Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Umrichter, insbesondere Direktumrichter, bei denen eine elektrische Wechselgröße ohne die Erzeugung einer Zwischenkreisgleichspannung in eine andere elektrische Wechselgröße umgewandelt werden kann.

Stand der Technik Umrichterschaltungen werden heutzutage im Stand der Technik in vielfältiger Weise eingesetzt. Insbesondere zum Betreiben von Antrieben weisen Direktumrichter Vorteile auf, da sie in einigen Anwendungen bei gleichen Kosten höhere Ströme treiben können als indirekte Umrichter. Im Gegensatz zu indirekten Umrichtern, bei denen eine Wandlung einer Wechselspannung einer bestimmten Frequenz in eine Wechselspannung einer anderen Frequenz durch Erzeugen einer Zwischenkreisgleichspannung vorgenommen wird, wird bei Direktumrichtern eine eingangsseitige Wechselspannung unmittelbar in eine ausgangsseitige Wechselspannung umgesetzt.

Als Direktumrichter werden insbesondere modulare Mehrpegelumrichter (engl. = modular multilevel Converter, Abkürzungen = MMC, MMLC oder M2LC) verwendet. Derartige Umrichter weisen Umrichterzweige auf, die jede eingangsseitige Phasenleitung mit einer ausgangs- seitigen Phasenleitung verbinden. Jeder der Umrichterzweige weist eine Serienschaltung aus einer Drossel und einer oder mehreren als Zweipole ausgebildete Schaltzellen auf, die über eine Halb- oder Vollbrückenschaltung einen Energiespeicher, wie beispielsweise einen Schaltzellenkondensator, in den Umrichterzweig schalten oder von diesem trennen. Die An- steuerung des Umrichters erfolgt so, dass an den Klemmen der Schaltzellen keine Spannung anliegt oder die Spannung des Energiespeichers abfällt, d. h. die Spannung des Schaltzellenkondensators bei einer Halbbrückenbeschaltung oder die nicht-invertierte oder invertierte Spannung des Schaltzellenkondensators bei einer Vollbrückenbeschaltung. Ein solcher Direktumrichter ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 03/090331 oder aus US 201 1/0075465 A1 bekannt.

Typischerweise wird die obige Umrichterschaltung derart betrieben, dass am Ausgangsan- schluss eine reine Wechselspannung und ein Wechselstrom bereitgestellt werden. Dazu wird die Ausgangsspannung durch geeignetes Ansteuern der Schaltzellen mithilfe der Eingangsspannungen und der von den Schaltzellenkondensatoren bereitgestellten Schaltzellenspannungen erzeugt. Die Schaltzellen werden in der Regel so betrieben, dass die Spannung in den Schaltzellenkondensatoren möglichst konstant bleibt und lediglich eine vorgegebene Schwankungsbreite aufweist. Die Schaltzellenkondensatoren werden dazu so ausgelegt, dass die Spannungswelligkeit an den kapazitiven Energiespeichern für einen gegebenen Maximalstrom am Ausgangsanschluss und eine gegebene Frequenz dieses Stroms innerhalb einer vorgegebenen Schwankungsbreite bleibt. Wird eine kleinere Frequenz gewünscht als die, die bei der Dimensionierung zugrunde gelegt wurde, so steigt die Spannungswellig- keit in der Regel an.

Insbesondere beim Einsatz von Direktumrichtern, z. B. in Windturbinen oder zum Betreiben von Antrieben mit variablen Geschwindigkeiten, können Betriebszustände auftreten, in denen die Frequenz der von einem Versorgungsnetz oder einer Versorgungsquelle bereitge- stellten Eingangsspannung und eine von einer angeschlossenen Last geforderte Frequenz der Ausgangsspannung des Umrichters gleich werden. Ein Grundproblem beim Betrieb von derartigen Direktumrichtern besteht darin, dass die in den Schaltzellenkondensatoren gespeicherte Energie bzw. bereitgestellte Spannung nicht in einfacher Weise konstant gehalten werden kann, wenn die Frequenz der Eingangsspannung und die Frequenz der Ausgangs- Spannung des Direktumrichters gleich oder annähernd gleich sind. Eine solche Betriebsart wird als synchroner Betrieb bezeichnet.

Aus der Druckschrift US 6,900,998 B2 ist ein drei-zu-dreiphasiger Direktumrichter bekannt, der Umrichterzweige ohne Drosseln aufweist. Ein Steuerverfahren ist vorgesehen, dass die Aufgabe übernimmt, interne transiente Ströme zu vermeiden.

