CH703022A2

CH703022A2 - Schaltung für einen Multilevel-Umrichter mit Thyristor-Umschaltung.

Info

Publication number: CH703022A2
Application number: CH00613/10A
Authority: CH
Inventors: Ralph Niederer
Original assignee: Ralph Niederer
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2011-10-31
Also published as: WO2011134092A2; WO2011134092A3

Abstract

Diese Schaltung für einen Multilevel-Umrichter besteht aus einzelnen Zellen, welche aus einem Zwischenkreiskondensator, sowie für jede Phase aus 2 Halbleiterschaltern (S1N, S1P, S2N, S2P), 2 Freilaufdioden (D1N, D1P, D2N, D2P) und 2 Thyristoren (T1P, T1N, T2P, T2N) besteht. Die Zwischenkreise der Zellen werden in Serie zusammengeschaltet, die zu einer Phase gehörenden Thyristoren aller Zellen sind zusammengeschaltet und bilden den Phasenausgang des Umrichters. Bei jeder Phase ist jeweils ein Thyristor eingeschaltet, welcher so die für diese Phase aktive Zelle auswählt. Um das Umschalten der Thyristoren zu ermöglichen, wird eine zusätzliche Spannungsquelle benötigt.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Anwendungsgebiete sind zum Beispiel Umrichter in der Antriebstechnik oder in der Stromversorgung. Zur Erhöhung der Spannung und Reduktion der Oberwellen der Umrichter können Mehr-Punkt-Umrichter (Multilevel-Umrichter) eingesetzt werden.

Stand der Technik

[0002] Die üblicherweise in Umrichtern eingesetzten Schaltungstopologien lassen sich grob in 3 Kategorien einteilen, nämlich in Spannungszwischenkreis-Umrichter, Stromzwischenkreis-Umrichter und Direktumrichter.

[0003] Die Spannungszwischenkreis-Umrichter lassen sich unterteilen in die Anzahl Zustände, in welche jede Umrichterphase geschaltet werden kann. Bei einem Zweipunkt-Umrichter kann jede Umrichterphase in 2 unterschiedliche Zustände geschaltet werden (+ und -). Bei einem Multilevel-Umrichter kann jede Umrichterphase in mehr als 2 unterschiedliche Zustände geschaltet werden, so zum Beispiel beim Dreipunkt-Umrichter in 3 unterschiedliche Zustände (+, 0 und -).

[0004] Typische Vertreter der Multilevel-Umrichter sind der Neutral-Point-Clamped-Umrichter (NPC), der Flying-Capacitor-Umrichter, der kaskadierte H-Brücken-Umrichter (CHB) sowie der modulare Multilevel-Umrichter (M2C).

[0005] Bei diesen Multilevel-Schaltungstopologien fliesst der Strom jeder Umrichterphase durch mehrere Halbleiterschalter (d.h. durch abschaltbare Leistungshalbleiter wie z.B. IGBT, IGCT, GTO oder MOSFET) oder Freilaufdioden (d.h. schnellschaltende Dioden).

[0006] Dabei fliesst der Strom durch umso mehr Halbleiterschalter oder Freilaufdioden, je mehr Level eine Schaltung aufweist.

[0007] Eine Übersicht über die bekannten Multilevel-Umrichter ist zum Beispiel in der Publikation «Diode-clamped Multilevel Voltage Source Converter for Medium Voltage Dynamic Voltage Restorer» von P. Boonchiam und N. Mithulananthan zu finden.

Darstellung der Erfindung

[0008] Die Schaltung gemäss dieser Erfindung besteht aus mindestens 2 seriegeschalteten Zellen. Jede Zelle kann eine oder mehrere Umrichterphasen aufweisen, welche parallel am gleichen Zwischenkreiskondensator angeschlossen sind.

[0009] Jede Zelle besteht aus einem Zwischenkreiskondensator bzw. einer Gleichspannungsquelle und pro Stromrichtung und Phase aus je einem abschaltbaren Halbleiter, einer Freilaufdiode (schnelle Diode) und einem Thyristor.

