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Die
Erfindung betrifft einen Stromrichter zur Umformung einer Spannung
und/oder eines Stromes zwischen einem dreiphasigen Wechselstromnetz
und einem Gleichstromnetz. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen
Umrichter mit einem netzseitigen Stromrichter und mit einem lastseitigen
Stromrichter zur Umrichtung des Wechselstromes eines netzseitigen
Wechselstromnetzes in einen Wechselstrom eines lastseitigen Wechselstromnetzes.
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Elektronische
Schaltungen der Leistungselektronik werden zur Steuerung des Stromflusses
zwischen einer Stromquelle und einer Last bzw. zur Umformung einer
Stromart in eine andere als Stromrichter bezeichnet und insbesondere
zur Antriebssteuerung genutzt.
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Bei
der Gleichrichtung eines dreiphasigen Wechselstromes in einen Gleichstrom
wird der Strom einer Phase, beispielsweise der Phase L2, des Wechselstromnetzes
im Rahmen der so genannten Kommutierung (Stromübergabe)
an die nächste Phase, beispielsweise an die Phase L3, des
Wechselstromnetzes übergeben. In den Schaltungselementen
der Phasen L2 und L3 fließt während der Kommutierung
ein Kreisstrom, der zu einem Erlöschen des durchgeschalteten
Schaltelements, beispielsweise einer Diode, an der Phase L2 führt. Mit
dem Schließen des Schaltelements der Phase L2 wird der
Strom im Stromrichter ausschließlich durch die Phase L3
bereitgestellt, bis nachfolgend ein weiterer Kommutierungsvorgang
zur weiteren Phase, beispielsweise der Phase L1, einsetzt.
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Der
Stromfluss des Kreisstromes durch die Schaltungselemente der kommutierenden
Phasen L2 und L3 dauert nur solange an, wie die Netzspannung größer
als die Gleichspannung im nachfolgenden Zwischenkreis ist. Ist während
eines Kommutierungs vorganges der beiden Phasen L2 und L3 an der
weiteren Phase L1 ein Parallelkreis aus einem energierückspeisungsfähigen
Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (engl. insulated
gate bipolar transistor, kurz IGBT) und einer Diode eingerichtet,
so kommt es zu diesem Zeitpunkt zu einem starken Stromabfall im
IGBT des Parallelkreises. Dieser Stromabfall im IGBT des Parallelkreises
hat eine hohe positive Spannung an der Phase L1 zu Folge, so dass
die parallel liegende Diode im Parallelkreis leitfähig
wird. Im Parallelkreis der nicht-kommutierenden Phase L1 bildet
sich damit ein zusätzlicher Kreisstrom bei der Kommutierung
von der Phase L2 auf die Phase L3 aus, der zu einer zusätzlichen
elektrischen Belastung des IGBT im Parallelkreis führt.
Gleichzeitig wird durch den zusätzlichen Kreisstrom in
dem Parallelkreis der nicht-kommutierenden Phase L1 während
der Kommutierung von der Phase L2 auf die Phase L3 die Energierückspeisefähigkeiten
des IGBT im Parallelkreis stark reduziert.
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Für
den Fall, dass alle Phasen L1, L2 und L3 des Stromrichters einen
Parallelkreis aufweisen, gelten die obigen Ausführungen
bezüglich der Bildung eines zusätzlichen Kreisstromes
ebenfalls für den Parallelkreis der jeweils nicht-kommutierenden
Phase.
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Die
DE 44 27 805 C1 offenbart
ein Verfahren zum Schutz eines netzgeführten, über
eine Regelung gesteuerten und aus einer kreisstromfreien Antiparallelschaltung
zweier Netzstromrichterbrücken aufgebauten Netzstromrichters.
Der Netzstromrichter wird in einem im Vierquadrantenbetrieb arbeitenden
Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter bei Netzfrequenzabsenkungen
betrieben. Hierzu wird ein Abbild der am Eingang des Umrichters
auftretenden Netz-Phasenspannungen über eine Sägezahnspannung
integriert und mit einem einer Frequenzabsenkung des Netzes entsprechenden
Spannungswert verglichen. Falls die integrierten Sägezahnspannungen
diesen Spannungswert überschreitet, wird die Regelung des
Netzstromrichters gesperrt und der Netzschütz geöffnet.
