CH678133A5 - - Google Patents
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Description
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CH 678 133 A5
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Beschreibung
Technisches Gebiet
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer verlustarmen Beschallung an mindestens einem abschaltbaren Ventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-A1 3 513 239 bekannt ist. Dort ist ein Beschattungsnetzwerk zur Rückführung der Beschaltungsener-gie für Halbleiterschalter beschrieben, bei dem parallel zu jedem Halbleiterschalter eine Reihenschaltung aus einem Beschaltungskondensator und einer in gleicher Richtung wie der Halbleiterschalter gepolten Diode vorgesehen ist. Zwischen der Diode des einen Haibleiterschalters und der Anode eines weiteren Haibleiterschalters ist eine Drossel geschaltet. Über einen Halbleiterhilfsschalter ist ein Übertrager an das Beschaltungsnetzwerk angeschlossen, welcher mit einer Gleichspannungsquelle in Verbindung steht.
Aus der DE-Al 3 436 656 ist es bekannt, in Ventilzweigpaaren von Umrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis GTO-Thyristoren oder Leistungstransistoren mit dazu antiparallelen Freilaufdioden vorzusehen. Parallel zu jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter ist eine Reihenschaltung aus einem Abschaltentlastungskondensator und einer Abschaltentlastungsdiode mit gleicher Polung wie der abschattbare Leistungshalbleiter angeordnet. Es ist ein Übertrager vorgesehen, dessen Primärwicklung einerseits über eine Drosselspule mit dem Verbindungspunkt der beiden Abschaltentla-stungsdioden, andererseits über einen ersten Umschwingthyristor in Durchlassrichtung mit der Anode einer ersten Abschaltentlastungsdiode und über einen zweiten Umschwingthyristor entgegengesetzt der Durchlassrichtung mit der Kathode einer zweiten Abschaltentlastungsdiode verbunden ist Die Sekundärwicklung des Übertragers ist über eine ungesteuerte Gleichrichter-Brückenschaltung an die Zwischenkreisspannung angeschlossen. Die Drosselspule gibt die in ihr gespeicherte Um-schwingenergie über den Übertrager an den Gleichspannungszwischenkreis ab. GTO-Thyristor und Umschwingthyristor werden gleichzeitig mittels sogenannter Bedarfsimpulse gezündet, wenn der Laststrom so fliesst, dass der GTO-Thyristor beim Einschalten auch Strom übernehmen kann. Dieses Zündverfahren ist aufwendig, da der Laststrom gemessen werden muss.
GTO-Thyristoren benötigen Abschaltentla-stungskondensatoren, welche den im Abschaltzeitpunkt fliessenden Strom übernehmen. Da der Strom nicht extern, d.h. über die Anode, abgebaut wird, muss der Abschaltentlastungskondensator entsprechend gross sein. Der Mittelwert der jeweils im Abschaltentlastungskondensator gespeicherten Energie ist von der Abschaltfrequenz und der am Abschaltthyristor anliegenden Sperrspannung abhängig. Um insbesondere bei höheren Sperrspannungen und/oder Frequenzen einen guten Wirkungsgrad des Umrichters zu gewährleisten, muss die im Kondensator gespeicherte Energie durch geeignete Massnahmen rekuperiert werden.
Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die Schweizer Zeitschrift: Elektroniker 1 (1985), S. 41-50 verwiesen, aus der verlustarme Beschattungen für GTO-Thyristoren und Transistoren bekannt sind, die für die Beschattung einzelner abschaltbarer Ventile, wie z.B. für Chopperschal-tungen, geeignet sind. Für Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis können diese Beschallungen im allgemeinen nicht ohne weiteres übernommen werden, da durch die Art der Schaltungen gegenseitige Beeinflussungen der verlustarmen Beschallungen auftreten können, die einen ordnungsgemässen Betrieb des Umrichters verhindern bzw. nicht für alle Betriebspunkte gewährleisten.
