CH708168B1 - Wechselrichteranordnung - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemässe Wechselrichteranordnung umfasst mindestens einen Wechselrichter (1) mit Brücken (1.1, 1.2, 1.3) mit abschaltbaren Schaltern (1.10, 1.20), Gate-Treiber (1.11, 1.21) und einen DC-Kondensator (2) mit zwei Anschlüssen – einen +Udc-Anschluss (5.2) und einen –Udc-Anschluss (5.1), wobei der Wechselrichter (1) über einen zusätzlichen Anschluss Uwr (5.3) verfügt. Eine Drossel (3) und eine Diode (4) verbindet den +Udc-Anschluss (5.2) und den Anschluss Uwr (5.3). Die Gate-Treiber erfassen die Sättigungsspannung und melden Fehler einem Steuergerät, wenn ein zu hoher Entladestrom über die Brücken fliesst. Im Falle eines Kurzschlusses in den Brücken fliesst der Entladestrom über die Drossel (3) und steigt deswegen langsamer an, womit die Gate-Treiber über genug Zeit verfügen, den Kurzschluss zu erfassen, die Schalter auszuschalten und damit die Brücke vor einer Zerstörung zu schützen. Gleichzeitig sorgt die Diode (4) dafür, dass die Wechselrichterspannung auf den Wert einer Zwischenkreisspannung Udc limitiert ist. Erfindungsgemäss kann diese Lösung auch bei Wechselrichtersystemen mit einem gemeinsamen Zwischenkreis angewendet werden. Es werden Möglichkeiten für den Anschluss von Hoch- und Tiefsetzern, Bremschoppern beschrieben. Diese Lösung wird auch bei Dreipunkt- und Multilevel-Wechselrichter angewendet. Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung einer Wechselrichteranordnung in Fahrzeugen sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichteranordnung.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung, umfassend einen Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis, eine Schutzanordnung gegen Brückenkurzschluss und ein Steuergerät gemäss Patentanspruch 1; ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung der Wechselrichteranordnung gemäss den Patentansprüchen 7 und 8, sowie ein Verfahren dazu gemäss Patentanspruch 9.

[0002] Fig. 1 zeigt einen dreiphasigen Wechselrichter bekannter Art mit Spannungszwischenkreis.

[0003] Wechselrichter 1 sind elektronische Energiewandler, welche elektrische Energie von einer Amplitude und Frequenz in eine andere Amplitude und Frequenz umwandeln. Ein Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis ist mit mindestens einem Kondensator 2 ausgestattet, in welchem die gewandelte Energie zwischengespeichert wird. Die Spannungszwischenkreis-Wechselrichter finden breite industrielle Anwendung. Diese Wechselrichter werden von einer Gleichspannungsquelle (DC-Quelle) gespeist und wandeln die DC-Energie bidirektional in eine meist dreiphasige Wechselspannung. Der Ausgang des Wechselrichters kann einphasig oder mehrphasig sein.

[0004] Der Gleichspannungsspeicher bzw. der DC-Energiespeicher wird durch einen DC-Kondensator 2 aufgebaut, welcher die Aufgabe hat, die DC-Energie zu speichern. Dieser kann als Zwischenspeicher beträchtliche Werte annehmen (einige 10 mF). Er hat die Eigenschaft, beim Kurzschluss sehr grosse Ströme (einige 100 kA) in kürzester Zeit (einige µs) zu liefern.

[0005] Der Wechselrichter besteht aus mindestens zwei seriell geschalteten elektronischen Schaltern 1.10 und 1.20, welche eine Brücke 1.1 bilden. Die Brücke speist eine Ausgangsphase 1.33. Ein dreiphasiger Wechselrichter besteht aus drei Brücken 1.1, 1.2, 1.3 mit sechs Schaltern 1.10, 1.20, ... und hat drei Phasenausgänge 1.31, 1.32, 1.33. Die Schalter 1.10, 1.20, ... sind vorzugsweise Module mit abschaltbaren Transistoren (IGBTs) und mit Freilaufdioden, wobei jeder Transistor von je einem Gate-Treiber 1.11, 1.21, ... angesteuert wird. Die Gate-Treiber sind elektronische Baugruppen, welche den Steuereingang (Gate) der Schalter ansteuern. Bei grossen Leistungen werden Leistungstransistoren eingesetzt, welche im Falle eines Brückenkurzschlusses sättigen, d.h. den Kurzschlussstrom limitieren und hohe Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungen (Vces) aufbauen.