Die Sicherungen sprechen dadurch nicht an und der Umrichter ist
nach der Beendi gung der Netzfrequenzabsenkung unmittelbar wieder
betriebsbereit.
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Ebenfalls
beschreibt die
DE 43
22 379 C1 eine Schaltungsanordnung zum Schutz der Halbleiterschalter
beim Kippen einer netzgeführten und energierückspeisungsfähigen
Netzstromrichterbrücke. Die rückspeisungsfähige
Netzstromrichterbrücke wird kreisstromfrei mit einer zweiten,
ihr antiparallel geschalteten und netzgeführten Netzstromrichterbrücke
in einem in Vierquadrantenbetrieb arbeitenden Gleichspannungszwischenkreisumrichter
betrieben. An den Klemmen eines lastseitigen, selbstgeführten
Stromrichters sind über zumindest eine Zwischenkreisdrossel
und einen Zwischenkreiskondensator die zwei Netzstromrichterbrücken miteinander
verbunden.
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Bei
der bekannten Schaltungsanordnung ist der zwischenkreisseitige Ausgang
der beiden Netzstromrichterbrücken bei einer Überspannung
oder bei einem über die Netzstromrichterbrücken
fließenden Überstrom durch einen durchschaltbaren
Kurzschlussthyristor überbrückt. Parallel zu dem
Zwischenkreiskondensator ist eine entgegengesetzt zur betriebsmäßigen
Polarität des Zwischenkreiskondensators gerichtete Entlastungsdiode
geschaltet.
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Die
DE 10 2004 035 799
A1 offenbart einen Frequenzumrichter mit einem kondensatorlosen
Zwischenkreis und einer Stromversorgungseinrichtung für
eine Elektronik dieses Umrichters. Diese Stromversorgungseinrichtung
weist eingangsseitig einen Pufferkondensator auf, der elektrisch
parallel zum kondensatorlosen Zwischenkreis geschaltet ist, wobei
in einer Zuleitung des Pufferkondensators eine Entkopplungsdiode angeordnet
ist. Der Steuereingang eines elektrisch antiparallel zur Entkopplungsdiode
geschalteten, abschaltbaren Halbleiters ist mit einem Ausgang einer
Netzausfallerkennungseinrichtung verbunden. Somit ist ein modifizierter
Frequenzumrichter mit einem kondensatorlosen Zwischenkreis gebildet.
Der Zwischenkreiskondensator des Spannungszwischenkreises bzw. dessen
Kapazität ist immer derart groß bemessen, dass
die in einer Schaltperiode der kommutierenden Phasen auftretenden
Zwischenkreisströme unterschiedlichen Vorzeichens abgepuffert
werden können.
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Im
Stand der Technik werden nur die Kreisströme der kommutierenden
Phasen innerhalb eines Stromrichters bzw. Kreisströme zwischen
antiparallel geschalteten Stromrichtern reduziert oder vermieden.
Die zusätzlichen Kreisströme innerhalb eines Parallelkreises
eines Stromrichters mit einem rückspeisungsfähigen Halbleiterlelement,
beispielsweise einem IGBT, in dem nicht-kommutierenden Phasenkreis
bleiben im Stand der Technik unbeachtet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit
bereitzustellen, in einem Parallelkreis aus einem rückspeisungsfähigen
und einem gleichrichtenden Halbleiterelement eines nicht-kommutierenden
Phasenkreises die Energierückspeisefähigkeit des
nicht-kommutierenden Phasenkreises bei einem Kommutierungsvorgang
zwischen zwei kommutierenden Phasen zu erhöhen und einen
zusätzlichen Kreisstrom im Parallelkreis der nicht-kommutierenden
Phase zu verringern bzw. zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1. Dazu ist vorgesehen, an jeder
Phase des Wechselstromnetzes mindestens einen rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiter und mindestens ein Halbleiterelement mit einer
bevorzugten Stromflussrichtung, insbesondere als Teil einer Schaltung,
anzuordnen, wobei bezogen auf eine nicht-kommutierende Phase des
Wechselstromnetzes parallel zu dem Halbleiterelement der rückspeisungsfähige
Leistungshalbleiter angeordnet ist. Der derart gebildete Parallelkreis
ist in Abhängigkeit des Kommutierungszustandes von jeweils
zwei kommutierenden Phasen des Wechselstromnetzes unterbrechbar.