Aus der EP-A1 0 134 508 ist eine Energiesparschaltung für GTO-Thyristoren bekannt bei welcher der Abschaltentlastungskondensator beim Einschalten des GTO-Thyristors über diesen einen Kippspannungsthyristor zwei Dioden und eine Drosselspule entladen wird. Beim Abschalten des GTO-Thyristors wird ein Teil der in der Drosselspule zwischengespeicherten Energie in eine Gleichspannungsquelle zurückgespeist.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine verlustarme Beschattung für mindestens ein abschaltbares Ventil anzugeben, die vielseitig auch für im Zusammenhang mit Chopper-Schaltungen bekannte verlustarme Beschattungen anwendbar ist, sofern im Um-schwingkreis ein steuerbares Ventil eingesetzt wird.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin dass der Laststrom nicht gemessen werden muss. Die Entlastung der Abschaltentlasfungskondensatoren kann nur zu gewissen vom Betriebszustand des abschaltbaren Ventils abgeleiteten Zeitpunkten erfolgen. Dadurch kann eine gegenseitige Beeinflussung mehrerer Beschattungen vermieden werden. Die gesamte verlustarme Beschattung kann wie eine Ein-zelbeschaltung eines abschattbaren Ventils behandelt werden. Der Betriebszustand des abschattbaren Ventils wird durch die Spannung am Umschwingthyristor erfasst. Es sind deshalb weder für das abschattbare Ventil noch für das Um-schwingventil Bedarfsimpulse erforderlich. Das Steuerverfahren für das Umschwingventil braucht nicht bekannt zu sein. Das Beschaltungsnetzwerk schaltet das Umschwingventil automatisch zum richtigen Zeitpunkt ein, nachdem das abschaltbare Ventil eingeschaltet wurde.
Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann durch entsprechende Dimensionierung von Bauelementen erreicht werden, dass der Zeitpunkt der Entladung des Abschaltentlastungs-kondensators solange verzögert wird, bis das abschaltbare Ventil, in dem der Umschwingstrom fliesst, voll den Laststrom führt. So können neben
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Abschaltverlusten auch die Einschaltverluste des abschaltbaren Ventils zusätzlich verringert werden.
Da das Beschaltungs-Netzwerk auf dem Potential des abschaltbaren Ventils liegt, ist es im Betrieb sehr zuverlässig.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispieien erläutert. Es zeigen:
Fig. t einen 3phasigen Wechselrichter zur Speisung einer Wechselstrommaschine mit abschaltbaren Ventilen in den Brückenzweigen und mit einer verlustarmen Beschaltung je Phase des Wechselrichters,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer verlustarmen Beschaltung gemäss Fig. 1 mit einem steuerbaren Umschwingventil und einem Übertrager zur Rekuperation der beim Abschalten des abschaltbaren Ventil gespeicherten Energie,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer verlustarmen Beschaltung gemäss Fig. 1 mit zwei steuerbaren Umschwingventilen und zwei Drosselspulen zur Rekuperation der beim Abschalten des abschaltbaren Ventils gespeicherten Energie sowie
Flg. 4 eine Steuerschaltung für ein steuerbares Umschwingventil gemäss den Fig. 2 und 3.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 bezeichnen 1 und 2 Gleichspannungsklemmen eines 3phasigen Wechselrichters 9, an dessen Eingangsgleichspannungen +Ud bzw. -Ud anliegen. Der Wechselrichter 9 ist Teil eines nicht dargestellten Umrichters mit Gleichspannungszwischenkreis, dem die Gleichspannung +Ud und -Ud von einem Gleichrichter des Umrichters eingeprägt wird.
Abschaltbare Ventile mit antiparallen Dioden bzw. rückwärtsleitende GTO-Thyristoren VI, V2 bzw. V3, V4 bzw. V5, V6 bilden drei Ventilzweigpaare des Wechselrichters 9, deren Wechselspannungsklemmen 3 einerseits mit verlustarmen Beschallungen 4 bzw. 4' und andererseits mit Speisewicklungen einer Wechselstrom- bzw. Drehstrommaschine 5 verbunden sind.
