DE102013202649A1

DE102013202649A1 - Wechselrichteranordnung und Ansteuerverfahren für eine Wechselrichteranordnung

Info

Publication number: DE102013202649A1
Application number: DE102013202649.8A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Spanos; Hartmut Steinbuch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-08-21
Also published as: US20140233290A1; CN103997240A

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine optimierte Ansteuerung einer Wechselrichtervorrichtung. Der Wechselrichter einer solchen Wechselrichtervorrichtung kann dabei alternativ im 2-Level-Betrieb oder im 3-Level-Betrieb angesteuert werden. Durch geeignete Auswahl des Ansteuerverfahrens können die Halbleiterverluste im Wechselrichter minimiert werden und die thermische Belastung der verwendeten Komponenten gezielt gesteuert werden. Mit dem vorgeschlagenen Betriebsverfahren für einen Wechselrichter ist ein effizienter und schonender Wechselrichterbetrieb auch bei kleinen Ausgangsspannungen und stark induktiven oder kapazitiven Belastungen möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung und ein Ansteuerverfahren zum Betrieb einer Wechselrichteranordnung
Stand der Technik
Elektrische Wechselrichter, die aus einer Gleichspannung eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung erzeugen, sind bekannt. Beispielsweise werden solche Wechselrichter verwendet, um die elektrische Energie aus regenerativen Energiequellen, wie zum Beispiel einer Photovoltaikanlage, in ein elektrisches Energieversorgungsnetz einzuspeisen. Weiterhin finden Wechselrichter auch beispielsweise bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) Verwendung. Darüber hinaus werden Wechselrichteranordnungen auch für die Steuerung elektrischer Antriebe, beispielsweise in Elektrofahrzeugen, eingesetzt.
Bei dem Aufbau von Wechselrichterschaltungen unterscheidet man zwischen Zweipunkt- oder 2-Level-Schaltungen auf der einen Seite und Dreipunkt- oder 3-Level-Schaltungen andererseits. 1 zeigt ein Beispiel einer 2-Level-Schaltung eines einphasigen Wechselrichters. Am Eingang dieses Wechselrichters liegt zwischen den Punkten U+ und U– die Zwischenkreisspannung U_ZK an. Durch gezieltes Ansteuern der beiden Halbleiterschalter V₁₀ und V₂₀ liegt am Ausgang A entweder die positive Spannung U+ oder die negative Spannung U– an. Parallel zu den beiden Halbleiterschaltern V₁₀ und V₂₀ ist dabei jeweils eine Freilaufdiode D10 und D20 angeordnet, die im Freilauffall die Stromführung übernehmen.
3-Level-Schaltungen sind darüber hinaus in der Lage, drei Spannungsstufen am Ausgang einzustellen. Dabei kann neben der positiven Spannung U+ und der negativen Spannung U– auch eine neutrale Mittenspanung am Ausgang des Wechselrichters angelegt werden. Durch den Einsatz einer 3-Level-Schaltung können dabei die Schaltverluste im Wechselrichter verringert werden. Außerdem weisen solche 3-Level-Schaltungen im Vergleich zu 2-Level-Schaltungen auch bei kleiner Schaltfrequenz einen geringeren Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung auf. Da konventionelle 3-Level-Schaltungen einen Stromfluss des Laststroms durch mindestens zwei Halbleiterventile erfordern, hat sich die Topologie des Brückenzweigs mit Freilauf (Second Order NPC, NPC-T-Structure) als zielführend erwiesen. Diese Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2010 008 426 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart einen NPC-Wechselrichter (Neutral-Point-Clamped Wechselrichter) mit einem Entlastungsnetzwerk.