[0010] Die für jede Phase aktive Zelle wird durch das Thyristor-Netzwerk an den Phasenanschluss des Umrichters geschaltet.

[0011] Die entsprechenden Thyristoren werden nur mit der Grundfrequenz des Phasenstromes geschaltet.

[0012] Da die Thyristoren nicht aktiv abgeschaltet werden können, wird zum Umschalten der Thyristoren eine zusätzliche Spannungsquelle, die Kommutierungs-Spannungsquelle, verwendet.

[0013] Für eine 3-Punktschaltung werden 2 solche Zellen seriegeschaltet, für eine 5-Punkt-Schaltung werden 4 solche Zellen seriegeschaltet.

[0014] In der Schaltung gemäss dieser Erfindung fliesst der Strom jeder Umrichterphase nur durch einen Halbleiterschalter (abschaltbarer Leistungshalbleiter) oder eine Freilaufdiode (schnelle Diode) sowie durch einen Thyristor.

[0015] Die Durchlassverluste der Thyristoren sind deutlich geringer als jene der Halbleiterschalter oder Freilaufdioden. Aus diesem Grund weist die Schaltungstopologie gemäss dieser Erfindung deutlich tiefere Durchlassverluste als die bisher bekannten Schaltungstopologien auf.

[0016] Da die Schaltverluste gegenüber den bisherigen Schaltungstopologien unverändert bleiben, weisst die Schaltung gemäss dieser Erfindung insgesamt geringere Halbleiterverluste auf.

[0017] Damit verbessert sich der Wirkungsgrad des Umrichters und die Kosten für die Halbleiter und ihre Kühlung werden reduziert.

[0018] Ein weiterer Vorteil der Schaltung gemäss dieser Erfindung besteht darin, dass bei den Schaltvorgängen der Halbleiterschalter jeweils nur ein Halbleiterschalter und eine Freilaufdiode innerhalb der gleichen Zelle beteiligt sind.

[0019] Deshalb müssen jeweils nur die Phasen innerhalb einer Zelle niederinduktiv aufgebaut sein, und nicht die komplette Schaltung wie beim Neutral-Point-Clamped-Umrichter (NPC) oder dem Flying-Capacitor-Umrichter. Dies reduziert die Anforderungen an den mechanischen Aufbau der Schaltung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0020] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

[0021] In allen Figuren sind die Halbleiterschalter als IGBTs dargestellt, stellvertretend für irgendeinen Typ von abschaltbarem Halbleiterelement (IGBT, IGCT, GTO oder MOSFET).

[0022] Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>Das Schaltschema einer Zelle für eine Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen für die erfindungsgemässe Schaltung; <tb>Fig. 2<sep>Das Schaltschema einer Zelle für eine Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen, wobei die Anschlüsse der Halbleiterschalter für beide Stromrichtungen miteinander verbunden sind; <tb>Fig. 3<sep>Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Dreipunkt-Schaltung für eine Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen; <tb>Fig. 4<sep>Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Dreipunkt-Schaltung für eine Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen mit zusätzlichen Hilfskommutierungs-Schaltungen; <tb>Fig. 5<sep>Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Fünfpunkt-Schaltung für eine Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen, mit einem sternförmigen Thyristor-Netzwerk; <tb>Fig. 6<sep>Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Fünfpunkt-Schaltung für eine Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen, mit einem kettenförmigen Thyristor-Netzwerk; <tb>Fig. 7<sep>Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Dreipunkt-Schaltung für eine Umrichterphase mit einem Laststromwinkel von 0 Grad; <tb>Fig. 8<sep>Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Dreipunkt-Schaltung für eine Umrichterphase mit einem Laststromwinkel von 180 Grad;

Ausführung der Erfindung

[0023] Die Schaltungstopologie gemäss dieser Erfindung besteht aus mehreren Zellen. Jede Zelle kann eine oder mehrere Umrichterphasen aufweisen, welche parallel am gleichen Zwischenkreiskondensator angeschlossen sind.