In der US 2004/0022081 A1 ist ein gattungsgemässes Verfahren zum Betreiben einer Umrichterschaltung zum Umrichten mehrphasiger eingangsseitiger Phasenspannungen und mehrphasiger eingangsseitiger Phasenströme in mehrphasige ausgangsseitige Phasen- Spannungen und mehrphasige ausgangsseitige Phasenströme angegeben. In der US 2002/0079706 A1 ist zudem ein gängiger Direktumrichter offenbart. Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auch bei einem synchronen Betrieb eines Direktumrichters einen hinsichtlich der Kondensatorspannung stabilen Betrieb in den Energiespei- ehern zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben einer Umrichterschaltung gemäß Anspruch 1 sowie durch den Umrichter und die Anordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Umrichterschaltung zum Umrichten mehrphasiger eingangsseitiger Phasenspannungen und mehrphasiger eingangs- seitiger Phasenströme in mehrphasige ausgangsseitige Phasenspannungen und mehrphasige ausgangsseitige Phasenströme, wobei die Umrichterschaltung jeweils einen Umrichterzweig zwischen einer eingangsseitigen Phase und einer ausgangsseitigen Phase aufweist, wobei die Umrichterzweige jeweils eine oder mehrere als Zweipol ausgebildete Schaltzellen mit einem Energiespeicher zum selektiven Anschließen in den Umrichterzweig aufweisen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Ansteuerung der Umrichterzweige entsprechend einer Vorgabe einer Ausgangsfrequenz der ausgangsseitigen Phasenspannungen und der ausgangsseitigen Phasenströme gemäß einer ersten Betriebsart,

- bei Feststellen, dass die Vorgabe der Ausgangsfrequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich um eine Eingangsfrequenz der eingangsseitiger Phasenspannungen und mehrphasiger eingangsseitiger Phasenströme liegt, Ansteuerung der Umrichterzweige gemäß einer zweiten Betriebsart derart, dass eine Schwankungsbreite der Energie, die in einem oder mehreren der Energiespeicher der Umrichterzweige gespeichert ist, ge- genüber der ersten Betriebsart reduziert ist, derart, dass die ausgangsseitigen Phasenspannungen eine vorgegebene periodische Gleichtaktspannung aufweisen, deren Frequenz von der Ausgangsfrequenz abweicht, und derart, dass zusätzliche Stromflüsse in den Umrichterzweigen bewirkt werden, die sich an den eingangsseitigen und ausgangsseitigen Phasen gegenseitig aufheben. Eine Idee des obigen Verfahrens zum Betreiben eines Direktumrichters besteht darin, verschiedene Betriebsarten des Direktumrichters vorzusehen abhängig davon, ob die gewünschte Ausgangsfrequenz des Direktumrichters gleich der Eingangsfrequenz ist bzw. in einem vorgegebenen Bereich um die Eingangsfrequenz liegt oder nicht. In diesem Fall tritt in den Schaltzellen des Direktumrichters nämlich der Fall auf, dass die in den Schaltzellen gespeicherte Energie und damit die in den Energiespeichern bereitgestellte Schaltzellenspannungen stark schwanken. Die zweite Betriebsart sieht daher vor, eine von der Frequenz unabhängige elektrische Größe ausgangsseitig des Direktumrichters so einzustellen, dass die Schwankung der in den Energiespeichern eines Umrichterzweigs gespeicherten Energie minimiert wird. Zudem sieht die zweite Betriebsart vor, die Umrichterzweige so anzusteuern, dass die ausgangsseitigen Phasenspannungen eine vorgegebene periodische Gleichtaktspannung aufweisen, deren Frequenz von der Ausgangsfrequenz abweicht, und dass zusätzliche Stromflüsse in den Umrichterzweigen bewirkt werden, die sich an den eingangssei- tigen und ausgangsseitigen Phasen gegenseitig aufheben.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in der ersten Betriebsart die Umrichterzweige angesteuert werden, um vorgegebene ausgangsseitige Phasenspannungen und vorgegebene ausgangsseitige Phasenströme einzustellen, wobei in der zweiten Betriebsart die Umrichterzweige angesteuert werden, um mindestens eine der ausgangsseitigen Phasenspannungen so einzustellen, dass sie mindestens einer der eingangsseitigen Phasenspannungen entspricht oder in einem vorgegebenen Wertebereich um die eine der eingangsseitigen Phasenspannungen liegt.