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Im
Falle eines Parallelkreises mit einem IGBT mit gegengerichteter
Diode als rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter
und einer Diode als Halbleiterelement an einer nicht-kommu tierenden
Phase des Wechselstromnetzes entsteht zum Kommutierungszeitpunkt
der kommutierenden Phasen ein zusätzlicher Kreisstrom im
Parallelkreis der nicht-kommutierenden Phase. Dieser zusätzliche
Kreisstrom wird durch eine kurzzeitige Unterbrechung des Parallelkreises
der nicht-kommutierenden Phase bei der Kommutierung der beiden anderen
Phasen reduziert bzw. verhindert. Vorteilhafterweise steuert eine
Steuereinheit das Halbleiterelement, den rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiter und/oder eine Unterbrechereinheit im Parallelkreis
der nicht-kommutierenden Phase im Kommutierungszeitpunkt der kommutierenden
Phasen an.
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Das
Problem der zusätzlichen Kreisströme im Parallelkreis
der nicht-kommutierenden Phase wird durch die vorliegende Erfindung
dadurch gelöst, dass zum Zeitpunkt des Entstehens der zusätzlichen
Kreisströme der betroffene Strompfad für eine
kurze Zeit, insbesondere für etwa 25 μsec, unterbrochen
wird. Der Kommutierungszeitpunkt zwischen den kommutierenden Phasen
ist zumeist bekannt bzw. kann einfach ermittelt werden. Als Vorteil
ergibt sich hieraus die Reduzierung der zusätzlichen Kreisströme
auf einen Wert, der einen energieeffizienten Betrieb des Parallelkreis
aus dem Halbleiterelement und dem rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter
der nicht-kommutierenden Phase ohne Leistungseinschränkungen
gewährleistet.
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Im
Falle einer Diodengleichrichterschaltung könnte – mit
einem hohen Aufwand – der zusätzliche Kreisstrom
im Parallelkreis der nicht-kommutierenden Phase durch vollständige
Unterbrechung des gesamten Wechselstromnetzes kurzfristig abgeschaltet
werden, was jedoch aus netzdynamischen Gründen nicht angebracht
ist. Die hierfür notwendige Steuerung der passiven Einspeisegeräte
für einen netzkonformen Betrieb der Halbleiterelemente
des Parallelkreises der nicht-kommutierenden Phase ist derzeit nicht
bekannt. Bei den bisher bekannten Stromrichtern ist weder eine entsprechende Überwachung,
noch eine netzkonforme Steuerung des Parallelkreises der nicht-kommutierenden
Phase offenbart.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Stromrichters ist vorgesehen,
dass das Halbleiterelement und/oder der rückspeisungsfähige
Leistungshalbleiter der nicht-kommutierenden Phase in Abhängigkeit
des Kommutierungszustandes der jeweils kommutierenden Phasen des
Wechselstromnetzes ausschaltbar sind. Die bereits im Parallelkreis
schaltbaren Halbleiterelemente bzw. der rückspeisungsfähige
Leistungshalbleiter werden zur kurzzeitigen Abschaltung des Parallelkreises
der nicht-kommutierenden Phase während der Kommutierung
der kommutierenden Phase unmittelbar genutzt. Hierdurch müssen
keine zusätzlichen Bauelemente in die Schaltung eingebracht
werden.
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Vorteilhafterweise
ist eine Unterbrechereinheit, insbesondere ein Schalter, im Parallelkreis
der nicht-kommutierenden Phase in Abhängigkeit des Kommutierungszustandes
der kommutierenden Phasen des Wechselstromnetzes schaltbar. Die
Einbringung eines durch den Zeitpunkt der kommutierenden Phasen abhängig
schaltbaren Schalters gewährleistet eine sofortige Unterbrechung
des Parallelkreises der nicht-kommutierenden Phase während
der Kommutierung der kommutierenden Phasen. Im Anschluss an die
Kommutierung kann der Parallelkreis der nicht-kommutierenden Phase
wiederum schnell, d. h. zeitsparend eingeschaltet werden und damit
für eine mögliche eigene Kommutierung der angeschlossenen
Phase zur Verfügung stehen. Etwaige Spannungs- und Stromzustände
in den Halbleiterelementen bzw. in dem rückspeisungsfähige Leistungshalbleiter,
die bei einer Ansteuerung zu Verzögerungen führen
könnten, müssen bei der Verwendung eines Schalters
als Unterbrechereinheit im Parallelkreis nicht beachtet werden.
