Zusammenfassung: Mehrstufige Hochspannungs-Frequenzumrichter haben sich in den letzten Jahren in China zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt der Leistungselektronik entwickelt. Als neuartiger Frequenzumrichter für Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen eignet er sich hervorragend für die energetische Nachrüstung von Hochspannungslüftern, -pumpen und -kompressoren. Darüber hinaus findet er breite Anwendung in der Drehzahlregelung von Wechselstromanlagen mit hohen Spannungspegeln und großen Leistungsanforderungen. Die Topologie des Hauptschaltkreises ist Gegenstand dieses Beitrags. Als Beispiele dienen die von Alstom Electric im Baoxin-Edelstahlwerk und bei der Taiyuan Iron & Steel Group eingesetzten mehrstufigen Hochspannungs-Frequenzumrichter. 1. Einleitung: Die Frequenzumrichterregelung von Wechselstrommotoren ist in verschiedenen Branchen zu einem wichtigen Forschungsgebiet geworden. Seit über einem Jahrhundert wird nach hocheffizienter, zuverlässiger und wirtschaftlicher Frequenzumrichtertechnologie zur Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren gesucht. In der zweiten Hälfte der 1960er-Jahre ermöglichten Fortschritte bei Leistungshalbleiterbauelementen und deren Anwendung in Frequenzumrichtern den Industrieländern, während der ersten globalen Energiekrise Anfang der 1970er-Jahre durch Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichtern bedeutende Fortschritte bei der hocheffizienten Energieeinsparung zu erzielen. Bei Wechselstrommotoren ermöglicht die Frequenzänderung die Drehzahlregelung. Mit der Entwicklung leistungselektronischer Komponenten wie Thyristoren, GTOs, IGCTs und IGBTs, dem Fortschritt entsprechender Steuerungstechnologien und der hohen Integration dieser leistungselektronischen Bauelemente fanden Frequenzumrichter breitere Anwendung in der Industrie. Aufgrund der begrenzten Entwicklung und Anwendung leistungselektronischer Komponenten lag der Fokus jedoch in den letzten zehn Jahren hauptsächlich auf Niederspannungs-Frequenzumrichtern (FU), die im Spannungsbereich von 380 V bis 690 V arbeiten. Leistungsstarke Hochspannungs-Wechselstrommotoren, die in der Industrie weit verbreitet sind, wurden bisher hauptsächlich mit anderen Drehzahlregelungsmethoden oder ohne Drehzahlregelung betrieben, was zu einem erheblichen Energieverbrauch führte. Aufgrund der unterschiedlichen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten verschiedener großer Frequenzumrichterhersteller variiert die Zusammensetzung der bestehenden Hochspannungs-Frequenzumrichter. Nach der Spannung lassen sie sich in direkte Hochspannungs- und Hoch-Nieder-Hochspannungs-Frequenzumrichter (eigentlich Niederspannungs-Frequenzumrichter) mit Aufwärtstransformator unterteilen; nach der Kopplungsmethode in AC-AC- und AC-DC-AC-Frequenzumrichter; und nach den verschiedenen Kombinationen der zwischengeschalteten DC-Kopplungsglieder in Spannungsquellen- und Stromquellen-Frequenzumrichter. Niederspannungs-Frequenzumrichter verwenden üblicherweise eine einheitliche zweistufige Topologie. Aufgrund der Spannungsfestigkeitsgrenzen und der unterschiedlichen Schaltfrequenzen leistungselektronischer Bauteile variieren die in den letzten Jahren entwickelten Topologien von Hochspannungs-Frequenzumrichtern mit hoher Kapazität. Im Hinblick auf Einfachheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems konzentrieren sich die aktuell verwendeten Topologien von Hochspannungs-Frequenzumrichtern jedoch hauptsächlich auf drei- und vierstufige Konfigurationen. In den letzten zwei Jahren hat mein Land mehrere Sätze vierstufiger Spannungsquellen-Topologien von Alstom Electric aus Europa für neue Industrieprojekte importiert. Diese Systeme werden bei Taiyuan Iron & Steel Company, Baoxin Stainless Steel Plant (einem Tochterunternehmen von Baosteel), Qingdao Iron & Steel Co., Ltd. und Tianjin Seamless Steel Corporation eingesetzt. Ihre Antriebssysteme nutzen modernste, mehrstufige Topologien und IGBT-Komponenten für