Verfahren zur Steuerung eines mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern bei niedrigen Ausgangsfrequenzen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit wenigstens zwei einen oberen und einen unteren jeweils zwei in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen aufweisenden Ventilzweigen aufweisenden Phasenmodulen bei niedrigen Ausgangsfrequenzen.

Ein derartiger Stromrichter mit verteilten Energiespeichern ist aus der Veröffentlichung "Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen", von Rainer Marquardt, Anton Lesnicar und Jürgen Hildinger, abgedruckt im Tagungsband der ETG-Tagung 2002, bekannt. In dieser Veröffentlichung wird ein derartiger Stromrichter für einen netz- und lastseitigen Stromrichter verwendet, wobei diese beiden Stromrichter mit verteilten Energiespeichern gleichspannungs- seitig miteinander verkoppelt sind.

In der FIG 1 ist ein derartiger Stromrichter mit verteilten Energiespeichern näher dargestellt. Gemäß dieser Schaltungsanordnung weist diese bekannte Stromrichterschaltung drei Phasenmodule auf, die jeweils mit 100 bezeichnet sind. Diese Phasenmodule 100 sind gleichspannungsseitig jeweils mit einem Anschluss P bzw. N mit einer positiven bzw. negativen Gleich- spannungs-Sammelschiene Po bzw. No elektrisch leitend verbunden. Zwischen diesen beiden Gleichspannungs-Sammelschienen P ₀ und No steht eine Gleichspannung U _d an. Jedes Phasenmodul 100 weist einen oberen und einen unteren Ventilzweig Tl bzw. T3 bzw. T5 und T2 bzw. T4 bzw. T6 auf. Jeder dieser Ventilzweige Tl bis T6 weist eine Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen 10 auf. In diesem Ersatzschaltbild sind pro Ventilzweig T1,...,T6 vier Subsysteme 10 dargestellt. Jeder Verknüpfungspunkt zweier Ventilzweige Tl und T2 bzw. T3 und T4 bzw. T5 und T6 eines Phasenmoduls 100 bildet

einen wechselspannungsseitigen Anschluss Ll bzw. L2 bzw. L3 dieses Phasenmoduls 100.

In der FIG 2 ist eine Ausführungsform eines bekannten zweipo- ligen Subsystems 10 näher dargestellt. Die Schaltungsanordnung gemäß FIG 3 stellt eine funktionale gleichwertige Variante dar. Diese beiden Subsysteme 10 und 11 sind in der DE 101 03 031 Al näher beschrieben, wobei auch deren Funktionsweise dieser Offenlegungsschrift entnehmbar ist.

Eine weitere Ausführungsform eines zweipoligen Subsystems 20 ist in der FIG 3 näher dargestellt. Diese Ausführungsform des zweipoligen Subsystems 20 ist aus der DE 10 2005 041 087 Al bekannt. Der Aufbau und die Funktionsweise dieses zweipoligen Subsystems 20 ist in dieser Offenlegungsschrift ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle darauf verzichtet werden kann.

Die Anzahl der in Reihe geschalteten unabhängigen Energie- Speicher 9 bzw. 29,30 zwischen einem positiven Anschluss P und einem wechselspannungsseitigen Anschluss Ll bzw. L2 bzw. L3 eines Phasenmoduls 100 wird als Reihenschaltzahl n bezeichnet. Dabei ist es vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig, zwischen einem wechselspannungsseitigen Anschluss Ll bzw. L2 bzw. L3 und einem negativen Anschluss N eines Phasenmoduls 100 die gleiche Reihenschaltzahl n zu realisieren. Gemäß der FIG 1 weist jeder Ventilzweig Tl,..., T6 des mehrphasigen Stromrichters vier zweipolige Subsysteme 10 auf, die e- lektrisch in Reihe geschaltet sind. Da diese Subsysteme 10 jeweils nur einen unabhängigen Energiespeicher 9 aufweisen, ergibt sich eine Reihenschaltzahl von n=4. Werden anstelle dieser Subsysteme 10 vier Subsysteme 20 gemäß FIG 2 verwendet, so ergibt das eine Reihenschaltzahl n=8, da jedes Subsystem 20 zwei unabhängige Energiespeicher 29 und 30 auf- weist.