Die Unterbrechereinheit kann dabei wahlweise im Strang der gegengerichteten
Diode des rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiters
oder im Strang des Halbleiterelements angeordnet sein.
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Die
Einspeisung von elektrischer Energie in das mehrphasige Wechselstromnetz
aus dem Gleichstromnetz erfolgt mittels der rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiter durch die Netzführung und/oder Lastführung
des mehrphasigen Wechselstromnetzes. Hierdurch ist gewährleistet,
dass eine phasensynchrone Einspeisung der rückgespeisten
elektrischen Energie in die jeweiligen Wechselstromnetze erfolgt
und somit die Netzstabilität durch die Rückeinspeisung
von rückgewonnener elektrischer Energie nicht beeinträchtigt
wird.
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Zur
gezielten Steuerung des Stromrichter ermittelt eine Steuereinheit
den Kommutierungszeitpunkt der kommutierenden Phasen und steuert
bei dem Vorliegen des relevanten Kommutierungszeitpunktes das Halbleiterelement,
den rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter und/oder
die Unterbrechereinheit an und schaltet damit in einem definierten
Zeitfenster Teile des nicht-kommutierenden Phasenkreises ab. Vorteilhafterweise
können zusätzliche Strom- oder Spannungsquellen
für das Schalten des Halbleiterelements und/oder des rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiters mittels der Ansteuerung der Steuereinheit genutzt
werden.
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Das
Halbleiterelement ist vorteilhafterweise ein Thyristor, beispielsweise
ein abschaltbarer GTO-Thyristor (engl. gate turned off), eine Diode,
ein Feldeffekttransistor (FET) mit einer Diode, wie beispielsweise
ein Metalloxidhalbleiter-Silizium-Feldeffekttransistor (engl. metal
oxide semiconductor field effect transistor, kurz MOS-FET), und/oder
ein Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (engl. insulated-gate
bipolar transistor, kurz IGBT) mit einer gegengerichteten Diode.
Der rückspeisungsfähige Leistungshalbleiter ist
zweckmäßigerweise ein IGBT mit einer gegengerichteten
Diode.
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Geeigneterweise
erfolgt die Umschaltung der rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiter phasensynchron mit der jeweiligen Phase des
Wechselstromnetzes, um den Rückspeisestrom phasenrichtig
auf die Netzphasen aufzuteilen. Motorströme werden in diesem
Fall nicht gesteuert. Die Ansteuerung des rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiters der nicht-kommutierenden Phase erfolgt blockgesteuert.
Der rückspeisungsfähige Leistungshalbleiter ist
immer dann eingeschaltet, wenn auch seine antiparallel geschaltete
Freilaufdiode der nicht-kommutierenden Phase leitend ist. Im Rückspeisebetrieb
ist die Zwischen kreisspannung höher als die Netzspannung
und somit kann Strom aus dem Gleichstromkreis als Zwischenkreis über
die rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter der
nicht-kommutierenden Phase ins Wechselstromnetz zurückfließen.
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Der
Stromrichter kann ein Gleich- oder Wechselrichter sein, während
die Schaltung eine Mittelpunktsschaltung, eine Brückenschaltung
oder eine Einwegschaltung ist.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Umrichter mit einem netzseitigen
Stromrichter und mit einem lastseitigen Stromrichter ist der Parallelkreis
der nicht-kommutierenden Phase in Abhängigkeit des Kommutierungszustandes
von jeweils zwei kommutierenden Phasen des netzseitigen und/oder
des lastseitigen Wechselstromnetzes unterbrechbar. Der netzseitige
Stromrichter ist zweckmäßigerweise ein Gleichrichter,
der in Reihe (Reihenschaltung) über einen Gleichstromkreis
mit dem lastseitigen Stromrichter als Wechselrichter verbunden ist.
