LehrveranstaltungUmwandlung elektrischer Energie mit Leistungselektronik
MehrpunktwechselrichterMultilevel Inverter
Prof. Dr.Ing. Ralph Kennel
([email protected])
Technische Universitt Mnchen
Arcisstrae 21
80333 Mnchen
MULTILEVEL INVERTERS(Mehrpunkt-Umrichter)
am Umrichterausgang knnen
mehr als 2 Spannungsniveaus realisiert werden
Anwendungen
(sinusfrmige) Ausgangsspannungen knnen besser
(mit weniger Oberschwingungen) realisiert werden
MULTILEVEL INVERTERS(Mehrpunkt-Umrichter)
am Umrichterausgang knnen
mehr als 2 Spannungsniveaus realisiert werden
Anwendungen (sinusfrmige) Ausgangsspannungen knnen besser
(mit weniger Oberschwingungen) realisiert werden
die Spannungsbelastung
jedes einzelnen Leistungshalbleiters ist geringer
3 wesentliche Topologien Diode-clamped Multilevel Inverter (DCMI)
Flying Capacitor Multilevel Inverter (FCI)
Cascaded Multilevel Inverter (CMI)
Dreipunktwechselrichter
4
2
ZU
0
ZU
L1
Feinere Stufung der Ausgangsspannung
Verringerung der Stromwelligkeit oder
Reduktion der Pulsfrequenz
Halbierung der Spannungsbelastung der Halbleiterschalter
Einsatzbereich ca. 10 MW, 3.3 kV(Siemens, Simovert ML2, Walzwerktechnik)
IGCT Schalter
Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive
die Anzahl der (in Serie) eingeschalteten Leistungshalbleiterist in jedem Schaltzustand (n-1)
Output Phase Voltage (Vo) Power device
index V1
V2
V3
V4
V5
S1 1 0 0 0 0
S2 1 1 0 0 0
S3 1 1 1 0 0
S4 1 1 1 1 0
S5 0 1 1 1 1
S6 0 0 1 1 1
S7 0 0 0 1 1
S8 0 0 0 0 1
Diode Clamped Multilevel Inverter(DCMI)
weit verbreiteter Spezialfall:
NPC Neutral Point Clamped (3-level) Inverter
Diode Clamped Multilevel Inverter(DCMI)
Phasenspannungenam Umrichterausgang
verkettete Spannungenam Umrichterausgang
weit verbreiteter Spezialfall:NPC Neutral Point Clamped (3-level) Inverter
grundstzliche Struktur die Zwischenkreisspannungn wird
durch mehrere in Serie geschaltete Kapazitten aufgeteilt ein DCMI mit n unterschiedlichen Ausgangsspannungslevels
bentigt (n-1) in Serie geschaltete Kapazitten im Zwischenkreis
grundstzliches Verhalten die Ausgangsspannung kann
jedes durch die Zwischenkreis-Kondensatoren festgelegteSpannungsniveau annehmen
die Spannung ber jedem Kondensator betrgt VDC/(n-1) die verkettete Ausgangsspannung
kann (2n-1) unterschiedliche Spannungslevels annehmen
Diode Clamped Multilevel Inverter(DCMI)
Diode Clamped Multilevel Inverter(DCMI)
PWM forMultilevel-Inverters :
e. g.suboscillation
method
severaltriangle signals
Bei einigen PWM Verfahren kann es zu Instabilitten
bei der gleichmigen Verteilung der Zwischenkreisspannung
ber die Zwischenkreiskondensatoren kommen (Balancing)
der Mittelwert des Stroms in die inneren Knoten des Zwischenkreises
ist innerhalb eines PWM Zyklus nicht unbedingt Null
bei Raumzeigermodulation und induktiver Last
ist dieses Problem von untergeordneter Bedeutung
Problemlsung angepasste PWM-Verfahren - Nutzung der Nullzeiger ...
