DE10027575A1

DE10027575A1 - ARCP Mehrpunktstromrichter mit potentialvariablen Zwischenkapazitäten

Info

Publication number: DE10027575A1
Application number: DE10027575A
Authority: DE
Inventors: Ralph Teichmann
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2001-04-05
Also published as: US6278626B1

Abstract

Es wird ein ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter vorgeschlagen DOLLAR A - mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S¶1¶...S¶8¶) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer negativen Gleichspannungsschiene (2, 4) geschalten sind, DOLLAR A - wobei elektrisch parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter (S¶1¶...S¶8¶) eine einzelne Entlastungskapazität (C¶1¶...C¶8¶) geschalten ist, DOLLAR A - wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) zwei gleich große Zwischenkreiskapazitäten (C¶DC1¶, C¶DC2¶) angeordnet sind, deren Spannungsmittelpunkt (0) verfügbar ist, DOLLAR A - wobei die Verbindungspunkte (7, 17, 27, 9, 19, 49) jeweils benachbarter Hauptschalter (S¶1¶...S¶8¶), welche nicht gleichzeitig den Ausgang (10) der Stromrichterphase bilden, über potentialvariable Zwischenkreiskapazitäten zur Bildung von Kommutierungszellen in hinsichtlich der positiven und negativen Gleichspannungsschiene (2, 4) symmetrischer Weise miteinander verbunden sind, DOLLAR A - wobei jede potentialvariable Zwischenkreiskapazität in zwei gleich große Teilkapazitäten (C¶DC3¶ und C¶DC4¶, C¶DC5¶ und C¶DC6¶, C¶DC7¶ und C¶DC8¶) aufgeteilt ist, deren Verbindungspunkte als Spannungsmittelpunkte (1, 3, 5) verfügbar sind, DOLLAR A - wobei der Ausgang (10) der Stromrichterphase mit einer Resonanz-Induktivität (L¶aux¶) verbunden ist, deren weiterer Anschluß jeweils über einen eigenen unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (S¶aux1¶, S¶aux2¶, S¶aux3¶, S¶aux4¶) mit allen ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole) Mehrpunktstromrichter mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten und damit auf Schaltungen der Leistungselektronik, insbesondere weich schaltende Mehrpunktstrom richtertopologien für Hochleistungsstromrichter.

Hart schaltende Mehrpunktstromrichter mit potentialveränderlichen Zwischenkreiskapa zitäten, wie sie z. B. von T. Meynard et al. in dem Patent WO 9302501 vorgeschlagen wurden, werden im Hochleistungsbereich zur Steuerung von Drehstromantrieben bzw. bei Energieübertragungsanlagen zur Netzkopplung und Kompensation eingesetzt. Das Mehrpunktstromrichterkonzept hat sich insbesondere bei hohen Spannungsebenen bewährt, bei denen die maximale Sperrspannung eines heute verfügbaren einzelnen Halbleiterventiles nicht ausreicht. Im Gegensatz zu den Mehrpunktstromrichtertopologi en mit Null- oder Begrenzerdioden, wie sie zum Beispiel von A. Nabae et al. in "A New Neutral Point Clamped PWM Inverter", IEEE Transactions of Industry Applications, Vol- IA-17, No. 5 beschrieben wurden, werden in der von Meynard et al. vorgeschlagenen Mehrpunktstromrichtertopologie die verschiedenen Ausgangsspannungsniveaus an einem Stromrichterzweig durch geschicktes Zusammenschalten verschieden geladener Zwischenkreiskapazitäten erzielt. Die Vorteile dieser Topologie machen sich insbeson dere bei Mehrpunktstromrichtern mit mehr als drei Punkten bemerkbar, bei denen die Anzahl und die erforderliche Sperrspannungsbelastung der Null- bzw. Begrenzerdioden in einer Topologie gemäß Nabae et al. stark zunimmt.

Gegenwärtig werden in den Mehrpunktstromrichtern mit Spannungszwischenkreis im hohen Leistungsbereich GTO Schalter mit Inversdioden eingesetzt. Bei dieser Konfigu ration müssen die maximal auftretenden Stromanstiege di/dt und Spannungsanstiege du/dt durch passive Begrenzernetzwerke begrenzt werden, um eine Zerstörung der Halbleiterventile zu vermeiden. Diese Netzwerke sind oft stark verlustbehaftet und tra gen wesentlich zur Stromrichterkomplexität und zu den Stromrichterkosten bei.

Die maximal erreichbare Schaltfrequenz in diesen Hochleistungsstromrichtern ist be grenzt durch die im Halbleiter auftretenden Schaltverluste und die minimalen Schalt- und Erholzeiten der Halbleiterbauelemente. Da die Schaltfrequenz direkten Einfluß auf die Qualität der elektrischen Eingangs- und Ausgangsgrößen und somit auf das ge samte Systemdesign hat, ist die erreichbare Schaltfrequenz ein wesentliches Gütekrite rium für einen Stromrichter.

Fortschritte in der Leistungshalbleiterentwicklung ermöglichen heute einen Stromrich terbetrieb mit wesentlich höherem di/dt und du/dt, was eine beträchtliche Verkleinerung oder sogar den Verzicht auf die Begrenzernetzwerke zur Folge hat. Die gegenwärtige Grenze in der erreichbaren Schaltfrequenz ist somit im wesentlichen nur noch durch die maximal zulässigen Halbleiterverluste gegeben.

Zur Erhöhung der maximalen Schaltfrequenz in Stromrichtern im kleinen und mittleren Leistungsbereich wurden verschiedene weich schaltende Stromrichtertopologien vor gestellt, die eine wesentliche Reduktion der Schaltverluste ermöglichen. Insbesondere das im Patent US 5047913 von R. De Doncker et al. vorgeschlagene "Auxiliary Reso nant Commutated Pole" (ARCP) Prinzip für Zweipunktstromrichter eignet sich sehr gut zur Reduzierung von Schaltverlusten. Bei einem solchen ARCP Stromrichter ist jedem Hauptschalter ein Entlastungskondensator elektrisch parallel geschaltet. Außerdem ist eine Hilfsschaltung, bestehend aus einem Hilfsschalter, der elektrisch in Reihe mit einer Resonanz-Induktivität geschaltet ist, vorgesehen, die einen Mittelpunkt eines Gleich spannungs-Zwischenkreiskondensators mit dem Ausgangsanschluß der Stromrichter phase verbindet. Alle Hauptschalter arbeiten im Nullspannungsbetrieb, während alle Hilfsschalter im Nullstrombetrieb arbeiten.

Neben der drastischen Reduzierung der Schaltverluste ermöglicht das ARCP Prinzip auch eine Steuerung der maximalen Strom- bzw. Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit über die Wahl der resonanten Elemente, was neben der Möglichkeit des Einsatzes kri tischer Halbleiterschalter bzw. Kombinationen von Halbleiterschaltern (z. B. Serien schaltung) auch eine Reduzierung der Beanspruchung der Isolation der Endwindungen in Drehstrommotoren mit sich bringt.

Ansätze der Erweiterung dieses ARCP Prinzips auf Dreipunktstromrichter mit potential variablen Kapazitäten wurden von Dijkhuizen et al. auf der IEEE Konferenz IAS 98 und von Deschamps et al. bzw. von Yuan et al. auf der brasilianischen Leistungselektronik- Konferenz COBEP 97 gezeigt. In diesen Lösungen ist der Stromrichterausgang mit ei ner Resonanz-Induktivität verbunden, die entweder auf die positive oder die negative Gleichspannungs-Zwischenkreisschiene (Deschamps) oder über einen zusätzlichen Transformator auf den Spannungsmittelpunkt des Gleichspannungs-Zwischenkreis kondensators im Dreipunktstromrichter (Yuan) geschalten wird. Der wesentliche Nach teil in der Anordnung von Deschamps ist, daß ein unsymmetrischer Umladevorgang stattfindet, d. h. der Betrag der Spannung über der Resonanz-Induktivität am Beginn des resonanten Umladevorgangs entspricht nicht dem Betrag der Spannung zum Ende der resonanten Kommutierung. Zusätzliche verlustbehaftete Schaltvorgänge im Hilfs zweig während der resonanten Kommutierung sind notwendig, um ein Abklingen des Stromes im Hilfszweig zu erreichen. Der wesentliche Nachteil in der Anordnung nach Yuan ist der hohe Bauelementeaufwand. Insbesondere die Fertigung der Hochfre quenztransformatoren im Hilfszweig, welche mit einem hohen Resonanzstrom belastet werden, ist für eine breite Anwendung dieser Topologie zu komplex und zu teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ARCP Mehrpunktstromrichter mit poti entialvariablen Kapazitäten anzugeben, der aufgrund der Anordnung weniger zusätzli cher Schaltelemente einen symmetrischen resonanten Umladevorgang ermöglicht, um somit einen Nullstrombetrieb der Hilfsschalter und einen Nullspannungsbetrieb der Hauptschalter ohne verlustbehaftete Schaltvorgänge bzw. ohne transformatorische Übertrager zu erzielen.

Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausführungsform erfindungsgemäß gelöst durch einen ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter

- mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer negativen Gleichspan nungsschiene geschalten sind,
- wobei elektrisch parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungs kapazität geschalten ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen zwei gleich große Zwischenkreiska pazitäten angeordnet sind, deren Spannungsmittelpunkt verfügbar ist,
- wobei die Verbindungspunkte jeweils benachbarter Hauptschalter, welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase bilden, über potentialvariable Zwi schenkreiskapazitäten zur Bildung von Kommutierungszellen in hinsichtlich der positi ven und negativen Gleichspannungsschiene symmetrischer Weise miteinander ver bunden sind,
- wobei jede potentialvariable Zwischenkreiskapazität in zwei gleich große Teilkapazi täten aufgeteilt ist, deren Verbindungspunkte als Spannungsmittelpunkte verfügbar sind,
- wobei der Ausgang der Stromrichterphase mit einer Resonanz-Induktivität verbunden ist, deren weiterer Anschluß jeweils über einen eigenen unabhängig steuerbaren bidi rektionalen Hilfsschalter mit allen Spannungsmittelpunkten verbunden ist.

Die Aufgabe wird gemäß einer zweiten Ausführungsform erfindungsgemäß gelöst durch einen ARCP Mehrpunktstromrichter

- mit einer Reihenschaltung von mehr als vier Hauptschaltern pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer negativen Gleichspan nungsschiene geschalten sind,
- wobei elektrisch parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungs kapazität geschalten ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen zwei gleich große Zwischenkreiska pazitäten angeordnet sind, deren Spannungsmittelpunkt verfügbar ist,
- wobei die Verbindungspunkte jeweils benachbarter Hauptschalter, welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase bilden, über potentialvariable Zwi schenkreiskapazitäten zur Bildung von Kommutierungszellen in hinsichtlich der positi ven und negativen Gleichspannungsschiene symmetrischer Weise miteinander ver bunden sind,
- wobei jede potentialvariable Zwischenkreiskapazität in zwei gleich große Teilkapazi täten aufgeteilt ist, deren Verbindungspunkte als Spannungsmittelpunkte verfügbar sind,
- wobei der Spannungsmittelpunkt der Zwischenkreiskapazitäten über einen unabhän gig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter und eine Resonanz-Induktivität mit dem Spannungsmittelpunkt der nächstliegenden Kommutierungszelle verbunden ist, der Ausgang der Stromrichterphase über einen unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter und eine Resonanz-Induktivität mit dem Spannungsmittelpunkt der nächstliegenden Kommutierungszelle verbunden ist und die Spannungsmittelpunkte jeweils benachbarter Kommutierungszellen über einen unabhängig steuerbaren bidi rektionalen Hilfsschalter und eine Resonanz-Induktivität miteinander verbunden sind.

Die Aufgabe wird gemäß einer dritten Ausführungsform erfindungsgemäß gelöst durch einen ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter

- mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer negativen Gleichspan nungsschiene geschalten sind,
- wobei elektrisch parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter eine einzelne Entlastungs kapazität geschalten ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen mindestens drei Zwischenkreiskapa zitäten angeordnet sind, deren Kapazitätswerte derart gewählt sind, daß Spannungs abgriffe entstehen, deren Spannungsniveaus in der Mitte der am Ausgang der Strom richterphase einstellbaren Spannungsniveaus liegen,
- wobei die Verbindungspunkte jeweils benachbarter Hauptschalter, welche nicht gleichzeitig den Ausgang der Stromrichterphase bilden, über potentialvariable Zwi schenkreiskapazitäten zur Bildung von Kommutierungszellen in hinsichtlich der positi ven und negativen Gleichspannungsschiene symmetrischer Weise miteinander ver bunden sind,
- wobei der Ausgang der Stromrichterphase mit einer Resonanz-Induktivität verbunden ist, deren weiterer Anschluß jeweils über einen eigenen unabhängig steuerbaren bidi rektionalen Hilfsschalter mit allen Spannungsabgriffen verbunden ist.

Durch die Anordnung mehrerer Stromrichterphasen,

- die jeweils elektrisch parallel zu einem mit einem Kondensator abgestützten Gleich spannungs-Zwischenkreis geschaltet sind,
- jeweils 2(n-1) in Serie geschaltete aktive Hauptschalter aufweisen (n = Anzahl der Stromrichterpunkte bzw. Anzahl der möglichen Ausgangsspannungsniveaus), die den positiven mit den negativen Anschluß der Gleichspannungs-Zwischenkreiskapazität verbinden,
- jeweils einen Ausgangsanschluß für die Stromrichterphase an dem Verbindungspunkt des (n-1)-ten und des n-ten Hauptschalters verzeichnen,
- jeweils (n-2) potentialvariable Zwischenkreiskapazitäten besitzen, deren positive An schlußpunkte in der Kette der in Serie geschalteten Hauptschalter am Verbindungs punkt zwischen den Schaltern (n-1-k) und (n-2-k) und deren negative Anschlußpunkte am Verbindungspunkt der Hauptschalter (n+k) und (n+1+k) mit k = 0 . . . (n-3) ange schlossen werden,

erhält man den Aufbau eines mehrphasigen Mehrpunktstromrichters mit potentialvaria blen Zwischenkreiskapazitäten.

Ausgehend von dieser hart schaltenden Mehrpunktstromrichtertopologie mit potential variablen Zwischenkreiskapazitäten wird die gewünschte weich schaltende ARCP Mehrpunktstromrichtertopologie mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten durch folgende Modifikationen und Erweiterungen erzielt:

1. Für jede Stromrichterebene muß durch eine Serienschaltung von zwei Kapazitäten oder alternativen Spannungsquellen dafür gesorgt werden, daß ein Spannungsmittel punkt bezüglich der Stromrichterebene zur Verfügung steht. Dies erfolgt im Fall des Mehrpunktstromrichters mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten durch eine entsprechende Aufteilung der Hauptkapazität im Gleichspannungszwischenkreis bzw. der potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten.
2. Der Ausgang der Stromrichterphase muß durch eine Reihenschaltung einer Reso nanz-Induktivität und eines unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalters mit dem Spannungsmittelpunkt der innersten potentialvariablen Zwischenkreiskapazität verbunden werden. Die Spannungsmittelpunkte aller potentialvariablen Zwischenkreis kapazitäten müssen durch eine Reihenschaltung einer Resonanz-Induktivität und eines unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalters mit dem Mittelpunkt der bezogen auf die Zwischenkreisspannung nächst darüber liegenden potentialvariablen Zwischen kreiskapazität bzw. mit dem Spannungsmittelpunkt der Gleichspannungs-Zwischen kreiskapazität verbunden werden. Sind keine Spannungsmittelpunkte an den potential variablen Zwischenkreiskapazitäten vorgesehen, erfolgt die Ankopplung der mit der resonanten Induktivität verbundenen bidirektionalen Hilfsschalter an den Spannungs abgriffen der geteilten Gleichspannungs-Zwischenkreiskapazität.
3. Parallel zu jedem Hauptschalter muß eine Entlastungskapazität angebracht werden.

Somit erhält man vorteilhaft einen verlustarmen ARCP Mehrpunktstromrichter, der die Vorteile eines Mehrpunktstromrichters mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten mit denen eines ARCP-Stromrichters kombiniert, wobei eine maximale Schaltentlastung erzielt werden kann.

Mit dieser Topologie ist es möglich, den Schaltaugenblick der Hauptschalter der Strom richterphase frei festzulegen, wodurch herkömmliche Pulsweitenmodulationsverfahren eingesetzt werden können. Die Hauptschalter in dieser ARCP Stromrichterphase schalten bei verschwindender Spannung über diesen Bauelementen ein und aus (Zero- Voltage-Switch-(ZVS)-Prinzip). Die Hilfsschalter in Reihe zur Resonanz-Induktivität werden nach dem Zero-Current-Switch-(ZCS-)Prinzip ebenfalls schaltentlastend be trieben. Beim ZCS-Prinzip wird der Hilfsschalter bei verschwindendem Strom ein- und abgeschaltet. Das heißt, alle in dieser Stromrichterphase verwendeten Halbleiterschal ter schalten verlustarm. Die spannungsmäßige Auslegung der Hauptschalter und Hilfs schalter sowie die Betriebsweise der Schalter kann der nachstehenden Tabelle 1 ent nommen werden. Die Auslegung der Schalter bzgl. des Nennstromes hängt von den Schaltungsparametern, die den Effektivstrom durch den Schalter bestimmen, und den thermischen und elektrischen Eigenschaften der Schalter ab. Die Vorteile dieser ARCP Mehrpunktstromrichtertopologie mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten ge genüber den bisher vorgestellten ARCP Dreipunktstromrichtern sind:

a) symmetrischer Umschwingvorgang, der keine transformatorische Übertrager bzw. keine Boostphasen zu anderem Zweck als zur Kompensation resistiver Verluste benö tigt, um ein weiches Schalten aller installierten Schalter zu ermöglichen,
b) Sperrspannungsbelastung aller Hilfsschalter in der Vorzugsanordnung (Fig. 1, 2) beträgt nur V_dc/2/(n-1),
c) Skalierbarkeit der Topologie auf beliebige Anzahl an Stromrichterpunkten.

Tabelle 1

Schalterauslegung

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen Ausführungsbeispiele einer Stromrichterphase eines verlustarmen ARCP Mehr punktstromrichters mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten schematisch veran schaulicht sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausgangsphase eines ARCP Dreipunktstromrichters mit potential variablen Zwischenkreiskapazitäten,

Fig. 2 eine Phase eines ARCP Fünfpunktstromrichters mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten, welcher nach den benannten Designrichtlini en entworfen wurde,

Fig. 3 qualitativ den Verlauf der Spannung über den Entlastungskapazitäten C₁ bis C₄, die Spannung über den Hilfsschaltern S_aux1 und S_aux2, sowie die Ausgangsspannung v_o für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten und positivem Ausgangs strom i_o,

Fig. 4 die Schaltzustände für die steuerbaren Schalter innerhalb einer Schaltsequenz für einen ARCP Dreipunktstromrichter mit potentialvaria blen Zwischenkreiskapazitäten und positivem Ausgangsstrom i_o,

Fig. 5 qualitativ den Verlauf der Ströme durch die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2, durch die Hauptschalter S₁ und S₂ sowie durch die Entlastungskapazi täten C₁ und C₂ für einen ARCP Dreipunktstromrichter,

Fig. 6, 7, 8 Zusammenhänge entsprechend den Fig. 3, 4 und 5, jedoch für ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen für einen ARCP Dreipunkt stromrichter mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten,

Fig. 9, 10, 11 alternative Ausführungsformen einer ARCP Stromrichterphase mit po tentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Ausgangsphase eines Dreipunktstromrichters, bestehend aus einer Reihenschaltung der Hauptschalter S₁ bis S₄, die elektrisch parallel zu einem Gleichspannungszwischenkreis geschaltet sind, welcher aus einer Reihenschaltung der gleich großen Kapazitäten C_DC1 und C_DC2 besteht und damit die positive Gleichspan nungsschiene 2 mit der negativen Gleichspannungsschiene 4 verbindet.

Direkt parallel zu jedem Hauptschalter S₁ bis S₄ sind die Entlastungskapazitäten C₁ bis C₄ geschaltet. Die Schalter S₁ bis S₄ bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleiter T₁ . . . T₄, allgemein T mit antiparallel geschalteter Diode D₁ . . . D₄, all gemein D (Inversdiode). An den Verbindungspunkten 7 bzw. 9 der Hauptschalter S₁ und S₂ bzw. der Hauptschalter S₃ und S₄ ist die potentialvariable Zwischenkreiskapazi tät, bestehend aus den Teilkapazitäten C_DC3 bis C_DC4, geschaltet.

Die Spannungsmittelpunkte 0 bzw. 1 des Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensators bzw. der potentialvariablen Zwischenkreiskapazität sowie der Spannungsmittelpunkt 1 und der Ausgang 10 der Stromrichterphase sind jeweils mittels einer Serienschaltung bestehend aus einer Resonanz-Induktivität und eines Hilfsschalters verbunden. Die Hilfsschalter bestehen aus einer Serienschaltung von zwei aktiv ausschaltbaren Lei stungshalbleitern mit antiparallelen Dioden, die so miteinander verschaltet sind, daß ein bidirektionaler Schalter entsteht.

Fig. 2 zeigt eine Erweiterung der Ausführungsform in Fig. 1 auf einen ARCP Fünfpunkt stromrichter.

Die Ausgangsphase des Fünfpunktstromrichters besteht aus einer Reihenschaltung der Hauptschalter S₁ bis S₈, die elektrisch parallel zu einem Gleichspannungszwischenkreis geschaltet sind, welcher aus einer Reihenschaltung von zwei gleich großen Kapazitä ten C_DC1 bis C_DC2 besteht und damit die positive Gleichspannungsschiene 2 mit der ne gativen Gleichspannungsschiene 4 verbindet.

Die Schalter S₁ bis S₈ bestehen jeweils aus einem aktiv ausschaltbaren Leistungshalb leiter T mit antiparallel geschalteter Diode D. Die Verbindungspunkte 27 bzw. 49 der Hauptschalter S₁ und S₂ bzw. der Hauptschalter S₇ und S₈ sind mit einer potentialvaria blen Kapazität verbunden, die aus den Teilkapazitäten C_DC3 und C_DC4 gebildet wird. Die Verbindungspunkte 7 bzw. 9 der Hauptschalter S₂ und S₃ bzw. der Hauptschalter S₆ und S₇ sind mit einer potentialvariablen Kapazität verbunden, die aus den Teilkapazitäten C_DC5 und C_DC6 gebildet wird. Weiterhin sind die Verbindungspunkte 17 bzw. 19 der Hauptschalter S₃ und S₄ bzw. der Hauptschalter S₅ und S₆ mit einer potentialvariablen Kapazität verbunden, die aus den Teilkapazitäten C_DC7 und C_DC8 gebildet wird.

Die Entlastungskapazitäten C₁ bis C₈ sind direkt parallel zu den Hauptschaltern S₁ bis S₈ geschaltet. Zusätzlich sind die Spannungsmittelpunkte 0, 1, 3 und 5 an den poten tialvariablen Zwischenkreiskapazitäten sowie der Ausgang der Stromrichterphase je weils über eine Serienschaltung aus einem bidirektionalen Hilfsschalter und einer Re sonanz-Induktivität L_aux verbunden. Die Hilfsschalter bestehen aus einer Serienschal tung von zwei aktiv ausschaltbaren Leistungshalbleitern mit antiparallelen Dioden, die so miteinander verschalten sind, daß ein bidirektionaler Schalter entsteht.

Fig. 3 stellt die Spannungen über den Entlastungskapazitäten v_C1 bis v_C4, und damit die Spannungen über den Hauptschaltern S₁ bis S₄, die Stromrichterausgangsspannung v_o und die Spannung über den Hilfsschaltern S_aux1 und S_aux2 für einen ARCP Dreipunkt stromrichter mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten gemäß Fig. 1 dar. Unter Annahme eines positiven Laststromes i_o ist eine volle Schaltsequenz von der maxima len positiven Ausgangsspannung v_o über die maximale negative Ausgangsspannung v_o und zurück dargestellt. Die ersten beiden Kommutierungen sind kapazitive Kom mutierungen. Die Ausgangsspannung v_o wird mittels zweier ARCP Kommutierungen wieder auf die maximale positive Ausgangsspannung zurückgeschwungen. Der Maßstab einer Teilung der Ordinate entspricht der Größe der Gleichspannung V_dc im Gleichspannungszwischenkreis. Die Kommutierungszeiten sind stark von den gewähl ten Schaltungsparametern abhängig. Alle Verläufe werden im weiteren im Detail be schrieben.

Fig. 4 zeigt die Logikzustände aller Schalter in einer Stromrichterphase des ARCP Dreipunktstromrichters mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten korrespondie rend zu den in Fig. 3 dargestellten Kommutierungen. Die Hilfsschalter sind nur während der Kommutierungen eingeschaltet und beeinflussen den stationären Betrieb des Stromrichters nicht.

Fig. 5 gibt qualitativ die Stromverläufe durch die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 wieder. Weiterhin sind die Ströme in den Hauptschaltern S₁ und S₂ sowie den Entlastungska pazitäten C₁ und C₂ dargestellt. Die Höhe des resonanten Stromes ist durch die Wahl der resonanten Elemente und durch die Höhe des Booststromes beeinflußbar. Eine Ordinatenteilung entspricht der Größe des Ausgangsstrom i_o. Der Kommutierungsab lauf korrespondiert zu den Beschreibungen für Fig. 3 und Fig. 4.

Fig. 6 entspricht Fig. 3, zeigt jedoch qualitativ den Verlauf der Spannung über den Ent lastungskapazitäten und den potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten für eine Schaltsequenz mit ARCP unterstützter kapazitiver Kommutierung für einen ARCP Drei punktstromrichter mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten. Die Ordinatenteilung entspricht der Teilung in Fig. 3. Die ersten beiden Kommutierungen sind in diesem Fall ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen. Die Kondensatoren werden nicht linear wie in Fig. 3, sondern mit Hilfe einer resonanten Schwingung umgeladen. Die darauffolgenden zwei ARCP Kommutierungen entsprechen qualitativ den ARCP Kom mutierungen in Fig. 3. Sowohl die Kommutierungszeiten als auch die Höhe des resonanten Stromes für die ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierungen sind stark von den gewählten Schaltungsparametern abhängig.

Fig. 7 entspricht Fig. 4 und zeigt die Ansteuerlogik für alle Schalter für die unter Fig. 6 diskutierten Kommutierungen. Auch hier werden die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 nur zu den Kommutierungen aktiviert.

Fig. 8 zeigt qualitativ den Verlauf der in Fig. 5 eingeführten Ströme für die für Fig. 6 dis kutierten Kommutierungen. Der Ordinatenmaßstab in dieser Darstellung entspricht 50% dessen in Fig. 5 und der Laststrom i_o entspricht nur 10% des Laststromes in Darstellung gemäß Fig. 5. Deutlich sichtbar sind die gewünschten Stromüberhöhungen in den Hauptschaltern am Beginn der ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung. Alle dargestellten Stromverläufe sind im weiteren beschrieben.

Fig. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform einer ARCP Stromrichterphase mit poten tialvariablen Zwischenkreiskapazitäten. Gegenüber der Ausführungsform in Fig. 1 ist nur eine Resonanz-Induktivität L_aux vorgesehen. Diese wird am Stromrichterausgang angekoppelt und ist jeweils mit einem bidirektionalen Hilfsschalter S_aux1 bzw. S_aux2, wel che ihrerseits an den Mittelpunkten der potentialvariablen Kapazitäten bzw. am Mittel punkt 0 der Gleichspannungs-Zwischenkreiskapazität angekoppelt sind, elektrisch in Reihe geschaltet. Die Sperrspannungsbelastung für die bidirektionalen Hilfsschalter in einer Stromrichterphase ist somit nicht gleich. Die maximale Belastung tritt am bidirek tionalen Hilfsschalter mit Anschlußpunkt 0 auf und beträgt V_dc/2. Diese Ausführungs form läßt sich durch Hinzufügen weiterer Hilfsschalter, welche die Mittelpunkte weiterer potentialvariabler Zwischenkreiskapazitäten mit der Resonanz-Induktivität verbinden, auf ARCP Mehrpunkt-Stromrichter mit mehr als 3 Punkten erweitern.

Fig. 10 zeigt am Beispiel einer ARCP Dreipunktstromrichterphase eine weitere alterna tive Ausführungsform einer ARCP Stromrichterphase mit potentialvariablen Zwischen kreiskapazitäten. Gegenüber den bisher gezeigten Ausführungsformen sind die poten tialvariablen Kapazitäten nicht in Teilkapazitäten aufgeteilt. Statt dessen ist die Kapa zität im Gleichspannungszwischenkreis in mindestens n Teilkapazitäten untergliedert, an deren Verbindungsstellen (n-1) bidirektionale Hilfsschalter angeschlossen sind. Der zweite Anschluß dieser bidirektionalen Hilfsschalter wird gemeinsam auf eine Reso nanz-Induktivität Lax geführt, die mit dem Stromrichterausgang verbunden ist. Eine ma ximale Sperrspannungsbelastung über den Hilfsschaltern von 3/4V_dc kennzeichnet die se Topologie.

Fig. 11 zeigt eine Erweiterung der Anordnung in Fig. 10 auf einen ARCP Fünfpunkt stromrichter mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten zur Verdeutlichung der notwendigen Verhältnisse der Teilspannungen über den Teilkapazitäten im Gleich spannungszwischenkreis. Bei der Auslegung der Kondensatoren im Gleichspannungs zwischenkreis sind für diese Topologie (n-1) Spannungsabgriffe vorzusehen, die be züglich des Stromrichtermittelpunkts 0 Spannungen aufweisen, welche dem arithmeti schen Mittelwert der vor und nach den Kommutierungen auftretenden Ausgangsspan nungen v_o entsprachen. Die maximal auftretende Sperrspannungsbelastung tritt bei den Hilfsschaltern S_aux1 und S_aux4 auf und beträgt 7/8V_dc.

Im folgenden soll nun die Funktionsweise an einer Stromrichterphase gemäß Fig. 1 dieses erfindungsgemäßen, verlustarmen ARCP Mehrpunktstromrichters mit potential variablen Zwischenkreiskapazitäten anhand der Kommutierungsvorgänge von den obe ren Hauptschaltern S₁ und S₂ auf die unteren Hauptschalter S₃ und S₄ sowie zurück beschrieben werden. Für Mehrpunktstromrichter mit mehr als drei Punkten sind diese Ausführungen sinngemäß anzuwenden. Für den Betrieb eines Dreipunktstromrichters mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten sind die in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigten Schaltzustände maßgebend, um die gewünschten Ausgangsspannungen v_o bezüglich des Stromrichtermittelpunkts 0 (siehe Spalte 2) zu erzielen. Es existieren zwei alternative Schaltzustände, die eine Ausgangsspannung von Null erzeugen. Im folgenden sind die Transitionen p → 0₊ → n → 0_- → p beschrieben.

Tabelle 2

Schaltzustände eines Dreipunktstromrichters mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten

Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schalttransitionen ist im folgenden für ei nen positiven Ausgangsstrom i_o gegeben. Die Kommutierungen p → 0 und 0 → n sind in dem Fall kapazitive Kommutierungen bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kommutierun gen und die Kommutierungen n → 0 und 0 → p sind ARCP Kommutierungen. Bei relativ kleinem Ausgangsstrom, relativ großen Entlastungskapazitäten bzw. relativ großer Gleichspannung kann es zu ungewollt langen Kommutierungszeiten für die kapazitive Kommutierung kommen. Um die Kommutierungsdauer für die kapazitive Kommutierung zu verkürzen, kann man den ARCP Hilfszweig zur Beschleunigung der Kommutierung nutzen, was zu einer ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung führt.

Nachfolgend wird eine Kommutierung p → 0 für i_o < 0₊ behandelt:

a) Kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₁ und S₂ geschlossen. Der Ausgangs strom i_o fließt durch die Schalter T₁ und T₂. Die Spannung über den Schaltern S₃ und S₄ ist jeweils v_C3 = v_C4 = V_dc/2. Die Inversdioden D₃ und D₄ sind damit im Sperrzustand. Die Kommutierung beginnt, wenn der Schalter T₂ aktiv ausgeschaltet wird. Der Last strom i_o kommutiert jeweils zur Hälfte in die Entlastungskapazitäten C₂ und C₃, die um geladen werden. Dabei sinkt die Spannung in C₃ linear ab, während sie in C₂ linear ansteigt. Der gesamte Laststrom wird über die positive Gleichspannungsschiene ge führt, da die Hälfte des Laststromes, die durch C₃ fließt, über die potentialvariable Zwi schenkreiskapazität auch wieder auf die positive Gleichspannungsschiene zurückge führt wird. Die Spannung über dem Kondensator C₄ bleibt wegen des eingeschalteten Schalters T₁ und der relativ konstanten Spannung über dem potentialvariablen Zwi schenkreiskondensator, bestehend aus C_DC3 und C_DC4, bei v_C4 = V_dc/2.

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über dem Kon densator C₃ den Wert v_C3 = 0 erreicht hat und der Schalter S₃ mit der Diode D₃ unter ZVS Bedingung einschaltet. Damit ist die Kommutierung abgeschlossen und der "0₊" Zu stand ist erreicht. Die Schalter S₁ und S₃ sind eingeschalten und die Spannungen v_C2 und v_C4 betragen jeweils V_dc/2. Die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 werden für diese Kom mutierung nicht aktiviert.

b) ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₁ und S₂ geschlossen. Der Laststrom i_o fließt durch die Schalter T₁ und T₂. Die Spannung über den Schaltern S₃ und S₄ ist jeweils v_C3 = v_C4 = V_dc/2. Die Inversdioden D₃ und D₄ sind im Sperrzustand.

Der Kommutierungsvorgang wird mit dem Einschalten von S_aux2 bei i_aux2 = 0 (ZCS) ge startet. Wegen der nun negativen Spannung v_Laux2 = -V_dc/4 über der Induktivität L_aux2 kommt es zu einem negativen Stromanstieg i_aux2 im Hilfszweig. Wenn der Strom in T₁ bzw. T₂, bestehend aus der Überlagerung des Laststromes i_o mit dem Strom i_aux2, einen bestimmten frei wählbaren Wert erreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch aktives Ausschalten von T₂ gestartet. Die Stromstärke, bei der das Abschalten erfolgt, wird so gewählt, daß die Kommutierungsdauer innerhalb der gewünschten ma ximalen Kommutierungsdauer liegt.

Nach dem Ausschalten von T₂ kommutiert der Umladestrom, bestehend aus einer Überlagerung von dem Laststrom i_o und dem Strom i_aux2, in die Kondensatoren C₂ und C₃ und lädt diese um. Dabei wird der Kondensator C₂ nichtlinear geladen, während der Kondensator C₃ dementsprechend entladen wird. Beide Hälften des Laststromes wer den über die positive Gleichspannungsschiene 2 geführt, während der resonante Anteil nur durch die potentialvariablen Kapazitäten C_DC3 und C_DC4 fließt. Die Spannung über der Kapazität C₄ wird dabei durch den geschlossenen Schalter S₁ und die relativ kon stante Spannung über den potentialvariablen Kapazitäten C_DC3 und C_DC4 bei v_C4 = V_dc/2 gehalten.

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über C₃ den Wert v_C3 = 0 erreicht hat und der Schalter S₃ unter ZVS Bedingungen eingeschalten wird. Eine positive Spannung von V_Laux2 = V_dc/4 liegt jetzt über der Induktivität L_aux2 im Hilfs zweig, was zu einem positiven Stromgradienten in i_aux2 führt. Wenn der Strom i_aux2 den Wert i_aux2 = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux2 unter ZCS Bedingung ausgeschaltet werden. Damit ist die gesamte Kommutierung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "0₊" erreicht.

Nachfolgend wird eine Kommutierung 0₊ → n für i_o < 0 behandelt:

a) Kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₁ und S₃ geschlossen. Der Laststrom i_o fließt durch T₁ und die Inversdiode D₃. Die Spannung über den Schaltern S₂ und S₄ ist jeweils v_C2 = v_C4 = V_dc/2. Die Inversdioden D₂ und D₄ sind damit gesperrt.

Die Kommutierung wird initiiert, indem der Schalter T₁ aktiv ausgeschaltet wird. Der Laststrom i_o kommutiert jeweils zur Hälfte in die Kondensatoren C₁ und C₄, wobei diese umgeladen werden. Dabei steigt die Spannung am Kondensator C₁ linear an, während die Spannung am Kondensator C₄ linear fällt. Ein Umladen des Kondensators C₂ wird anforderungsgemäß durch die potentialvariable Zwischenkreiskapazität, bestehend aus C_DC3 und C_DC4, und dem geschlossenen Schalter S₃ verhindert, was die Spannung über den Schaltern S₂ und S₃ konstant auf v_C2 = V_dc/2 und v_C3 = 0 hält.

Die Kommutierung ist beendet, wenn die Spannung über C₄ den Wert v_C4 = 0 erreicht hat und der Schalter S₄ unter ZVS Bedingung eingeschaltet wird. Der Laststrom i_o, der wäh rend der Kommutierung jeweils zur Hälfte von der positiven Gleichspannungsschiene 2 und der negativen Gleichspannungsschiene 4 getragen wurde, kommutiert nun kom plett auf die Inversdioden D₃ und D₄. Damit ist die Kommutierung beendet und der "n" Zustand mit einer Ausgangsspannung von v_o = -V_dc/2 wurde erreicht. Die Hilfsschalter S_aux1 und S_aux2 werden für diese Kommutierung nicht aktiviert.

b) ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₁ und S₃ geschlossen. Der Laststrom i_o fließt durch T₁ und die Inversdiode D₃. Die Spannung über den Schaltern S₂ und S₄ ist jeweils v_C1 = v_C4 = V_dc/2. Damit sind die Inversdioden D₂ und D₄ im Sperrzustand.

Die Kommutierung wird mit dem Einschalten des Hilfsschalters S_aux1 bei i_aux1 = 0 (ZCS) gestartet. Wegen der damit verbundenen negativen Spannung V_Laux1 = -V_dc/4 über der Induktivität L_aux1 kommt es zu einem negativen Stromanstieg i_aux1 im Hilfszweig. Wenn der Strom in T₁, bestehend aus der Überlagerung von i_o und i_aux1, einen bestimmten frei wählbaren Wert erreicht hat, wird die Kommutierung der Hauptschalter durch aktives Ausschalten von T₁ gestartet. Die Stromstärke, bei der das Abschalten erfolgt, wird so gewählt, daß die Kommutierungsdauer innerhalb der gewünschten maximalen Kommu tierungsdauer liegt.

Da der Hauptschalter S₃ eingeschaltet bleibt und die Spannung über der potentialva riablen Zwischenkreiskapazität relativ konstant ist, kommutiert der Laststrom i_o mit dem überlagerten Strom i_aux1 nach dem Ausschalten von T₁ in die Kondensatoren C₁ und C₄ und lädt diese um. Dabei steigt die Spannung am Kondensator C₁ nichtlinear an, wäh rend die Spannung am Kondensator C₄ entsprechend fällt. Die Spannungen über den Kondensatoren C₂ und C₃ bleiben jeweils konstant bei v_C2 = V_dc/2 und v_C3 = 0 (siehe Fig. 6.)

Die Kommutierung der Hauptschalter ist beendet, wenn die Spannung über dem Kon densator C₄ den Wert v_C4 = 0 erreicht hat und der Schalter S₄ unter ZVS Bedingungen eingeschalten wurde. Der Umladestrom, bestehend aus Laststrom i_o und Strom i_aux1, kommutiert nun von der positiven Gleichspannungsschiene, die während der Kommu tierung die Hälfte dieses Umladestromes getragen hat, komplett auf die Inversdioden in S₃ und S₄. Eine positive Spannung von V_Laux1 = V_dc/4 liegt jetzt über der Induktivität L_aux1 im Hilfszweig, die zu einem positiven Stromgradienten in i_aux1 führt. Wenn der Strom i_aux1 den Wert i_aux1 = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux1 unter ZCS Bedingung ausge schalten werden. Damit ist die gesamte Kommutierung beendet und der Stromrichter zweig hat den Zustand "n" erreicht.

Nachfolgend wird eine Kommutierung n → 0_- für i_o < 0 behandelt:

ARCP Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Schalter S₃ und S₄ eingeschalten. Der Last strom i_o fließt durch die Inversdioden D₃ und D₄. Die Spannung über den Schaltern S₁ und S₂ ist jeweils v_C1 = v_C2 = V_dc/2. Die Inversdioden D₁ und D₂ sind damit im Sperrzustand. Die Kommutierung wird mit dem Einschalten des Hilfsschalters S_aux2 bei i_aux2 = 0 (ZCS) gestartet. Wegen der positiven Spannung über der Induktivität L_aux2, v_Laux2 = V_dc/4, kommt es zu einem positiven Stromanstieg i_aux2 im Hilfszweig. Wenn dieser Strom i_aux2 einen bestimmten Wert I_boost < 0 mit I_boost = i_aux2 - i_o erreicht hat, wird die Kommutierung durch akti ves Ausschalten des Leistungshalbleiters T₃ gestartet. Dieser Wert des Booststromes I_boost ist frei wählbar, muß aber einen Mindestwert besitzen, der ein vollständiges Um schwingen der Spannung über dem Kondensator C₂ auf den Wert v_C2 ≈ 0 auch bei einem verlustbehafteten, nicht idealen Aufbau garantiert. Die Differenz des Laststromes i_o und des Hilfsstromes i_aux2 kommutiert in die Kondensatoren C₂ und C₃, was ein Entladen des Kondensators C₂ und ein Laden des Kondensators C₃ bewirkt. Während der Laststrom über S_aux2, C_DC4 und S₄ komplett von der negativen Gleichspannungsschiene 4 getragen wird, fließt der Resonanzstrom nur durch die potentialvariablen Kapazitäten C_DC3 und C_DC4, dem Hilfszweig S_aux2/L_aux2 und den Entlastungskapazitäten über den Schaltern S₂ und S₃. Da die Spannung über der Serienschaltung von C_DC3 und C_DC4 relativ konstant ist und der Schalter S₄ geschlossen bleibt, bleibt die Spannung über S₁ konstant bei v_C1 = V_dc/2 (siehe Fig. 3).

Wenn die Spannung des Kondensators C₂ den Wert v_C2 = 0 erreicht hat, wird der Haupt schalter S₂ unter ZVS Bedingung eingeschalten. Eine negative Spannung von v_Laux2 = -V_dc/4 liegt jetzt über der Induktivität L_aux2 im Hilfszweig, die zu einem negativen Strom gradienten in i_aux2 führt. Wenn der Strom i_aux2 den Wert i_aux2 = 0 erreicht hat, kann der Schalter S_aux2 unter ZCS Bedingung ausgeschalten werden. Damit ist die Kommutie rung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "0" erreicht.

Nachfolgend wird die Kommutierung 0_- → p für i_o < 0 behandelt:

ARCP Kommutierung (siehe Bildmarkierung )

Vor Beginn der Kommutierung sind die Hauptschalter S₂ und S₄ geschlossen. Der Last strom i_o fließt durch den Leistungshalbleiter T₂ und die Inversdiode D₄. Die Spannung über den Schaltern S₁ und S₃ ist jeweils v_C1 = v_C3 = V_dc/2. Damit sind die Inversdioden D₁ und D₃ im Sperrzustand.

Das Einschalten des Hilfsschalters S_aux1 bei i_aux1 = 0 (ZCS) startet die Kommutierung. Wegen der positiven Spannung v_Laux1 = V_dc/4 über der Hilfsinduktivität L_aux1 ist ein positi ver Stromanstieg beim Strom i_aux1 zu verzeichnen. Wenn der Strom i_aux1 einen Wert I_boost < 0 mit I_boost = i_aux1 - i_o erreicht hat, wird die Kommutierung durch aktives Ausschalten des Leistungshalbleiters T₄ gestartet. Der minimale Booststrom I_boost wird wieder durch die Umschwingbedingung von v_C1 ≈ 0 bestimmt. Da der Hauptschalter S₂ eingeschalten ist und die Spannung über der potentialvariablen Kapazität, bestehend aus der Serien schaltung von C_DC3 und C_DC4, relativ konstant ist, kommutiert die Differenz des Last stromes i_o und des Stromes i_aux1 in die Kondensatoren C₁ und C₄, was zu einem Laden des Kondensators C₄ und einem Entladen des Kondensators C₁ führt. Der Laststrom wird in dieser kurzen Kommutierungszeit über T₂, C_DC3 und S_aux1 zum Mittelpunkt 0 des Stromrichters geführt.

Wenn die Spannung über C₁ den Wert v_C1 = 0 erreicht hat, wird der Hauptschalter S₁ unter ZVS Bedingungen eingeschalten. Damit werden die Spannungen der Kondensa toren C₁ und C₄ auf v_C1 = 0 bzw. v_C4 = V_dc/2 (siehe Fig. 3) gehalten. Eine negative Span nung v_Laux1 = -V_dc/4 liegt nun über dem Hilfszweig, die zu einem negativen Gradienten im Strom i_aux1 führt. Wenn der Strom i_aux1 den Wert i_aux1 = 0 erreicht hat, kann der Haupt schalter S_aux1 unter ZCS Bedingungen ausgeschalten werden. Damit ist die Kommutie rung beendet und der Stromrichterzweig hat den Zustand "p" erreicht.

Die Kommutierungen für negative Ausgangsströme i_o < 0 sind wegen der symmetrischen Struktur analog, jedoch sind jetzt die Transitionen p → 0 und 0 → n ARCP Kommutierun gen und die Transitionen n → 0 und 0 → p kapazitive bzw. ARCP unterstützte kapazitive Kommutierungen.

Es ist in erster Näherung unerheblich für das Funktionieren des ARCP Prinzips, ob die Nullzustände "0₊" oder "0_-" gewählt werden. Der damit verbundene Freiheitsgrad, der zur Ladungssteuerung an den potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten genutzt werden kann, ist damit nicht eingeschränkt.

Hart schaltende Mehrpunktstromrichter mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten können gemäß den oben beschriebenen Erweiterungen zu einem ARCP Stromrichter mit potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten modifiziert werden. Die in diesen Stromrichtern möglichen Kommutierungen entsprechen den beschriebenen drei Kom mutierungstypen - der ARCP Kommutierung, der kapazitiven Kommutierung und der ARCP unterstützten kapazitiven Kommutierung. Generell findet bei Kommutierungen mit positivem Leistungsgradient am Ausgang eine ARCP Kommutierung statt, während bei Kommutierungen mit negativem Leistungsgradient am Ausgang eine kapazitive bzw. eine ARCP unterstützte kapazitive Kommutierung stattfindet.

Da die Kommutierung zwischen den verschiedenen Ausgangsspannungsniveaus im normalen Betrieb zwischen zwei benachbarten Niveaus erfolgt, sind in der Regel auch nur zwei Hauptschalter an der Kommutierung beteiligt. Damit kann die Kommutierung auf eine ursprüngliche ARCP Kommutierungszelle zurückgeführt werden. Die beim ARCP Mehrpunktstromrichter mit potentialvariablem Zwischenkreis in dem ARCP Kommutierungskreis liegenden potentialvariablen Zwischenkreiskapazitäten beeinflus sen die ARCP Kommutierung nicht, solange deren Kapazitätswert in Größenordnungen über dem Kapazitätswert der Entlastungskapazitäten der Hauptschalter liegt.

Die korrekte Identifikation des für eine ARCP Kommutierung bzw. für die ARCP unter stützte kapazitive Kommutierung benötigten Hilfsschalters kann durch Ermittlung der für die Kommutierung wirksamen Kommutierungszelle erfolgen. Zwischen dem Mittelpunkt der zwei Teilkapazitäten, die diese Kommutierungszelle formen und der nächst inneren Zelle, gekennzeichnet durch die nächst kleinere Spannung an der potentialvariablen Kapazität, bzw. dem Ausgangsanschluß ist der zu aktivierende Hilfszweig angeschlos sen. Darauf basierend ist die korrekte Steuerung der Kommutierungen, die einen der ARCP Hilfszweige involviert, auch in mehrphasigen Mehrpunktstromrichtern mit mehr als 3 Punkten relativ einfach möglich.

Claims

1. ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter

- mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S₁ . . . S₈) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer nega tiven Gleichspannungsschiene (2, 4) geschalten sind,
- wobei elektrisch parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter (S₁ . . . S₈) eine ein zelne Entlastungskapazität (C₁ . . . C₈) geschalten ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) zwei gleich große Zwi schenkreiskapazitäten (C_DC1, C_DC2) angeordnet sind, deren Spannungsmittelpunkt (0) verfügbar ist,
- wobei die Verbindungspunkte (7, 17, 27, 9, 19, 49) jeweils benachbarter Hauptschalter (S₁ . . . S₈), welche nicht gleichzeitig den Ausgang (10) der Stromrichter phase bilden, über potentialvariable Zwischenkreiskapazitäten zur Bildung von Kom mutierungszellen in hinsichtlich der positiven und negativen Gleichspannungsschiene (2, 4) symmetrischer Weise miteinander verbunden sind,
- wobei jede potentialvariable Zwischenkreiskapazität in zwei gleich große Teil kapazitäten (C_DC3 und C_DC4, C_DC5 und C_DC6, C_DC7 und C_DC8) aufgeteilt ist, deren Verbin dungspunkte als Spannungsmittelpunkte (1, 3, 5) verfügbar sind,
- wobei der Ausgang (10) der Stromrichterphase mit einer Resonanz-Induktivität (L_aux) verbunden ist, deren weiterer Anschluß jeweils über einen eigenen unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (S_aux1, S_aux2, S_aux3, S_aux4) mit allen Spannungs mittelpunkten (0, 1, 3, 5) verbunden ist (Fig. 9).

2. ARCP Mehrpunktstromrichter

- mit einer Reihenschaltung von mehr als vier Hauptschaltern (S₁ . . . S₈) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer nega tiven Gleichspannungsschiene (2, 4) geschalten sind,
- wobei elektrisch parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter (S₁ . . . S₈) eine ein zelne Entlastungskapazität (C₁ . . . C₈) geschalten ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) zwei gleich große Zwi schenkreiskapazitäten (C_DC1, C_DC2) angeordnet sind, deren Spannungsmittelpunkt (0) verfügbar ist,
- wobei die Verbindungspunkte (7, 17, 27, 9, 19, 49) jeweils benachbarter Hauptschalter (S₁ . . . S₈), welche nicht gleichzeitig den Ausgang (10) der Stromrichter phase bilden, über potentialvariable Zwischenkreiskapazitäten zur Bildung von Kom mutierungszellen in hinsichtlich der positiven und negativen Gleichspannungsschiene (2, 4) symmetrischer Weise miteinander verbunden sind,
- wobei jede potentialvariable Zwischenkreiskapazität in zwei gleich große Teil kapazitäten (C_DC3 und C_DC4, C_DC5 und C_DC6, C_DC7 und C_DC8) aufgeteilt ist, deren Verbin dungspunkte als Spannungsmittelpunkte (1, 3, 5) verfügbar sind,
- wobei der Spannungsmittelpunkt (0) der Zwischenkreiskapazitäten (C_DC1, C_DC2) über einen unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (S_aux1) und eine Reso nanz-Induktivität (L_aux1) mit dem Spannungsmittelpunkt (1) der nächstliegenden Kom mutierungszelle verbunden ist, der Ausgang (10) der Stromrichterphase über einen un abhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (S_aux4) und eine Resonanz- Induktivität (L_aux4) mit dem Spannungsmittelpunkt (5) der nächstliegenden Kommutie rungszelle verbunden ist und die Spannungsmittelpunkte (1, 3, 5) jeweils benachbarter Kommutierungszellen über einen unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (S_aux2, S_aux3) und eine Resonanz-Induktivität (L_aux2, L_aux3) miteinander verbunden sind (Fig. 2).

3. ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter

- mit einer Reihenschaltung von mindestens vier Hauptschaltern (S₁ . . . S₈) pro Stromrichterphase, welche elektrisch parallel zwischen einer positiven und einer nega tiven Gleichspannungsschiene (2, 4) geschalten sind,
- wobei elektrisch parallel zu jedem einzelnen Hauptschalter (S₁ . . . S₈) eine ein zelne Entlastungskapazität (C₁ . . . C₈) geschalten ist,
- wobei zwischen den Gleichspannungsschienen (2, 4) mindestens drei Zwischenkreis kapazitäten (C_DC1, C_DC2, C_DC3, C_DC4, C_DC5) angeordnet sind, deren Kapazitätswerte derart gewählt sind, daß Spannungsabgriffe (1, 3, 11, 12, 13, 14) entstehen, deren Span nungsniveaus in der Mitte der am Ausgang der Stromrichterphase einstellbaren Span nungsniveaus liegen,
- wobei die Verbindungspunkte (7, 17, 27, 9, 19, 49) jeweils benachbarter Hauptschalter (S₁ . . . S₈), welche nicht gleichzeitig den Ausgang (10) der Stromrichter phase bilden, über potentialvariable Zwischenkreiskapazitäten (C_DC4, C_DC6, C_DC7, C_DC8) zur Bildung von Kommutierungszellen in hinsichtlich der positiven und negativen Gleich spannungsschiene (2, 4) symmetrischer Weise miteinander verbunden sind,
- wobei der Ausgang (10) der Stromrichterphase mit einer Resonanz-Induktivität (L_aux) verbunden ist, deren weiterer Anschluß jeweils über einen eigenen unabhängig steuerbaren bidirektionalen Hilfsschalter (S_aux1, S_aux2, S_aux3, S_aux4) mit allen Spannungs abgriffen (1, 3, 11, 12, 13, 14) verbunden ist (Fig. 10, 11).