Wechselrichter (1) synchron schalten und jeweils mit der Resonanzfrequenz (fo) des L1C1L2RParallelschwingkreises (5) oder geringfügig oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz (fo) mit der Schaltfrequenz (fs) ansteuern.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wechselrichter (1) mit einer Schaltfrequenz (fs), die maximal 10 % oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz (fo) liegt, angesteuert werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wechselrichter (1) mit einer Schaltfrequenz (fs), die maximal 5 % oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz (fo) liegt, angesteuert werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wechselrichter (1) mit einer Schaltfrequenz (fs), die maximal 1 % oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz (fo) liegt, angesteuert werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Steuerungen (13) der Wechselrichter (1) zur Berechnung der Schaltfrequenz (fs) jeweils die Messgröße Wechselrichterausgangsspannung (Uin) und zusätzlich zumindest eine der beiden Messgrößen Wechselrichterausgangsstrom (yin) und/oder Spannung (U2) an der/den ohmschinduktiven Last (en) (11) zur Verfügung gestellt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase ((pn) zwischen Wechselrichterausgangsspannung (U1n) undstrom (11n) mittels Winkeldetektoren (16) ermittelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase (0n) zwischen Wechseirichterausgangsspannung (Uin) und der Spannung (U2) an der Last (11) mittels Winkeldetektoren (16) ermittelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1113, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle der Messung der Wechselrichterausgangsspannung (Uin) die in der Steuerung (13) vorhandenen Steuerimpulse zur Ermittlung der Phasenwinkel ((pn) und (0n) verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1113, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter/n ohmschinduktiver/n Last (en) (11) das Verfahren um eine Regelschleife nach dem Prinzip der PhaseLockedLoop (PLL) ergänzt wird, wobei der erfasste Winkel (°n) von einem vorgegebenen Sollwert (On*) subtrahiert und die sich daraus ergebende Differenz an den Eingang eines Reglers (17) gegeben wird, so dass an dessen Ausgang der Sollwert für die Schaltfrequenz (fs) anliegt, der über einen spannungsgeregelten Oszillator (18) an die Treiber (19) der Wechselrichter (1) übertragen wird und der Steuerung (13) der Sollwert (An*) vorgegeben wird, so dass sich bei der/den gegebenen konstanten Last (en) der gewünschte Winkel (cpn) einstellt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1113, dadurch gekennzeichnet, dass bei variabler/n ohmschinduktiver/n Last (en) (11) das Verfahren um eine Regelschleife nach dem Prinzip der PhaseLockedLoop (PLL) ergänzt wird, wobei der erfasste Winkel ((Pn) von einem vorgegebenen Sollwert ((pn*) subtrahiert und die sich daraus ergebende Differenz an denn Eingang eines Reglers (17) gegeben wird, so dass an dessen Ausgang der Sollwert für die Schaltfrequenz (fs) anliegt, der über einen spannungsgeregelten Oszillator (18) an die Treiber der Wechselrichter (12) übertragen wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1114, dadurch gekennzeichnet, dass bei variabler/n ohmschinduktiver Last (en) (11) das Verfahren um zwei sich überlagernde Regelschleifen nach dem Prinzip der PhaseLockedLoop (PLL) ergänzt wird, wobei die äußere Regelschleife zur Nachführung des Sollwertes (6n*) bei sich verändern der/n ohmschinduktiven Last (en) (11) dient, worauf sich der vom Benutzer vorgegebene Winkel (9n*) einstellt, von dem der erfasste Winkel ((Pn) subtrahiert und die so ermittelte Differenz an einen Regler (17) gegeben wird, so dass an dessen Ausgang der Sollwert «) n*) anliegt, der an die innere Regelschleife übergeben wird, und * die innere Regelschleife den erfassten Winkel (6n) von dem von der äußeren Regel schleife vorgegebenen Sollwert (On*) subtrahiert und die sich daraus ergebende Dif ferenz an den Eingang eines weiteren Reglers (21) gegeben wird, so dass an dessen Ausgang der Sollwert für die Schaltfrequenz (fs) anliegt, der über einen spannungsgeregelten Oszillator (18) an die Treiber (12) der Wechselrichter (1) übertragen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1517, dadurch gekennzeichnet, dass für den Regler (17,21) ein PIRegler verwendet wird.
19. Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für parallelgeschaltete weichschaltende Wechselrichter (1) beliebiger Anzahl zumindest ein die Wechselrichter (1) speisender Gleichrichter (2) vorgesehen ist, wobei jedem Wechselrichter (1) zumindest ein Spannungszwischenkreis Udc parallel vorgeschaltet ist und die Ausgänge der Wechselrichter (1) an zumindest einen L1C1L2RParallelschwingkreis (5) bestehend aus Drosseln (7) mit einer Gesamtinduktivität (6), zumindest einem Kondensator (8) und zumindest einer ohmschinduktiven Last (11), angekoppelt sind und zudem zumindest eine Steuerung vorgesehen ist.
Description:
Verfahren zur Speisung einer induktiven Last mit parallelgeschalteten weichschaltenden Wechselrichtern Beschreibunq Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speisung einer induktiven Last mit parallelgeschalteten weichschaltenden Wechselrichtern beliebiger Anzahl, die von zumindest einem Gleichrichter gespeist werden, wobei jedem Wechselrichter zumindest eine Kondensatorbank parallel vorgeschaltet wird, die an zumindest einen Spannungszwischenkreis angeschlossen wird und die Ausgänge der Wechselrichter an die induktive Last angekoppelt werden.