Anstelle des Gleichstromkreises kann als Zwischenkreis auch ein
Gleichspannungskreis Teil des Umrichters sein. Alternativ können
die Stromrichter ohne einen Gleichstromkreis antiparallel miteinander
verbunden sein.
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Der
Umrichter ist vorteilhafterweise mit einer netzseitigen Drossel
zur Glättungen einer Pulsweitenmodulation und mit einem
lastseitigen Ausgangsfilter verbunden. Zur Glättung der
Zwischenkreisspannung in dem Gleichstromkreis ist in einer vorteilhaften
Ausgestaltung des Umrichters zwischen dem netzseitigen Stromrichter
und dem lastseitigen Stromrichter ein Kondensator angeordnet.
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Der
lastseitige Stromrichter des Umrichters ist mit einem Motor verbunden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Umrichters ist vorgesehen,
dass bei einem Bremsvorgang des Motors die dabei generatorisch erzeugte
elektrischen Energie über den lastseitigen Stromrichter
und über den Gleichstromkreis an den netzseitige Stromrichter
weitergeleitet und die rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter
die generatorisch erzeugte elektrischen Energie an das netzseitige
Wechselstromnetz phasensynchron übertragen.
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In
einer weiteren geeigneten Ausgestaltung des Umrichters ist der Kommutierungszustand
in Form des relevanten Kommutierungszeitpunktes zwischen den kommutierenden
Phasen des netzseitigen Wechselstromnetzes ermittelbar. Eine Steuereinheit
unterbricht in dem Parallelkreis der nicht-kommutierenden Phase des
netzseitigen Stromrichters den Stromfluss mittels einer Ansteuerung
des Halbleiterelements, mittels des rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiters und/oder mittels der Unterbrechereinheit im
Parallelkreis des netzseitigen Stromrichters. Zweckmäßigerweise
ist der Umrichter mit einem dreiphasigen netzseitigen Wechselstromnetz
und/oder einem dreiphasigen lastseitigen Wechselstromnetz verbunden.
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Bei
einem Verfahren zur Umformung einer Spannung bzw. eines Stromes
zwischen einem mehrphasigen Wechselstromnetz und einem Gleichstromnetz
in einem Stromrichter ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
bezogen auf eine nicht-kommutierende Phase des Wechselstromnetzes
parallel zu dem Halbleiterelement der rückspeisungsfähige
Leistungshalbleiter angeordnet ist, wobei der derart gebildete Parallelkreis
in Abhängigkeit des Kommutierungszustandes der jeweils
kommutierenden Phasen des Wechselstromnetzes für eine bestimmte
Zeit unterbrochen wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine
Schaltung eines netzseitigen Stromrichters mit den relevanten Schaltungselemente
eines Parallelkreises der nicht-kommutierenden Phase L1 während
einer Kommutierung von der Phase L2 auf die Phase L3,
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2 ein
Diagramm des Verlauf des Kollektorstromes des rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiters und den Diodenstrom des Halbleiterelements
im Parallelkreis der nicht-kommutierenden Phase bei einer Unterbrechung
25 μsec während des Kommutierungszeitpunkts der
kommutierenden Phasen,
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3 eine
Schaltung eines netzseitigen Stromrichters mit drei Parallelkreisen
der Phasen L1, L2 und L3 mit einer netzseitigen Drossel, und
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4 eine Übersichtsschaltung
eines Umrichters, wobei der netzseitige Stromrichter einen Impulsgeber
zur Unterbrechung der nicht-kommutierenden Phase während
der Kommutierung der kommutierenden Phasen aufweist.
