Beschreibung

Frequenzumrichter mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischen- kreis

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzumrichter mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zu einem gattungsgemäßen Frequenzumrichter mit einem kondensatorlosen Zwischenkreis zählt der sogenannte F ³ E-Umrichter, der aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Fundamental Fre- quency Front End Converter (F ³ E) - a DC-link drive Converter without electrolytic capacitor", von Kurt Göpfrich, Dr. Cars- ten Rebbereh und Dr. Lothar Sack, abgedruckt im Tagungsband PCIM 2003, Nürnberg, Mai 2003, bekannt ist. Ein wesentliches Merkmal dieses F ³ E-Umrichters ist, dass der netzseitige Stromrichter auch noch abschaltbare Halbleiterschalter aufweist, die jeweils elektrisch parallel zu einer korrespon- dierenden Diode eines Diodengleichrichters geschaltet sind.

Diese abschaltbaren Halbleiterschalter werden so angesteuert, dass diese zu den leitenden Zuständen korrespondierender Dioden ebenfalls leitend sind. Dadurch wird parallel zu einem Strompfad durch eine Diode ebenfalls ein Strompfad durch ei- nen zugehörigen abschaltbaren Halbleiterschalter angeboten, womit der netzseitige Stromrichter Energie in ein speisendes Netz zurückspeisen kann. Zur Generierung von Steuersignalen werden die Phasenspannungen eines speisenden Netzes auf Gleichheit ausgewertet .

Zur gattungsgemäßen Umrichter-Topologie gehört auch der so genannte Sparse Matrixumrichter, der beispielsweise aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Analytically Closed Calcula- tion of the Conduction and Switching Losses of Three-Phase AC-AC Sparse Matrix Converters" von F. Schafmeister, M. Bau ^¬ mann und J.W. Kolar, abgedruckt im Konferenzband EPE 2002 Dubrovnik, 09.-11.09.2002, bekannt ist. Ein derartiger Sparse Matrixumrichter weist gegenüber einem herkömmlichten Matrix-

Umrichter eine geringere Anzahl von abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern auf und seine zugehörige Steuerung ist gegenüber einer Steuerung eines herkömmlichen Matrixumrichters nicht so komplex.

Bei dieser Umrichter-Topologie schwank wegen des fehlenden Zwischenkreiskondensators die Spannung im Spannungs-Zwischen- kreis sehr. Das hat zur Folge, dass die Steuerung des last- seitigen selbstgeführten Pulsstromrichters des F ³ E-Umrichters bzw. des Sparse Matrixumrichters diese schwankende Zwischen- kreisspannung berücksichtigen muss. Am lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter ist lediglich ein Folien- oder Keramikkondensator zur Unterstützung der Kommutierung der abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter des Pulsstromrichters angebracht. Der Vorteil dieser Umrichter-Topologie liegt dar ^¬ in, dass mit einfachen Mitteln dieser Umrichter rückspeisefähig ist und dass dieser sehr kompakt aufgebaut werden kann .

Jedoch ist in einigen Anwendungsfällen ein Kondensator mit einer großen Kapazität, beispielsweise von einigen mF, erforderlich. Zu diesen Anwendungsfällen gehören:

a) hochdynamische Antriebe und b) robuste Antriebe.

Bei hochdynamischen Antrieben kann aus diesem Zwischenkreis- kondensator die Regelung sehr schnell Energie für einen Motor beziehen. Bei einem robusten Antrieb kann bei kurzzeitigen Netzausfällen eine Weiterversorgung eines Motors aufrechterhalten werden.