Für die folgende Erläuterung sei angenommen, dass alle Energiespeicher 9 der Subsysteme 10 eines jeden Ventilzweiges

Tl,..., T6 dieses mehrphasigen Stromrichters jeweils auf die gleiche Spannung U _c aufgeladen sind. Ein Verfahren zur Aufladung dieser Energiespeicher 9 ist beispielsweise aus dem Tagungsband der ETG-Tagung 2002 entnehmbar.

Die Spannungen ui (t) , ..., Ue (t) an den Ventilzweigen T1,...,T6, auch als Ventilzweig-Spannung ui (t) , ..., Ue (t) bezeichnet, setzen sich aus einer Gleichgröße 1/2U _d und einer Wechselspannungsgröße Uio (t) , U20 (t) , U30 (t) zusammen. Diese Wechselspan- nungsgröße uio (t) bzw. U20 (t) bzw. U30 (t) weist einerseits eine Frequenz und eine Amplitude einer gewünschten Ausgangsspannung des Stromrichters auf. Diese Wechselgrößen uio (t) , U20 (t) und U30 (t) sind gemäß FIG 1 auf einen fiktiven Mittelpunkt 0 zwischen den beiden Gleichspannungs-Sammelschienen Po und No bezogen. Dies führt zu sinusförmigen Umrichter-Ausgangsspannungen uio (t) , U20 (t) und U30 (t) , wobei für die Amplituden der auf den Mittelpunkt 0 bezogenen Spannungen uio (t) , U20 (t) und U30 (t) gelten muss, dass jede Amplitude einer Wechselspannungsgröße Uio (t) , U20 (t) und U30 (t) immer kleiner als die hal- be Gleichspannung U _d sein muss. Die Spannung ui (t) bzw. U ₂ (t) bzw. U3 (t) bzw. U ₄ (t) bzw. U ₅ (t) bzw. uβ(t) eines Ventilzweiges Tl bzw. T2 bzw. T3 bzw. T4 bzw. T5 bzw. T6 muss also immer positiv sein, da alle in Reihe geschalteten zweipoligen Subsysteme 10 eines Ventilzweiges Tl,..., T6 unabhängig von der Ventilzweigstromrichtung in allen Schaltzuständen nur einen Kurzschluss oder eine positive Spannung an den Ausgangsklemmen Xl und X2 eines jeden zweipoligen Subsystems 10 erzeugen können. Negative Spannungen sind aufgrund der Struktur dieser zweipoligen Subsysteme 10, 11 bzw. 20 nicht möglich. Somit kann die Ventilspannung ui (t) bzw. U ₂ (t) bzw. U ₃ (t) bzw. U ₄ (t) bzw. U ₅ (t) bzw. Uδ(t) eines jeden Ventilzweiges Tl bzw. T2 bzw. T3 bzw. T4 bzw. T5 bzw. T6 zwischen Null und dem n- fachen einer Kondensatorspannung U _c der n unabhängigen Energiespeicher 9 bzw. 29, 30 variiert werden.

In der FIG 5 sind ein Verlauf der Ventilzweig-Spannung ui (t) und des Ventilzweig-Stromes ii (t) des Ventilzweiges Tl des Phasenmoduls 100 des mehrphasigen Stromrichters gemäß FIG 1

im Diagramm über der Zeit t dargestellt. Multipliziert man beide Verläufe, erhält man den zeitlichen Verlauf einer Momentanleistung Pτi (t) dieses Ventilzweiges Tl, die in einem Diagramm über der Zeit t in der FIG 6 veranschaulicht ist. Integriert man diese Momentanleistung P _τi (t) des Ventilzweigs Tl über eine Periode der Ventilzweig-Spannung ui (t) (entspricht den Flächeninhalten unter den Kurvenabschnitten der Kurve der Momentanleistung P _τi (t) ) erhält man im stationären Zustand stets den Wert Null. Dies bedeutet, dass die Energie- Speicher 9 der zweipoligen Subsysteme 10 in diesem Ventilzweig Tl in Summe keine Energie aufnehmen oder abgeben. Entsprechendes gilt auch für alle anderen Ventilzweige T2,...,T6 des mehrphasigen Stromrichters nach FIG 1.

Daraus folgt, dass der Energieinhalt eines jeden Energiespeichers 9 eines jeden Ventilzweigs Tl,..., T6 des mehrphasigen Stromrichters nach FIG 1 und damit dieses mehrphasigen Stromrichters stationär konstant ist. Aus diesem Grund benötigen diese zweipoligen Subsysteme 10 bzw. 11 bzw. 20 auch keine Wirkleistungseinspeisung an den jeweiligen Gleichspannungs- Anschlüssen der Energiespeicher 9 bzw. 29, 30.