3-Level-Wechselrichterschaltungen sind dabei bei hohen Ausgangsspannungen und einem Betrag des cos(Φ) nahe 1 hinsichtlich der Belastung der Halbleiterschaltelemente den 2-Level-Schaltungen überlegen, da in diesem Fall der Freilaufpfad der Schaltungen nur relativ gering belastet wird. Soll dagegen eine relativ geringe Ausgangsspannung dargestellt werden und/oder muss durch den Wechselrichter ein großer Anteil an Scheinleistung bereitgestellt werden, was einem betragsmäßig kleinen cos(Φ) entspricht, so sind die Halbleiterbauelemente im Freilaufpfad des Wechselrichters stark an der Stromführung beteiligt. Hierbei sind somit erhebliche Halbleiterflächen notwendig, insbesondere da im Freilauf zwei Halbleiter in Reihenschaltung wirken. Dabei erhöhen sich bei kleinen Ausgangsspannungen und/oder einem relativ kleinen Betrag des cos(Φ) die Verluste des Wechselrichters sehr stark. Diese Verluste führen neben einem schlechteren Wirkungsgrad auch zu einer thermischen Belastung des Wechselrichters, was eine verstärkte Kühlung erfordert und sich auch negativ auf die Lebensdauer des Wechselrichters aus.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer Wechselrichteranordnung, die für alle Betriebsfälle möglichst geringe Verluste aufweist und somit die Halbleiterbauelemente möglichst wenig belastet.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Ansteuerverfahren für einen Wechselrichter mit mindestens zwei unterschiedlichen Betriebsmodi, wobei das Ansteuerverfahren in einem ersten Betriebsmodus der Wechselrichter in einem 2-Level-Betrieb ansteuert und in einem zweiten Betriebsmodus den Wechselrichter in einem 3-Level-Betrieb ansteuert.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Wechselrichteranordnung mit einem Wechselrichter, der dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung auszugeben; und einer Steuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter in einem ersten Betriebsmodus in einem 2-Level-Betrieb anzusteuern und in einem zweiten Betriebsmodus den Wechselrichter in einem 3-Level-Betrieb anzusteuern.
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, den Betriebsmodus eines Wechselrichters dynamisch anzupassen. Insbesondere wird dabei während des Betriebs eines Wechselrichters zwischen 2-Level-Betrieb und 3-Level-Betrieb gewechselt. Somit kann der Wechselrichter entsprechend den jeweiligen Rahmenbedingungen optimal betrieben werden.
Ein Vorteil besteht darin, dass durch die erfindungsgemäße Anpassung des Betriebsmodus in dem Wechselrichter der Betriebsmodus jeweils so angepasst werden kann, dass die Halbleiterbauelemente des Wechselrichters möglichst gering belastet werden. Insbesondere kann dabei jeweils ein solcher Betriebsmodus gewählt werden, bei dem auch die Ströme im Freilaufbetrieb eine möglichst geringe Belastung der Halbleiterbauelemente hervorrufen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die erfindungsgemäße Anpassung des Betriebsmodus die Schaltverluste innerhalb des Wechselrichters reduziert werden können. Somit steigt der Wirkungsgrad des Wechselrichters. Darüber hinaus führt eine Verringerung der Verluste innerhalb des Wechselrichters auch zu einer geringeren thermischen Belastung. Somit werden die Halbleiterbauelemente geschont und deren Lebensdauer erhöht.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ansteuerungsverfahrens wird der Betriebsmodus in Abhängigkeit mindestens eines der Parameter Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, bereitzustellende Scheinleistung, Oberschwingungsgehalt der Ausgangssapannung und thermische Belastung des Wechselrichters ausgewählt. Während insbesondere bei relativ kleinen Ausgangsspannungen ein 3-Level-Betrieb zu einer höheren Halbleiterbelastung führt als ein 2-Level-Betrieb, kehrt sich mit zunehmender Ausgangsspannung dieser Effekt um. Somit kann durch Wahl des Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der jeweils optimale Betriebsmodus für die Wechselrichterschaltung gewählt werden. Durch das Berücksichtigen der thermischen Belastung innerhalb des Wechselrichters kann durch gezieltes Auswählen des entsprechenden Betriebsmodus eine übermäßige thermische Beanspruchung einzelner Bauelemente vermieden werden. Im günstigsten Fall kann so für alle Bauelemente eine nahezu gleiche Betriebstemperatur eingestellt werden. Dies führt unter anderem zu einer Steigerung der Lebensdauer des Wechselrichters. Ebenso kann durch gezeiltes Berücksichtigen des Ausgangsstroms, der bereitzustellenden Scheinleistung und des zulässigen Oberschwingungsgehalts der Ausgansgspannung eine Optimierung der Betriebsparameter erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform werden der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus des Wechselrichters alternierend ausgewählt. Durch das abwechselnde Betreiben des Wechselrichters im 2-Level-Betrieb und 3-Level-Betrieb kann eine besonders gleichmäßige Belastung aller verwendeten Bauelemente erzielt werden, wodurch eine übermäßige Beanspruchung einzelner Bauelemente vermieden wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Wechselrichter in einem ersten Betriebsmodus mit einer ersten Schaltfrequenz betrieben und in einem zweiten Betriebsmodus wird der Wechselrichter mit einer zweiten Schaltfrequenz betrieben, die von der ersten Schaltfrequenz verschieden ist. Somit kann für jeden der beiden Betriebsmodi jeweils eine optimierte Schaltfrequenz verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Wechselrichter der Wechselrichteranordnung als 3-Level-Neutral-Point-Clamped Wechselrichter ausgebildet. Vorzugsweise ist der Wechselrichter als Second Order Neutral-Point-Clamped-Wechselrichter ausgebildet. Solche Wechselrichter weisen besonders geringe Verluste und somit hohe Wirkungsgrade auf.