Die Anpassung von ohmsch-induktiven Lasten an einen einzelnen Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis mittels LCL-Kreis und eine dafür geeignete Regelstrategie sind bereits aus Doht, H. C. ; Birk, G. ; Fischer, G. L. : Control mode for inverters with reso- nance transformation in induction heating applications, Power Conversion, Juni 1994, Tagungsband, S. 57-67 und aus Dieckerhoff, S. ; Ryan, M. J. ; De Doncker, R. W. : Design of an IGBT-Based LCL-Resonant Inverter for High-Frequency Induction Heating", IAS'99, Phoenix bekannt.

Die dort beschriebene L1C1L2R-Parallelschwingkreis-Topologie besitzt einige Vorteile gegenüber Topologien mit nur zwei Energiespeichern (Serienschwingkreis oder Parallelschwingkreis). So kann durch Anpassung der Resonanzdrossel Li und des Resonanzkondensators ci die Eingangsimpedanz Z1 des L1C1L2R- Parallelschwingkreises (vgl. Fig. 3) optimal an die Spezifikationen des Wechselrichters angepasst werden, was den Einsatz eines Hochfrequenztransformators am Ausgang des Wechselrichters überflüssig macht und eine erhebliche Kostenersparnis bedeutet.

Im Gegensatz zum Parallelschwingkreis ohne Drossel L1 sind bei dieser Topologie Induktivitäten der Leitungen vom Wechselrichter zum L1C1L2R-Parallelschwingkreis, die gerade bei der Parallelschaltung von Wechselrichtern zwangsläufig entstehen, unkritisch.

Die maximal an der Last zur Verfügung stehende Leistung ist bei der L1C1L2R- Parallelschwingkreis-Topologie bisher durch die Maximalleistung einer einzelnen Wechselrichtereinheit, bestehend aus einem Wechselrichter und zugeordneter Resonanzdrossel, begrenzt.

Ein Problem beim Parallelschalten von Wechselrichtern mit Spannungszwischenkreis stellen zum einen Querströme, die durch nicht exakt gleichzeitiges Schalten der Wech- selrichter zwischen den verschiedenen Wechselrichtereinheiten fließen, zum anderen die gleichmäßige Verteilung der Ströme und damit der Leistung auf die Wechselrichtereinheiten dar. Es wurden bereits Konzepte zur Lösung dieser Probleme bei der Parallelschaltung von Wechselrichtern in der EP 0 511 344 B1 und der DE 196 51 666 A1 erarbeitet.