Die Dimensionierung eines Energieinhalts eines jeden Energiespeichers 9 bzw. 29,30 der zweipoligen Subsysteme 10,11 bzw. 20 eines jeden Ventilzweiges T1,...,T6 erfolgt in vorteilhafter Weise nach dem maximal erforderlichen Energiehub. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die dem stationären Spannungsmittelwert überlagerte Spannungswelligkeit δU in den Energiespeichern 9 bzw. 29,30 einen maximalen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreiten darf. Diese maximale Spannung wird von der Spannungsfestigkeit der in den zweipoligen Subsystemen 10,11 bzw. 20 verwendeten abschaltbaren Halbleiterschaltern und Energiespeichern 9 bzw. 29,30, aber auch von regelungstechnischen Gesichtspunkten bestimmt. Ein entscheidender Fak- tor bei der Dimensionierung der Energiespeicher 9 bzw. 29,30 ist die Ausgangsfrequenz des mehrphasigen Stromrichters gemäß FIG 1. Je kleiner diese Ausgangsfrequenz wird, desto größer wird der Energiehub pro Periode in den Energiespeicher 9 bzw.

29,30. Dies bedeutet, dass für eine vorbestimmte Spannungs- welligkeit δU die benötigte Größe der Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der zweipoligen Subsysteme 10,11 bzw. 20 mit sinkender Frequenz bis hin zum Gleichspannungs-Betrieb (Frequenz gleich Null) hyperbelartig gegen unendlich gehen würde.

Dieser Zusammenhang von Spannungswelligkeit δU und Ausgangsfrequenz f des mehrphasigen Stromrichters gemäß FIG 1 ist in einem Diagramm gemäß FIG 7 dargestellt. In diesem Diagramm sind eine Hyperbelkurve A für die Spannungswelligkeit eines

Energiespeichers (durchgezogene Linie) und eine Hyperbelkurve B für die Spannungswelligkeit bei der Verwendung von drei parallelen Teilenergiespeichern pro Energiespeicher 9 bzw. 29, 30, d.h. der dreifachen Zwischenkreiskapazität (unterbrochene Linie) dargestellt. Der Hyperbelkurve A ist zu entnehmen, dass ausgehend von einer Ausgangsfrequenz f=50Hz mit sinkender Frequenz die Spannungswelligkeit δU wesentlich zunimmt. Wenn bei halbierter Ausgangsfrequenz die Spannungswelligkeit δU gleich der Spannungswelligkeit δU bei der Ausgangsfre- quenz f=50Hz sein soll, so muss der Wert eines Energiespeichers 9 bzw. 29,30 eines zweipoligen Subsystems 10,11 bzw. 20 ein Vielfaches größer sein.

In dem Diagramm gemäß FIG 8 sind ein Verlauf der Ventilzweig- Spannung ui (t) mit einer Ausgangsfrequenz f=50Hz und ein Verlauf dieser Ventilzweigspannung ui (t) mit einer Ausgangsfrequenz f=5Hz über der Zeit t dargestellt. Die Amplitude der Ventilzweigspannung ui (t) mit einer Ausgangsfrequenz f=5Hz ist entsprechend einer u-f-Kennlinie abgesenkt worden. Be- rechnet man wieder unter Berücksichtigung des entsprechenden Ventilzweig-Stromes in dem Ventilzweig Tl des mehrphasigen Stromrichters gemäß FIG 1, erhält man eine zugehörige Momentanleistung Pn (t) bei einer Ausgangsfrequenz f=50Hz und f=5Hz . Diese beiden Verläufe der Momentanleistung P _τi (t) des Ventilzweigs Tl sind in dem Diagramm der FIG 9 über der Zeit t dargestellt. Der Energiehub bei der Ausgangsfrequenz f=5Hz ist im Vergleich zum Energiehub bei der Ausgangsfrequenz f=50Hz wesentlich angestiegen. In diesem dargestellten Bei-

spiel ist der Energiehub bei f=5Hz um das 25-fache größer als bei f=50Hz.

Um auch in diesem Betriebspunkt (f=5Hz) die gleiche Span- nungswelligkeit δU wie bei der Ausgangsfrequenz f=50Hz zu erhalten, müsste man den Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der zweipoligen Subsysteme 10,11 bzw. 20 um den Faktor 25 größer dimensionieren .