Fig. 2 zeigt die Schaltung einer verlustarmen Beschallung 4 in Verbindung mit den rückwärtsleitenden GTO-Thyristoren V1 und V2 gemäss Fig. 1. Parallel zu jedem rückwärtsleitenden GTO-Thyristor V1 bzw. V2 ist eine Reihenschaltung eines Abschalt-entlastungskondensators C1 bzw. C2 und einer Abschaltentlastungsdiode D1 bzw. D2 geschaltet, wobei die jeweilige Abschaltentlastungsdiode in gleicher Richtung wie der GTO-Thyristor gepolt ist. Ein Transformator bzw. Übertrager Tr ist mit seiner Primärwicklung P einerseits mit der Kathode der Abschaltentlastungsdiode D2 und andererseits mit der Anode eines Umschwingthyristors T1 elektrisch verbunden, welcher kathodenseitig an die Anode der Abschaltentlastungsdiode DI angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung S des Übertragers Tr ist über eine ungesteuerte Gleichrichter-Brückenschaltung mit Dioden D3-D6 an die Gleichspannungsklemmen 1 und 2 mit der Zwischenkreisgleich-spannung +Ud und —Ud angeschlossen. Der Umschwingthyristor T1 ist an eine näher In Verbindung mit Fig. 4 erläuterte Steuerschaltung 6 angeschlossen.
Flg. 3 zeigt die Schaltung einer anderen verlustarmen Beschaltung 4' in Verbindung mit den rückwärtsleitenden GTO-Thyristoren V1 und V2 gemäss Fig. 1. Wie bei der Beschaltung 4 ist parallel zu jedem rückwärtsleitenden GTO-Thyristor V1 und V2 eine Reihenschaltung eines Abschaltentlastungs-kondensators C1 bzw. C2 mit einer Abschaltentlastungsdiode D1 bzw. D2 geschaltet, wobei die jeweilige Abschaltentlastungsdiode in gleicher Richtung wie der GTO-Thyristor gepolt ist. Zusätzlich ist parallel zu jedem GTO-Thyristor V1 und V2 eine Reihenschaltung eines zweiten Kondensators C3 bzw. C4 und einer zweiten Diode D7 bzw. D8 geschaltet, wobei die jeweilige Diode in entgegengesetzter Richtung wie der GTO-Thyristor gepolt ist.
Eine erste Drosselspule L1 ist einerseits mit der Kathode der Diode D8 und andererseits mit der Anode eines ersten Umschwingthyristors T1 elektrisch verbunden, welcher kathodenseitig an die Anöde der Abschaltentlastungsdiode D1 angeschlossen ist. Eine zweite Drosselspule L2 ist einerseits mit der Kathode der Diode D2 und andererseits mit der Anode eines zweiten Umschwingthyristors T2 elektrisch verbunden, welcher kathodenseitig an die Anode der Diode D7 angeschlossen ist. Die Um-schwingthyristoren T1 und T2 sind je an eine Steuerschaltung 6 angeschlossen.
Die in Fig. 4 dargestellte Steuerschaltung 6 weist einen ohmschen Widerstand R1 auf, der einerseits mit der Anode A des Umschwingthyristors T1 bzw. T2 und andererseits über eine Reihenschaltung eines Kippspannungsthyristors bzw. eines sogenannten BOD-Elementes 7 einer Diode D9 und eines Kondensators C6 mit der Kathode K des Umschwingthyristors verbunden ist. Parallel zu dem Kippspannungsthyristor 7, der bei einer vorgebbaren Kippspannung U7 leitend wird, ist als Beschallung ein Kondensator C5 vorgesehen. Der Kippspannungsthyristor 7 und die Diode D9 sind gleich gepolt, wobei die Kathode der Diode D9 einerseits mit dem Kondensator C6 und andererseits über eine Reihenschaltung einer Zweiwegschaltdiode bzw. eines Dlac 8 und eines ohmschen Widerstandes R2 mit der Steuer- bzw. Zündelektrode des Umschwingthyristors elektrisch verbunden ist. Der Dîac 8 wird bei einer vorgebbaren Durchbruch-spannung U8 leitend. Die Steuerelektrode des Umschwingthyristors T1 ist über einen ohmschen Widerstand R3 als Gatebeschaltung mit dessen Kathode K elektrisch verbunden.
Nachfolgend soll die Funktionsweise der erfin-dungsgemässen Lösung anhand der Ausführungsbeispiele erläutert werden.