Somit können Frequenzumrichter mit kondensatorlosem Zwischenkreis nur für Anwendungen verwendet werden, in denen die Dy- namikanforderungen nicht sehr hoch sind und keine Netzaus ^¬ fälle überbrückt werden müssen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis derart weiterzubilden, dass dieser für hochdynamische Antriebe ohne großen Aufwand hochgerüstet werden kann, wobei die An- forderung an einen robusten Antrieb außerdem erfüllt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass eine Einrichtung zur Energiespeicherung ein- gangsseitig elektrisch parallel zum Spannungs-Zwischenkreis eines Frequenzumrichters mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis geschaltet ist, kann bei Bedarf Energie aus dieser Einrichtung kontrolliert in den Spannungs-Zwischenkreis des Frequenzumrichters mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis gespeist werden. Dazu weist diese Einrichtung eine Schalteinrichtung, eine Ansteuereinrichtung und einen kapazitiven Speicher auf. Der kapazitive Speicher und die Schalt ^¬ einrichtung sind derart zwischen den Eingangs-Anschlüssen der Einrichtung zur Energiespeicherung elektrisch in Reihe geschaltet, dass ein Pfad für die Energie vom Zwischenkreis zur Einrichtung immer vorhanden ist. Der Bedarf an Energie aus der Einrichtung zur Energiespeicherung wird abhängig von einer ermittelten Zwischenkreisspannung und einem vorbestimmten Zwischenkreis-Spannungsgrenzwert ermittelt. Mit dieser erfin ^¬ dungsgemäßen Einrichtung zur Energiespeicherung kann ein Frequenzumrichter mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis für einen hochdynamischen Antrieb hochgerüstet werden, wobei außerdem dieser gegen kurzzeitige Netzunterbrechungen robust ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist in der Einrichtung zur Energiespeicherung eine Induktivität vorgesehen, die zwischen einem Eingang der Einrichtung und der Schalteinrich- tung angeordnet ist. Durch die Anwesenheit dieser Induktivi ^¬ tät, dessen Wert gering ist, kann die Schalteinrichtung gepulst betrieben werden, wodurch ein mittlerer Energiefluss einstellbar ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist diese Einrichtung zur Energiespeicherung in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Dadurch kann diese Einrichtung zur Energie- speicherung als Zusatzgerät im Handel angeboten werden. Dadurch werden eine hohe Flexibilität und die Möglichkeiten zur Anpassung an Kundenanforderungen ebenfalls erreicht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist diese Einrichtung zur Energiespeicherung in einem kondensatorlosen Frequenzumrichter angeordnet. Dadurch kann diese Einrichtung als Option auf Kundenanfrage in einem kondensatorlosen Frequenzumrichter jederzeit ohne großen Aufwand integriert wer ^¬ den .

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines Frequenzumrichters mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.

FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Frequenzumrichters mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis nach der Erfindung und in der FIG 2 ist eine zweite Ausführungsform dieses kondensatorlo- sen Frequenzumrichters nach der Erfindung veranschau ^¬ licht, wobei die

FIG 3 eine dritte Ausführungsform dieses kondensatorlosen Frequenzumrichters nach der Erfindung zeigt.

In der FIG 1 sind mit 2 ein Frequenzumrichter mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis 16, mit 4 ein speisendes Netz, mit 6 ein anzutreibender Motor, insbesondere ein Drehstrom-Asynchronmotor, und mit 8 eine Einrichtung zur Energie- speicherung bezeichnet. Der Frequenzumrichter 2 mit kondensa- torlosem Spannungs-Zwischenkreis 16, der im Folgenden auch als kondensatorloser Frequenzumrichter 2 bezeichnet wird, weist netzseitig einen Stromrichter 10 auf, der gemäß dem netzseitigen Stromrichter eines so genannten F ³ E-Umrichters

oder eines so genannten Sparse-Matrixumrichters ausgeführt sein kann, und lastseitige einen selbstgeführten Pulsstromrichter 12 auf. Diese beiden Stromrichter 10 und 12 sind gleichspannungsseitig miteinander elektrisch leitend verbun- den. Der selbst geführte Pulsstromrichter 12 weist gleichspannungsseitig einen Kondensator 14 mit geringer Kapazität, insbesondere einen Folien- oder Keramikkondensator, auf. Dieser Kondensator 14 wird deshalb verwendet, um die Kommutie ^¬ rung von abschaltbaren Leistungshalbleitern, insbesondere In- sulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) , des selbstgeführten Pulsstromrichters 12 zu erleichtern. Dieser Kondensator 14 ist nicht dazu geeignet, im Spannungs-Zwischenkreis 16 dieses kondensatorlosen Frequenzstromrichters 2 Energie zu spei ^¬ chern .