So sind der EP 0 511 344 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Parallelschalten von Wechselrichtern zu entnehmen. Die dort verwendeten Ausgangsdrosseln der Wechselrichter sind allein Symmetrierdrosseln, die ausschließlich zur Vermeidung von Querströmen zwischen den einzelnen Wechselrichtern dienen und für eine gleichmäßige Aufteilung der Ströme sorgen. Weiterhin ist in der Regel ein aufwendiger Steueralgorithmus erforderlich, um dies zu erreichen. Dies bedeutet grundsätzlich einen Mehraufwand, der durch die Parallelschaltung entsteht. Dabei muss ein Kompromiss zwischen der Größe und damit dem Aufwand der Symmetrierdrossel und gleichmäßiger Verteilung der Leistung bzw. der Größe der Querströme gefunden werden.

DE 196 51 666 A1 beschreibt ein Verfahren, mit dem eine gleichmäßige Stromverteilung mittels einer besonderen Art von Symmetrierdrosseln bei mehreren parallel geschalteten Wechselrichtern erreicht werden kann. Das Verfahren zeichnet sich durch eine besondere Verschaltung der Symmetrierdrosseln aus, mit dem Ferritkern-Material eingespart werden kann. Dieses Verfahren hat wie bei der EP 0 511 344 B1 den Nachteil, dass die verwendeten Symmetrierdrosseln einen Zusatzaufwand bedeuten und zu höheren Kosten führen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur Speisung einer ohmsch-induktiven Last in Form eines Induktors oder Induktionsofens mit einem hohen Frequenz- Leistungsprodukt mit parallelgeschalteten Wechselrichtern zu schaffen, welches sich dadurch auszeichnet, dass sich eine Parallelschaltung von beliebig vielen Wechselrichtern ohne zusätzlichen Hardwareaufwand und ohne aufwendige Steuerungstechnik möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dieser Art der Aufteilung des L1C1L2R-Parallelschwingkreises auf die parallelgeschalteten Wechselrichter WR werden die sonst für eine Parallelschaltung notwendigen Symmetrierdrosseln eingespart. Anders ausgedrückt : Die Drosseln am Ausgang der einzelnen Wechselrichter WR sind keine Symmetrierdrosseln sondern Teil des L1 C1 L2R-Parallelschwingkreises.

Die Stromverteilung der Wechselrichter WR ist proportional zum Wert der Induktivitäten der jeweiligen Resonanzdrosseln Lin, die am Ausgang der WR angeordnet sind. Eine gleichmäßige Stromverteilung ist gewährleistet, wenn at) e Ausgangsdrossein Lin die gleiche Induktivität haben.

Mit dieser Topologie können beliebig viele Wechselrichter parallelgeschaltet werden.

Besonders vorteilhaft ist hierbei die induktive Ankopplung der Wechselrichtereinheiten an eine gemeinsame Kondensatorbank, d. h. eine Gruppe von Kondensatoren, die über Stromschienen miteinander verbunden sind, so dass Zuleitungsinduktivitäten in der Regel keine große Rolle spielen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Induktoren oder tnduktionsöfen mit einem hohen Frequenz-Leistungsprodukt gespeist werden, beispielsweise können damit Stahlbänder mit Hilfe eines Induktors mit Leistungen von mehreren MW bei Frequenzen von mehr als 20 kHz induktiv erwärmt werden.

Somit eignet sich das Verfahren insbesondere für induktive Lasten mit niedrigem Leistungsfaktor, die mit Wechselströmen bei einer festen Frequenz und mit Leistungen von ca. 100kW bis einigen MW versorgt werden müssen. An einer ohmsch-induktiven Last L2R werden beispielsweise zur induktiven Erwärmung von Stahlbändern Leistungen von mehreren MW bei Frequenzen von ca. 100 kHz benötigt. Um dieses hohe Frequenz-Leistungsprodukt zu erzielen, ist die Parallelschaltung der Wechselrichtereinheiten, d. h. der Wechselrichter samt zugeordneter Resonanzdrosseln, erforderlich. Unter Wechselrichter werden hierbei die Leistungshalbleiter mit Treibern und Steuerung verstanden.