In einer Ausführungsform weist die Wechselrichteranordnung einen mehrphasigen Wechselrichter auf. Solche mehrphasigen Wechselrichter eignen sich beispielsweise besonders gut zur Ansteuerung mehrphasiger elektrischer Antriebe, oder aber auch zur Einspeistung von elektrischer Energie in ein Drehstromnetz oder ähnliches.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Wechselrichteranordnung die zur Energieeinspeisung in ein elektrisches Energieversorungsnetz oder zur Verbesserung der Netzqualität vorgesehen ist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen elektrischen Antrieb mit einer erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung. Gerade elektrische Antriebe erfordern auch relativ geringe Ausgangsspannungen und/oder einen Betrieb mit einem betragsmäßig relativ kleinen cos(Φ). Dabei kann durch den erfindungsgemäßen Betrieb der Wechselrichteranordnung eine besonders effiziente Ansteuerung erfolgen.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mit einem elektrischen Antrieb, der durch eine erfindungsgemäße Wechselrichteranordnung angesteuert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Schaltung für einen 2-Level-Wechselrichter;
2: eine schematische Darstellung einer 3-Level-Wechselrichteranordnung, wie sie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt;
3: ein Diagramm zur schematischen Darstellung der Abhängigkeit zwischen Ausgangsspannung eines Wechselrichters und Halbleiterbelastung; und
4: eine schematische Darstellung eines Pulsmusters am Ausgang eines Wechselrichters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung eines 3-Level-Wechselrichters. Der Wechselrichter ist mit seinem oberen Brückenzweig mit dem Anschluss U+ für die positive Eingangsspannung U_ZK+ verbunden. Der untere Brückenzweig ist mit dem Anschluss U– für die negative Eingangsspannung U_ZK– verbunden. Der mittlere Brückenzweig ist mit dem Eingangsanschluss N für den Mittelabgriff der Eingangsspannung verbunden. Als Eingangsspannung U_ZK+ und U_ZK– wird jeweils die halbe Zwischenkreisspannung U_ZK zwischen dem Anschluss U+ und N sowie zwischen dem Anschluss N und U– angelegt. Der Wechselrichter 1 weist einen ersten Zwischenkreiskondensator C1 zwischen dem Anschluss U+ und dem Anschluss N auf, sowie einen zweiten Zwischenkreiskondensator C2 zwischen dem Anschluss N und U–. Der Wechselrichter 1 weist ferner die vier Schaltelemente V1 bis V4 auf, die über eine Steuereinrichtung 2 angesteuert werden. Auf diese Weise liegt am Ausgangsanschluss A eine gepulste Ausgangsspannung an. Antiparallel zu den vier Schaltelementen V1 bis V4 sind jeweils die Dioden D1 bis D4 geschaltet. Das erste Schaltelement V1 und die Diode D1 liegen dabei im oberen Brückenzweig zwischen dem Eingangsanschluss U+ und dem Ausgang A. Im unteren Brückenzweig zwischen dem Eingangsanschluss U– und dem Ausgang A liegt das vierte Schaltelement V4 mit der entsprechenden Diode D4. Im mittleren Brückenzweig zwischen dem Anschluss N und dem Ausgang A liegen in Serie das Schaltelement V2 mit der Diode D2 und das Schaltelement V3 mit der Diode D3.