Gemäß einer Ausführungsform können in der zweiten Betriebsart die Umrichterzweige ange- steuert werden, um die eingangsseitige Blindleistung auf eine Blindleistung einzustellen, die der ausgangsseitigen Blindleistung entspricht oder in einem vorgegebenen Wertebereich um die ausgangsseitige Blindleistung liegt.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform können in der zweiten Betriebsart die Umrichter- zweige angesteuert werden, um die ausgangsseitige Blindleistung auf eine Blindleistung einzustellen, die der eingangsseitigen Blindleistung entspricht oder in einem vorgegebenen Wertebereich um die eingangsseitige Blindleistung liegt.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Umrichter zum Umrichten mehrphasiger eingangssei- tiger Phasenspannungen und mehrphasiger eingangsseitiger Phasenströme in mehrphasige ausgangsseitige Phasenspannungen und mehrphasige ausgangsseitige Phasenströme vorgesehen. Der Umrichter umfasst:

eine Umrichterschaltung, die jeweils einen Umrichterzweig zwischen einer eingangsseitigen Phase und einer ausgangsseitigen Phase aufweist, wobei die Umrichterzweige jeweils eine oder mehrere als Zweipol ausgebildete Schaltzellen mit einem Energiespeicher zum selektiven Anschließen in den Umrichterzweig aufweisen, und

eine Steuereinheit, die ausgebildet ist,

- die Umrichterzweige (41 ) entsprechend einer Vorgabe einer Ausgangsfrequenz der ausgangsseitigen Phasenspannungen (U _R , U _s , U _T ) und der ausgangsseitigen Phasenströme (l _R , l _s , IT) gemäß einer ersten Betriebsart anzusteuern; und die zudem ausgebildet ist,

- um bei Feststellen, dass die Vorgabe der Ausgangsfrequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich um eine Eingangsfrequenz der eingangsseitiger Phasenspannungen (Uu, U _v , U _w ) und mehrphasiger eingangsseitiger Phasenströme (lu, lv, lw) liegt, die Umrichterzweige (41 ) gemäß einer zweiten Betriebsart anzusteuern, derart, dass eine Schwankungsbreite der Energie, die in einem oder mehreren der Energiespeicher (45) der Umrichterzweige (41 ) gespeichert ist, gegenüber der ersten Betriebsart reduziert ist, derart, dass die ausgangsseitigen Phasenspannungen (UR, US, UT) eine vorgegebene periodische Gleichtaktspannung aufweisen, deren Frequenz von der Ausgangsfrequenz abweicht, und derart, dass zusätzliche Stromflüsse in den Umrichterzweigen (41 ) bewirkt werden, die sich an den eingangsseitigen und ausgangsseitigen Phasen (U, V, W; R, S, T) gegenseitig aufheben.

Weiterhin kann die Steuereinheit so ausgebildet sein, dass in der ersten Betriebsart die Umrichterzweige angesteuert werden, um die ausgangsseitigen Phasen auf vorgegebene ausgangsseitige Phasenspannungen und vorgegebene ausgangsseitige Phasenströme einzustellen, und dass in der zweiten Betriebsart die Umrichterzweige angesteuert werden, um mindestens eine der ausgangsseitigen Phasenspannungen so einzustellen, dass sie mindestens einer der eingangsseitigen Phasenspannungen entspricht oder in einem vorgegebenen Wertebereich um die eine der eingangsseitigen Phasenspannungen liegt.

Weiterhin kann die Steuereinheit so ausgebildet sein, dass in der zweiten Betriebsart die Umrichterzweige angesteuert werden, um die eingangsseitige Blindleistung auf eine Blindleistung einzustellen, die der ausgangsseitigen Blindleistung entspricht oder in einem vorgegebenen Wertebereich um die ausgangsseitige Blindleistung liegt. Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Anordnung mit einer mehrphasigen Last und dem obigen Umrichter vorgesehen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um zum Betreiben der Last bei einem bestimmten Betriebspunkt ausgangsseitige Phasenspannungen und ausgangsseitige Phasenströme für die Umrichterschaltung bei einer bestimmten Ausgangsfre- quenz bereitzustellen.

Weiterhin kann die Anordnung ausgebildet sein, und um in der zweiten Betriebsart den Betriebspunkt der Last so zu ändern, dass die gleiche Leistung bzw. eine gleiche Wirkung in der Last erreicht wird, wenn ausgangsseitige Phasenspannungen an die Last angelegt wer- den, die den eingangsseitigen Phasenspannungen entsprechen.

Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet ist, um die Umrichterschaltung so zu betreiben, dass in der zweiten Betriebsart die eingangsseitige Blindleistung der von der Last vorgegebenen Blindleistung entspricht. Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, um die Umrichterschaltung so zu betreiben, dass in der zweiten Betriebsart die eingangsseitige und ausgangsseitige Blindleistung einer geforderten Blindleistung, insbesondere seitens des Versorgungsnetzes geforderten Blindleistung, entspricht. Gemäß einer Ausführungsform kann die Last einer elektrischen Maschine entsprechen. Insbesondere kann die elektrische Maschine auf eine Frequenz einer elektrischen Eingangswechselgröße des Versorgungsnetzes ausgelegt sein, so dass die elektrische Maschine mit Phasenspannungen betrieben wird, die den eingangsseitigen Phasenspannungen des Versorgungsnetzes entspricht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Direktumrichter und einer Last; Figur 2 eine schematische Darstellung einer Schaltzelle für den Direktumrichter der

Figur 1 ; Figur 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Umrichters in der Anordnung der Figur 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Anordnung 1 zum Betreiben einer mehrphasigen Last 2 an einem Versorgungsnetz 3 mithilfe eines Umrichters 4. Die mehrphasige Last 2 ist im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel als dreiphasige Last, wie beispielsweise als eine dreiphasige Synchronmaschine, ausgebildet. Mögliche andere Lasten müssen jedoch nicht auf drei Phasen beschränkt sein, sondern es können auch zweiphasige oder mehr als dreiphasige Lasten vorgesehen sein. Anstelle einer Last 2 kann auch ein Generator vorgesehen sein, der elektrische Energie zum Einspeisen in das Versorgungsnetz 3 bereitstellt.