Die Ausgangsleistung verteilt sich gleichmäßig auf die Wechselrichtereinheiten. Es flie- ßen bei nicht-synchronem Schalten der Wechselrichtereinheiten keine unzulässig ho- hen Querströme zwischen den Wechselrichtereinheiten. Der Materialaufwand steigt durch die Parallelschaltung gegenüber einem Ein-Wechselrichtersystem nur geringfügig an. Es sind zusätzliche Schutzmechanismen, die in der Steuerung realisiert werden, erforderlich. Im Verhältnis zu den Gesamtkosten des Systems spielen diese jedoch eine untergeordnete Rolle. Auf einen relativ teuren Hochfrequenztransformator kann verzich- tet werden. Zudem kann eine nach diesem System arbeitende Vorrichtung modular ausgebildet sein, d. h. die Anzahl der Wechselrichtereinheiten kann beliebig an die er- forderliche Ausgangsleistung angepasst werden. Aufgrund der weich schaltenden Wechselrichter wird die Verlustleistung minimiert.

Selbstverständlich können verschiedenste konstante und/oder variable Lasten vorgese- hen sein. Die Gleichrichter können beliebiger Topologie sein.

Zu A2 : Vorteilhaft an dieser Bauform sind die entstehende magnetische Kopplung der Drosseln und die sich ergebende Einsparung an Kernmaterial.

Zu A3 : Vorteilhaft an einem eigenen unabhängigen GR ist : a) Redundanz : Wenn ein Gleichrichter ausfällt, kann weitergearbeitet werden. b) Modulgedanke : Ein Gleichrichter ist mit seiner Leistung auf einen Wechselrichter ausgelegt und bildet mit diesem zusammen ein Modul. Man schaltet dann einfach so viele dieser Standardmodule wie nötig parallel, bis die geforderte Leistung erreicht wird.

Hierdurch wird der für die Leistungsanpassung nötige Projektierungsaufwand minimiert, so dass eine deutliche Verringerung der Anlagenkosten zu erwarten ist.

Da nun jedem WR ein eigener GR zugeordnet ist, hat jeder WR seinen eigenen Spannungszwischenkreis.

Zu A4 : Für (höhere) Frequenzen von ca. 100 kHz bis ca. 1 MHz ist der Einsatz von MOSFET-Leistungshalbleitern vorstellbar. IGCT-Leistungshalbleiter werden eher bei niedrigeren Frequenzen eingesetzt. Von einigen Firmen werden 100 kHz-Umrichter mit MOSFET-Halbleitern realisiert. Erst seit relativ kurzer Zeit dringt der IGBT in diesen hohen Frequenzbereich ein.

Zu A5 : Stellt ein defekter Wechselrichter einen Kurzschluss dar, so muss sichergestellt werden, dass dieser vom Spannungszwischenkreis getrennt wird. Dies kann während des Betriebs durch Leistungshalbleiter (wie z. B. IGCTs) oder nach Abschalten der Anlage durch mechanisches Trennen erfolgen. Das Trennen vom Zwischenkreis kann z. B. durch Anbringen von Sicherungen erfolgen, die im Kurzschlussfall automatisch auslösen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Wechselrichtereinheiten mit unabhängigen Gleichrichtern zu speisen. In diesem Fall ist ein Kurzschluss, z. B. am Ausgang eines oder mehrerer Wechselrichtereinheiten unkritisch für eine Fortsetzung des Betriebs der intakten Wechselrichtereinheiten. Neben einem Kurzschluss am Ausgang des Wechselrichters können auch die Leistungshalbleiter des Wechselrichters selbst sowie der Zwischenkreiskondensator infolge eines Defekts kurzgeschlossen sein. Fällt ein Wechselrichter aus, kann der zugehörige Gleichrichter abgeschaltet und die Schaltung mit den überbleibenden Wechselrichtern betrieben werden.