Als Schaltelemente V1 bis V4 kommen dabei alle Arten von geeigneten Schaltelementen in Frage. Als Schaltelemente eignen sich besonders Halbleiterschaltelemente, wie beispielsweise bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT). Alternativ sind selbstverständlich auch alle Arten von anderen Schaltelementen möglich, die einen entsprechenden Wechselrichterbetrieb ermöglichen.
Der Wechselrichter 1 kann in seiner dargestellten Form zunächst grundsätzlich im 3-Level-Betrieb angesteuert werden. Dabei steuert die Steuervorrichtung 2 die Schaltelemente V1 bis V4 so an, dass jeweils entweder die positive Zwischenkreisspannung U_ZK+, die negative Zwischenkreisspannung U_ZK– oder die neutrale Mittelspannung am Ausgang A des Wechselrichters anliegt. Besonders bei im Vergleich zur Zwischenkreisspannung relativ geringen Ausgangsspannungen werden in diesem 3-Level-Betriebsmodus die verwendeten Halbleiterbauelemente, insbesondere im Mittelzweig, sehr stark belastet. Bei relativ geringen Ausgangsspannungen ist der Mittelzweig überdurchschnittlich lange aktiv. Da in diesem Mittelzweig der Strom jeweils durch ein Schaltelement V2 oder V3 und gleichzeitig auch über die entsprechende Diode D2 bzw. D3 fließen muss, ergibt sich in diesem Fall eine besonders hohe Belastung der beteiligten Halbleiterbauelemente.
3 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und der Belastung der Halbleiterbauelemente in einem Wechselrichter darstellt. Wie dabei zu erkennen ist, erfolgt gerade bei niedrigen Ausgangsspannungen im 3-Level-Betrieb eine sehr hohe Belastung der Freilauf-Halbleiter. Dies führt dazu, dass bei sehr geringen Ausgangsspannungen die Summe der Belastungen der Halbleiter im 3-Level-Betrieb größer ist als im 2-Level-Betrieb.
Daher kann zur Verringerung der Halbleiterbelastung im Wechselrichter 1 der Wechselrichter 1 alternativ auch im 2-Level-Betrieb betrieben werden. Hierbei erfolgt durch die Steuervorrichtung 2 keine Ansteuerung der Schaltelemente V2 und V3. Vielmehr werden im 2-Level-Betrieb ausschließlich die Schaltelemente V1 und V4 angesteuert. Somit liegt am Ausgang A des Wechselrichters 1 im 2-Level-Betrieb entweder die positive Zwischenkreisspannung U_ZK+ oder die negative Zwischenkreisspannung U_ZK– an. Da die Schaltelemente V2 und V3 sowie die Dioden D2 und D3 im Mittelzweig während des 2-Level-Betriebs nicht in den Strompfad miteinbezogen sind, werden diese Bauelemente im 2-Level-Betrieb auch nicht belastet.
Wie aus 3 zu erkennen ist, ist insbesondere bei relativ kleinen einzustellenden Ausgangsspannungen am Wechselrichter die resultierende gesamte Halbleiterbelastung im 2-Level-Betrieb geringer als im 3-Level-Betrieb. Somit kann beispielsweise je nach einzustellender Ausgangsspannung der Wechselrichter 1 durch die Steuervorrichtung 2 entweder im 2-Level-Betrieb oder im 3-Level-Betrieb angesteuert werden, je nachdem welcher Betriebsmodus die geringere Halbleiterbelastung hervorruft.
Darüber hinaus sind die Freilaufzweige des Wechselrichters insbesondere bei relativ kleinem Betrag des cos(Φ), das heißt bei starker induktiver oder kapazitiver Belastung, stark beansprucht. Eine große induktive Belastung tritt beispielsweise bei der Ansteuerung elektrischer Antriebe auf. Solche Antriebe sind zum Beispiel in Elektrofahrzeugen vorhanden. Aber auch andere induktive oder kapazitive Belastungen führen ebenfalls zu hohen Strömen in den Freilaufzweigen und somit zu einer entsprechenden Belastung der dabei involvierten Halbleiterbauelemente.