Die Steuerschaltung 6 erfasst die Anoden-Ka-thodenspannung UT1, die am Umschwingthyristor T1 anliegt. Entsteht an diesem eine positive Anoden-Kathodenspannung UT1, so wird die Steuerschaltung 6 aktiviert. Der in Reihe zum Widerstand R1 liegende Kondensator C6 wird, sofern die Spannung
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am ebenfalls in Reihe liegenden Kippspannungsthy-ristor 7 die Kippspannung U7 überschreitet, aufgeladen gemäss einer Zeitkonsfante X = 1/(R1 ■ C6), wobei der Einfachheit halber mit R1 der Widerstandswert des Widerstandes R1 und mit Û6 der Kapazitätswert des Kondensators C6 bezeichnet ist. Durch geeignete Dimensionierung von R1 und C6 kann dafür gesorgt werden, dass ein Umschwing-strom erst dann fliessen kann, wenn der GTO-Thyri-stor bereits den Laststrom führt. Dadurch können Einschaltverluste des GTO-Thyristors verringert werden.
Die mit dem Kippspannungsthyristor 7 realisierte Triggerschwelle gewährleistet einerseits eine Eliminierung von transient auftretenden Spannungen und andererseits, dass die Spannung am GTO-Thy-ristor einen gewissen minimalen Wert unterschritten haben muss, d.h., dass der GTO-Thyristor bereits fast voll leitend ist, bevor die Steuerschaltung aktiviert wird. Erreicht die Spannung am Kondensator 06 die Durchbruchspannung U8 des Diac 8, so zündet dieser, und der Umschwingthyristor erhält einen Zündimpuls. Durch entsprechende Dimensionierung von R1 und C6 wird sichergestellt, dass der entsprechende GTO-Thyristor dann voll leitend ist. Dies bedeutet, dass im Umschwingkreis kein Widerstand mehr vorhanden ist, da am GTO-Thyristor in diesem Zustand keine Spannung mehr anliegt, welche dem Abschaltentlastungskondensator entgegenwirkt.
Dadurch wird gewährleistet, dass die Entladung des Abschaltentlastungskondensators C1 bzw. C2 vollständig möglich ist.
Der Widerstand R2 begrenzt den Strom im Diac 8. Die Diode DS sorgt dafür, dass die Steuerschaltung 6 nur bei positiv anliegender Spannung wirksam werden kann.
Bei der Beschaltung 4 gemäss Fig. 2 erfolgt das Umschwingen bzw. die Entladung der Abschaltentla-stungskondensatoren C1 bzw. C2 über die Bauelemente: C1, V1, D2, Tr, T1 bzw. C2, Tr, T1, D1, V2.
Bei der Beschaltung 4' gemäss Fig. 3 erfolgt das Umschwingen der Abschaltentlästungskondensato-ren G1 bzw. 02 über die Bauelemente: C1, Vi, G4, L1,T1 bzw. 02, L2, T2, C3, V2.
Es versteht sich, dass anstelle der GTO-Thyristoren auch Leistungstransistoren, z.B. MOS-Feldeffekttransistoren, und anstelle des Kippspan-nungsthyristors 7 und/oder anstelle des Diac 8 auch z.B. Zenerdioden verwendet werden können. Wichtig ist, dass die Anoden-Kathodenspannung UT1 des Umschwingventils T1 auf Überschreiten mindestens eines Spannungsgrenzwertes detek-fiert wird und dass in Abhängigkeit von einer Grenz-wertüberschreitung das Umschwingventil T1 eingeschaltet bzw. gezündet wird.