AC-Hochspannungs-Frequenzumrichter von Alstom, die derzeit zu den fortschrittlichsten Antriebstechnologien zählen. Das herausragendste Merkmal dieses Systems ist die AC-Hochspannungs-Frequenzumrichter-Technologie. Der Hauptstromkreis ist mit einer vierstufigen IGBT-Struktur ausgestattet. Drei 4-MW-AC-Synchronmotoren teilen sich einen gemeinsamen DC-Zwischenkreis, wodurch die hohen Anforderungen an die Prozessdrehzahlregelung des Systems erfüllt werden. Gleichzeitig ist das System wirtschaftlich, zuverlässig, energiesparend und optimal konfiguriert. Der Gleichrichter verwendet einen hochmodernen, umweltfreundlichen Umrichter [1]. Dieser Frequenzumrichtertyp eignet sich für den Hauptantrieb von Ventilatoren, Pumpen und Kompressoren sowie für die Produktion in Walzwerken mit hohen Prozessleistungsanforderungen und den Antrieb großer Schiffe. 2. Systemstrukturaufbau In den letzten Jahren haben sich Hochspannungs- und Großkapazitätsumrichter dank der Entwicklung von Leistungselektronikkomponenten und Steuerungssystemen, insbesondere von GTOs, IGCTs und IGBTs sowie der Frequenzumrichtertechnologie, rasant in industriellen Systemen etabliert. Das Frequenzumrichter-Antriebsgerät wird zunächst durch die Reihenschaltung mehrerer Komponenten auf Basis der ursprünglichen zweistufigen Steuerungsstruktur ergänzt. Die zugehörige zweistufige Ausgangswellenform ist in Abbildung 1(a) dargestellt. Bei Parallelschaltungen muss die Ausgangsspannung die Spannungsfestigkeit der Komponenten erfüllen. Diese Schaltungsmethode führt in Verbindung mit komplexen Stromverteilungsbauteilen aufgrund der Schaltungskomplexität häufig zu Bauteilschäden. Auch Reihenschaltungen erfordern, dass der Ausgangsstrom die Spannungsfestigkeit der Komponenten erfüllt, um unter allen Bedingungen eine gleichmäßige Spannungsverteilung zu gewährleisten. Dies führt ebenfalls häufig zu Systemausfällen. Aus Sicht der Systemzuverlässigkeit garantiert daher keine der beiden Methoden einen zuverlässigen Systembetrieb, und die Ausgangswellenform ist oft unbefriedigend. Abbildung 1 zeigt verschiedene Spannungsebenenstrukturen und Ausgangswellenformen. In den letzten Jahren wurde parallel zur Entwicklung leistungselektronischer Komponenten auch die Topologie von Frequenzumrichtern weiterentwickelt. Aufgrund der Spannungsfestigkeit und Strombelastbarkeit dieser Komponenten entstanden drei-, vier- und mehrstufige Frequenzumrichter. Diese erzeugen sehr geringe Oberwellenströme für den Motor, und der Stromverlauf nähert sich dem für Wechselstrommotoren erforderlichen sinusförmigen Verlauf an (siehe Abbildung 1). Mit zunehmender Anzahl der Stufen sinkt die Spannungsamplitude. Dies reduziert die Spannung an den Leistungskomponenten und trägt somit zur Verringerung der Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt) bei. Moderne Hochleistungs- und Hochspannungs-Frequenzumrichter müssen eine hohe Ausgangsleistung, einen zuverlässigen Systembetrieb und einen möglichst sinusförmigen Stromverlauf gewährleisten. Die in Hochspannungs- und Hochleistungs-Frequenzumrichtern üblicherweise verwendete mehrstufige Struktur und Ausgangswellenform sind in Abbildung 1 dargestellt. In den letzten Jahren wurde die dreistufige Struktur sowohl in GTO- (und neuerdings auch in IGCT-) als auch in IGBT-Systemen eingesetzt (mehrere namhafte Unternehmen wie Siemens, ABB und Alstom bieten entsprechende Produkte an). Zu ihren Nachteilen zählen jedoch die durch Klemmdioden gewährleistete Leitfähigkeit bzw. Sperrung der Komponenten, die hohe Spannungsfestigkeitsanforderungen erfüllen und zahlreich vorhanden sind; die Leitlast der Schaltelemente ist inkonsistent; bei der Übertragung von Wirkleistung durch den Umrichter unterscheiden sich die Lade- und Entladezeiten der Kondensatoren auf der Gleichstromseite, was leicht zu Kondensatorspannungsungleichgewichten führen und die dynamische Regelung des Systems erschweren kann; zudem ist die Skalierbarkeit dieser Struktur stark eingeschränkt. Mit der Entwicklung moderner