Um eine in Bezug auf Größe und Kosten attraktive Lösung zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Auslegung der Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der zweipoligen Subsysteme 10,11 bzw. 20 der Ventilzweige Tl,..., T6 des mehrphasigen Stromrichters gemäß FIG 1 für einen Nennpunkt durchgeführt wird. Dies be- deutet, dass in diesem Nennpunkt der Energiehub bereits zu einer vorbestimmten maximal zulässigen Spannungswelligkeit δU führt. Für einen Betrieb bei niedrigen Frequenzen, also unterhalb einer Nennfrequenz f _N , bis hin zu reinem DC-Betrieb (f=0Hz) , wie dies beim Anfahren von Antrieben vorkommt, sind die Steuerverfahren gemäß dem Stand der Technik für eine realistische und wettbewerbsfähige Auslegung der Energiespeicher 9 bzw. 29,30 verwendeter zweipoliger Subsystem 10,11 bzw. 20 nicht brauchbar.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern anzugeben, wodurch ein Betrieb bei niedrigen Ausgangsfrequenzen bis hin zum DC-Betrieb ermöglicht wird.

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

Gemäß der Erfindung wird einem Sollwert aller Ventilzweig- Spannungen des mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern eine Common-Mode-Spannung überlagert. Da diese überlagerte Wechselspannung die Potentiale aller drei wechselspannungsseitigen Anschlüsse des mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern im Vergleich zu den

Potentialen seiner Gleichspannungs-Sammelschienen gleichzeitig verändert, wird diese aufmodulierte Wechselspannung als Common-Mode-Spannung bezeichnet. Durch die überlagerte Com- mon-Mode-Spannung wird dafür gesorgt, dass die Leiter-Leiter- Ausgangsspannungen des mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern unberührt bleiben.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Common-Mode-Spannung derart vorgegeben, dass die Spannungswelligkeit aller Energiespeicher 9 bzw. 29, 30 einen vorbestimmten Maximalwert nicht überschreitet. Dadurch bleibt die maximale Spannung an den Energiespeichern ebenfalls unter einem vorbestimmten Maximalwert, welcher gemäß der Spannungsfestigkeit der Halbleiter und Energiespei- eher gewählt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Common-Mode-Spannung derart vorgegeben, dass jeweils ein vorbestimmter Maximalwert für die Ventilzweig-Ströme nicht überschritten wird. Dadurch werden auftretende Durchlass- und Schaltverluste in den abschaltbaren Halbleiterschaltern der verwendeten zweipoligen Subsysteme auf einen Wert beschränkt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Amplitude der Common-Mode- Spannung umgekehrt proportional zum Anstieg der Ausgangsfrequenz. Dadurch wird erreicht, dass diese Common-Mode-Spannung nur in einem Frequenzband unterhalb einer Nennfrequenz wirk- sam ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen 5 bis 9 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, anhand derer das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden soll.

FIG 1 zeigt ein Schaltbild eines bekannten dreiphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern, die

FIG 2 bis 4 zeigen jeweils ein Ersatzschaltbild eines zwei- poligen Subsystems des Stromrichters nach FIG

1, in der

FIG 5 sind in einem Diagramm über der Zeit t eine

Ventilzweig-Spannung und ein zugehöriger Ventilzweig-Strom dargestellt, wogegen in der FIG 6 in einem Diagramm über der Zeit t eine Momentanleistung korrespondierend zur Ventilzweig- Spannung und Ventilzweig-Strom gemäß FIG 5 über der Zeit t dargestellt ist, die

FIG 7 zeigt in einem Diagramm die Spannungswelligkeit in Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz des Stromrichters gemäß FIG 1, in der

FIG 8 sind in einem Diagramm über der Zeit t eine

Ventilzweig-Spannung des Stromrichters nach FIG 1 bei einer Ausgangs-Frequenz von 50Hz und 5Hz dargestellt, in der

FIG 9 sind in einem Diagramm über der Zeit t zugehörige Momentanleistungen veranschaulicht, die

FIG 10 zeigt in einem Diagramm über der Zeit t eine

Ventilzweig-Spannung bei einer Ausgangsfrequenz f=5Hz mit einer Common-Mode-Spannung ungleich bzw. gleich Null, in der

FIG 11 sind in einem Diagramm über der Zeit t drei

Ventilzweig-Spannungen des Stromrichters nach FIG 1 jeweils mit einer Common-Mode-Spannung ungleich Null dargestellt und die

FIG 12 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des dreiphasigen Stromrichters nach FIG 1.