Zu A6 : Bei Ausfall eines Wechselrichters ist eine Trennung vom L1C1L2R- Parallelschwingkreis immer erforderlich. Es kann sowohl nach Abschalten der Anlage mechanisch als auch im Betrieb (und dann gegebenenfalls natürlich auch nach Abschalten der Anlage) elektrisch, d. h. mit einem Leistungshalbleiter getrennt werden.

Die elektrische Trennung kann derart erfolgen, dass der entsprechende Leistungsschalter beim Wiedereinschalten der Anlage nicht eingeschaltet wird, sofern der betreffende Wechselrichter von den anderen getrennt bleiben soll. Das heißt, dass beim Anschalten nur die Wechselrichter dem L1C1L2R-Parallelschwingkreis zugeschaltet werden, die einwandfrei funktionieren.

Theoretisch reicht eine Trennung vom Zwischenkreis für den weiteren Betrieb des noch intakten Teils der Anlage. Beim defekten Wechselrichter würden jedoch unter Umständen sehr hohe Spannungen auftreten, die zu einer vollständigen Zerstörung des Wechselrichters führen würden und sogar Personen an der Anlage gefährden könnten.

Aus diesem Grund ist es sehr sinnvoll, immer auch vom LCL2R-Parallelschwingkreis zu trennen.

Bei Ausfall einer Wechselrichtereinheit, bestehend aus Wechselrichter und zugeordne- ter Resonanzdrossel inklusive der Steuerung, kann der Betrieb der restlichen intakten Einheiten fortgesetzt werden (Redundanz). Hierzu kann ein Reserve-Wechselrichter vorgesehen sein, der zugeschaltet werden kann. Im Einsatz sind Wechselrichter von je 200 kW vorstellbar. Da zumeist im Megawattbereich gearbeitet werden soll, kann mit einem Bedarf von zumindest 10 Wechselrichtern gerechnet werden. Wird aufgrund ei- nes Wechselrichterausfalls bis zu dessen Reparatur, z. B. bei einer Banderwärmungs- anlage die gewünschte Leistung nicht erzielt, so kann dies vorübergehend durch eine Verlangsamung der Bandgeschwindigkeit ausgeglichen werden.

Zu A7 : Mit dem Verfahren kann eine Vorrichtung dezentral, also ohne Master- Schaltung, gesteuert werden. Eine für den Betrieb notwendige Kommunikation zwischen den Steuerungen der Wechselrichtereinheiten findet nicht statt. Dadurch wird das Gesamtsystem unanfälliger gegen Störungen. Fällt im Betrieb eine der individuellen Steuerungen aus, so können die restlichen Steuerungen ungehindert weiterarbeiten.

Die Steuerung hat folgende Aufgaben : 1. Überwachung des Wechselrichters und Abschalten bei Auftreten einer Störung, 2. Ansteuern des Wechselrichters in der Nähe der oben genannten Resonanzfrequenz fo mit der Schaltfrequenz fs, und 3. Synchronisation der Wechselrichter ohne Kommunikation mit Steuerungen anderer Wechselrichter.

Zu A8-A10 : Die Differenz zwischen fo und fs hängt von den Parametern des L1C1L2R- Parallelschwingkreises ab. Mit steigender Differenz der Frequenzen wird der Winkel (p zwischen U1 und 11 größer. Der ideale Winkel (p ist der, bei dem die Verluste in den Leistungshalbleitern des Wechselrichters minimal werden. Der Winkel (p hängt dabei vom genauen Typ der Leistungshalbleiter und den Parametern des L1C1L2R- Parallelschwingkreises ab.

Zu A11-A18 : Prinzipiell handelt es sich um ein Standardregelungsverfahren. Das besondere ist, dass mit diesem Standardregelungsverfahren mit der hier gewählten Auslegung eine dezentrale Regelung ohne Kommunikation der einzelnen Steuerungen miteinander und ohne Master möglich ist. Bisher erfolgte eine solche Regelung immer durch einen Master, der die einzelnen Wechselrichter gleichzeitig ansteuert. Der Vorteil dieser Regelung ist, dass keine störanfällige Kommunikation nötig ist. Außerdem wird eine Redundanz der Steuerung erreicht. Das bedeutet dass eine Fortsetzung des Betriebs der Wechselrichter 1 mit funktionierender Steuerung möglich ist, wenn eine beliebige Steuerung ausfällt.