Topologietechnologien finden mehrstufige Frequenzumrichterstrukturen Anwendung in industriellen Systemen. Abbildung 2 zeigt die Topologie eines kürzlich von Alstom importierten Hochspannungs-Frequenzumrichters mit hoher Kapazität und vier Stufen für die Walzwerkssteuerung. Abbildung 2 verdeutlicht dessen strukturelle Merkmale, insbesondere die modulare Bauweise. Dieser Frequenzumrichtertyp ermöglicht die Reihen- und Parallelschaltung der Komponenten, jedoch nicht in einfacher Reihen-Parallel-Schaltung. Vielmehr wird auf struktureller Ebene eine Reihenschaltung verwendet, um Spannungssicherheit und eine natürliche Spannungsverteilung zu gewährleisten. Zu seinen wichtigsten Merkmalen zählen: Die in der Industrie üblicherweise verwendeten Hochspannungsnormen liegen bei 3,3 kV, 4,2 kV, 5,5 kV und 6,6 kV. Entsprechend dieser Normen werden unterschiedliche Spannungsniveaus durch die Reihen-Parallel-Topologie der Gesamtgeräte realisiert. Dank dieser strukturellen Eigenschaft lässt sich das gängige Schema mehrerer Frequenzumrichter, die sich einen gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis teilen, sehr einfach umsetzen und ermöglicht so den Energieaustausch innerhalb des Systems. Diese Struktur eliminiert die zahlreichen Spannungs- und Stromteiler-Schutzbauelemente auf jeder Komponentenebene unserer herkömmlichen Struktur. Dadurch können die verschiedenen Schaltungseinheiten voneinander isoliert werden, was das System einfach, zuverlässig und wartungsfreundlich macht. Die durch mehrere in Reihe und parallel geschaltete Halbleiterbauelemente verursachte geringe Systemzuverlässigkeit wird somit beseitigt. Da diese Struktur IGBT-Bauelemente mit hoher Einschaltfrequenz und niedrigem Triggerstrom verwendet und IGBTs weit verbreitet sind, bietet sie uns vielfältige Entwicklungsmöglichkeiten. Abbildung 2 zeigt das Schaltbild der vierstufigen Struktur. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, ist die Ausgangswellenform dieser Struktur nahezu sinusförmig. Leistungsstarke AC-Frequenzumrichtersysteme stellen das größte Risiko für Übertragungskabel, Motoren und Transformatorwicklungen dar. Mehrstufige Systeme bieten in dieser Hinsicht einen Vorteil: Je mehr Ebenen vorhanden sind, desto stärker nähert sich die Ausgangswellenform einer Sinuswelle an. 3. Regelungsprinzip der vierstufigen Übertragungsstruktur Die vierstufige Regelungsstruktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Hochleistungskomponenten im Hauptstromkreis sind paarweise angeordnet, und jedes Paar wird nach dem herkömmlichen zweistufigen Regelungskonzept gesteuert. Abbildung 3 zeigt das Funktionsprinzip dieses vierstufigen Systems, die Spannungen an den einzelnen Hochleistungskomponenten sowie die Spannungen an den einzelnen Kondensatoren. Aus der Schaltungsstruktur geht hervor, dass die Spannungen im Gesamtstromkreis V, 2/3 V und 1/3 V betragen, die Spannung jeder Leistungskomponente im Sperrzustand jedoch stets 1/3 V beträgt. Diese Struktur löst die dynamischen und statischen Probleme der Spannung an den einzelnen Leistungskomponenten optimal, und die Steuerung verschiedener Komponentenpaare zu unterschiedlichen Zeitpunkten begrenzt zudem das dv/dt-Problem. Die Versorgungsspannung jeder Komponente wird durch die jeweiligen Kondensatoren bereitgestellt. Während des Kommutierungsprozesses lädt und entlädt der Stromkreis jeden Kondensator, wobei die Kondensatorspannung der folgenden Regel folgt [2]: Hierbei ist n die Anzahl der Paare von Hochleistungsbauteilen in jeder Phase. Beispielsweise besitzt in der vierstufigen Struktur jede Phase 3 Paare von Hochleistungsbauteilen, d. h. n = 3. Aus dem Schaltungsaufbau geht hervor, dass die Spannung an jedem Leistungsbauteil von den Spannungen Ck und Ck-1 am Kondensator abhängt und durch folgende Formel gegeben ist: Die Spannung an jedem sperrenden Hochleistungsbauteil beträgt V/n, die Spannung am leitenden Bauteil ist 0. Dies erklärt den Ausgangsspannungsverlauf der Vierpunktschaltung in Abbildung (3): 