AT399068B - Schaltungsanordnung für einen zweipunkt-wechselrichterschaltpol - Google Patents

Description

AT 399 068 B

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Zweipunkt-Wechselrichterschaltpol, welcher aus zwei in Serie geschalteten an einer Gleichspannung, vorzugsweise einer Zwischenkreisspannung, liegenden Thyristoren, insbesondere GTO-Thyristoren, besteht, wobei zwischen den beiden Thyristoren eine Stromanstiegsbegrenzungsdrossel mit vorzugsweise einer Mittelanzapfung, an der eine Last ange-5 schlossen ist, vorgesehen ist und zu jedem Thyristor eine Freiiaufdiode antiparallel, sowie eine Serienschaltung aus einer Entlastungsdiode und einem Entlastungskondensator parallel geschaltet ist, wobei jeweils ein Anschluß des Entlastungskondensators an einem Pol der Gleichspannung und an den jeweiligen Thyristor der gleichartige Pol der Entlastungsdiode angeschlossen ist, und in Serie mit den beiden Entlastungskondensatoren sowie über die Entlastungsdioden parallel zur Stromanstiegsbegrenzungsdrossel ein Kreis io angeordnet ist.

Thyristoren für große Leistungen, vor allem GTO-Thyristoren müssen gegen zu raschen Stromanstieg (di/dt), sowie zu raschen Spannungsanstieg (du/dt) geschützt werden. Dazu gibt es bereits eine große Anzahl von bekannten Möglichkeiten. Eine diesbezügliche Schaltung zum Schutz der steuerbaren Halbleiter eines stromkommutierten Wechselrichters stellt die Fig. 8 in der AT-PS 300 959 dar. Diese zeigt, wie 15 bereits oben erläutert, zwei an einer Gleichspannung liegende Thyristoren mit einer zwischengeschalteten Drossel, deren Mittenanzapfung den Ausgang des Wechselrichters darstellt. Den Thyristoren ist je eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet. Weiters liegt jedem Thyristor über je eine zusätzliche Diode ein Kondensator parallel. Die beiden Kondensatoren sind über einen Kreis, hier ein Widerstand, miteinander verbunden. Nachteilig bei dieser Schaltung ist die relativ hohe periodische Umschwingleistung, die im 20 Widerstand, auch Dämpfungswiderstand genannt, verheizt wird. Bei hohen Frequenzen nimmt diese Leistung proportional zu, gleichzeitig ist die zu lange Abmagnetisierungszeit der Drossel mit Rücksicht auf die minimale Einschaltzeit bzw. die minimale Lücke störend. Außerdem ist diese Anordnung für hohe Schaltleistungen und kritische Anwendungen praktisch ungeeignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine neuartige Schaltung zu schaffen, die die obigen 25 Nachteile bei einem Zweipunkt-Wechselrichterschaltpol vermeidet und die die Thyristoren sicher gegen zu raschen Stromanstieg und zu raschen Spannungsanstieg schützt.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis die Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers bildet, wobei der Ausgang des DC/DC-Wandiers an der Gleichspannung, vorzugsweise der Zwischenkreisspannung, angeschlossen ist. Durch den DC/DC-Wandler ist die 30 Schaltung aktiv und verlustfrei. Die im Entlastungsteil anfallende Energie kann nun auch rückgespeist werden. Weiters ist die minimale Pulsdauer und Pulslücke genau definiert.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der DC/DC-Wandler aus einem Transformator mit zwei Primär- und einer Sekundärwicklung, wobei die zwei gleichsinnigen Anschlüsse der Primärvicklungen über je eine mit der Entlastungsdiode gleichsinnig gepolte Rückspeisediode mit je einer Eingangsklemme des 35 DC/DC-Wandlers verbunden sind und daß die eine Primärwicklung am positiven Gleichspannungspotential und über eine Rückspeisediode und eine Entlastungsdiode an jenem Thyristor, der mit dem negativen Gleichspannungspotential verbunden ist, angeschlossen ist und daß die andere Primärwicklung am negativen Gleichspannungspotential und über eine Rückspeisediode und eine Entlastungsdiode an jenem Thyristor, der mit dem positiven Gleichspannungspotential verbunden ist, angeschlossen ist und daß die 40 Sekundärwicklung des Dreiwicklungstransformators mit der Wechselspannungsseite eines Vollweggleichrichters verbunden ist, dessen Gleichspannungsanschlüsse die Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers darstellen und daß am Eingang des DC/DC-Wandlers ein Koppelkondensator und ein Widerstand parallel geschaltet ist. Mit diesem Aufbau wird ein passiver, verlustarmer DC/DC-Wandler realisiert, der nur eine geringe Anzahl von Bauteilen benötigt. Die anfallende nicht rückspeisefähige Verlustleistung wird in dem 45 am Eingang des DC/DC-Wandlers parallel geschaltetem hochohmigen Widerstand verheizt.

An Hand von Zwei Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert. Fig. 1 stellt die erfindungsgemäße Schaltung dar und Fig. 2 zeigt Strom- und Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung die zur Erläuterung deren Funktionsweise dienen.

Bei Fig. 1 ist an eine Gleichspannung, die z.B. die Zwischenkreisspannung UZrk eines Umrichters ist, so eine Serienschaltung aus zwei Thyristoren TP1, TN1 mit zwischengeschalteter Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L gelegt. Als Thyristoren TP1, TN1 werden am besten schnelle GTO-Thyristoren verwendet. In dieser Schaltungsvariante ist der Ausgang A des Zweipunkt-Wechselrichterschaltpoles die Mittelanzapfung der Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L, an der eine Last angeschlossen wird. Der Ausgang A könnte auch eines der beiden Enden der Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L, wie dies strichliert angedeutet ist, sein. 55 Jedem Thyristor TP1, TN1 ist eine Freilaufdiode DP1, DN1 antiparallel angeordnet. Weiters ist jedem Thyristor TP1, TN1 eine Serienschaltung, bestehend aus einem Entlastungskondensator CP1, CN1 und einer Entlastungsdiode dP1, dN1 parallel geschaltet. Dabei ist jeweils ein Anschluß des Entlastungskondensators CP1, CN1 mit einem Pol der Zwischenkreisspannung Uzrk verbunden. Die jeweilige Entlastungsdio- 2

AT 399 068 B de dP1, dN1 ist an die Verbindung von Thyristor TP1, TN1 und Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L gelegt, wobei die gleichartigen Anschlüsse von Thyristor TP1, TN1 und Entlastungsdiode dP1, dN1 miteinander verbunden sind. An die Verbindungen von Entlastungsdiode dP1, dNl und Entlastungskondensator CP1, CN1 ist der Eingang des DC/DC-Wandlers W gelegt. Dieser weist Zwei Rückspeisedioden dP1/1, dN1/1 auf, von denen je eine in Serie mit einer Entlastungsdiode dP1, dN1 angeordnet ist. Die freie Anode der einen Rückspeisediode dP1/1 ist über die eine Primärwicklung N 1.2 des Dreiwicklungstransformators Tr mit dem negativen Zwischenkreispotential 0 und die freie Katode der anderen Rückspeisediode dN1/1 ist über die andere Primärwicklung N 1.1 des Transformators Tr mit dem positiven Zwischenkreispotential +U verbunden. Die Sekundärwicklung N2 des Transformators Tr ist an einen Diodengleichrichter Gr angeschlossen, der gleichspannungsseitig an der Zwischenkreisspannung UZrk hängt. Am Eingang des DC/DC-Wandlers W ist ein Koppelkondensator Cs und ein Widerstand Rv parallel geschaltet. Die Punkte bei den beiden Primärwicklungen N 1.1, N 1.2 des Transformators Tr bedeuten den Wicklungssinn.

Mit dieser Schaltungsanordnung wird eine Stromanstiegsbegrenzung (di/dt) und eine Spannungsanstiegsbegrenzung (du/dt) für die GTO-Thyristoren TP1, TN1 in geforderter Weise erreicht. Außerdem wird bei der Abkommutierung die Stromsteilheit an der jeweiligen Freilaufdiode DP1, DN1 begrenzt. Die Schaltung ist auch leerlauffest und sehr zuverlässig. Ihre Funktion ist leicht überprüfbar. Jedem GTO-Thyristor TP1, TN1 ist spezifisch eine du/dt Begrenzung in Form einer Entlastungsdiode dP1, dN1 und eines Entlastungskondensators CP1, CN1 zugeordnet.

Das Zeitdiagramm in Fig. 2a stellt die Spannungsverläufe an verschiedenen in Fig. 1 bezeichneten Meßpunkten der Schaltung dar. In den Zeitdiagrammen in Fig. 2b und 2c ist der Stromverlauf durch den Thyristor TN1 und die Freilaufdiode DP1, sowie an den Meßpunkten 1 + und 1-dargestellt. Die Fig. 2d zeigt den addierten Stromverlauf durch die beiden Entlastungskondensatoren CP1, CN1, der sich auf diese gleichmäßig aufteilt. Letztlich ist aus Fig. 2e der Verlauf des Stromes durch den Koppelkondensator Cs ersichtlich, wobei die, außer der schraffierten, unter der Kurve befindliche Fläche der in den Zwischenkreis rücktransformierbaren Energie entspricht.

Allgemeine Bemerkungen zur Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung: a) Die Schaltung für den Zweipunkt-Wechselrichterschaltpol ist in ihrer Funktion weitgehend symmetrisch, daher haben auch die Entsprechungen TN1 TP1, DP1 ** DN1, sowie invertierte Ausgangsspannung Gültigkeit. b) Folgende Annahme liegt der Funktionsbeschreibung zugrunde: Jeder Kondensator CP1, CN1 weist die Kapazität C/2 auf; Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L besitzt die Induktivität L. c) Zwecks einfacher Beschreibung ist der Ausgangsanschluß A in die Mitte der Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L gelegt. Punkt A nimmt somit Mittelpotential der an den Drosselenden (Punkte 1 + , 1-) liegenden Potentiale an. Im Normalfall ist bei praktischen Anwendungen der Anschluß A mit einem Drosselende 1 + oder 1- ident. An der Funktion der Schaltung ändert sich dabei nichts. d) Bei den in den Fig. 2a bis 2e gezeichneten Strom- und Spannungsverläufen wird die mit E bezeichnete Spannungsquelle als ideal angenommen. Diese Annahme ist auch bei Verwendung eines Transformators Tr, wie in Fig. 1 ersichtlich, voll gültig, wenn die Spannungsschwankungen am Koppelkondensator Cs - infolge nicht rücktransformierbarer Energie, verheizt in Rv - vernachiässigbar klein gegenüber der Spannung E sind. e) Schwellwertunterschiede werden vernachlässigt.

Beschreibung der Funktion der Schaltung bei einem vollen Schaltzyklus:

Annahme I < 0, d.h. der Ausgangsstrom fließt in den Zweipunkt-Wechselrichterschaltpol hinein.

Ausgangszustand: TN1 ein. Der Ausgang A ist an die Nullschiene gebunden. Die Punkte A, 1 + , 1- und 2- liegen auf Nullpotential. Der Punkt 2 + auf -E. 1. Schritt: TN1 aus. Der Thyristor TN1 schaltet "spannungslos" ab.

Teilvorgang 1): Spannungsanstieg an TN1 mit zulässigem du/dt. Der eingeprägte Laststrom (-I) fließt als i-i- in die Entlastungskondensatoren CP1, CN1. Die Punkte A, 1 + , 1-, 2+ und 2- bewegen sich mit konstantem du/dt = i/C gegen die Spannung + U. Der Vorgang endet, wenn der Punkt 1 + die Spannung + U erreicht und die Freilaufdiode DP1 eingreift.

Teilvorgang 2): ii+ beginnt über die Freilaufdiode DP1 anzusteigen. Die Punkte A, 1-, 2+ und 2-bewegen sich gebremst (nach einer "aufgesetzten” Sinusschwingung u = I· VL/C · sin (t/VL·C), wegen des einsetzenden ii+) weiter, bis der Punkt 2+ die Spannung +U erreicht. Die Entlastungsdiode dP1 greift ein und verhindert den weiteren Spannungsanstieg der Punkte 1- und 2- über (U + E), d.h. keine 3

Claims (4)

1. AT 399 068 B weitere Ladung der Entlastungskondensatoren CP1, CN1. Teilvorgang 3): Laststromübernahme durch die Freilaufdiode DP1 entsprechend der Beziehung di/dt = E/L. Der Strom ii - fließt vollständig gegen die Spannung E (E, dP1, + U, Last) und wird mit di/dt = E/L abgebaut, ii + nimmt entsprechend zu. Der Vorgang endet, wenn ii - = 0 und l· + = I. Die Punkte A und 1- gehen zurück auf das Potential +U. Der Punkt 2- bleibt gehalten von den Entlastungskondensatoren CP1, CN1 auf (U + E). Der Laststrom wird vollständig von der Freilaufdiode DP1 geführt.
2. 2. Schritt: TP1 ein. Da der Laststrom über die Freilaufdiode DP1 fließt, schaltet der Thyristor TP1 "funktionslos" ein. Es erfolgen keine Änderungen in der Schaltung.
3. 3. Schritt: TP1 aus. Der Laststrom fließt weiter über die Freilaufdiode DP1, wodurch der Thyristor TP1 "funktionslos" ausschalten kann. Es treten keine Änderungen in der Schaltung auf.
4. 4. Schritt: TN1 ein. Der Thyristor TN1 schaltet "ström- und spannungsios" ein. Teilvorgang 1): Laststromübernahme durch den Thyristor TN1 mit di/dt = U/L. Der Punkt 1- springt auf Potential 0. An der Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L liegt die volle Zwischenkreisspannung. Der Strom ii - nimmt mit di/dt = U/L zu, ii + nimmt entsprechend ab. Der Vorgang endet, wenn der Laststrom vollständig durch den Thyristor TN1 übernommen d.h. ii - = I, ii + = 0 ist. Teiivorgang 2): Umladung der über E bzw. Cs gekoppelten Entlastungskondensatoren CP1, CN1 über dP1, L und TN1 mit der Umschwingperiode T = 2tt*v'LC. Die Punkte 1 + und 2+ bewegen sich gemäß einer Sinusschwingung nach unten. Der Punkt 2- ist dabei um + E verschoben. Der Umschwingstrom ist dem Laststrom überlagert. Der Vorgang endet, wenn der Punkt 2-die Spannung 0 erreicht und die Entlastungsdiode dN1 eingreift. Es erfolgt keine weitere Umladung der Kondensatoren CP1 und CN1 mehr. Die Punkte 1 + und 2+ werden auf Potential -E gehalten. Teilvorgang 3): Abbau des überlagerten Umschwingstromes mit di/dt = E/L. Der in der Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L dem Laststrom überlagerte Umschwingstrom fließt über dN1 und dP1 als Kreisstrom gegen die Spannung E und wird mit di/dt = E/L abgebaut. Der Vorgang endet, wenn der Umschwingstrom den Wert 0 erreicht hat. Die Punkte A und 1 + springen auf Potential 0. Der Punkt 2 + bleibt gehalten von CN1 und CP1 auf Potential -E. Es ist somit der Ausgangszustand wieder erreicht. Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung für einen Zweipunkt-Wechselrichterschaltpol, welcher aus zwei in Serie geschalteten an einer Gleichspannung, vorzugsweise einer Zwischenkreisspannung, liegenden Thyristoren, insbesondere GTO-Thyristoren, besteht, wobei zwischen den beiden Thyristoren eine Stromanstiegsbegrenzungsdrossel mit vorzugsweise einer Mittelanzapfung, an der eine Last angeschlossen ist, vorgesehen ist und zu jedem Thyristor eine Freilaufdiode antiparallel, sowie eine Serienschaltung aus einer Entlastungsdiode und einem Entlastungskondensator parallel geschaltet ist, wobei jeweils ein Anschluß des Entlastungskondensators an einem Pol der Gleichspannung und an den jeweiligen Thyristor der gleichartige Pol der Entlastungsdiode angeschlossen ist, und in Serie mit den beiden Entlastungskondensatoren sowie über die Entlastungsdioden parallel zur Stromanstiegsbegrenzungsdrossel ein Kreis angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis die Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers (W) bildet, wobei der Ausgang des DC/DC-Wandlers (W) an der Gleichspannung, vorzugsweise der Zwischenkreisspannung (UZrk). angeschlossen ist. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der DC/DC-Wandler (W) aus einem Transformator (Tr) mit zwei Primär- (N 1.1, N 1.2) und einer Sekundärwicklung (N2) besteht, wobei die zwei gleichsinnigen Anschlüsse der Primärwicklungen (N 1.1, N 1.2) über je eine mit der Entlastungsdiode (dPl, dN1) gleichsinnig gepolte Rückspeisediode (dP1/1, dN1/1) mit je einer Eingangsklemme (2 +, 2-) des DC/DC-Wandlers (W) verbunden sind und daß die eine Primärwicklung (N 1.1) am positiven Gleichspannungspotential ( + U) und über eine Rückspeisediode (dN1/1) und eine Entlastungsdiode (dN1) an jenem Thyristor (TN1), der mit dem negativen Gleichspannungspotentiai (0) verbunden ist, angeschlossen ist und daß die andere Primärwicklung (N 1.2) am negativen Gleichspannungspotential (0) und über eine Rückspeisediode (dP1/1) und eine Entlastungsdiode (dP1) an jenem Thyristor (TP1), der mit dem positiven Gleichspannungspotential ( + U) verbunden ist, angeschlossen ist und daß die Sekundärwicklung (N2) des Dreiwicklungstransformators (Tr) mit der Wechselspannungsseite eines Vollweggleichrichters (Gr) verbunden ist, dessen Gleichspannungsanschlüsse die Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers (W) darstellen und daß am Eingang des DC/DC-Wandlers (W) ein Koppel- 4 AT 399 068 B kondensator (Cs) und ein Widerstand (Rv) parallel geschaltet ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 5