Zu A19 Dem Gleichrichter kann noch ein Netztransformator vorgeschaltet sein.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine nach dem Verfahren ar- beitende Vorrichtung anhand von 7 Figuren erläutert : Dabei zeigt Fig. 1 : eine Topologie des Leistungsteils, Fig. 2 : den prinzipiellen Aufbau eines IGBT-Wechselrichters mit Spannungszwi- schenkreis, Fig. 3 : einen L1C1L2R-Parallelschwingkreis, Fig. 4 : simulierte Spannungen und Ströme am Ausgang von zwei exakt gleichzeitig schaltenden Wechselrichtern, Fig. 5 : simulierte Spannungen und Ströme am Ausgang von zwei nicht gleichzeitig schaltenden Wechselrichtern (Winkelverschiebung 30°), Fig. 6 : ein verteiltes Steuerkonzept, und Fig. 7 : ein Regelkonzept.

Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Leistungsteils. Dieser besteht aus N parallel geschalteten IGBT-Wechselrichtern 1 (Es sind hiervon drei explizit dargestellt.) mit jeweils individuell zugeordneter Kondensatorbank 3 und gemeinsamen Spannungszwischenkreis, die von einem Gleichrichter 2 mit beliebiger Topologie gespeist werden. Selbstverständlich ist auch der Einsatz mehrerer Gleichrichter 2 vorstellbar.

Figur 2 zeigt die Topologie für eine IGBT-Wechselrichtereinheit mit Spannungszwischenkreis (und Kondensatorbank) 3. Am Ausgang des Wechselrichters 1 ist ein L1C1L2R-Parallelschwingkreis angeschlossen (vgl. Figur 3), da ein L1C1-Glied eine ohmsch-induktive Last 11 an den Wechselrichter 1 anpasst, wobei selbstverständlich auch mehrere ohmsch-induktive Lasten vorgesehen sein können. Bei der Parallelschaltung wurde die Gesamtinduktivität der Resonanzdrosseln 6 auf die N parallel geschalteten Wechselrichter 1 aufgeteilt. Um die Gesamtimpedanz (= Eingangsimpedanz des L1C1L2R-Parallelschwingkreises Z1) des LCL2R- Parallelschwingkreises 5 durch die Parallelschaltung nicht zu verändern, muss gelten mit LI" : Resonanzdrossel, d. h. Ausgangsdrossel 7 des n-ten Wechselrichters 1 Li : Gesamtinduktivität 6 der Resonanzdrosseln, die sich aus der Parallel- schaltung der einzelnen Resonanzdrosseln 7 ergibt.

Dabei muss die jeweilige Resonanzdrossel 7 symmetrisch angeordnet sein, z. B. teilt sich Resonanzdrossel 7 in zwei Teildrosseln zu je Li,/2 auf.

Die Wechselrichter 1 werden in der Nähe der Resonanzfrequenz fo des L1C1L2R- Parallelschwingkreises 5 mit der Schaltfrequenz fs betrieben, die sich aus der Parallelschaltung der Gesamtinduktivität 6 der Resonanzdrosseln und der Gesamtinduktivität 9 der ohmsch-induktiven Last 11 mit dem Resonanzkondensator 8 ergibt (vgl. Figur 3). Unter Vernachlässigung der Dämpfung gilt für diese Frequenz : Bei dieser Frequenz hat der Betrag der Eingangsimpedanz In, 1 des L1C1L2R- Parallelschwingkreises ein lokales Minimum.

Figur 4 zeigt die sich aufgrund des dadurch entstehenden Bandpaßcharakters in die- sem Betriebspunkt beispielsweise ergebenden Spannungs-und Stromverläufe an den Ausgängen von zwei parallel geschalteten Wechselrichtern 1 bei ideal gleichzeitigem Schalten und bei identisch ausgelegten Resonanzdrosseln. Der jeweilige Ausgangsstrom 111 und 112 der Wechselrichter 1 ist aufgrund des Bandpaßcharakters des L1C1L2R-Parallelschwingkreises sinusförmig trotz der jeweiligen rechteckförmigen Ausgangsspannungen Un und U12.