[0024] Eine Zelle besteht aus einem Zwischenkreiskondensator (CZK), dessen Spannung als weitgehend konstant betrachtet werden kann, sowie pro Umrichterphase und jede ihrer Stromrichtungen aus einem abschaltbaren Halbleiter (SP bzw. SN), einer Freilaufdiode (DP bzw. DN) und einem Thyristor (TP bzw. TN).

[0025] Die Stromrichtung, welche aus einer Zelle hinausführt, wird als positiv bezeichnet.

[0026] Eine Zelle, welche für eine Phase und beide Stromrichtungen ausgelegt ist, ist in Zeichnung 1dargestellt.

[0027] Die Zelle gemäss Fig. 1verhält sich wie folgt:

[0028] Bei positivem Phasenstrom leitet TP. TN ist gesperrt.

[0029] SP taktet, d.h. wird ein- und ausgeschaltet, und schaltet somit den Phasenanschluss AC auf CZK+ oder CZK-. Während SP ausgeschaltet ist, fliesst der Phasenstrom durch DP.

[0030] Bei negativem Phasenstrom leitet TN. TP ist gesperrt.

[0031] SN taktet, d.h. wird ein- und ausgeschaltet, und schaltet somit den Phasenanschluss AC auf CZK+ oder CZK-. Während SN ausgeschaltet ist, fliesst der Strom durch DN.

[0032] Fig. 2 zeigt eine Zelle mit gleichen Eigenschaften wie die Zelle gemäss Fig. 1, wobei die Anschlüsse der Halbleiterschalter für die beiden Stromrichtungen miteinander verbunden sind.

[0033] Um eine Multilevel-Schaltung zu erhalten, werden nun mehrere solche Zellen zusammengeschaltet.

[0034] Die Zwischenkreiskondensatoren werden in Serie verbunden, allerdings nicht direkt, sondern über die Kommutierungs-Spannungsquelle (UK), welche entgegengesetzt zu den Zwischenkreiskondensatoren gepolt ist. Dadurch werden die Zwischenkreiskondensatoren um die Spannung UK versetzt, um dadurch die Kommutierung (das heisst das Umschalten) der Thyristoren zu ermöglichen. Das ist notwendig, weil die Thyristoren nicht über ein Steuersignal, sondern nur mithilfe einer negativen Anoden-Kathoden-Spannung gelöscht werden können.

[0035] Die Kommutierungs-Spannungsquelle weist eine relativ geringe Gleichspannung (z.B ca. 20 V auf).

[0036] Die Thyristoren der jeweils gleichen Umrichterphase von allen Zellen werden direkt oder über weitere Thyristoren miteinander verbunden und ergeben so den Phasenanschluss des Umrichters für jede Phase.

[0037] Für jede Umrichterphase ist jeweils der Thyristor einer einzigen Zelle leitend. So wird die für diese Umrichterphase aktive Zelle ausgewählt. Über den leitenden Thyristor wird, abhängig vom Zustand des Halbleiterschalters der aktiven Zelle, entweder das Minus- oder das Plus-Potential des Zwischenkreiskondensators der aktiven Zelle auf den Phasenanschluss geschaltet.

[0038] Fig. 3 zeigt eine entsprechende Anordnung mit 2 Zellen für eine Phase. Diese Schaltung entspricht einer 3-Punktschaltung, da der Phasenanschluss wahlweise an die Zwischenkreispotentiale CZK1+, CZK1-, CZK2+ oder CZK2- geschaltet werden kann, wobei die Potentiale CZK1- und CZK2+ nur eine kleine Differenz (entsprechend der Kommutierungs-Hilfsspannung) aufweisen.