Wie bereits eingangsseitig beschrieben, gelten für zeitliche Verläufe der Ventilzweig-Spannungen ui (t) , ..., Ue (t) die folgenden Gleichungen:

U ₁ (I) ~ 1/2-U _d - U ₁₀ (I), u ₂ (t) ~ 1/2-U _d + U ₁₀ (I), u ₃ (t) ~ 1/2 U _d - U ₂₀ (I), u ₄ (t) ~ 1/2-U _d + U ₂₀ (I), u ₅ (t) ~ 1/2 U _d - U ₃₀ (I), u ₆ (t) ~ 1/2-U _d + U ₃₀ (I).

Dies bedeutet, dass jeder Ventilzweig T1,...,T6 zu jedem Zeitpunkt immer die halbe Gleichspannung U _d zwischen den allen Phasenmodulen 100 gemeinsamen Gleichspannungs-Sammelschienen Po und No erzeugt. Dieser Gleichstromgröße ist in der Regel eine sinusfömige Komponente mit einer vorbestimmten Frequenz und einer gewünschten Amplitude einer Stromrichter-Ausgangsspannung uio (t) , U20 (t) bzw. U30 (t) , die auf einen fiktiven Mit- telpunkt zwischen den Spannungs-Sammelschienen Po und No bezogen ist, überlagert.

Erfindungsgemäß wird diesen Ventilzweig-Spannungen Ui (t) , ..., U6 (t) jeweils eine Common-Mode-Spannung u _C M(t) derart überlagert, dass die verketteten Ausgangsspannungen davon unberücksichtigt bleiben. Für die zeitlichen Verläufe dieser Ventilzweig-Spannungen ui (t) , ..., Ue (t) gelten dann folgende Gleichungen :

U _i (t)~1/2-U _d -u ₁₀ (t) + UcM(t), u ₂ (t)~1/2-U _d + u ₁₀ (t)-u _CM (t), u ₃ (t)~1/2-U _d -u ₂₀ (t) + u _CM (t), u ₄ (t)~1/2-U _d + u ₂₀ (t)-u _CM (t), u ₅ (t) ~1/2-U _d - U ₃₀ (I) + u _CM (t), u ₆ (t)~1/2-U _d + u ₃₀ (t)-u _CM (t).

Im Diagramm gemäß der FIG 10 sind eine Ventilzweig-Spannung Ui (t) bei einer Ausgangsfrequenz f=5Hz mit einer Common-Mode- Spannung UcM(t) einmal ungleich Null und einmal gleich Null über der Zeit t dargestellt. Dem Signalverlauf der Ventilzweig-Spannung Ui (t) mit einer überlagerten Common-Mode- Spannung UcM(t) ungleich Null, ist zu entnehmen, dass diese

Common-Mode-Spannung u _CM (t) sinusförmig ist und deren Amplitude so bemessen ist, dass der Spitzenwert «i(t) der Ventilzweig-Spannung Ui (t) eine obere Grenzbedingung einhält, so dass gilt:

0<u ₁ (t)<U _d

Da Ausgangs-Stromrichterströme i _L i (t) , i _L 2 (t) und i _L 3 (t) , auch als Lastströme i _L i (t) , i _L 2 (t) und i _L 3 (t) bezeichnet, und somit auch die Ventilzweig-Leistungen P _τi (t) , ..., P _T 6 (t) eines jeden Ventilzweiges Tl,..., T6 beim Betrieb mit einer niedrigen Ausgangs-Frequenz f bis hin zu einer Ausgangs-Frequenz f=0 (DC- Betrieb) im zeitlichen Verlauf nur sehr wenige oder gar keine Nullstellen (FIG 9) mehr aufweisen, genügt im Gegensatz zum Betrieb bei Nennfrequenz f _N bei gleicher Energiespeichergröße nun nicht mehr die Symmetrierung der Energiespeicher 9 innerhalb eines Ventilzweiges Tl,..., T6 und damit innerhalb einer elektrischen Periode einer Stromrichter-Ausgangsspannung Uio (t) , U20 (t) bzw. U30 (t) . Die Perioden, in denen die Ventil- zweige T1,...,T6 mit einer jeweils konstanten Ventilstromrichtung beaufschlagt werden, sind beim Betrieb ohne aufmodulierte Common-Mode-Spannung u _CM (t) zu lang. Dadurch entladen sich die Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der verwendeten zweipoligen Subsysteme 10,11 bzw. 20 zu sehr bzw. laden sich zu sehr auf, was zu einer unzulässig hohen Spannungswelligkeit δU in den zweipoligen Subsystemen 10,11 bzw. 20 führen würde.