Die Ausgangsleistung des Wechselrichtersystems, d. h. aller parallelgeschalteter Wechselrichter, wird vom Gleichrichter 2 über die Spannung Udc des Gleichspannungszwischenkreises bzw. an dem Kondensator 3 gesteuert.

Figur 5 zeigt, dass bei nicht synchronem Schalten die Ausgangsströme in, hier 111 und 112, der einzelnen Wechselrichtereinheiten in Phase sind und lediglich unterschiedliche Amplitude haben.

Figur 6 zeigt das Prinzip des dezentralen Steuerkonzepts. Um eine hohe Zuverlässig- keit und Modularität des Systems zu erreichen, soll die Steuerung dezentral aufgebaut und keine Kommunikation zwischen Steuerungen 13 verschiedener Wechselrichter 1 stattfinden. Jede Steuerung 13 misst also nur Größen innerhalb des zugeordneten Wechselrichters 1, das sind die Ausgangsspannung U1n und der Ausgangsstrom des Wechselrichters 1. Für verbesserte Regeleigenschaften kann außerdem die Spannung U2 an der ohmsch-induktiven Last 11 verwendet werden.

Ein Gleichrichter 2 mit vorgeschaltetem Transformator 14 speist einen Gleichspannungszwischenkreis Udc bzw. einen Kondensator 3, an den N parallel geschaltete Wechselrichter 1 angeschlossen sind. Bei dem Transformator 14 handelt es sich um einen Netztransformator 14, der die Aufgabe hat, die Netzspannung auf einen für den Gleichrichter 2 vernünftigen Wert herunter zu transformieren. Je nach Gleichrichtertyp und Netzeinspeisung kann auf diesen Transformator 14 verzichtet werden. Alle Wechselrichter 1 sind über ebenfalls parallel geschaltete Resonanzdrosseln 7, die aus Symmetriegründen in zwei Resonanzdrosseln mit der Induktivität Lit/2 aufgeteilt werden müssen, an einen gemeinsamen Resonanzkondensator 8 angeschlossen.

Jeder dieser Wechselrichter 1 verfügt über einen eigenen niederinduktiv an den Wechselrichter 1 angeschlossenen Gleichspannungszwischenkreis in Form eines Kondensators 3. Alle Wechselrichter 1 werden unabhängig voneinander angesteuert, ohne dass die Steuerungen unterschiedlicher Wechselrichter 1 miteinander kommunizieren. Dazu werden von den einzelnen Steuerungen 13 die Ausgangs- spannung des jeweiligen Wechselrichters U1n, der Ausgangsstrom des jeweiligen Wechselrichters sowie die Spannung U2 an der ohmsch-induktiven Last 11 erfasst.

Mit Hilfe dieser Größen steuert jede Steuerung 13 ihren jeweiligen Wechselrichter 11 mit der Frequenz fs an, bei der der Winkel (p den jeweiligen Sollwert (p* hat.

Figur 7 stellt ein Beispiel für das Regelkonzept aus Figur 6 vor, mit dem die jeweilige Steuerung 13 in der Lage ist, den zugeordneten Wechselrichter 1 in der Nähe der Resonanzfrequenz fo mit der Schaltfrequenz fs zu schalten und gleichzeitig mit den anderen Wechselrichtern 1 zu synchronisieren, so dass sie zum gleichen Zeitpunkt schalten.

Die Regelgröße ist die Frequenz fo, mit der der Wechselrichter 1 angesteuert wird.

Diese Frequenz ist z. B. daran zu erkennen, dass die Wechselrichterausgangsspannung U1n und der Wechselrichterausgangsstrom fin in Phase sind. Da es zwei Resonanz- frequenzen gibt, für die dies zutrifft, ist es sinnvoll, eine weitere Messgröße hinzuzu- nehmen, z. B. die Winkelverschiebung zwischen den Spannungen Ul. und U2.