[0006] Der Wechselrichter 1 ist niederinduktiv am DC-Kondensator 2 angeschlossen, um die Spannungsspitzen über die Schalter beim Abschalten der Ströme zu reduzieren. Die Spannung am DC-Kondensator 2 wird Zwischenkreisspannung Udc oder Kondensatorspannung Udc – gemessen zwischen den Punkten 5.2 und 5.1 in Fig. 1 – genannt. Im Allgemeinen wird angestrebt, dass die Wechselrichterspannung Uwr gleich Udc ist, wobei die Wechselrichterspannung vorliegend in Fig. 1 an den Punkten Uwr und 5.1 gemessen wird. Manchmal werden kleine Filterkondensatoren direkt an den Schalter angeschlossen, um die Wirkung der unerwünschten Streuinduktivität beim Stromabschalten zu verringern. Wenn die Spannungsspitzen beim Abschalten zu hoch werden, dann werden die Schalter durch die Überspannung zerstört.

[0007] Die Verbindung zwischen dem Wechselrichter 1 und dem DC-Kondensator 2 erfolgt über die beiden DC-Anschlüsse 5.1, 5.2. Diese Anschlüsse werden oft als Schienen ausgeführt und stehen zur Verfügung für die parallele Anbindung weiterer Wechselrichter. Eine solche Ausführung, welche den Anschluss mehrerer Wechselrichter am gemeinsamen DC-Kondensator ermöglicht, wird DC-Bus genannt.

[0008] Bei grossen Leistungen werden mehrere in der Regel identisch aufgebaute Wechselrichter miteinander parallel geschaltet. Die Parallelschaltung der Wechselrichter erfolgt über die DC-Anschlüsse, mittels DC-Schienen und bilden modulare DC-Bus-Systeme.

[0009] Fig. 2 zeigt mehrere Wechselrichter über zwei DC-Schienen parallel angeschlossene Wechselrichter bekannter Art. Die Wechselrichter 1a, 1b, 1c sind über die DC-Schienen 5.1, 5.2 parallel angeschlossen, wobei an den Schienen die Spannungen –Udc und +Udc anliegen. Jeder Wechselrichter ist mit einem DC-Kondensator 2a, 2b, 2c verbunden.

[0010] Die Einspeisung der Energie, bzw. die Abnahme der Energie erfolgt über die beiden Anschlüsse des DC-Busses.

[0011] Brücken-Kurzschluss und Kurzschlusserfassung:

[0012] Die Modulation der Ausgangsenergie erfolgt, indem jeder Gate-Treiber 1.11, 1.21 die Schalter ein- oder ausschaltet. Im eingeschalteten Zustand wird die Flussspannung des Transistors (Sättigungsspannung bzw. Kollektor-Emitter Spannung Vces) überwacht. Falls diese Spannung einen Maximalwert überschreitet, generiert der Gate-Treiber einen Fehler, denn in diesem Fall sind die Verluste und/oder der Strom im Transistor zu gross. Die Überwachung erfolgt verzögert, d.h. einige µs nach dem Einschalten des Schalters (Maskierungszeit tm), wenn die Übergangsvorgänge am Schalter abgeklungen sind. Die beiden Schalter 1.10, 1.20 dürfen niemals gleichzeitig zugeschaltet werden. Wenn es doch zum gleichzeitigen Zünden kommt (Durchzünden), dann entlädt sich der Kondensator 2 mit einem sehr grossen Strom (einige 100 kA). Der Kurzschlussstrom steigt dabei sehr schnell an (1–10 µs). In diesem Fall erkennt der Gate-Treiber nach dem Ablauf der Maskierungszeit tm, dass der Schalter in der Sättigung ist, d.h. die Sättigungsspannung Vcsat zu hoch ist. Der Gate-Treiber reagiert auf diesen Fehler mit der Abschaltung des betreffenden Schalters, wobei dies erst nach einer Abschalt-Verzögerungszeit ts erfolgen kann. Bei Hochleistungs-Wechselrichtern, d.h. bei Wechselrichtern mit Udc-Spannungen über 1 kV und Nennströmen über 100 A, ist die zeitliche Verzögerung tm+ts in der Regel zu gross. Dabei fliesst der Kurzschluss-Strom zu lang. Es entstehen zu viele thermische Verluste im Schalter, so dass dieser explodiert.