Durch die Aufmodulierung einer Common-Mode-Spannung u _CM (t) wird ein Energieaustausch zwischen den in Schaltzustand II (U _x =Uc) befindlichen Subsystemen 10,11 bzw. 20 der an den

Gleichspannungs-Sammelschienen P ₀ und N ₀ angeschlossenen Phasenmodule 100 des mehrphasigen Stromrichters gemäß FIG 1 erzwungen. Befinden sich die Potentiale der Stromrichter-Ausgangsspannungen uio (t) , U20 (t) und U30 (t) in der Nähe der Gleichspannungs-Sammelschiene Po (FIG 11), so gleichen die

Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der Subsysteme 10,11 bzw. 20 der unteren Ventilzweigen T2,T4,T6 ihren Energieinhalt einander an. Befindet sich das Potential der Stromrichter-Ausgangs-

Spannungen uio (t) , U20 (t) und U30 (t) nahe an der Gleichspan- nungs-Sammelschiene No des mehrphasigen Stromrichters gemäß FIG 1, so gleichen die Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der Subsysteme 10,11 bzw. 20 der oberen Ventilzweige Tl, T3 und T5 ihren Energieinhalt einander an.

Diese Angleichung der Energieinhalte hat einen zusätzlichen Ventilzweig-Strom zur Folge, der Bestandteil eines vorhandenen Ausgleichsstromes ist. In diesem Fall erfolgt der Ener- gieausgleich passiv, d.h. ohne Beeinflussung durch eine überlagerte Steuerung/Regelung. Es ist darüber hinaus auch möglich, den Energieausgleich durch eine aktive Beeinflussung der Ventilzweigströme gezielt zu beeinflussen. Dabei kommt das aus der Patentschrift 10 2005 045 090 bekannte Verfahren zum Einsatz.

Die Common-Mode-Spannung u _CM (t) kann jedoch unabhängig von der Art des Energieausgleichs (passiv oder aktiv) verwendet werden. Nur durch das infolge einer Common-Mode-Spannung u _C M(t) gleichzeitige Verschieben der Potentiale der Stromrichter-Ausgangsspannungen uio (t) , U20 (t) und U30 (t) ist es möglich, den Energiehub der Energiespeicher durch Ausgleichsströme so zu begrenzen, dass die Höhe dieser Ausgleichsströme nicht zu einer ungünstigen überdimensionierung der Halbleiter führt.

Der zusätzliche Ventilzweig-Strom führt zu höheren Durchlassund Schaltverlusten in den abschaltbaren Halbleiterschaltern der verwendeten zweipoligen Subsysteme 10,11 bzw. 20. Dadurch erhält man aber eine günstigere Energiespeicher-Dimensionierung der verwendeten Subsysteme 10,11 bzw. 20. D.h., dieser Nachteil ist gegenüber dem Vorteil (günstigere Energiespei- cherdimensionierung) als gering einzuschätzen.

Bei der Wahl von Amplitude, Kurvenform (sinusförmig, trapezförmig, dreieckförmig, ...) und Frequenz der Common-Mode-Spannung UcM(t) hat man bei der Auslegung prinzipiell viele Frei-

heitsgrade. Folgende Punkte spielen bei der Dimensionierung der Common-Mode-Spannung u _C M(t) eine wichtige Rolle:

- Vorteilhafter Weise wird man die maximale änderungsgeschwindigkeit

du _CM (t) dt der überlagerten Common-Mode-Spannung u _CM (t) so wählen, dass nicht mehrere Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der verwen- deten Subsysteme 10,11 bzw. 20 eines Ventilzweiges T1,...,T6 gleichzeitig geschaltet werden müssen, um den vorgegebenen Sollwertverlauf zu folgen. Dadurch würde man den Vorteil der geringeren Motorisolationsleistung durch geringe Spannungssprunghöhen im Vergleich zu Umrichtern mit weniger Stufenzahl wieder teilweise aufgeben. Außerdem wirken sich geringe Spannungssprunghöhen positiv auf die Höhe der Lager- und Wellenströme aus und erhöhen somit die Lebensdauer des Antriebs.