Aufgabe der Regelung ist es nun, den Wechselrichter 1 mit der Schaltfrequenz fs, die in der Nähe der Betriebsfrequenz fo ist, anzusteuern, so dass der Winkel (p zwischen Wechselrichterausgangsspannung U1 und-strom/1 einen vorgegebenen Sollwert (p* einnimmt. Dazu wurde eine Regelung mit zwei überlagerten Regelschleifen entwickelt, die auf dem Prinzip einer sogenannten Phase-Locked-Loop (PLL) beruht.

Mittels Spannungs-und Stromwandlern werden die Wechselrichterausgangsspannun- gen U 1n und die Spannung U2 an der ohmsch-induktiven Last 11 sowie der Wechselrichterausgangsstrom erfasst. Winkeldetektoren 16 ermitteln daraus den Winkel on, d. h. die Winkelverschiebung zwischen U1n und U2, sowie den Winkel (Pn, d. h. die Winkelverschiebung zwischen U1n und I1n.

Eine innere Regelschleife subtrahiert den erfassten Winkel on von dem von der äußeren Regelschleife vorgegebenen Sollwert 6n*. Die sich daraus ergebende Differenz wird an den Eingang eines PI-Reglers 21 gegeben, an dessen Ausgang der Sollwert für die Schaltfrequenz fs anliegt. Ein spannungsgeregelter Oszillator (VCO,"Voltage Controlled Oscillator") 18 wandelt diesen Sollwert in Schaltsignale um, die an die Treiber 12 des Wechselrichters 1 übertragen werden. Dabei steuert jede Steuerung 13 den ihr zugeordneten Wechselrichter 1 an.

Eine äußere Regelschleife dient zur Nachführung von on* bei sich verändernder ohmsch-induktiver Last 11, so dass sich der vom Benutzer vorgegebene Winkel #n* einstellt. Dabei wird der erfasste Winkel (pn von dem Sollwert #n* subtrahiert und an einen weiteren PI-Regler oder einen l-Regler 17 gegeben. Am Ausgang liegt der Sollwert On* an, der an die innere Regelschleife übergeben wird.

Bei sich nicht verändernder ohmsch-induktiver Last 11 kann die äu#ere Regelschleife weggelassen werden.

Bezugszeichenliste 1 WR Wechselrichter 2 GR Gleichrichter 3 Cdc Kondensator 4 Udc Spannungszwischenkreis 5 L1C1L2R Schwingkreis 6 Li Gesamtinduktivität der Resonanzdrosseln 7 Lin Resonanzdrossel des n-ten Wechselrichters 8 Ci Resonanzkondensator 9 L2 Gesamtinduktivität der ohmsch-induktiven Last (en) 10 R ohmscher Widerstand der ohmsch-induktiven Last (en) 11 L2R Ohmsch-induktive Last 12 Treiber 13 Steuerung 14 Netztransformator 15 Spannungswandler 16 Phasendetektor 17 PI-Regler 18 VCO"Voltage Controlled Oscillator": Spannungsgeregelter Oszillator ; Erzeugt ein rechteckförmiges Schaltsignal mit spannungsabhängiger Frequenz 19 Treiber des IGBT 20 Treiber des Gleichrichters 21 PI-Regler fo Resonanzfrequenz fs Schaltfrequenz des Wechselrichters Wechselrichterausgangsstrom 11 Gesamtwechselrichterausgangsstrom Udc Spannung am Kondensator Cdc Uln Wechselrichterausgangsspannung des n-ten Wechselrichters Ui Wechselrichterausgangsspannung bei einem Ein- Wechselrichtersystem U2 Spannung an der/den ohmsch-induktiven Last (en) L2R Zi Eingangsimpedanz des L1C1L2R-Parallelschwingkreises eines Ein- Wechselrichtersystems (Pn Winkel zwischen Urn und/in (pn* Sollwert des Winkels zwischen U1n und I1n #n Winkel zwischen U1n und U2 On* Sollwert des Winkels zwischen Urn und U2