Das Versorgungsnetz 3 dient dem Bereitstellen eines mehrphasigen Stroms. Ebenso wie die Last 2 kann das Versorgungsnetz 3 drei oder nur zwei oder mehr als drei Phasen aufweisen.

Der Umrichter 4 weist eine Topologie auf, die der eines Direktumrichters entspricht, d. h. der Umrichter 4 generiert ohne die Erzeugung einer Zwischenkreisgleichspannung eine aus- gangsseitige elektrische Wechselgröße aus einer eingangsseitigen Wechselgröße. Der Umrichter 4 weist drei eingangsseitige Phasen U, V, W zum Bereitstellen bzw. Übernehmen eingangsseitiger Phasenspannungen und Phasenströme und drei ausgangsseitige Phasen R, S, T zum Bereitstellen ausgangsseitiger Phasenspannungen und Phasenströme auf. Unter Phasenspannungen werden hierin die Spannungen von Phase-zu-Phase verstanden. In der Regel weisen die eingangsseitigen Phasenspannungen die gleichen Amplituden auf, wobei die gleichen Phasenspannungen auch als Eingangsspannung bezeichnet werden. Ebenso weisen die ausgangsseitigen Phasenspannungen die gleichen Amplituden auf, wobei die gleichen ausgangsseitigen Phasenspannungen auch als Ausgangsspannung be- zeichnet werden.

Weiterhin weist der Umrichter 4 Umrichterzweige 41 auf, die jeweils zwischen einer der eingangsseitigen Phasen U, V, W und einer der ausgangsseitigen Phasen R, S, T angeordnet sind. Bei dem dargestellten drei-zu-drei-phasigen Umrichter 4 sind daher neun Umrichter- zweige 41 vorgesehen. Die Umrichterzweige 41 weisen jeweils eine oder mehrere in Reihe geschaltete zweipolige Schaltzellen 42 auf, die im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. In Figur 1 ist zur übersichtlicheren Darstellung nur eine Schaltzelle 42 pro Umrichterzweig 41 gezeigt. Seriell zu den Schaltzellen 42 ist in jedem Umrichterzweig 41 eine Zweiginduktivität 46 vorgesehen. Vorzugsweise ist die Zweiginduktivität 46 für alle Umrichterzweige 41 des Umrichters 4 gleich dimensioniert.

Der Aufbau einer Schaltzelle 42 ist beispielhaft in Figur 2 näher erläutert. Jede Schaltzelle 42 weist zwei zueinander parallel geschaltete Inverterschaltungen 43 mit jeweils zwei in Serie geschalteten, ansteuerbaren, bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern 44 mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen zu den Inverterschaltungen 43 parallel geschalteten kapazitiven Energiespeicher 45 auf, der in Form eines Speicherkondensators ausgebildet sein kann.

Die ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter 44 können insbesondere als Abschaltthyristoren (GTO = Gate Turn-off Thyristor) oder als integrierte Thyristoren mit kommutierter An- steuerelektrode (IGCT = integrated gate-commutated thyristor) mit jeweils einer antiparallel geschalteten Diode (Freilaufdiode) ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, einen ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter 44 beispielsweise als Leistungs-MOSFET mit zusätzlich antiparallel geschalteter Diode oder als Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gate- Elektrode (IGBT = integrated gate bipolar transistor) mit einer zusätzlich antiparallel geschal- teter Diode auszubilden.

Die Anschlüsse der Schaltzelle 42, mit denen die Schaltzelle 42 in den Umrichterzweig 41 geschaltet wird, entsprechen den Mittenknoten der Inverterschaltung 43, d. h. den Knoten zwischen den zwei in Serie geschalteten bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern 44 der Inverterschaltungen 43. Die Leistungshalbleiterschalter 44 werden durch eine Steuereinheit 10 angesteuert.