- Je länger man mit den Potentialen in der Nähe der Anschlüsse der Gleichspannungs-Sammelschiene Po bzw. No des mehrpa- sigen Stromrichters gemäß FIG 1 verbleibt, desto besser können sich die Energieinhalte der Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der in Schaltzustand II befindlichen Submodule 10,11 bzw. 20 einander angleichen. Aus diesem Grund erscheint ein trapezförmiger Kurvenverlauf der Common-Mode-Spannung u _c M(t) mit einer ausgeprägten Plateauphase besonders vorteilhaft, ist aber nicht zwingend erforderlich.

- Die Common-Mode-Spannung u _C M(t) muss so dimensioniert werden, dass die resultierenden Ventilzweig-Ströme vorzugebende Maximalwerte nicht überschreiten.

- Die Common-Mode-Spannung u _C M(t) muss so dimensioniert wer- den, dass die resultierende Spannungswelligkeit δU in den Energiespeichern 9 bzw. 29,30 der verwendeten Subsysteme

10,11 bzw. 20 vorzugebende Maximalwerte nicht überschreitet.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Aufmodulierung einer Com- mon-Mode-Spannung u _CM (t) muss beim Einsatz von Standard-Netzmotoren darauf geachtet werden, dass die maximale Leiter-Erde-Spannung u _L E am Motor nicht überschritten wird, um die Motorisolation nicht zu schädigen. Bei einem ungeerdeten Stromrichter mit galvanischer Entkopplung vom speisenden Netz durch einen einspeiseseitigen Transformator ist es in der Regel so, dass sich das Potential des Sternpunktes der Maschinenwicklung aufgrund der kapazitiven Verhältnisse in der Nähe des Erdpotentials befindet. Durch das Takten des Stromrichters werden die Potentialverhältnisse im Stromrichter selb- ständig verschoben. Dadurch befindet sich mal die positive

Gleichspannungs-Sammelschiene Po in der Nähe des Erdpotentials, mal befindet sich die negative Gleichspannungs- Sammelschiene No in der Nähe des Erdpotentials. Dabei kann es bei hohen Common-Mode-Spannungen U _CM (t) vorkommen, dass die gesamte Zwischenkreisspannung U _d als Leiter-Erde-Spannung U _LE an den Maschinenklemmen anliegt. Für den Maximalwert ü _LE der Leiter-Erde-Spannung U _LE gilt somit im Normalfall maximal:

mit U _M : Effektivwert der Leiter-Leiter-Motorspannung.

Noch höhere Zwischenkreisspannungen U _d und somit höhere Werte für ü _LE sind zwar möglich, führen aber zu einer ungünstigen Stromrichterauslegung.

Bei Standardnetzmotoren, die für den Betrieb direkt am sinusförmigen Versorgungsnetz konzipiert sind, ist der maximal zulässige Wert ü LE der Leiter-Erde-Spannung U _LE dagegen um den Faktor 2 geringer:

^u LENetz ^~

Um dieses Problem zu lösen, ist es vorteilhaft, den fiktiven Mittelpunkt des Zwischenkreises an das Erdpotential anzubin- den. Dies kann mit Hilfe eines Widerstandes 40, mittels eines Kondensators 50 oder mittels einer Parallelschaltung eines Widerstandes 40 und eines Kondensators 50 gemäß der FIG 12 erfolgen. Dadurch wird die maximale Spannungsbelastung halbiert und die maximale Leiter-Erde-Spannung an den Maschinen- klemmen kann so auf den maximalen Wert ü LEN _et z bei sinusförmiger Netzspeisung reduziert werden.

Mittels diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann der aus dem Tagungsband der ETG-Tagung 2002 bekannte Umrichter, der netz- und lastseitig einen dreiphasigen Stromrichter mit verteilten Energiespeichern gemäß FIG 1 aufweist, als Antriebs-Umrichter eingesetzt werden, der aus dem Stillstand angefahren werden kann. Bei dieser Anwendung wird erreicht, dass selbst bei niedrigen Frequenzen bis hin zum DC-Betrieb dieses Umrichters die Energiespeicher 9 bzw. 29,30 der verwendeten Subsysteme 10,11 bzw. 20 optimal dimensioniert werden können.