Aufgrund den zuvor beschriebenen Effekten, wie beispielsweise dem Betrieb des Wechselrichters für relativ geringe Ausgangsspannungen und/oder mit stark induktiven bzw. kapazitiven Lasten, kann es zu relativ großen Belastungen einzelnder Bauelemente kommen. Diese große Belastung führt zu einer starken thermischen Erwärmung der jeweiligen Bauelemente. Ein übermäßiges Erwärmen der Bauelemente führt dabei wiederum zu einer drastischen Beeinträchtigung der Lebensdauer. Um einer solchen übermäßigen Erwärmung einzelner Bauelemente entgegenzuwirken, kann durch das erfindungsgemäße Konzept eines Wechsels zwischen 2-Level-Betrieb und 3-Level-Betrieb eine übermäßige thermische Belastung einzelner Bauelemente reduziert werden. Durch einen gezielten Wechsel zwischen den beiden Betriebsmodi ist es möglich, von einem Betriebsmodus in den anderen zu wechseln und somit gezielt die Belastung auf mehrere Bauelemente zu verteilen. Einzelne Bauelemente können vor einer übermäßigen Erwärmung geschützt werden. So kann beispielsweise durch einen alternierenden Betrieb zwischen 2-Level-Betrieb und 3-Level-Betrieb die thermische Verlustleistung auf alle Bauelemente gleichmäßig verteilt werden. Hierzu ist es beispielsweise möglich, ein mathematisches Modell zu erstellen und basierend auf einer so theoretisch errechneten Verlustleistung der einzelnen Bauelemente zwischen den Betriebsmodi so hin und her zu wechseln, dass sich alle Bauelemente möglichst gleichmäßig erwärmen. Alternativ ist es ebenso möglich, Temperatursensoren (nicht dargestellt) in den Wechselrichter zu integrieren und so bei einer gemessenen übermäßigen Temperaturerhöhung von einem Betriebsmodus in einen alternativen Betriebsmodus zu wechseln. Durch ein gezieltes Steuern des Wechselrichters für eine gleichmäßigen Erwärmung aller Bauteile kann eine übermäßige Alterung einzelner Bauelemente aufgrund übermäßiger Temperaturerhöhung vermieden werden und somit die Lebensdauer des Wechselrichters gesteigert werden.
Der Wechsel zwischen den einzelnen Betriebsmodi, also dem 2-Level-Betrieb und dem 3-Level-Betrieb, muss dabei nicht zwangsläufig nach jeder Pulsperiode erfolgen. Es ist ausreichend, den Wechsel zwischen den einzelnen Betriebsmodi so häufig durchzuführen, dass sich aufgrund der thermischen Trägheit der Bauelemente eine annähernd konstante Betriebstemperatur einstellt.
Bei einem abwechselnden Betrieb im 2-Level-Betrieb und 3-Level-Betrieb ist auch nicht zwingend ein gleichgewichtetes Verhältnis der beiden Betriebsmodi erforderlich, das heißt der Wechselrichter muss nicht zu 50 % im 2-Level-Betrieb und zu 50 % im 3-Level-Betrieb betrieben werden. Abhängig von den weiteren Rahmenbedingungen sind andere Mischverhältnisse der beiden Betriebsmodi ebenso möglich. Das Verhältnis der beiden Betriebsmodi kann dem jeweiligen Betriebspunkt angepasst werden, um die Belastung der Halbleiter zu optimieren, oder auch für die jeweiligen Betriebspunkte verlustoptimale Betriebsweisen zu ermöglichen.
Durch einen Betrieb im 2-Level-Modus erhöht sich der Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung. Diese zu erwartenden Oberschwingungen der Ausgangsspannung des Wechselrichters können auch beim Einstellen des Mischverhältnisses der beiden Betriebsmodi und der zeitlichen Abfolge berücksichtigt werden. Außerdem kann das Verhältnis der beiden Betriebsmodi, oder die Auswahl nur eines der beiden Modi beispielsweise auch von der Größe des Ausgangsstromes abhängig gemacht werden.