Die Ansteuerung der Schaltzellen 42 in einem modularen Mehrpegelwandler, wie er durch den Umrichter 4 repräsentiert wird, ist aus dem Stand der Technik bekannt und es wird hierin nicht näher auf Details dieser Ansteuerung eingegangen. Die Ansteuerung erfolgt im Grundsatz so, dass die Schaltzellen 42 der Umrichterzweige 41 geschaltet werden, so dass zwischen den Anschlüssen der Schaltzellen 42 die kapazitiven Energiespeicher 45 in einer positiven oder negativen Polarität (d. h. nicht-invertiert oder invertiert) angelegt werden, um eine positive oder negative Energiespeicherspannung bzw. Ladung auszugeben, oder in einer passiven Betriebsart betrieben werden. In der passiven Betriebsart hängt die Ausgangsspannung der Schaltzellen von der Stromrichtung ab. Die Schaltzelle 42 bringt dann immer eine dem Strom durch die Schaltzelle 42 entgegen gerichtete Schaltzellenspannung, so dass der Energiespeicher Energie aufnimmt. Durch gesteuertes Schalten der Schaltzellen 42 in den Umrichterzweigen 41 kann so für jede der ausgangsseitigen Phasen R, S, T entsprechend einer Vorgabe der ausgangsseitigen elektrischen Größen (Frequenz, ausgangsseitige Phasenspannungen, ausgangsseitige Phasenströme) aus den eingangsseitigen Phasenspannungen und Phasenströmen in Verbindung mit den Energiespeicherspannungen der entsprechend geschalteten Schaltzellen 42 eine gewünschte Phasenspannung erzeugt werden.

Bisherige Ansteuerverfahren für den Umrichter 4 verfolgen neben dem Bereitstellen von gewünschten ausgangsseitigen Phasenspannungen und Phasenströmen bei einer gewünschten Frequenz und mit einer gewünschten Leistungsübertragung auch eine Strategie, um die kapazitiven Energiespeicher 45 in den Schaltzellen 42 möglichst auf einem konstanten Energieniveau zu halten, d. h. dass die jeweils in den Energiespeichern 45 gespeicherte Energie im Mittel konstant bleibt bzw. die sich über dem jeweiligen kapazitiven Energiespeicher 45 einstellende Energiespeicherspannung im Wesentlichen innerhalb eines vorgegebenen Schwankungsbereichs variiert. Dabei wendet die Steuereinheit 10 eine von an sich be- kannten Strategien an, durch die die kapazitiven Energiespeicher 45 mit wechselnder Polarität in die Umrichterzweige 41 geschaltet werden. Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass die Stromflüsse durch jede der Schaltzellen 42 im Wesentlichen wechselweise umgepolt werden, um so Zyklen von Ladung und Entladung der kapazitiven Energiespeicher 45 zu bewirken.

Die Steuereinheit 10 steuert die Schaltzellen 42 entsprechend dem oben skizzierten Ansteuerverfahren an, um die elektrischen Größen an den ausgangsseitigen Phasen R, S, T entsprechend einer Vorgabe einzustellen. Die Vorgabe kann dabei von einer übergeordneten Regelung der Last 2, die beispielsweise als elektrische Maschine ausgebildet ist, bereitge- stellt werden. Beispielweise kann die Frequenz der ausgangsseitigen Phasenspannungen und Phasenströme so vorgegeben sein, dass die Steuereinheit 10 den Umrichter 4 entsprechend zum Umrichten der eingangsseitigen Phasenspannungen in die ausgangsseitigen Phasenspannungen mit der vorgegebenen Frequenz betreiben kann. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere bei einem Betrieb des Umrichters 4, bei dem die Frequenz der eingangsseitigen Phasenspannungen des Versorgungsnetzes 3 und die gewünschte Frequenz der ausgangsseitigen Phasenspannungen zum Betreiben der Last 2 gleich oder nahezu gleich sind, Probleme dabei auftreten, die kapazitiven Energiespeicher 45 gemäß den herkömmlichen Verfahren auf einem konstanten Energie- bzw. Spannungsniveau zu halten. Dies liegt daran, dass es nicht möglich ist, die mittleren Leistungen der einzelnen Umrichterzweige 41 in diesen Fällen bei 0 zu halten, so dass der Betrieb der Anordnung 1 ohne weitere Maßnahmen instabil werden würde.

Der Spannungsrippel Upp über einem Energiespeicher 45 einer der Schaltzellen 42 hängt von der Variation der in den Zweigen 41 gespeicherten Energie E _pp und der durchschnittli- chen Gleichspannung U _aV g sowie einer Kapazität C des Energiespeichers 45 der Schaltzelle 42 ab, d. h. Epp = CU _a vgUp _P . Die in einer Schaltzelle 42 gespeicherte Energie entspricht dem Integral der Leistung der Schaltzelle 42 an ihren Anschlüssen unter Vernachlässigung der internen Verluste. Dies gilt gleichermaßen für einen gesamten Umrichterzweig 41 , da eine Zweigspannung UUR, UUS, UUT, U _V R, U _V S, U _V T, U _W R, U _W S, U _W T über alle Schaltzellen 42 ver- teilt ist und die Zweigkapazität der Kapazität C eines Energiespeichers 45 einer Schaltzelle 42 geteilt durch die Anzahl n der Schaltzellen 42 eines Umrichterzweigs 41 entspricht. Die Leistung des Umrichterzweigs 41 entspricht umgekehrt dem Produkt der Zweigspannung UUR, UUS, UUT, U _V R, UVS, UVT, U _W R, UWS, UWT und des Zweigstroms IUR, lus, IUT, IVR, IVS, IVT, IWR, Iws _, IWT für einen Zweig 41 eines Direktumrichters 4, der eine der eingangsseitigen Phasen U, V, W und eine der ausgangsseitigen Phasen R, S, T miteinander verbindet. Beispielsweise entspricht die Leistung p _UR des Umrichterzweigs 41 zwischen der eingangsseitigen Phase U und der ausgangsseitigen Phase R:

PUR ⁼ U _ur iur ⁼ PR/PRST U U + Pu/Puvw URIR - Pu/Puvw U R— PR/PRST URIU wobei u _u , u _v , u _w , den eingangsseitigen Phasenspannungen (Phasenpotentialen), \ _u , w, \w, den eingangsseitigen Phasenströmen, u _R , u _s , u _T den ausgangsseitigen Phasenspannungen (Phasenpotentialen), i _R , i _s h, den ausgangsseitigen Phasenströmen, P _R , P _s , Ρτ den Leistungen an den entsprechenden ausgangsseitigen Phasen R, S, T und Pu, Pv, Pw den Leistungen an den entsprechenden eingangsseitigen Phasen U, V, W entsprechen.

Die ersten beiden Terme weisen Gleichspannungs- und ω-ι-Komponenten auf, wobei die Gleichspannungskomponenten sich gegenseitig auslöschen. Der verbleibende Term Pu/Puvw UJR + PR/PRST u _R i _u muss im Mittel 0 ergeben. Da beide Systeme die gleiche Frequenz aufweisen, muss in Phasorschreibweise gelten: ' brauch

Der Gesamtenergiegehalt des Umrichters 4 ist konstant, wenn gilt: Puvw = -PRST.

Die Leistung einer der Phasen, die mit dem Umrichterzweig 41 verbunden ist, kann aufgrund der Asymmetrie leicht von der anderen verschieden sein. Es gilt:

Pu = 1 , P _R = -D * -1

Die eingangsseitige Phase U soll eine normierte eingangsseitige Phasenspannung Uu = 1 und eine Wirkleistung von Su = 1 +jQu aufweisen. Dies gilt analog für die übrigen eingangs- seitigen Phasen V, W. Somit gilt: lu = Su/_Uu ^* = 1 + jQu Die ausgangsseitigen Phase X e {R, S, T} weist eine jeweilige Phasenspannung U und eine Wirkleistung von S _x = -1 +jQx auf, was zu einem Strom lx = D (-1 + jQ _x ) / Ux führt. Danach entspricht die Zweigleistung:

SR ß,

Im Allgemeinen wird die Zweigleistung bei dem synchronen Betrieb somit einen Mittelwert 0 annehmen. Von den Fällen, in denen die Zweigleistung für einen Umrichterzweig 41 einen Wert von 0 annehmen kann, ist nur der Fall praktikabel, in dem bei einem Synchronbetrieb gilt:

|Ux| = 1 und Qu

Der obige Fall kann für den Synchronbetrieb bei Antrieben nützlich sein, wenn akzeptiert werden kann, dass der Umrichter 4 die gleiche Blindleistung gegenüber dem Versorgungsnetz 3 wie gegenüber der Last 2 bzw. dem Antriebsmotor aufweist und die Motorspannung bei Synchronbetrieb etwa die gleiche ist wie die eingangsseitigen vom Versorgungsnetz 3 bereitgestellten Phasenspannungen. Eine positive Blindleistung des Umrichters 4 bewirkt, dass sich der Umrichter 4 kapazitiv verhält. Entsprechend umgekehrt bewirkt eine negative Blindleistung des Umrichters 4 ein induktives Verhalten.

In vielen Fällen wird das Versorgungsnetz 3 vorzugsweise nicht mit Blindleistung belastet. Der Leistungsfaktor des Versorgungsnetzes 3 kann immer noch zu 0 werden, indem Maßnahmen ergriffen werden, um die Blindleistung auf der Seite der zu betreibenden Last 2 zu 0 werden zu lassen, z. B. indem durch die übergeordnete Regelung in geeigneter Weise die Anregung einer Synchronmaschine gesteuert wird oder indem eine Blindleistungskompensation seitens des Motors angewandt wird.