Claims (7)
1. Verlustarme Beschaltung an mindestens einem abschaltbaren Ventil (V1-V6), insbesondere für GTO-Thyristoren und Leistungstransistoren, bei der dem Ventil (V1-V6) eine Umschwingschaltung (01, V1, D2, Tr, T1 ; C2, Tr, T1, D1, V2; Ct, V1, C4, L1, T1; G2, L2, T2, C3, V2) mit mindestens einem steuerbaren Umschwingventil (T1, T2) zugeordnet ist, welches mit mindestens einem Spannungsdetektor (7, 8) in Wirkverbindung steht, der die am Umschwingventil anliegende Ventilspannung (UTl) de-tektiert und ein Einschaltsignal an das Umschwingventil liefert, wenn diese Ventilspannung einen vorgebbaren Spannungs-Grenzwert (U8) überschreitet, wobei der mindestens eine Spannungsdetektor (7, 8) mit einem Zeitglied (Rt, C6) mit vorgebbarer Zeitkonstante (x) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spannungsdetektor ein Kippspannungselement (7, 8) mit vorgebbarer Kippspannung (U7, U8) ist, das bei Erreichen der Kippspannung leitend wird.
2. Verlustarme Beschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Spannungsdetektor (7) mit einem vorgebbaren ersten Spannungsgrenzwert (U7) vorgesehen ist, der eingangs-seitig mit einer ersten Potentialseite (A) des Umschwingventils (T1, T2) und ausgangsseitig über einen zweiten Spannungsdetektor (8) mit einem vorgebbaren zweiten Spannungsgrenzwert (U8) mit einer Steuerelektrode des Umschwingventils in Wirkverbindung steht.
3. Verlustarme Beschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spannungsdetektor (7) eingangsseitig über mindestens einen ersten Widerstand (R1) mit der ersten Potentialseite (A) des Umschwingventils (TI, T2) und ausgangsseitig über mindestens einen ersten Kondensator (C6) mit einer zweiten Potentialseite (K) des Umschwingventils in Wirkverbindung steht.
4. Verlustarme Beschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spannungsdetektor ein Kippspannungsthyristor (7) ist, zu dem ein Kondensator (C5) parallelgeschaltet ist.
5. Verlustarme Beschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannungsdetektor eine Zweiwegschaltdi-ode mit vorgebbarer Durchbruchspannung (U8) oder eine Zenerdiode (8) ist.
6. Verlustarme Beschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannungsdetektor (8) über einen Widerstand (R2) mit einer Steuerelektrode des Umschwingventils (T1, T2), über einen bzw. den ersten Kondensator (C6) mit einer bzw. der zweiten Potentialselte (K) des Umschwingventils und über eine Diode (D9) mit dem ersten Spannungsdetektor (7) in Wirkverbindung steht.
7. Verlustarme Beschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der mindestens erste und zweite gleichgepolte, abschaltbare Ventile (V1, V2; V3, V4; V5, V6) mit jeweils antiparallelen Freilaufventilen in Reihe geschaltet und als Ventilzweigpaar an Gleichspannungsklemmen (1, 2) angeschlossen sind, bei der ferner parallel zu jedem abschaltbaren Ventil (VI, V2) eine Reihenschaltung aus einem Abschaltentlastungskondensator (C1, C2) und einer in gleicher Richtung wie das abschaltbare Ventil gepolten Abschaltentlastungsdiode (D1, D2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu jedem abschaltbaren Ventil (VI, V2) eine weitere Reihenschaltung aus einem zweiten Kondensator (C3, C4)
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und einer antiparallel zum abschaltbaren Ventil gepolten zweiten Diode (D7, D8) vorgesehen ist, dass eine erste Drosselspule (L1) vorgesehen ist, die einerseits über ein erstes Umschwingventil (T1) mit dem elektrischen Verbindungspunkt von Abschaltentlastungskondensator (C!) und Abschaltentlastungsdiode (D1) des ersten abschaltbaren Ventils (V1) und andererseits mit dem elektrischen Verbindungspunkt von zweitem Kondensator (C4) und zweiter Diode (D8) des zweiten abschaltbaren Ventils (V2) in Wirkverbindung steht, und dass eine zweite Drosselspule (L2) vorgesehen ist, die einerseits über ein zweites Umschwingventil (T2) mit dem elektrischen Verbindungspunkt von Abschaltentlastungskondensator (C2) und Abschaltentlastungsdiode (D2) des zweiten abschaltbaren Ventils (V2) und andererseits mit dem elektrischen Verbindungspunkt von zweitem Kondensator (C3) und zweiter Diode (D7) des ersten abschaltbaren Ventils (V1) in Wirkverbindung steht (Fig. 3).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |