DD148696A1 - Anordnung parallelgeschalteter mit halbleiterventilen bestueckter brueckenzweige eines wechselrichters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung parallelgeschalteter mit Halbleiterventilen bestueckter Brueckenzweige eines mittels fluessiger Medien gekuehlten Wechselrichters hoeherer Frequenz. Ziel der Erfindung ist es, die Stromverteilung in den Stromschienen und in den Brueckenzweigen wesentlich zu verbessern. Aufgabengemaesz ist dies durch eine raeumlich guenstigere Anordnung dieser Elemente zu erreichen. Erfindungsgemaesz wird diese Aufgabe dadurch geloest, dasz die Gleichstromschienen um den Platzbedarf zweier Halbleiterventile zueinander seitlich versetzt, jedoch symmetrisch zu den Laststromschienen angeordnet sind und dasz die Halbleiterventile jeder der parallelgeschalteten Brueckenzweige in einer horizontalen Ebene an beiden Auszenkanten der Gleichstrom- und Laststromschienen liegen und dasz die beiden innen befindlichen Halbleiterventile der einen Laststromschiene und je einer Gleichstromschiene und die beiden auszen befindlichen Halbleiterventile der anderen Laststromschiene und ebenfalls je einer Gleichstromschiene zugeordnet sind. Die Anwendung der Erfindung erfolgt vorzugsweise in Wechselrichtern, die mit einer Betriebsfrequenz von 500 Hz und hoeher arbeiten.

Description

Zustellung ^^bevollmächtigter Pat.-rlng. Ernst Y/ünschig

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Anordnung parallelgeschalteter mit Halbleiterventilen bestückter Brückenzweige eines Wechselrichters

Anwendungsgebiet der Erfindung

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung parallelgeschalteter mit Halbleiterventilen bestückter Brückenzweige eines mittels flüssiger Medien gekühlten Wechselrichters höherer Frequenz, bei dem Gleichstromschienen und Laststromschienen räumlich im wesentlichen parallel und elektrisch voneinander isoliert als tragendes Gerüst angeordnet sind und die 3ckpunkte der Brücken bilden, zwischen denen die Halbleiterventile derart angebracht sind, dal: die bei Stromfluß entstehende elektromagnetische Feldwirkung in den Brückenzv/eigen weitgehend aufgehoben wird.

Die Anwendung erfolgt vorzugsweise in 7/echselrichtern, die mit einer Betriebsfrequenz von 500 Hz und höher arbeiten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Um die statische und vor allem die dynamische Stromaufteilung parallel geschalteter Halbleitervenbile günstig zu beeinflussen, ist die elektrische Verbindung der Bauelemente untereinander sowie ihre geometrische Zuordnung sehr wesentlich. Das trifft vor allem dann zu, wenn die Betriebsfrequenz der Leistungshalbleiter und damit auch die Stromänderungsgeschwindigkeit in den Stromschienen größer als bei üblicher Netzfrequenz ist.

In bekannten Anordnungen flächenhafter Stromleiter mit parallel geschalteten Halbleiterventilen bilden die Stromschienen als Samraelschienen ein Gerüst. In dieses Gerüst sind die Halbleiterventile vorzugsweise Thyristoren, so in einer vertikalen

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Ebene angebracht, daß in einem Viertel des gesamten Gerüstfeldes die parallelen Thyristoren eines Brückenzweiges mit ihren Stromflaßbahnen parallel zueinander angeordnet sind. In den anderen Vierteln des Feldes liegen jeweils in entsprechender Anordnung die parallelen Stromflußbahnen der anderen Brükkenzweige, d.h., ,je Quadrant des Gerüstfeldes liegt ein paralleler Zweig. Die Anordnungen werden sprossenartig (DS-PS 1 073 609), kammerartig (DE-AS 1 263 919) oder gitterförmig (DE-OS 14 3Ö 602) aufgebaut. Es zeigt sich aber, daß in diesen Anordnungen, unabhängig von der Lage der Einspeise- und/oder Entnahmepunkte des Speise- bzw. Laststromes, sich der Strom auch dann nicht gleichmäßig auf die parallelgeschalteten Halbleiterventile verteilt, wenn diese nach ihren elektrischen Durchlaßeigenschaften ausgesucht wurden. Die Stromverteilung auf die einzelnen parallelen Stromflußbahnen eines Brückenzweiges erfolgt dabei derart, daß die an einer Laststromschiene befindlichen Thyristoren benachbarter Quadranten, die in räumlich benachbarter Lage unterschiedlichen Brückenzweigen angehören, einen höheren Strom aufnehmen, als die Thyristoren, die in räumlich entfernter Lage den beiden Brückenzweigen angehören.

Ursache dieser Erscheinung ist die elektromagnetische V/echselwirkung zwischen den parallelen Stromflußbahnen der einzelnen Brückenzweige im Gerüst der Stromschienen. Diese Erscheinung tritt um so stärker auf, je größer die Anzahl der in einem Brückenzweig parallel~eschalteten Halbleiterventile und/oder je höher die Betriebsfrequenz und damit das di/dt der Halbleiterventile ist. Hierbei wird vor allem die dynamische Stromaufteilung beeinflußt. Diese auftretende ungleichmäßige Stromverteilung muß insbesondere beim Ersatz defekter Halbleiterventile durch Aussuchen dieser Ventile beachtet werden. Besonders nachteilig wirkt sich außerdem eine notwendige, 10 bis 25% betragende, Überdimensionierung der Brückenschaltung aus, die mit höherem Llaterialauiwand und damit auch höheren Kosten verbunden ist.

In einer anderen Anordnung (DE-OS 15 63 270) sind in einem annähernd koaxialen Aufbau eines Schienenpakets für die parallelen Stromflußbahnen eines Brückenzweiges drei Schienen mit

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Hin- and Sückleiter aufgewendet. Damit v/ird einerseits zwar die elektromagnetische 7/echselwirkung zwischen den parallelen Stromflußbahnen eingeschränkt, andererseits aber ein hoher technisch-ökonomischer Aufwand bezüglich des Schienenpaketes getrieben und damit erheblich mehr Platz beansprucht. Für die Anordnung der Stromschienen und der parallelen Halbleiterventile wird gemäß DE-OS 25 07 316 vorgeschlagen, die Halbleiterventile im Gerüst der vier Schienen eines 7/echselrichters in einer vertikalen Ebene so anzuordnen, daß untereinander die zu einer der Speiseschienen zugehörigen Ventile angebracht sind und jeweils unterschiedlichen Brückenzv/eigen angehören. Die parallelen Ventile in den beiden unterschiedlichen Zweigen wechseln sich in vertikaler Sichtung ab. Nachteilig wirkt sich diese Anordnung bei schmalen oder tiefen Schränken aus, da dieser LösungS'.veg konstruktiv nur einen vorgegebenen Aufbau zuläßt. Außer der ungünstigen Platzausnutzung v/erden die für Mittelfrequenzanwendungen notwendigen breiten und flachen Laststromschienen bei dieser Anordnung nicht ausgenutzt. Elektromagnetische Felder im nichtstationären Betriebsfall, die sich nur im Bereich der Stroailußbahnen an der Plusschiene oder der Minusschiene ausbilden, können nicht kompensiert werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Stromverteilung sowohl in den Stromschienen wie auch in den Brückenzweigen wesentlich zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine räumliche Anordnung der Stromschienen und der Halbleiterventile in Brückenschaltung zu finden, mit der eine gleichmäßigere Stromverteilung erreichbar ist.

Erfindungsgeniäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gleichstromschienen um den Platzbedarf zweier Halbleiterventile zueinander seitlich versetzt, jedoch symmetrisch zu den Last— Stromschienen angeordnet sind und daß die Halbleiterventile jeder der parallelgeschalteten Brückenzweige in einer horizontalen Ebene an beiden Außenkanten der Gleichstrom- und Laststrom-

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schienen liegen und daß die oeiden innen befindlichen tialbieiterventile der einen Laststromschiene and je einer Gleichstromschiene und die beiden außen befindlichen Halbleiterventile der anderen Lasts tr oinschiene und ebenfalls je einer G-leichstromschiene augeordnet sind«,

In dieser Anordnung der Stromschienen und Halbleiterventile ist die Stromrichterschaltung durch örtliche Anordnung der zugehörigen Halbleiterventile so aufgelöst, daß nicht mehr die parallel liegenden Ventile des Brückenzweiges örtlich benachbart angeordnet sind, sondern daß in den horizontalen Ebenen die Ventile der Senkrechten der Wechselrichterbrücke abwechselnd liegen und in der vertikalen Ebene jeweils die der Plus- bzw. Minusschiene zugeordneten Ventile sich abwechseln. Auf diese Weise wird die Brückenschaltung so aufgelöst, daß in einer horizontalen Ebene immer eine komplette Brücke gebildet wird und sich in der nächsten Ebene die parallelgeschalteten Ventile wieder zu einer Brücke anschließen. Zur konstruktiv günstigen Realisierung der Anordnung werden vorteilhafterweise die Plus- und Minusschienen der Einspeisung des Wechselrichters als Winkel- oder U-Profile ausgebildet und die Laststromschienen entweder als U-Profil oder als Flachschiene ausgeführt. Die günstige Wirkung dieser Anordnung bezüglich der Stromaufteilung zwischen den parallelgeschalteten Halbleiterventilen ergibt sich aus der gegenseitigen elektromagnetischen Beeinflussung. Im Kommutierungsfall fließen die Ströme in den benachbarten Stromflußbahnen jeweils entgegengerichtet, das erzeugte Ivlagnetfeld vom abkommutierenden Strom beeinflußt in bekannter Weise durch die induzierte Spannung im Nachbarpfad einen Strom in Flußrichtung. Infolge der entgegengesetzten Magnetfelder, sowohl in der horizontalen wie auch in der vertikalen Ebene, wird diese Beeinflussung jedoch weitgehend aufgehoben. Die dynamische und damit die statische Stromaufteilung wird deshalb durch die vorgeschlagene Anordnung entscheidend verbessert.

Ist zur Erzielung einer höheren Leistung des Wechselrichters eine Vielzahl von parallelgeschalteten Halbleiterventilen nötig, so wird zwecks günstiger Saumausnutzung spiegelbildlich zu den Lastscromschienen ein zweites Paar Gleichstromschienen

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symmetrisch, zu den Laststromschienen vorgesehen und die HaIbleiterventile in den entstehenden vertikalen und horizontalen Ebenen wie bereits beschrieben angeordnet.

Ausführungsbeispiel

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es stellen dar

Fig. 1: Bekannte Brückenschaltung eines Wechselrichters

Fig. 2: Konstruktive Anordnung der Halbleiterventile und Stromschienen der Brückenschaltung gemäß Fig. 1 mit mehreren parallelgeschalteten Ventilen je Brückenzweig

Fig. 3i eine Ausfuhrungsform der Stromschienen und Halbleiterventile in Draufsicht

Fig. 4: Anordnung von einem Paar Laststromschienen und zwei Paar Gleichstromschienen in Draufsicht und schematischer Darstellung der Halbleiterventile

In Fig. 1 sind als Halbleiterventile 5» б, 7 und 8 einer Brükkenschaltung Thyristoren eingesetzt. Die Anordnung der Thyristoren 5 und 7 sind gemeinsam an der positiven Gleichstromschiene 1, die Katoden der Thyristoren б und 8 gemeinsam an der negativen ü-leichstromschiene 2 angeschlossen, während die anderen Anschlüsse der Thyristoren 5 und 8 an die Laststromschiene 3 und die anderen Anschlüsse der Thyristoren 6 und 7 an die Laststromschiene 4 gelegt sind. Die Gleichsuromschienen 1 und 2 sind jeweils über eine Drossel 9 ^i^ dem entsprechenden Plus- bzw. LIinuspol einer Gleichstromquelle verbunden. Die Laststromschienen 3 und Ц- sind mit einem Parallelschv/ingkreis aus Kondensator 10 und der Ofenspule 11 zusamaengeschaltet. Die Anlage dient beispielsvveise zur induktiven Erwärmung von elektrisch leitenden Y/erkstoffen.

Die Thyristoren werden in bekannter V/eise so gesteuert, daß jeweils um 180° elektrisch gegeneinander phasenverschoben die Thyristoren 5 und 6 und die Thyristoren 7 und 8 den Speisestrom führen. In den Laststromschienen 3 und Ц- ergibt sich dann ein Wechselstrom, dessen Frequenz von der Zündfrequenz der Thyristorsteuerurig vorgegeben ist. Im Kosnutiorungszeitpunlct sind kurzfristig alle vier Brückenzweige leitend und es ergibt sicn,

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bei der Stromkommutierung von den Thyristoren 7, 8 auf die Thyristoren 5, 6, der in ifig. 1 durch Pfeile gekennzeichnete S"cromverlauf durch die Thyristoren.

In Pig· 2 ist in einer schematischen Darstellung aie räumliche Lage der Gleich- und Laststromschienen gezeigt. Sie sind parallel zueinander so angeordnet, daß die Gleichstromschienen 1 und 2 und die Laststromschienen 3 und 4 jeweils als Schienenpakete ausgebildet und elektrisch, beispielsweise mittels Hartpapier, voneinander isoliert sind. Zwischen die beiden Schienenpakete sind die Thyristoren der Brückenzweige eingebracht. Ss ergibt sich ein kastenförmiger Aufbau mit je einer vertikalen Ebene zu beiden Seiten der Stromschienen und horizontalen Ebenen entsprechend der parallelgeschalteten Ventilzweige. Die Gleichstromschienen 1 und 2 sind so zu einem Schienenpaket zusammengefaßt, daß sie bei gleicher Breite um den Platzbedarf zweier Thyristoren zueinander seitlich verschoben sind. Von den zwei in einer horizontalen лЪепе auf je einer Gleichstromschiene nebeneinander angeordneten Thyristoren sind die beiden innen befindlichen Thyristoren б und 7 an die innere Laststromschiene 4 und die beiden außen befindlichen Thyristoren 5 und 8 an die äußere Laststromschiene angeschlossen. Die Laststromschienen 3 und Ц- sind so ausgebildet, daß die äußere Laststromschiene 3 breiter als die innere Laststromschiene 4 ist. Durch diese Maßnahmen wird eine horizontale Ebene mit den vier Thyristoren 5, 6, 7 u.nd 8 der Brücke erreicht.

In der Fig. 3 ist die gleiche Anordnung dargestellt, jedoch sind hier die beiden Gleichstromschienen 1 und 2 an je einer Längsseite abgewinkelt. Die innere Laststromschiene 4 hingegen ist an beiden Längsseiten u-förmig abgewinkelt worden. Durch diese Maßnahmen wird eine höhere festigkeit aber auch eine bessere Hantierbarkeit erreicht.

Im Kommutierungszeitpunkt bildet sich der durch Pfeile gekennzeichnete Stromverlauf durch die Thyristoren 5_t 6, 7 und 8 heraus. Durch den annähernd koaxialen Aufbau des Wechselrichters erfolgt die Beeinflussung der Magnetfelder der Thyristorstrombahnen dabei sowohl in horizontaler, als auch in vertikaler Ebene mit dem Erfolg, daß sich bei Stromanderungen im Konmutierungsintervail die dynamische Stromaufteilung zwischen den

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parallelen Halbleiterventilen jedes Brückenzweiges gegenüber anderen Anordnungen^bedeutend verbessert.

Für eine höhere Anzahl paralleler Ventile je Brückenzvveig ist es zur Ausnutzung eines gegebenen Schrankvolunens günstig, ein zweites Schienenpaket Gleichstromschienen 1 und 2 spiegelbildlich zu den Laststromschienen 3 und 4- nach Fig. A- vorzusehen. Der Aufbau und die Wirkung ist analog wie oben bei Fig. 2/Fig. beschrieben.

Die elektrische Stromzuführung an die Gleichstromschienen erfolgt vorteilhafterweise an dem einen Ende jeder Schiene, die Abführung des Laststromes von den Laststromschienen am entgegengesetzten Ende. Damit wird erreicht, daß bezüglich jedes Halbleiterventils der Parallelschaltung gleiche Leitungslängen eingehalten werden.

Claims (3)

21 84 7 8 ·* Erfindungsanspruch

1. Anordnung parallelgeschalteter mit Halbleiterventilen bestückter Brückenzweige eines mittels flüssiger Medien gekühlten Wechselrichters höherer Frequenz, bei dem Gleichstromschienen und Laststromschienen räumlich im wesentlichen parallel und elektrisch voneinander isoliert als tragendes Gerüst angeordnet sind und die Eckpunkte aer Brücken bilden, zwischen denen die Halbleiterventile derart angebracht sind, daß die bei Stromfluß entstehende elektromagnetische Feidwirkung in den Bruckenzweigen weitgehend aufgehoben wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Gleichstroiaschienen (1; 2) um den Platzbedarf zweier Halbleiterventiie (5> 6; 7; S) zueinander seitlich versetzt, jedoch symmetrisch zu den Laststromschienen (3; 4) angeordnet sind und daß die Halbleiterventile (.5; 6; 7» ö) jeder aer paraileigeschalteten Brückenzweige in einer horizontalen Ebene an beiden Außenkanten aer üleicnstrom- (ί; 2) und Laststromschienen О; Ч-) liegen und daß üie beiden innen oeiindlichea Halbleiterventile (5; ö) der einen Lasustromschiene (3) und je einer Gleichstromschiene (1; 2) und die beiden außen befindlichen Halbleiterventile (6; 7) der anderen Laststromschiene (4) und ebenfalls je einer Gleichstromschiene (1; 2) zugeordnet sind.

2. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Gleichstromschienen (1; 2) und/oder die Laststromschienen (3; 4) mindestens an einer ihrer beiden Längsseiten abgewinkelt sind·

3. Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß symmetrisch zu den Laststromschienen (3; 4) weitere zwei Gleichstromschienen (1; 2) vorgesehen und gleichermaßen wie unter Punkt 1 mit den Laststromschienen (3; 4·) elektrisch zusammengeschaltet sind.

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