Alternativ können Maßnahmen auf der Seite des Versorgungsnetzes 3 ergriffen werden, beispielsweise durch Verwendung eines Transformators und/oder einer Leitungsinduktivität mit einer Induktivität, die der Maschinenlängsinduktanz entspricht.

Der obige Fall stellt die Bedingung für die optimale Reduzierung der Zweigleistungen der Umrichterzweige 41 dar. Zum Betrieb der Anordnung 1 ist nun ein Verfahren vorgesehen, wie es in dem Flussdiagramm der Figur 3 dargestellt ist.

In Schritt S1 wird die Last 2 entsprechend einem Normalbetrieb (erste Betriebsart) betrieben. In dieser Betriebsart wird die Umrichterschaltung 4 so angesteuert, dass ausgangsseitige Phasenspannungen und Phasenströme entsprechend Angaben zu gewünschten Phasenspannungen, gewünschten Phasenströmen und deren Frequenz eingestellt werden. Die An- gaben über die gewünschten Phasenspannungen, die gewünschten Phasenströme und deren Frequenz können beispielsweise durch ein Lastmodell, das das Verhalten der Last 2 nachbildet, oder von der Last 2 selbst bereitgestellt werden. Die Ansteuerung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem zunächst die Ansteuerung der Schaltzellen 42 der Umrichterzweige 41 bezüglich der gewünschten Phasenspannungen gemäß einer Vorsteue- rung eingestellt wird und weiterhin eine Stromregelung zum Regeln der Zweigströme durchgeführt wird, um die gewünschten Phasenströme zu erhalten.

In Schritt S2 wird abgefragt, ob die Frequenz der gewünschten ausgangsseitigen Phasenspannungen bzw. Phasenströme der Frequenz der anliegenden eingangsseitigen Phasen- Spannungen entspricht bzw. innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs um die Frequenz der anliegenden eingangsseitigen Phasenspannungen liegt. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S3 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird die An- steuerung der Umrichterschaltung 4 gemäß Schritt S1 fortgesetzt.

In Schritt S3 wird die Umrichterschaltung 4 gemäß einer zweiten Betriebsart betrieben. Die zweite Betriebsart sieht vor, die ausgangsseitigen Phasenspannungen auf die eingangsseitigen Phasenspannungen einzustellen. Dies kann durchgeführt werden, indem die ausgangsseitigen Phasenspannungen den eingangsseitigen Phasenspannungen entsprechend oder so eingestellt werden, dass die ausgangsseitigen Phasenspannungen innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs um die eingangsseitigen Phasenspannungen liegen. Beim Betrieb einer elektrischen Maschine mithilfe des Umrichters 4 ist diese vorzugsweise so ausgelegt, dass diese bei einer Netzfrequenz, d.h. bei einer Frequenz der eingangsseitigen Phasenspannungen, mit einer Nennspannung betrieben wird, die der Netzspannung entspricht. In diesem Fall entfällt der oben beschriebene Verfahrensschritt der Anpassung der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Phasenspannungen und das Verfahren wird mit Schritt S4 fortgesetzt.

Weiterhin ist in Schritt S4 vorgesehen, die eingangsseitigen Blindleistungen der Phasen U, V, W entsprechend der ausgangsseitigen Blindleistungen einzustellen. Dies kann durchgeführt werden, indem die eingangsseitigen Blindleistungen den ausgangsseitigen Blindleis- tungen entsprechend oder so eingestellt werden, dass die eingangsseitigen Blindleistungen innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs um die ausgangsseitigen Blindleistungen liegen.

Die zweite Betriebsart wird so lange beibehalten, wie die Abfrage des Schritts S2 ergibt, dass die Frequenz der ausgangsseitigen Phasenspannungen der Frequenz der eingangsseitigen Phasenspannungen entspricht oder dieser nahe kommt.

Der Wechsel zwischen den Betriebsarten kann sprunghaft durchgeführt werden oder es kann ein fließender Übergang realisiert werden. Der Übergang kann in diesem Fall durch rampenförmiges Angleichen der Phasenspannungen und/oder der Blindleistungen erfolgen, wenn sich die Frequenz der ausgangsseitigen Phasenspannungen der Frequenz der eingangsseitigen Phasenspannungen angenähert hat. Beispielsweise kann die geforderte Anpassung der Phasenspannungen und/oder der Blindleistungen mit einem zeitlichen Verlauf erfolgen sobald der Abstand der Frequenz der ausgangsseitigen Phasenspannungen und der Frequenz der eingangsseitigen Phasenspannungen einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Weiterhin können eine variierende Gleichtaktspannung und zirkulierende Ströme verwendet werden, um die im Durchschnitt von 0 abweichenden Zweigleistungen zu kompensieren. Der Umrichter 4 muss dann so ausgestaltet sein, um Extraströme und -Spannungen im Syn- chronbetrieb aufzunehmen, was jedoch die Schaltleistung signifikant erhöhen würde, da diese im Synchronbetrieb üblicherweise dem vorgesehenen Betriebspunkt entspricht. Für die Leistung, die in einem Umrichterzweig 41 umgesetzt wird, gilt:

ΡχΥ ^{= Η} ΧγϊχΥ ⁼ i ^U X ^{~ U} Y + ^U cm X( ^Z Z ^* ) / 3 + ί ^' _εΧγ )

⁼ ~^ ( ^η χϊχ + ^u Y ^~ u _x i _Y - u _Y i _x + u _cm {i _x - i _Y )) + _cm i _cXY + {u _x - u _Y i _cXY

Die Gleichtaktspannung u _cm und die Kreiszweigströme I _C XY (X e {U, V, W} und Ye {R, S, T}) werden eingeführt, um alle Zweigleistungen im Mittel 0 werden zu lassen, sogar beim Synchronbetrieb.

Ihr Produkt u _cm icXY soll die durchschnittliche Leistung p _XY der gemischten Leistungsterme p _XY = Ux ίγ + Ux ίγ kompensieren. Für ein vorgegebenes u _cm kann man schreiben

ICXY = -ρχγ/3/Ucm oder i _cXY = -Ρχγ/3/Ucm, wobei ρχγ = -Uxi _Y -u _Y ix und P _XY dem zeitlichen Mittelwert von p _XY entspricht.

Bei diesem Ansatz kann die momentane Leistung u _cm icXY für die Kompensation verwendet werden. Allerdings wird I _C XY bei den Nulldurchgängen von u _cm unendlich. Nulldurchgänge können daher entweder maskiert werden (geeignet für Rechteckwellen u _cm! die direkt von ihrem positiven zu ihrem negativen Wert springen) oder es wird anstelle der momentanen Leistung die durchschnittliche Leistung von u _cm ICXY über eine Periode von u _cm auf p _XY oder P _XY angepasst: IcXY.RMS ⁼ -UcmPXY/3/U ² _cm ,RMS Oder IcXY.RMS ⁼ -UcmPxY/3/U ² _cm ,RMS-

Damit keine neuen, niederfrequenten Leistungsterme durch u _C m(ix-iYy3+(ux-u _Y )icXY eingeführt werden, müssen u _cm und I _C XY spektral gut von den anderen Phasenströmen und Phasenspannungen getrennt sein. Geeignete Gleichtaktspannungsverläufe u _cm können einen von 0 verschiedenen Durchschnitt aufweisen und sollten andererseits nur einen Frequenzgehalt über der zweiten harmonischen Frequenz aufweisen.

Es kann nun weiterhin vorgesehen sein, verbleibende Zweigleistungen durch Vorsehen der periodischen Gleichtaktspannung und durch Vorsehen von Kreiszweigströmen zu kompensieren. Die Frequenz der periodischen Gleichtaktspannung sollte ungleich der eingangsseiti- gen und ausgangsseitigen Frequenz gewählt sein. Zusätzlich zu den ausgangsseitigen Phasenströmen werden nun in der Stromregelung die Kreiszweigströme berücksichtigt. Dadurch kann erreicht werden, dass die durchschnittliche Zweigleistung zu 0 wird und die Spannun- gen der Energiespeicher 45 im Mittel konstant gehalten werden können.

Dreieckförmige oder sinusförmige Gleichtaktspannungen werden oft in Dreiphaseninvertern verwendet, um die notwendige Gleichspannung auf die Phase-zu-Phase-Spannung zu reduzieren. Solche Gleichtaktspannungen können auch mit dem Direktumrichter 4 nahe an oder bei einem Synchronbetrieb verwendet werden. Wenn solche dritten harmonischen Gleichtaktspannungen sowohl auf der Seite des Versorgungsnetzes 3 als auch auf der Seite des Antriebs verwendet werden, ist die notwendige Zweiggleichspannung minimal. Da das Versorgungsnetz 3 und die Motorgleichtaktspannung einander auslöschen können, können zusätzliche Gleichtaktspannungen notwendig sein, um einen stabilen Synchronbetrieb bei allen Phasenwinkeln zwischen dem Motor und dem Versorgungsnetz 3 zu erhalten.

Die Kreiszweigströme I _C XY sollen die Umrichterschaltung 4 nicht verlassen, d. h. die Summe der Ströme I _C XY aller Zweige, die mit einer Phase Y verbunden sind, muss 0 werden:

Dies wird erfüllt, wenn kein Gleichtaktstrom, beispielsweise über dem Massepotential, und keine Gleichtaktspannung neben u _cm vorliegen.

Bezugszeichenliste

Anordnung

elektrische Maschine

Versorgungsnetz

Umrichter

Steuereinheit

Umrichterzweig

Schaltzelle

Inverterzweig

Leistungshalbleiterschalter

Energiespeicher

Zweiginduktivität