[0013] Die Ursachen für einen Kurzschluss sind vielfältig: Eine Durchzündung kann bei Fehler der Steuerung, bei EMV-Problemen, bei Defekten der Gate-Treiber-Elektronik, beim Ausfall einer Halbleiterkomponente etc. auftreten. Ein Kurzschluss ist also in der Lebenszeit eines Wandlers sehr wahrscheinlich. Damit wird ein Kurzschlussschutz unumgänglich.

[0014] Die Grenzen des Stands der Technik beim Kurzschlussschutz: Die meisten Schalter auf Halbleiterbasis werden durch den grossen Kurzschluss-Strom thermisch zerstört, bevor die Gate-Treiber die Schalter abgeschaltet und den Stromfluss unterbrochen haben. Es entsteht dabei eine Explosion, welche zu grossen Zerstörungen und Schäden führt. Je höher die Zwischenkreisspannung Udc des DC-Kondensators ist, desto ausgeprägter ist dieses Verhalten und desto schwerer gestaltet sich der Schutz der Halbleiterschalter.

[0015] Ein Lösungsversuch wird von W. Teppan et al. (Power Electronics Europe, Issue 8, 2005, S. 12–17: Optimum Use of Current Sensors in Motor Drives) beschrieben. Er beabsichtigt einen Fehlerstrom zu erfassen, um den Ausgang vor Kurzschluss zu schützen. Eine passive Schutzvorrichtung, bestehend aus einer Induktivität, einer Diode und einem Widerstand, sorgt dafür, dass die Schalter der Brücke gleichzeitig geschaltet werden und unter Umständen ein Strompfad zu Masse ermöglicht wird. Eine aktive Schutzvorrichtung ist gegeben durch ein Messglied (Stromwandler) im Zwischenkreis. Zwischen einem Wechselrichter und einem Kondensator liegen Wandler angeschlossen vor, welche den Kurzschlussstrom erfassen und zum Abschalten des Wechselrichters führen. Eine Diode und ein Widerstand sorgen dafür, dass die Spannung des Wechselrichters die Spannung des Kondensators nicht überschreitet. Dieser Lösungsversuch hat folgende Nachteile: a) Er ist nicht zerstörungsfrei bei Wechselrichtern grösserer Leistung: Diese Lösung beinhaltet externe Wandler. Der Einbau dieser Wandler ist problematisch, denn diese erhöhen die Streuung der DC-Kopplung. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, dass im Kurzschlussfall bei grossen Wechselrichtern, d.h. bei nominalen Spannungen Udc über 500 V und nominalen Strömen Idc über 100 A, im Falle eines Kurzschlusses bis zu einigen 100 000 A fliessen. Diese sehr hohen Ströme zerstören in der Regel die Stromwandler, welche den Wechselrichter schützen, d.h., diese Lösung ist leider nicht zerstörungsfrei bzw. nicht wieder verwendbar. b) Er ist ungeeignet für DC-Bus-Systeme, d.h. für grosse Leistungen: Die Anbindung und der Schutz von DC-Bus-Systemen ist nicht definiert. Auch der Einspeisepunkt ist nicht definiert. Prinzipiell kann die DC-Quelle am Kondensator angeschlossen werden, oder am Wechselrichter. Wenn die DC-Speisung am Wechselrichter angeschlossen ist und hohe Kurzschlussströme erzeugt, dann kann der Wechselrichter nicht von Zerstörung geschützt werden. c) Der Anschluss weiterer DC-Bus-Komponenten (Tiefsetzer, Bremschopper etc.) ist nicht geklärt: DC-Bus-Systeme können neben Wechselrichter auch weitere Komponenten beinhalten wie etwa Tief- bzw. Hoch-Setzer, Bremschopper, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV-Quellen) etc. Es ist nicht klar, wie diese Komponenten am DC-Bus angeschlossen werden können. d) Der Schutz von Multilevel-Konvertern, bzw. Multilevel-Wechselrichtern für hohe Spannungen ist nicht geklärt: Der Schutz von Multilevel-Brücken, welche über mehrere seriell geschaltete Schalter verfügen, ist nicht angedeutet.

[0016] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin: a) Einen robusten Schutz des einzelnen Wechselrichters anzugeben, d.h., einen weitgehend zerstörungsfreien Kurzschluss-Schutz zu gewährleisten, indem die Schalter vor Zerstörung schützt werden; b) eine Lösung für mehrere an einem DC-Bus angeschlossene Wechselrichter anzugeben, welche den Schutz vor Durchzündung der einzelnen Wechselrichter gewährleistet; c) den Anschluss von weiteren Komponenten am DC-Bus zu definieren, so dass der Kurzschluss-Schutz gewährleistet ist; d) den Schutz eines Multilevel-Wechselrichters anzugeben.