... zur Regelung der Kondensatorspannungen (Balancing)
Diode Clamped Multilevel Inverter(DCMI)
Mehrpunktumrichter (Multi Level)
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Noch feinere Stufung der Ausgangsspannung
Verringerung der Stromwelligkeit oder
Reduktion der Pulsfrequenz
Drittelung der Spannungsbelastung der Halbleiterschalter
Einsatzbereich ca. 2 MW, 6 kV(CONVERTEAM / ALSTOM, SYMPHONY)
IGBT 4500 V
Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive
Steuerung eines Mehrpunktumrichters
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Schaltvarianten fr 2/3 Ausgangsspannung
Entladung des fliegenden Kondensators
Balance der Kondensatoren durch Schaltalternativen 1:1:1
CONVERTEAM (ALSTOM)
Quelle : Dr.-Ing. Olaf Simon, SEW Eurodrive
Flying Capacitor Multilevel Inverter(FCI)
mgliche Spannungsraumzeiger
Flying Capacitor Multilevel Inverter(FCI)
die Anzahl der bentigten Diodenist deutlich geringer als beim DCMI
das Potential der (fliegenden) Kapazittenverschiebt sich gegenber dem Bezugspotential (Masse)
die gleichmige Verteilung der Zwischenkreisspannungber die Zwischenkreiskondensatoren (Balancing)
ist beim FCI unproblematisch
In Verbindung mit einer ausreichenden Stufenzahl
sowie dem passenden PWM-Verfahren
kann der Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung
niedrig genug sein,
um zustzliche Filter zu vermeiden
die Schaltperioden (duty cycles) und Schaltfrequenzen
der einzelnen Leistungshalbleiter sind unterschiedlich
Flying Capacitor Multilevel Inverter(FCI)
In Verbindung mit einer ausreichenden Stufenzahl
sowie dem passenden PWM-Verfahren
kann der Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung
niedrig genug sein,
um zustzliche Filter zu vermeiden
die Schaltperioden (duty cycles) und Schaltfrequenzen
der einzelnen Leistungshalbleiter sind unterschiedlich
Flying Capacitor Multilevel Inverter(FCI)
In Verbindung mit einer ausreichenden Stufenzahl
sowie dem passenden PWM-Verfahren
kann der Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung
niedrig genug sein,
um zustzliche Filter zu vermeiden
die Schaltperioden (duty cycles) und Schaltfrequenzen
der einzelnen Leistungshalbleiter sind unterschiedlich
man bentigt zustzliche Vorkehrungen/Strategien
zum Laden der Zwischenkreiskondensatoren
Flying Capacitor Multilevel Inverter(FCI)
Vphase (Vo)
S11 S21
S31 S41
S1h S2h
S3h S4h
S12 S22
S32 S42
VDC
Module 1
Module 2
Module h
Vm1
0
VDC
VDC
Vm2
Vmh
Cascaded Multilevel Inverter (CMI)
wird auch als
kaskadierter Mehrpunktwechselrichter
mit getrennten Gleichstromzwischenkreisen
oder als seriengeschaltete Wechselrichterbrcke bezeichnet
einfacher und modularer Aufbau
erfordert die geringste Anzahl von Bauelementen
erfordert mehrere gegeneinander isolierte Gleichspannungszwischenkreise
Cascaded Multilevel Inverter (CMI)
MehrpunktwechselrichterVergleich der notwendigen Leistungshalbleiter pro Ausgangsphase
(Annahme : alle Leistungshalbleiter haben die gleiche Nennspannung,nicht jedoch notwendigerweise den gleichen Nennstrom
Umrichtertyp DCMI FCI CMI
aktive Halbleiterschalter (n 1) * 2 (n 1) * 2 (n 1) * 2
Leistungsdioden (n 1) * 2 (n 1) * 2 (n 1) * 2
Clamping-Dioden (n 1) * (n 2) 0 0
Zwischenkreiskondensatoren (n 1) (n 1) (n 1) / 2
Balancing-Kondensatoren 0 (n 1) * (n 2) / 2 0