Die Einrichtung 8 zur Energiespeicherung ist mit ihren Eingangs-Anschlüssen 18 und 20 jeweils mit einem Gleichspannungsleiter 22 und 24 des Spannungs-Zwischenkreises 16 des kondensatorlosen Frequenzumrichters 2 elektrisch leitend ver- bunden . Dadurch ist diese Einrichtung 8 elektrisch parallel zum Spannungs-Zwischenkreis 16 des kondensatorlosen Frequen ^¬ zumrichters 2 elektrisch parallel geschaltet. Diese Einrich ^¬ tung 8 zur Energiespeicherung weist einen kapazitiven Speicher 26 und eine Schalteinrichtung 28 auf. Diese Schaltein- richtung 28 weist in dieser Ausführungsform einen abschaltbaren Halbleiterschalter 30 mit einer antiparallel geschalteten Diode 32 auf. Eine Ansteuereinrichtung 34 zur Generierung von analogen Ansteuersignalen für den abschaltbaren Halbleiterschalter 30 ist ausgangsseitig mit einem Steuereingang (Gate- Anschluss) des abschaltbaren Halbleiterschalters 30 ver ^¬ knüpft. Da diese Ansteuereinrichtung 34 Ansteuersignale für den abschaltbaren Halbleiterschalter 30 generieren soll, ist deren Aufbau im Wesentlichen von der Wahl des abschaltbaren Halbleiterschalters 30 abhängig. In dieser dargestellten Aus- führungsform ist als abschaltbarer Halbleiterschalter 30 ein IGBT vorgesehen. Damit diese Ansteuereinrichtung 34 auf Anforderung von Energie den abschaltbaren Halbleiterschalter 30 leitend steuert, ist diese Ansteuereinrichtung 34 eingangs-

seitig mit den Gleichspannungsleitern 22 und 24 des kondensatorlosen Spannungs-Zwischenkreises 16 des Frequenzumrichters 2 elektrisch verbunden. Dadurch steht an den Eingängen dieser Ansteuereinrichtung 34 ein aktueller Wert einer Zwischen- kreisspannung U _zw und ein vorbestimmter Zwischenkreis-Spannungsgrenzwert U _ZW G an. In Abhängigkeit eines Vergleiches der aktuellen Zwischenkreisspannung U _zw mit diesem vorbestimmten Zwischenkreis-Spannungsgrenzwerts U _ZWG wird ein analoges An ^¬ steuersignal für den abschaltbaren Halbleiterschalter 30 ge- neriert . Sinkt die aktuelle Zwischenkreisspannung U _zw unter ^¬ halb dieses vorgegebenen Zwischenkreis-Spannungsgrenzwerts U _ZWG , wird ein Ansteuersignal generiert, dass den abschaltba ^¬ ren Halbleiterschalter 30 leitend schaltet. Dadurch ist der kapazitive Speicher 26 elektrisch parallel zum kondensatorlo- sen Spannungs-Zwischenkreis 16 geschaltet, wodurch ein Ener ^¬ gietransfer vom kapazitiven Speicher 26 der Einrichtung 8 zum speisenden Motor 6 ermöglicht wird.

Wie viel Energie in den Spannungs-Zwischenkreis 16 des kon- densatorlosen Frequenzumrichters 2 transferiert werden soll, hängt vom bestehenden Antrieb und/oder von der Kurzschlussfestigkeit des speisenden Netzes 4 ab. Werden z.B. hohe An ^¬ forderungen an die Dynamik des Antriebs gestellt, so muss dem Motor 6 sehr schnell Energie zugeführt werden, die kurzfris- tig nicht vom speisenden Netz 4 geliefert werden kann. Ist das speisende Netz 4 nicht sehr kurzschlussfest, so muss man mit kurzzeitigen Netzausfällen rechnen. Damit die Einrichtung 8 zur Energiespeicherung diese kurzzeitigen Netzausfälle kompensieren kann, muss die Dauer und die Häufigkeit der auftre- tenden kurzzeitigen Netzausfälle bekannt sein. In Abhängigkeit dieses bekannten Energiebedarfs für den Antrieb, kann der kapazitive Speicher 26 dimensioniert werden. Als kapazi ^¬ tiver Speicher 26 ist wenigstens ein Speicherkondensator, insbesondere ein Elektrolytkondensator, vorgesehen.