[0039] Für die Funktionsweise der erfindungsgemässen Schaltung ist es wichtig, dass die Thyristoren von einer aktiven Zelle auf eine benachbarte Zelle umgeschaltet (kommutiert) werden können.

[0040] Im Folgenden sind deshalb diese Umschaltvorgänge der Thyristoren zur Auswahl der aktiven Zelle in Detail beschrieben. Diese Umschaltvorgänge verlaufen für verschiedene Phasenanschlüsse jeweils unabhängig voneinander.

[0041] Dabei sind 4 mögliche Umschaltvorgänge zu betrachten, die Beschreibungen beziehen sich auf die beispielhafte Darstellung in Fig. 3:

[0042] Kommutierung von Zelle 1 zu Zelle 2 bei positivem Phasenstrom: Thyristor T1P leitet, alle anderen Thyristoren sperren. Der Halbleiterschalter S1P taktet.

[0043] S1P schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D1P.

[0044] Der Halbleiterschalter S2P und der Thyristor T2P werden eingeschaltet.

[0045] Thyristor T1P wird durch den Stromkreis S2P - T2P - T1P - D1P - UK1 abkommutiert und schaltet aus.

[0046] Jetzt leitet Thyristor T2P, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2P taktet.

[0047] Kommutierung von Zelle 1 zu Zelle 2 bei negativem Phasenstrom: Thyristor T1N leitet, alle anderen Thyristoren sperren. Der Halbleiterschalter S1N taktet.

[0048] S1N schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D1N. Der Thyristor T2N wird eingeschaltet.

[0049] Thyristor T1N wird durch den Stromkreis D1N -T1N -T2N - D2N - UK1 - CZK1 abkommutiert und schaltet aus.

[0050] Jetzt leitet Thyristor T2N, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2N taktet.

[0051] Kommutierung von Zelle 2 zu Zelle 1 bei positivem Phasenstrom: Thyristor T2P leitet, alle anderen Thyristoren sperren. Der Halbleiterschalter S2P taktet.

[0052] S2P schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D2P. Der Thyristor T1P wird eingeschaltet.

[0053] Thyristor T2P wird durch den Stromkreis D1P - T1P - T2P - D2P - CZK2 - UK1 abkommutiert und schaltet aus.

[0054] Jetzt leitet Thyristor T1P, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S1P taktet.

[0055] Kommutierung von Zelle 2 zu Zelle 1 bei negativem Phasenstrom: Thyristor T2N leitet, alle anderen Thyristoren sperren. Der Halbleiterschalter S2N taktet.

[0056] S2N schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D2N. Der Halbleiterschalter S1N und der Thyristor T1N werden eingeschaltet. Thyristor T2N wird durch den Stromkreis D2N - T2N - T1N - S1N - UK1 abkommutiert und schaltet aus.

[0057] Jetzt leitet Thyristor T2N, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2N taktet.

[0058] Die bisher beschriebenen Kommutierungsvorgänge weisen für die Thyristoren 2 unterschiedliche Kommutierungsspannungen auf. Je nach Kommutierungsvorgang beträgt die Kommutierungsspannung UK1 oder (CZK1 - UK1) bzw. (CZK2 - UK1). Da die Kommutierungsspannung das Schaltverhalten der Thyristoren beeinflusst, kann es unerwünscht sein, die Spannung (CZK1 - UK1) (bzw. CZK2 - UK1) als Kommutierungsspannung zu verwenden, denn diese ist erheblich höher als die eigentliche Kommutierungsspannung UK1.

[0059] Mit zwei zusätzlichen Kommutierungs-Hilfsschaltungen kann erreicht werden, dass für alle Kommutierungsvorgänge die gleiche Kommutierungsspannung wirksam ist. Die Schaltung mit 2 Zellen und den beiden zusätzlichen Kommutierungs-Hilfsschaltungen ist in Fig. 4 dargestellt.

[0060] Die beiden Kommutierungs-Hilfsschaltungen werden durch die Spannungsquellen UK11 und UK12 gespeist, welche sinnvollerweise etwa die gleiche Spannung wie UK1 aufweisen.

[0061] Die Schalter SK11 bzw. SK12 sind abschaltbare Leistungshalbleiter.

[0062] SK11 und SH2 sind normalerweise gesperrt, sie werden nur während dem entsprechenden Kommutierungsvorgang kurzzeitig eingeschaltet.

[0063] Die Dioden DK11, DK12, DK13 und DK14 dienen dazu, die Spannungsbeanspruchung der Halbleiterschalter SK11 bzw. SK12 auf Spannungen entsprechend den Spannungsquellen UK11 bzw. UK12 zu begrenzen.

[0064] Im Folgenden sind die Umschaltvorgänge der Thyristoren unter Berücksichtigung der Kommutierungs-Hilfsschaltungen beschrieben.

[0065] Dabei sind 4 mögliche Umschaltvorgänge zu betrachten, die Beschreibungen beziehen sich auf die beispielhafte Darstellung in Fig. 4:

[0066] Kommutierung von Zelle 1 zu Zelle 2 bei positivem Phasenstrom: SK11 und SK12 sperren während dem gesamten Kommutierungsvorgang, d.h die Kommutierungs-Hilfsschaltungen sind nicht aktiv. Die Kommutierung läuft ab wie zuvor beschrieben: Thyristor T1P leitet, alle anderen Thyristoren sperren. Der Halbleiterschalter S1P taktet.

[0067] S1P schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D1P.

[0068] Der Halbleiterschalter S2P und der Thyristor T2P werden eingeschaltet.

[0069] Thyristor T1P wird durch den Stromkreis S2P - T2P - T1P - D1P - UK1 abkommutiert und schaltet aus.

[0070] Jetzt leitet Thyristor T2P, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2P taktet.

[0071] Kommutierung von Zelle 1 zu Zelle 2 bei negativem Phasenstrom: Thyristor T1N leitet, alle anderen Thyristoren sperren. Der Halbleiterschalter S1N taktet.

[0072] Dann bleibt S1N eingeschaltet, womit der Phasenstrom durch S1N fliesst.

[0073] Thyristor T2N und der Kommutierungs-Halbleiterschalter SK12 werden eingeschaltet.

[0074] Thyristor T1N wird durch den Stromkreis S1N - T1N - T2N - DK13 - SK12 - UK12 -

[0075] UK1 abkommutiert und schaltet aus.

[0076] Jetzt leitet Thyristor T2N, alle anderen Thyristoren sperren.

[0077] Kommutierungs-Halbleiterschalter SK12 wird ausgeschaltet und Halbleiterschalter S2N taktet.

[0078] Kommutierung von Zelle 2 zu Zelle 1 bei positivem Phasenstrom: Thyristor T2P leitet, alle anderen Thyristoren sperren. Der Halbleiterschalter S2P taktet.

[0079] Dann bleibt S2P eingeschaltet, womit der Phasenstrom durch S2P fliesst. Thyristor T1P und der Kommutierungs-Halbleiterschalter SK11 werden eingeschaltet. Thyristor T2P wird durch den Stromkreis SK11 - DK11 - T1P - T2P - S2P - UK11 abkommutiert und schaltet aus.

[0080] Jetzt leitet Thyristor T1P, alle anderen Thyristoren sperren.

[0081] Kommutierungs-Halbleiterschalter SK11 wird ausgeschaltet und Halbleiterschalter S1P taktet.

[0082] Kommutierung von Zelle 2 zu Zelle 1 bei negativem Phasenstrom: SK11 und SK12 sperren während dem gesamten Kommutierungsvorgang, d.h. die Kommutierungs-Hilfsschaltungen sind nicht aktiv. Die Kommutierung läuft ab wie zuvor beschrieben: Thyristor T2N leitet, alle anderen Thyristoren sperren. Der Halbleiterschalter S2N taktet.

[0083] S2N schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D2N. Der Halbleiterschalter S1N und der Thyristor T1N werden eingeschaltet. Thyristor T2N wird durch den Stromkreis D2N - T2N - T1N - S1N - UK1 abkommutiert und schaltet aus.

[0084] Jetzt leitet Thyristor T2N, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2N taktet.

[0085] Die Fig. 2, 3 und 4zeigen das neue Schaltungskonzept in einer Ausführung mit 2 Zellen. Dies entspricht der sogenannten Dreipunkt-Schaltungen. Sinngemäss können auf diese Weise Schaltungen mit einer beliebigen Anzahl Zellen und Phasen ausgeführt werden.

[0086] Das Zusammenschalten der Phasenanschlüsse der einzelnen Zellen kann durch unterschiedliche Thyristor-Netzwerke realisiert werden. Die Wahl des geeigneten Netzwerkes hängt vor allem von der Spannungsauslegung ab. Grundsätzlich sinnvoll ist ein sternförmiges Netzwerk oder ein kettenförmiges Netzwerk.

[0087] Fig. 5 zeigt beispielshaft eine Schaltung mit 4 Zellen, 3 Phasen und einem sternförmigen Thyristor-Netzwerk. Der besseren Übersicht wegen sind die Kommutierungs-Hilfsschaltungen gemäss Fig. 4 nicht gezeichnet.

[0088] Fig. 6 zeigt beispielshaft eine Schaltung mit 4 Zellen, 3 Phasen und einem kettenförmigen Thyristor-Netzwerk. Der besseren Übersicht wegen sind die Kommutierungs-Hilfsschaltungen gemäss Fig. 4 nicht gezeichnet.

[0089] Bei dieser Anordnung der Thyristoren werden diese nur durch die Spannung entsprechend einer einzelnen Zelle beansprucht.

[0090] Abhängig vom Winkel des Phasenstromes gegenüber der Phasenspannung (cos phi) müssen nicht alle Halbleiter in allen Zellen bestückt sein.

[0091] Fig. 7 zeigt beispielshaft eine Schaltung mit 2 Zellen und 1 Phase, für einen Phasenstrom mit einem Winkel von 0 Grad zur Phasenspannung (cos phi = 1).

[0092] Der besseren Übersicht wegen sind die Kommutierungs-Hilfsschaltungen gemäss Fig. 4nicht gezeichnet.

[0093] Fig. 8 zeigt beispielshaft eine Schaltung mit 2 Leveln und 1 Phase, für einen Phasenstrom mit einem Winkel von 0 Grad zur Phasenspannung (cos phi = -1). Der besseren Übersicht wegen sind die Kommutierungs-Hilfsschaltungen gemäss Fig. 4nicht gezeichnet.

Bezeichnungsliste

[0094] <tb>CZK<sep>Zwischenkreiskondensator einer Zelle <tb>CZK1, CZK2, CZK3, CZK4<sep>Zwischenkreiskondensator der Zelle 1, Zelle 2, usw. <tb>DK11, DK12, DK13, DK14<sep>Dioden der Kommutierungs-Hilfsschaltungen <tb>DN<sep>Freilaufdiode für negativen Phasenstrom <tb>D1N, D2N, D3N, D4N<sep>Freilaufdiode für negativen Phasenstrom der Zelle 1, Zelle 2, usw. <tb>D1RN, D1SN, D1TN<sep>Freilaufdiode der Zelle 1 für negativen Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>D2RN, D2SN, D2TN<sep>Freilaufdiode der Zelle 2 für negativen Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>DP<sep>Freilaufdiode für positiven Phasenstrom <tb>D1P, D2P, D3P, D4P<sep>Freilaufdiode für positiven Phasenstrom der Zelle 1, Zelle 2, usw. <tb>D1RP, D1SP, D1TP<sep>Freilaufdiode der Zelle 1 für positiven Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>D2RP, D2SP, D2TP<sep>Freilaufdiode der Zelle 2 für positiven Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>SK11, SK12<sep>Halbleiterschalter für die Kommutierungs-Hilfsschaltung <tb>SN<sep>Halbleiterschalter für negativen Phasenstrom <tb>S1N, S2N, S3N, S4N<sep>Halbleiterschalter für negativen Phasenstrom der Zelle 1, Zelle 2, usw <tb>S1RN, S1SN, S1TN<sep>Halbleiterschalter der Zelle 1 für negativen Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>S2RN, S2SN, S2TN<sep>Halbleiterschalter der Zelle 2 für negativen Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>SP<sep>Halbleiterschalter für positiven Phasenstrom <tb>S1P, S2P, S3P, S4P<sep>Halbleiterschalter für positiven Phasenstrom der Zelle 1, Zelle 2, usw. <tb>S1RP, S1SP, S1TP<sep>Halbleiterschalter der Zelle 1 für positiven Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>S2RP, S2SP, S2TP<sep>Halbleiterschalter der Zelle 2 für positiven Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>TN<sep>Thyristor für negativen Phasenstrom <tb>T1N, T2N.T3N, T4N<sep>Thyristor für negativen Phasenstrom der Zelle 1, Zelle 2, usw. <tb>T11N,T21N,T31N,T41N<sep>Thyristor für negativen Phasenstrom bei kettenförmigem Thyristor-Netzwerk <tb>T1RN, T1SN, T1TN<sep>Thyristor der Zelle 1 für negativen Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>T2RN, T2SN, T2TN<sep>Thyristor der Zelle 2 für negativen Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>TP<sep>Thyristor für positiven Phasenstrom <tb>T1 P, T2P, T3P, T4P<sep>Thyristor für positiven Phasenstrom der Zelle 1, Zelle 2, usw. <tb>T11P, T21P, T31P, T41P<sep>Thyristor für positiven Phasenstrom bei kettenförmigem Thyristor-Netzwerk <tb>T1RP, T1SP, T1TP<sep>Thyristor der Zelle 1 für positiven Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>T2RP, T2SP, T2TP<sep>Thyristor der Zelle 2 für positiven Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. <tb>UK<sep>Kommutierungs-Spannungsquelle <tb>UK1, UK2, UK3<sep>Kommutierungs-Spannungsquelle der Zelle 1, Zelle 2, usw. <tb>UK11, UK12<sep>Kommutierungs-Hilfsspannungsquellen

Claims

1. Multilevel-Umrichter umfassend a) mindestens 2 Zellen, bestehend aus dem Zwischenkreiskondensator (CZK1, CZK2); sowie b) mindestens eine Phase, welche für jede Stromrichtung in jeder Zelle je einen Halbleiterschalter (S1P, S2P, S1N, S2N), eine Freilaufdiode (D1P, D2P, D1N, D2N) und einen Thyristor (T1P, T2P, T1N, T2N) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass c) die positiven Anschlüsse der Halbleiterschalter für die positive Stromrichtung (S1P bzw. S2P) mit den positiven Anschlüssen der Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 bzw. CZK2) und deren negative Anschlüsse mit den Anoden der Thyristoren für die positive Stromrichtung (T1P bzw. T2P) der jeweiligen Zelle verbunden sind; d) die Anoden der Freilaufdioden für die positive Stromrichtung (D1P bzw. D2P) mit den negativen Anschlüssen der Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 bzw. CZK2) und deren Kathoden mit den Anoden der Thyristoren für die positive Stromrichtung (T1P bzw. T2P) der jeweiligen Zelle verbunden sind; e) die negativen Anschlüsse der Halbleiterschalter für die negative Stromrichtung (S1N bzw. S2N) mit den negativen Anschlüssen der Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 bzw. CZK2) und deren positive Anschlüsse mit den Kathoden der Thyristoren für die negative Stromrichtung (T1N bzw. T2N) der jeweiligen Zelle verbunden sind; f) die Kathoden der Freilaufdioden für die negative Stromrichtung (D1N bzw. D2N) mit den positiven Anschlüssen der Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 bzw. CZK2) und deren Anoden mit den Kathoden der Thyristoren für die negative Stromrichtung (T1N bzw. T2N) der jeweiligen Zelle verbunden sind; g) die Zwischenkreiskondensatoren (CZK1, CZK2) mittels einer Kommutierungs-Spannungsquelle (UK) seriell verbunden werden, wobei die Kommutierungs-Spannungsquelle (UK) die entgegengesetzte Polarität der Zwischenkreiskondensatoren (CZK1, CZK2) aufweist; h) die Anoden der Thyristoren für die positive Stromrichtung (T1P, T2P) einer Phase von allen Zellen mit einander direkt oder über weitere Thyristoren miteinander und mit dem Phasenanschluss des Umrichters verbunden sind; i) die Kathoden der Thyristoren für die negative Stromrichtung (T1N, T2N) einer Phase von allen Zellen mit einander direkt oder über weitere Thyristoren miteinander und mit dem Phasenanschluss des Umrichters verbunden sind;