Wird der Wechselrichter beispielsweise im Schwachlastbetrieb betrieben, wobei nur relativ geringe Ströme fließen werden, so wird in diesem Falle auch ein eher ungünstiger Betriebsmodus keine übermäßige Erwärmung des Wechselrichters hervorrufen. Daher kann in einem solchen Fall auch für relativ geringe Ausgangsspannungen durchgehend ein 3-Level-Betrieb gewählt werden.
Zusammenfassend ist daher für die Wahl des jeweiligen Betriebsmodus bzw. für die Wahl des Mischungsverhältnisses im alternierenden Betrieb Folgendes zu berücksichtigen:

– Größe des Ausgangsstroms: Bei relativ geringen Ausgangsströmen führen auch ungünstige Betriebsmodi nicht zu einer übermäßigen Erwärmung des Wechselrichters. Daher kann bei kleinen Ausgangsströmen auch ein Betriebsmodus mit größeren Verlusten in dem Wechselrichter akzeptiert werden.
– Induktive/kapazitive Ausgangslast: Bei einer Belastung des Wechselrichters mit einem relativ geringen Betrag des cos(Φ) ist mit relativ großen Freilaufströmen zu rechnen. Diese Freilaufströme müssen bei der Wahl des Betriebsmodus mit berücksichtigt werden.
– Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung: Wie zuvor erwähnt, ist der Oberschwingungsgehalt im 2-Level-Betrieb höher als im 3-Level-Betrieb. Für einen geringeren Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung ist daher der 3-Lebel-Betrieb zu bevorzugen.
– Zu erwartende Verluste und Wechselrichterwirkungsgrad.
– Minimierung der Temperaturschwankung in den einzelnen Halbleitern: Durch einen kontrollierten Wechsel zwischen den Betriebsmodi ist es möglich, alle verwendeten Bauelemente während der Betriebsdauer auf einer annähernd konstanten Temperatur zu halten, was sich positiv auf die Lebenserwartung des Wechselrichters auswirkt.
– Einzustellende Ausgangsspannung: Wie aus 3 zu erkennen ist, variiert die Belastung der Bauelemente in Abhängigkeit von der einzustellenden Ausgangsspannung des Wechselrichters.

Bei besonders geringen Ausgangsfrequenzen kann die Belastung der Schaltelemente nicht mehr über eine Periode gemittelt werden. In diesem Fall müssen die Schaltelemente auf den ungünstigsten Fall der Momentanwerte bemessen werden. Im 3-Level-Betrieb konzentriert sich hier die elektrische Belastung auf das Halbleiterpaar im Freilaufkreis. Dabei kann durch einen alternierenden Betrieb zwischen 2-Level-Betrieb und 3-Level-Betrieb eine hohe Entlastung erreicht werden.
Die Verteilung des 3-Level-Betriebs und des 2-Level-Betriebs muss jedoch nicht homogen entlang des elektrischen Winkels der Ausgangsspannung erfolgen. Insbesondere bei sehr kleinen Ausgangsfrequenzen kann der Mischbetrieb über den elektrischen Winkel der Ausgangsspannungs-Grundschwingung unterschiedlich verteilt werden, um so eine Optimierung zu erzielen.
Der zuvor beschriebene Betrieb einer Wechselrichteranordnung kann mit zahlreichen bekannten Modulationsverfahren gemäß dem Stand der Technik für die jeweiligen einzelnen Betriebsmodi verwendet werden. Dabei sind vorzugsweise solche Verfahren bzw. Phasenlagen der Modulationsträger zu verwenden, die beim Übergang zwischen den beiden Betriebsmodi keine zusätzlichen Schalthandlungen erfordern, um somit zusätzliche Schaltverluste zu vermeiden.
Dies bedeutet jedoch nicht zwangsweise, dass sowohl beim 2-Level-Betrieb als auch beim 3-Level-Betrieb grundsätzlich die gleiche Schaltfrequenz verwendet werden muss. Ebenso ist es möglich, jeweils für den 2-Level-Betrieb und den 3-Level-Betrieb für sich eine unterschiedliche Schaltfrequenz zu wählen. Werden für den 2-Level-Betrieb und den 3-Level-Betrieb unterschiedliche Schaltfrequenzen gewählt, so sind bevorzugt ganzzahlige Verhältnisse zwischen den Schaltfrequenzen zu wählen, so dass ein verlustarmer Übergang zwischen den Betriebsmodi gewährleistet werden kann.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Pulsmusters am Ausgang eines erfindungsgemäßen Wechselrichters. Während den Zeitspannen I befindet sich der Wechselrichter dabei im 3-Level-Betrieb, das heißt die Ausgangsspannung wird jeweils zwischen dem neutralen Bezugspotential und der positiven bzw. negativen Zwischenkreisspannung geschaltet. Während den Zeiträumen II befindet sich der Wechselrichter im 2-Level-Betrieb, das heißt die Ausgangsspannung wird ausschließlich zwischen positiver und negativer Zwischenkreisspannung hin und her geschaltet.
Der erfindungsgemäße Betrieb eines Wechselrichters mit einem Wechsel zwischen 2-Level-Betrieb und 3-Level-Betrieb kann dabei, wie zuvor beschrieben, für die Erzeugung einer einphasigen Wechselspannung verwendet werden. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren ebenso auf mehrphasige Wechselrichter, beispielsweise einen dreiphasigen Wechselrichter anzuwenden. Somit kann beispielsweise eine Einspeisung in ein dreiphasiges Drehstromnetz erfolgen. Ebenso ist durch einen mehrphasigen Wechselrichter die Ansteuerung eines entsprechenden mehrphasigen elektrischen Antriebes möglich.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine optimierte Ansteuerung einer Wechselrichtervorrichtung. Der Wechselrichter einer solchen Wechselrichtervorrichtung kann dabei alternativ im 2-Level-Betrieb oder im 3-Level-Betrieb angesteuert werden. Durch geeignete Auswahl des Ansteuerverfahrens können die Halbleiterverluste im Wechselrichter minimiert werden und die thermische Belastung der verwendeten Komponenten gezielt gesteuert werden. Mit dem vorgeschlagenen Betriebsverfahren für einen Wechselrichter ist ein effizienter und schonender Wechselrichterbetrieb auch bei kleinen Ausgangsspannungen und stark induktiven oder kapazitiven Belastungen möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010008426 A1 [0004]

Claims

Ansteuerverfahren für einen Wechselrichter (1) mit mindestens zwei unterschiedlichen Betriebsmodi, wobei das Ansteuerverfahren in einem ersten Betriebsmodus den Wechselrichter (1) in einem 2-Level-Betrieb ansteuert, und in einem zweiten Betriebsmodus den Wechselrichter (1) in einem 3-Level-Betrieb ansteuert.
Ansteuerverfahren nach Anspruch 1, wobei das Ansteuerverfahren den Betriebsmodus in Abhängigkeit mindestens eines der Parameter Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, bereitzustellende Scheinleistung, Oberschwingungsgehalt der Ausgangssapannung und thermische Belastung des Wechselrichters (1) auswählt.
Ansteuerverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, wobei der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus alternierend ausgewählt werden.
Ansteuerverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wechselrichter (1) in dem erstem Betriebsmodus mit einer ersten Schaltfrequenz betrieben wird und der Wechselrichter (1) in dem zweiten Betriebsmodus mit einer zweiten Schaltfrequenz betrieben wird, die von der ersten Schaltfrequenz verschieden ist.
Wechselrichteranordnung, mit: einem Wechselrichter (1), der dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung auszugeben; und einer Steuervorrichtung (2), die dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter (1) in einem ersten Betriebsmodus in einem 2-Level-Betrieb anzusteuern und ein einem zweiten Betriebsmodus den Wechselrichter (2) in einem 3-Level-Betrieb anzusteuern.
Wechselrichteranordnung nach Anspruch 5, wobei der Wechselrichter (1) als 3-Level-Neutral-Point-Clamped Wechselrichter, vorzugsweise als Second Order Neutral-Point-Clamped Wechselrichter, ausgebildet ist.
Wechselrichteranordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Wechselrichteranordnung einen mehrphasigen Wechselrichter aufweist.
Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die zur Energieeinspeisung in ein elektrisches Energieversorungsnetz oder zur Verbesserung der Netzqualität vorgesehen ist.
Elektrischer Antrieb mit einer Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7.
Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb nach Anspruch 9.