[0017] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>Dreiphasiger Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis bekannter Art <tb>Fig. 2<SEP>Mehrere über zwei DC-Schienen parallel angeschlossene Wechselrichter bekannter Art <tb>Fig. 3<SEP>Erfindungsgemässer Schutz eines Wechselrichters mit Drossel und Diode <tb>Fig. 4<SEP>Erfindungsgemässer Schutz von Wechselrichtern mit DC-Bus und gemeinsamer Schutzvorrichtung <tb>Fig. 5<SEP>Erfindungsgemässer Schutz von Wechselrichtern mit separater Schutzvorrichtung <tb>Fig. 6<SEP>Erfindungsgemässe Anordnung mit DC-Bus, Bremschopper und separater Schutzvorrichtung <tb>Fig. 7<SEP>Vierquadranten-Anordnung (40) mit Schutzvorrichtung <tb>Fig. 8<SEP>Multilevel-Wechselrichter mit Schutzvorrichtung

[0018] Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen Schutz eines Wechselrichters mit Drossel und Diode. Der Wechselrichter 1 mit den Brücken 1.1, 1.2, 1.3, den seriell geschalteten elektronischen Schaltern 1.10, 1.20, …, den Gate-Treibern 1.11. 1.21, ... den Ausgangsphasen 1.31, 1.32, 1.33, dem Steuergerät 5 und dem DC-Kondensator 2 entsprechen der Fig. 1 . Eine Induktivität, bzw. eine Drossel 3, welche zwischen dem DC-Kondensator 2 am +Udc-Anschluss 5.2 und dem Wechselrichter 1 am Wechselrichter-Anschluss 5.3 angeschlossen ist, limitiert den Stromanstieg im Wechselrichter während eines Kurzschlusses.

[0019] Gate-Treiber 1.11, 1.21, …, welche die Gates der Schalter 1.10, 1.20, ... ansteuern, detektieren im eingeschalteten Zustand der Schalter eine zu hohe Sättigungsspannung Vces, was nach Ablauf einer Maskierungszeit tm erfolgt.

[0020] Die Drossel 3, die Abschaltzeit ts und die Maskierungszeit tm der Schalter 1.10, 1.20, ... werden so gewählt, dass der Strom der Schalter, welcher sich beim Kurzschluss aufbauen wird, zerstörungsfrei vom Schalter abgeschaltet werden kann mit einer Verzögerung von ts+tm. Wichtig dabei ist, dass der Entladestrom vom Kondensator nur über die Drossel 3 im Wechselrichter 1 fliessen kann.

[0021] Die Drossel 3 erzeugt unzulässige Spannungsspitzen, wenn der Strom abgeschaltet wird, welche die Wechselrichterspannung Uwr – gemessen zwischen den Punkten Uwr und 5.1 in Fig. 3 – dynamisch vergrössern und zur Zerstörung der Schalter führen. Erfindungsgemäss werden die Spannungsspitzen, welche beim Abschalten der Wechselrichter-Ströme auftreten, durch eine Diode 4 auf dem Niveau der Zwischenkreisspannung Udc limitiert. Die Diode 4 ist erfindungsgemäss parallel zur Drossel 3 so angeschlossen, dass die Wechselrichterspannung Uwr nicht höher als die Zwischenkreisspannung Udc sein kann.

[0022] Die Diode 4 wirkt als eine Freilaufdiode über der Drossel 3. Diese Diode ist niederinduktiv am Wechselrichter und am Kondensator angeschlossen. Der Freilaufstrom belastet thermisch die Diode, und die Drossel und soll klein gehalten werden. Darüber hinaus soll die Drosselwirkung sehr schnell einsetzen (einige µs). Aus diesen Gründen wird vorzugsweise eine Luftdrossel eingesetzt, welche nicht in die Sättigung geht und sehr schnell reagiert.

[0023] Die Kurzschlusserfassung erfolgt folgendermassen: Ein Steuergerät 5 erzeugt Steuerimpulse, welche die Schalter 1.10, 1.20, ... ein- bzw. ausschalten. Damit wird ein Brückenkurzschluss unterbrochen. Die Erkennung des Kurzschlusses erfolgt über die Erfassung der Sättigungsspannung (Vces) des Schalters. Im Weiteren erfolgt sie über: – die elektrische Entladung (z.B. durch einen Blitzdetektor), welche beim Zerstören eines Schalters auftritt; – die Erfassung einer Druckwelle, welche beim Zerstören eines Schalters auftritt.