Die FIG 2 zeigt ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Frequenzumrichters 2 mit kondensatorlosem Spannungs- Zwischenkreis 16 nach der Erfindung. Diese Ausführungsform

unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform gemäß FIG 1 dadurch, dass an Stelle eines IGBT als abschaltbarer Halbleiterschalter 30 ein bidirektionaler Halbleiterschalter 36 vorgesehen ist. Als bidirektionaler Halbleiterschalter 36 ist ein selbstleitender Sperrschicht-Feldeffekttransistor vorgesehen. Dieser hochsperrende Sperrschicht-FET 36 wird auch als Junction Field Effect-Transistor (JFET) bezeichnet. Dieser n- Kanal-JFET 36 besteht vorzugsweise aus Siliziumkarbid (SiC) . Dieser n- Kanal-JFET 36 ist für eine hohe Sperrspannung von über 600 Volt ausgelegt und weist dennoch nur geringe Ver ^¬ luste im Durchlassbereich auf. Dieser selbstleitende Sperrschicht-FET 36 führt seinen größten Drain-Strom bei einer Gate-Spannung von Null Volt. Mittels der Gate-Spannung wird der Widerstand zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Source- Anschluss S des Sperrschicht-FET 36 gesteuert. Aus diesem

Grund wird ein Sperrschicht-FET auch als gesteuerter Widerstand bezeichnet. Als Steuerspannung für den Sperrschicht-FET 36 wird nur eine Spannung mit kleiner Amplitude benötigt. So ^¬ bald der Sperrschicht-FET 36 eingeschaltet ist, kann ein Strom in beiden Richtungen fließen.

In der FIG 3 ist eine dritte Ausführungsform eines Frequenzumrichters 2 mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis 16 nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Diese Ausfüh- rungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß FIG 2 dadurch, dass zwischen dem Eingangs-Anschluss 18 der Einrichtung 8 und der Schalteinrichtung 28 eine Induktivität 38 angeordnet ist. Außerdem ist die Ansteuereinrichtung 34 bei dieser Ausführungsform in einer Elektronik 40 des last- seitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 12 integriert. Diese Elektronik 40 des lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 12 des kondensatorlosen Frequenzumrichters 2 liefert an einem Steuereingang 42 der Einrichtung 8 ein digitales Steuersignal. Durch die Verwendung der Induktivität 38, kann der Halbleiterschalter 30 bzw. 36 gepulst betrieben werden. Durch diesen gepulsten Betrieb des Halbleiterschalters 30 bzw. 36 kann ein mittlerer Energiefluss eingestellt wer ^¬ den .

Diese Einrichtung 8 zur Energiespeicherung gemäß den Figuren 1 bis 3 ist beispielsweise in einem eigenen Gehäuse unterge ^¬ bracht. Dadurch kann diese Einrichtung 8 als Zusatzgerät im Handel angeboten werden. Dadurch werden eine hohe Flexibilität und die Möglichkeit zur Anpassung an Kundenanforderungen erreicht. Außerdem kann diese Einrichtung 8 in den kondensatorlosen Stromrichter 2 angeordnet werden. Beispielsweise wird diese Einrichtung 8 baulich auf einer eigenen Leiter- platte angeordnet. Dadurch kann diese Einrichtung 8 als Op ^¬ tion für den kondensatorlosen Frequenzumrichter 2 angeboten werden .

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Frequenzumrich- ters 2 mit kondensatorlosem Spannungs-Zwischenkreis 16 kann dieser nun für zahlreiche Topologien für hochdynamische Anwendungen aufgerüstet werden. Außerdem besteht hierbei die Möglichkeit, diese Einrichtung 8 zu Energiespeicherung als Zusatzgerät zu einem kondensatorlosen Frequenzumrichter 2 op- tional Kunden anbieten zu können, um damit die Anzahl von

Grundgeräte und deren Volumen zu reduzieren. Der Energiespei ^¬ cher 26 kann an die Dynamikanforderungen des Kunden angepasst werden. Dadurch werden außerdem überspannungen im Spannungs- Zwischenkreis 16 des kondensatorlosen Frequenzumrichters 2 bei netzseitiger Abschaltung und bei Rückspeisung von Energie aus dem Motor 6 reduziert.