2. Multilevel-Umrichter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierung der Thyristoren verbessert wird durch zusätzliche Kommutierungs-Hilfsschaltungen, bestehend aus a) einer Hilfsspannungsquelle (UK11), deren negativer Pol am positiven Pol der Kommutierungs-Spannungsquelle (UK) angeschlossen ist; b) einer Hilfsspannungsquelle (UK12), deren positiver Pol am negativen Pol der Kommutierungs-Spannungsquelle (UK) angeschlossen ist; c) einem Halbleiterschalter (SK11), dessen positiver Pol am positiven Pol der Hilfsspannungsquelle (UK11) angeschlossen ist; d) einem Halbleiterschalter (SK12), dessen negativer Pol am negativen Pol der Hilfsspannungsquelle (UK11) angeschlossen ist; e) einer Diode (DK11), deren Anode am negativen Anschluss des Halbleiterschalters (SK11) und deren Kathode am negativen Pol des Halbleiterschalters (S1P) angeschlossen ist; f) einer Diode (DK12), deren Anode am negativen Anschluss der Hilfsspannungsquelle (UK11) und deren Kathode am negativen Pol des Halbleiterschalters (SK11) angeschlossen ist; g) einer Diode (DK13), deren Anode am positiven Anschluss des Halbleiterschalters (S2N) und deren Kathode am positiven Pol des Halbleiterschalters (SK12) angeschlossen ist; sowie h) einer Diode (DKM), deren Anode am positiven Anschluss des Halbleiterschalters (SK12) und deren Kathode positiven Anschluss der Hilfsspannungsquelle (UK12) angeschlossen ist.

3. Multilevel-Umrichter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thyristor-Netzwerk sternförmig angeordnet ist, d.h. die Phasenanschlüsse der jeweiligen Phase von allen Zellen sind miteinander verbunden und bilden so den Umrichter-Phasenanschluss dieser Phase.

4. Multilevel-Umrichter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thyristor-Netzwerk kettenförmig angeordnet ist, d.h. zwischen den Phasenanschlüssen der jeweiligen Phase von potentialmässig benachbarten Zellen sowie zwischen den mittleren Zellen und dem Umrichter-Phasenanschluss können zusätzliche Thyristoren geschaltet sein, um die Spannungsbeanspruchung der einzelnen Thyristoren zu reduzieren.

5. Multilevel-Umrichter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Zelle die Halbleiterschalter für beide Stromrichtungen miteinander verbunden sind, d.h. der negative Anschluss des Halbleiterschalters für den positiven Strom (SP), der positive Anschluss des Halbleiterschalters für den negativen Strom (SN), die Kathode der Freilaufdiode für den positiven Strom (DP) und die Anode der Freilaufdiode für den negativen Strom (DN) sind miteinander verbunden.