0, V/n, 2·V/n, V. Die Kommutierungssteuerung der Vierpunktschaltung muss gleichzeitig folgende Bedingungen erfüllen: Die Kondensatorspannung muss konstant sein. Um den Steuerungstyp für jedes Paar von Hochleistungsbauteilen zu bestimmen, wird angenommen, dass der Anfangsspannungswert Vck durch die Schaltung vorgegeben ist. Anschließend werden die Bedingungen für die Konstanz dieser Spannungen untersucht. Jeder Kondensator Ck ist mit einem Leistungsbauteil verbunden und hängt vom Schaltzustand dieses Bauteils ab. Der Strom in diesem Kondensator beträgt +I, 0, -I und kann wie folgt ausgedrückt werden: Hierbei sind Sk und Sk+1 entweder 0 oder 1 (abhängig vom Schaltzustand des Leistungsbauteils). Diese Gleichung liefert die Stabilitätsbedingung für den stationären Zustand der folgenden Spannung Vck k = 1…n: Wenn der Strom I während eines Schaltabschnitts ganzzahlig konstant ist, lässt sich die Stabilitätsbedingung für den stationären Zustand der Spannung Vck k = 1…n wie folgt formulieren: Abbildung 3 zeigt das Funktionsprinzip der Regelung der vierstufigen Struktur. Die in dieser vierstufigen Struktur verwendete Hochleistungskomponente ist ein IGBT, und der Regelkreis nutzt PWM-Modulationstechnik. Der Regelkreis verwendet einen in industriellen Systemen weit verbreiteten Hochleistungsregler (Industriecomputer), um den Arbeitszyklus des Systems zuzuordnen und die Regelzyklen zu senden. Ein Regelzyklus ist in mehrere Phasen unterteilt, und in jeder Phase wird das Schaltverhalten der IGBT-Leistungskomponente gemäß den Ein- und Ausschaltregeln streng gesteuert. Abbildung 3 veranschaulicht den Ein- und Ausschaltvorgang jeder Schaltkomponente in jeder Phase. Beispielsweise sind in Abschnitt A die Schalter 1#, 2# und 3# eingeschaltet, und C1 wird mit positivem Strom geladen; Im Segment C sind die Schalter 2#, 1# und 3# eingeschaltet, und C1 befindet sich im Entladezustand. Ungeachtet dessen erhält die Lastseite in jeder Phase eines Zyklus 1/3 V. Gleichzeitig ist deutlich zu erkennen, dass der mittlere Strom durch den Kondensator null beträgt; der Kondensator dient hier der Spannungsteilung und ermöglicht die natürliche Kommutierung des Systems. Durch diese schnelle Verteilungssteuerung kann das System verhindern, dass mehrere in Reihe geschaltete Leistungskomponenten gleichzeitig kurzzeitig leiten, wodurch die Ausgangsspannungswellenform der gewünschten Sinusform näher kommt. Abbildung 4 zeigt den modularen Aufbau der beiden IGBTs und Kondensatoren, die bei Taiyuan Iron & Steel tatsächlich verwendet werden. Diese Kombination aus IGBTs und schwebenden Kondensatoren über zwei Sammelschienen maximiert die Reduzierung der Schaltinduktivität der IGBTs und ermöglicht zudem eine einteilige, schubladenartige Struktur des gesamten Systems mit nur drei Modulen pro Phase, was die Wartung erheblich vereinfacht. 4. Fazit: Der vierstufige IGBT-Frequenzumrichter ist die neueste Spitzentechnologie für Übertragungssysteme. Die ersten Frequenzumrichter dieser Art wurden 1999 in einem Stahlwickelwerk des europäischen Metallurgiesystems in einem Industriesystem eingesetzt. Ihre dynamische und statische Leistungsfähigkeit sowie ihre Zuverlässigkeit demonstrierten den damaligen Stand der Technik. Die 2002 bzw. 2003 bei Taiyuan Iron & Steel und Baoxin in Betrieb genommenen Anlagen erzielten ebenfalls sehr gute wirtschaftliche Ergebnisse. Dieser Artikel analysiert detailliert die Topologie und das Stromverteilungsprinzip dieses Frequenzumrichters. Er bietet eine Referenz für die Anwendung technischer Lösungen zur Auswahl von mehrstufigen Frequenzumrichtern, die für Hochspannungs- und Großanlagen geeignet sind. Referenzen: [1] Zhao Xiangbin, Liu Guolin. Aktueller Stand und Entwicklung der Drehzahlregelung und Sanftanlauftechnologie mit variabler Frequenz [J]. Automation Expo, 2000, 7(6): 1-4. [2] TA Meynard und H. Foch. Mehrstufige Umwandlung: Hochspannungs-Chopper und Spannungsquellenwechselrichter [J]. IEEE Power Electronics Specialists Conference Juni/Juli 1992.