[0024] Die beiden letzteren Erfassungsmöglichkeiten sind optional zur Erfassung der Sättigungsspannung und bilden im Sinne einer zweiten Sicherheitsebene Möglichkeiten für einen erweiterten Schutz.

[0025] Kurzschlusserfassung im Gate-Treiber: Jedem Schalter 1.10, 1.20, ... ist ein Gate-Treiber 1.11, 1.21, ... zugeordnet, welcher das Steuersignal vom Steuergerät 5 empfängt und den Schalter entsprechend ein- oder ausschaltet. Im eingeschalteten Zustand wird die Flussspannung des Transistors (Sättigungsspannung Vces) überwacht. Der Vergleich erfolgt erst einige µs nach dem Einschalten, d.h. nach der Maskierungszeit tm, wenn die Übergangsvorgänge am Schalter abgeklungen sind. Erfindungsgemäss wird die Maskierungszeit und die Dimensionierung der Drossel 3 so gewählt, dass die betroffenen Schalter thermisch den Kurzschluss schadenfrei überleben. Falls die Sättigungsspannung Vces einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet: – schaltet der Gate-Treiber den jeweiligen Schalter aus; – generiert der Gate-Treiber eine Fehlermeldung zum Steuergerät 5; – schaltet das Steuergerät 5 alle Schalter der entsprechenden Brücke aus.

[0026] Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemässen Schutz von Wechselrichtern mit DC-Bus und gemeinsamer Schutzvorrichtung.

[0027] Die Wechselrichter 1a, 1b, 1c sind parallel einerseits am Wechselrichter-Anschluss 5.3 und andererseits am –Udc-Anschluss 5.1 angeschlossen. Jedem Wechselrichter ist ein DC-Kondensator 2a, 2b, 2c zugeordnet, die am –Udc-Anschluss 5.1 und am +Udc-Anschluss 5.2 liegen. Eine DC-Quelle 6 speist die Anordnung über die Anschlüsse –Udc, +Udc. Die Drossel 3 und die Diode 4 sind zwischen dem Wechselrichter-Anschluss 5.3 und dem +Udc-Anschluss geschaltet. Drossel und Diode bilden hier eine gemeinsame Schutzvorrichtung für die gesamte Anordnung.

[0028] Erfindungsgemäss kann die Strombelastung der Drossel 3 und der Diode 4 reduziert werden, indem der Anschluss der DC-Quelle an den Anschlüssen 5.1 und 5.2 erfolgt.

[0029] In diesem Fall fliesst der DC-Anteil des Wechselrichter-Stromes von der DC-Quelle in die Last, wobei der DC-Anteil bis zu 80% des Gesamtstromes beträgt. Nur der AC-Anteil des Stromes – d.h. ca. 20% des Gesamtstromes – wird zwischen Wechselrichter und dem Kondensator ausgetauscht und muss über die Drossel 3 und die Diode 4 fliessen. Falls der Anschluss der DC-Quelle über den Kondensator-Anschluss 5.2 erfolgt, dann würde sowohl der AC- als auch der DC-Anteil des Stromes über die Drossel und die Diode fliessen, d.h. bis zu 5-mal mehr Strom. Dies führt zu der proportionalen Vergrösserung und Verteuerung dieser Komponenten und zu einer quadratischen Steigerung der Verluste, d.h. bis zu 25 mal mehr Verluste in der Drossel und ca. 10-mal mehr Verluste in der Diode.

[0030] Erfindungsgemäss erfolgt die Energiezufuhr über die Wechselrichter-Schiene 5.3 und die gemeinsame Schiene 5.1. Dadurch wird der Strom in der Diode 4 und in der Drossel 3 halb so gross, als wenn der Einspeisepunkt an der Kondensator-Schiene 5.2 ist. In diesem Fall wird erfindungsgemäss der Strom von der DC-Quelle direkt vom Wechselrichter übernommen. Dabei fliesst der Hauptstrom nicht zum Kondensator, d.h., die Drossel 3 und die Diode 4 werden entlastet. Sie können demnach kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden.

[0031] Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemässen Schutz von Wechselrichtern mit separater Schutzvorrichtung.

[0032] Die Wechselrichter 1a, 1b, 1c mit den DC-Kondensatoren 2a, 2b, 2c, die Drossel 3 und die Diode 4 entsprechen Fig. 4 . Die Wechselrichter-Schiene 5.3 und die Kondensator-Schiene 5.2 sind über die Drossel 3 und über die Diode 4 miteinander verbunden. Die DC-Quelle 6, mit den Anschlüssen –Udc und +Udc verbunden, speist erfindungsgemäss in die Schienen 5.1 und 5.2 die Energie ein.

[0033] Wenn die gemeinsamen DC-Schienen 5.3 zu lang sind, können die Verbindungskabel beträchtliche Induktivitäten Ls aufweisen. In diesem Fall kann jeder Wechselrichter 1a, 1b, 1c mit je einer Diode 4a, 4b, 4 niederinduktiv mit den Kondensatoren 2a, 2b, 2c verbunden werden. Dadurch werden die Induktivitäten Ls überbrückt und die Spannungsspitzen der einzelnen Wechselrichter 1a, 1b, 1c geringer. Die Anordnung der Dioden 4a, 4b, 4 bilden hier eine sogenannte separate Schutzvorrichtung für die einzelnen Wechselrichter. Die Anzahl der Drosseln kann ebenfalls variieren. Vorzugsweise bildet eine einzige Drossel 3 das Kostenoptimum. Die Drossel kann an beliebiger Stelle die DC-Schienen 5.3 und 5.2 verbinden.

[0034] Die Art der am DC-Bus angeschlossen Wechselrichter kann variieren. Diese können einphasige oder mehrphasige Wechselrichter, DC-Steller, Batterie-Ladegeräte, Hoch-Tief-Steller, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) etc. sein. Jeder dieser Teilnehmer kann dabei einen Kondensator beinhalten.

[0035] Erfindungswesentlich ist, dass jeder Teilnehmer mit Kondensator an die –Udc-Schiene 5.1 und an die Wechselrichter-Schiene 5.3 angeschlossen werden.

[0036] Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemässe Anordnung mit DC-Bus, Bremschopper und separater Schutzvorrichtung. Diese Anordnung entspricht im Wesentlichen jener von Fig. 5 . Eine verbreitete Gattung von Wandlern wandelt elektrische Energie unidirektional vom dreiphasigen Netz bzw. Generator 7.1 zum DC-Kondensator 2a und von dort zu einem AC-Motor 7.2, welcher im motorischen oder im generatorischen Betrieb arbeiten kann. Diese Art Wandler werden Zweiquadranten-Wechselrichter (2Q) genannt. Ein erster Wechselrichter 1a wird als Gleichrichter ausgeführt und speist die Energie zur Wechselrichter-Schiene 5.3 und zur gemeinsamen Schiene 5.1. Ein zweiter Wechselrichter 1b entnimmt die Energie von der Wechselrichter-Schiene 5.3 und von der gemeinsamen Schiene 5.1 und speist die Last 7.2, z.B. einen Motor. Die Kondensatoren 2a, 2b, 2c dienen als Energiespeicher. Die überschüssige Energie, falls der Motor 7.2 zurückspeist, wird über einen Bremssteller 1c in einem Widerstand 7.3 vernichtet.

[0037] Dieses System kann modular erweitert werden. Wenn zwei Motoren angeschlossen sind, können zwei Wechselrichter am DC-Bus 5.3 und 5.1 mit je einer Freilaufdiode angeschlossen werden. Wenn mehrere Widerstände benötigt werden, können ebenfalls mehrere Bremssteller 1c am DC-Bus 5.3 und 5.1 mit je einer Freilaufdiode angeschlossen werden.

[0038] Ein Ausführungsbeispiel wird in Anlehnung an die Anordnung gemäss Fig. 6 mit den folgenden Werten beschrieben: <tb>Zwischenkreisspannung:<SEP>2 kV <tb>Kondensatoren 2a, 2b, 2c:<SEP>2 mF <tb>Luftdrossel 3:<SEP>10 µH <tb>Zwischenkreisstrom:<SEP>2 kA <tb>Kurzschlussstrom:<SEP>einige 100 kA <tb>Drosselstrom:<SEP>2 kA im Normalbetrieb; 100 kA <tb><SEP>Kurzschlussstrom <tb>Ausgangsleistung:<SEP>1,2 MW <tb>Bremschopper-Leistung:<SEP>4 MW

[0039] Fig. 7 zeigt eine Vierquadranten-Anordnung (4Q) mit Schutzvorrichtung. Der Wechselrichter 1a speist die Energie vom Netz 7.1 in einen DC-Kondensator 2a. Der Wechselrichter 1b entnimmt Energie aus dem DC-Kondensator 2b und treibt einen Motor 7.2 an. Im Bremsbetrieb kehrt die Energierichtung um (sogenannt 4Q), d.h., die Energie wird vom Motor an den Zwischenkreiskondensator 2b abgegeben und von diesem an das Netz zurückgespeist.

[0040] Diese verbreitete Gattung von Wandlern wandelt elektrische Energie bidirektional von einer AC-Quelle bzw. dem Netztransformator 7.1 zum Zwischenkreis und von dort zu einer anderen AC-Senke bzw. dem Motor 7.2. Diese Art Wandler werden Vierquadranten-Wechselrichter (40) genannt: Ein erster Wechselrichter speist die Energie zum Zwischenkreis 5.3 und 5.1; der zweite Wechselrichter entnimmt die Energie vom Zwischenkreis 5.3 und 5.1. Die Kondensatoren 2a, 2b dienen als Energiespeicher.

[0041] Fig. 8 zeigt einen Multilevel-Wechselrichter mit Schutzvorrichtung. Ein Multilevel-Wechselrichter 1, bzw. ein Multilevel-Konverter besteht aus mehreren seriell geschalteten Schaltern 1.10, 1.20, 1.30, 1.40, den Kondensatoren 2.1, 2.2, den Kondensator-Anschlüssen 5.1, 5.2 und dem Ausgang 1.31, wie hier als Dreilevel-Konverter dargestellt.

[0042] Es werden alle vier seriell geschalteten Schalter 1.10, 1.20, 1.30, 1.40 durch die Drossel 3 und die Diode 4 geschützt. Jeder der Gate-Treiber der Schalter erfasst den Kurzschlussstrom und schützt die Brücke vor Zerstörung.

[0043] Wenn mehrere verteilte Multilevel-Wechselrichter an einem Zwischenkreis arbeiten, dann werden diese genauso angeschlossen wie dies erfindungsgemäss beim Zwei-Level-Wechselrichter der Fall ist.

[0044] Verwendungen finden derartige Anordnungen bei grossen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen, bei denen die Energie von einem Dieselgenerator erzeugt wird und über einen Gleichrichter in den Zwischenkreis mit den entsprechenden Schutzvorrichtungen eingespeist wird. Am Zwischenkreis sind mehrere Wechselrichter und ein Bremschopper angeschlossen.

[0045] Derartige Anordnungen werden auch für die Antriebe von Ölplattformen und Schiffen verwendet. Die einzelnen Wechselrichter, die die Motoren speisen, haben einen gemeinsamen Zwischenkreis mit den entsprechenden Schutzvorrichtungen und werden von einem oder mehreren Dieselgeneratoren über Gleichrichter gespeist.

[0046] Im Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemässen Anordnung beschrieben:

[0047] Die Gate-Treiber erfassen die Sättigungsspannung und melden bei Überschreiten eines Grenzwertes einen Fehler einem Steuergerät 5, wenn ein zu hoher Strom über die Brücken fliesst. Im Falle eines Kurzschlusses in den Brücken fliesst der Strom über die Drossel 3 und steigt deswegen langsamer an. Damit verfügen die Gate-Treiber über genug Zeit, den Kurzschluss zu erfassen, die Schalter auszuschalten und damit die Brücke vor einer Zerstörung zu schützen. Gleichzeitig sorgt die Diode 4 dafür, dass die Wechselrichterspannung auf den Wert der Zwischenkreisspannung Udc limitiert ist, d.h., die Schalter fallen nicht mit der Überspannung aus.

[0048] Überraschend ist die Tatsache, dass eine grosse Induktivität (Drossel) und eine Diode zwischen +Udc und Uwr einen zuverlässigen Schutz bringt, wo bekannter Weise zwischen +Udc und Uwr möglichst keine Streuinduktivitäten angesiedelt wurden, um Überspannungen zu vermeiden. Es ist sogar ein Hauptziel des Designs von Wechselrichtern dank spezieller Vorrichtungen diese Streuinduktivitäten zu eliminieren. Durch die Diode, welche parallel zu der Drossel vorliegt, können die unerwünschten, durch die Drossel verursachten Spannungsspitzen vermieden werden.

Claims (8)

1. Wechselrichteranordnung, umfassend mindestens einen Wechselrichter (1) mit Spannungszwischenkreis, eine Schutzanordnung gegen Brückenkurzschluss und ein Steuergerät (5), wobei jeder Wechselrichter (1) mindestens eine Brückenschaltung (1.1, 1.2, 1.3) umfasst, wobei jede Brückenschaltung (1.1, 1.2, 1.3) aus je zwei Schaltern (1.10, 1.20) besteht, welche je einen Ausgang (1.31, 1.32, 1.33) speisen, und die Brückenschaltung (1.1, 1.2, 1.3) mindestens einen DC-Kondensator (2) als Energiespeicher umfasst, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung drei Anschlüsse aufweist, nämlich einen –Udc-Anschluss (5.1), einen +Udc-Anschluss (5.2) und einen Wechselrichter-Anschluss (5.3), dass die Schutzanordnung, welche zwischen dem Wechselrichter-Anschluss (5.3) und dem +Udc-Anschluss (5.2) angeordnet ist und mindestens eine Drossel (3) sowie mindestens eine Diode (4) umfasst, die so geschaltet ist, dass der Entladestrom des DC-Kondensators (2) nur über die mindestens eine Drossel (3) und nicht über die mindestens eine Diode (4) fliesst, dass jedem Schalter (1.10, 1.20) ein Gate-Treiber (1.11, 1.21) zu dessen Ansteuerung zugeordnet ist, dass die Gate-Treiber (1,11, 1.21) in der Lage sind, die Sättigungsspannungen Vces der Schalter (1.10, 1.20) zur Erfassung eines Kurzschlusses zu messen, wobei die Gate-Treiber (1,11, 1.21), wenn die Sättigungsspannung Vces einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet, ein Fehlersignal für das Steuergerät (5) generieren und das Steuergerät (5) die Schalter (1.10, 1.20) des Wechselrichters (1) sperrt, um diese Schalter (1.10, 1.20) im Kurzschlussfall vor Zerstörung zu schützen.

2. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Wechselrichter (1a, 1b, 1c) mit einem oder mehreren DC-Kondensatoren (2a, 2b, 2c) ein modulares Wechselrichtersystem bilden, dass der Wechselrichter-Anschluss (5.3) die Wechselrichter zueinander verbindet und das Wechselrichtersystem eine Wechselrichterspannung Uwr zwischen dem Wechselrichtetanschluss (5.3) und dem –Udc-Anschluss (5.1) aufweist und dass die einzelnen DC-Kondensatoren (2a, 2b, 2c) zwischen dem +Udc-Anschluss (5.2) und dem –Udc-Anschluss (5.1) angeordnet sind.

3. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass als Schutzanordnung jedem Wechselrichter (1a, 1b, 1c) je eine Diode (4a, 4b, 4) und genau eine Drossel (3) allen Wechselrichtern (1a, 1b, 1c) gemeinsam zugeordnet ist, wobei mit den Dioden (4a, 4b, 4) die Wechselrichterspannung Uwr auf das Niveau einer Zwischenkreisspannung Udc limitierbar ist.

4. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass im Wechselrichter (1) mindestens ein Drucksensor angeordnet ist, zwecks Erfassung einer Druckwelle, welche bei Explosion eines oder mehrerer der Schalter auftritt, und dass der Drucksensor mit dem Steuergerät (5) zur Sperrung des Wechselrichters (1) verbunden ist.

5. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass im Wechselrichter (1) mindestens ein Blitzsensor angeordnet ist, zwecks Erkennung eines Lichtbogens, welcher bei der Explosion eines oder mehrerer der Schalter auftritt, und dass der Blitzsensor mit dem Steuergerät (5) zur Sperrung des Wechselrichters (1) verbunden ist.

6. Verwendung der Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Speisung von Motoren in Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen.

7. Verwendung der Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Speisung von Motoren in Antrieben von Ölplattformen und Schiffen.

8. Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass im Fall eines Kurzschlusses der Entladestrom über die Drossel (3) fliesst und deswegen langsamer ansteigt, dass die Gate-Treiber (1.11, 1.21) die Sättigungsspannung Vces erfassen und beim Überschreiten eines Grenzwertes eine Fehlermeldung dem Steuergerät (5) zuführen, wenn ein zu hoher Entladestrom über die Brücken fliesst, dass das Steuergerät die Schalter (1.10, 1.20) sperrt und dadurch die Brücke vor einer Zerstörung schützt und dass gleichzeitig die Diode (4) dafür sorgt, dass die Wechselrichterspannung Uwr auf das Niveau der Zwischenkreisspannung Udc limitiert wird.