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Die 1 zeigt
ein Schaltung eines netzseitigen Stromrichters 1a mit einem
Parallelkreis 4a der relevanten Schaltungselemente 2a, 3a einer
nicht-kommutierenden Phase L1 und der relevanten Schaltungselemente 2b, 2c', 3b, 3c kommutierender
Phasen L2 und L3 während der Kommutierung von der Phase
L2 auf die Phase L3. Die gegebenenfalls notwendigen weiteren Bauelemente
einer Gesamtschaltung mit weiteren Parallelkreisen für
weitere Kommutierungen von den Phasen L3 auf L1 bzw. von L1 auf
L2 sind in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt, jedoch Teil der vorliegenden Erfindung. Die Phasen
L1, L2, L3 sind die Phasen eines dreiphasigen netzseitigen Wechselstromnetzes 14a (4).
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Während
der Kommutierung des Phasenkreises L2 mit einer Diode 3b und
einem in einer Brückenschaltung angeordneten IGBT 2b mit
einer gegengerichteten Diode auf den Phasenkreis L3 – ebenfalls
mit einer Diode 3c und einem weiteren IGBT 2c' mit
einer gegengerichteten Diode als rückspeisungsfähigen
Leistungshalbleiter ausgestattet – entsteht während
der Kommutierung ein Kreisstrom über die Verbindung der IBGTs 2b, 2c' und
eines Teilabschnittes eines Gleichstromkreises 8.
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Zu
Beginn eines Kommutierungsdurchlaufes sei angenommen, dass der IGBT 2a der
ersten Phase L1 eingeschaltet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist auch
der IGBT 2b der zweiten Phase L2 im negativen Zweig leitend. Mit
fortschreitendem Kommutierungsvorgang wechselt der Stromfluss vollständig
auf die zweite Phase L2. In diesem Fall beginnt in der Diode 3a der
ersten Phase L1 ein Strom zu fließen. Der Stromfluss dauert
nur solange an, wie die Netzspannung größer als
die Zwischenkreisspannung ist.
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Mit
fortlaufendem Kommutierungsvorgang wird der leitende IGBT 2b der
zweiten Phase ausgeschaltet und der IGBT 2c' der dritten
Phase L3 eingeschaltet. Während dieses Zeitpunktes entsteht
ein Kreisstrom zwischen den geöffneten Halbleiterelementen 3b, 3c und
den geschalteten IGBTs als rückspeisefähige Leistungshalbleiter 2b und 2c'.
Gleichzeitig wird der Stromfluss auf die dritte Phase L3 übergeleitet
und der durch die Phase L2 fließende Strom wird von der
Freilaufdiode 3c der dritten Phase L3 übernommen.
Da im Einschaltmoment des IGBTs 2b – als rückspeisefähiger
Leistungshalbleiter der zweiten Phase L2 – die Spannungsdifferenz
zwischen L2 und L3 gleich Null ist, kommt es zu diesem Zeitpunkt
zu einem starken Stromabfall im rückspeisefähigen
Leistungshalbleiter 2a. Dies hat eine hohe positive Spannung
an der ersten Phase L1 zur Folge, so dass die im Parallelkreis 4a liegende
Diode 3a leitfähig wird. Es bildet sich ein zusätzlicher
Kreisstrom über den Parallelkreis 4a der Schaltungselemente 3a, 2a und
den Gleichstromkreis 8 aus, der zu einer zusätzlichen elektrischen
Belastung des rückspeisefähigen Leistungshalbleiters
als IGBT 2a im Parallelkreis 4a führt.
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Durch
die Verwendung eines Schalters 5 als Unterbrechereinheit
im ersten Phasenkreis L1 kann während des Kommutierungsvorgangs
von der Phase L2 auf die Phase L3 der Parallelkreis 4a unterbrochen
und damit die Rückspeisefähigkeit von elektrischer
Energie aus dem Gleichstromnetz 8 über den rückspeisefähiger Leistungshalbleiter 2a der
nicht-kommutierenden Phase L1 erhöht werden. Gleichzeitig
wird durch die kurzfris tige Unterbrechung des Parallelkreises 4a ein
zusätzlicher Kreisstrom vermindert bzw. unterdrückt.
Wahlweise kann die Unterbrechereinheit 5 im Strang des
IGBT 2a und/oder im Strang der Diode 3a des Parallelkreises 4a angeordnet
sein. Vorteilhafterweise wird der Kommutierungszeitpunkt von der
Phase L2 auf die Phase L3 mit Hilfe einer Steuereinheit 6 ermittelt.
Die Steuereinheit 6 steuert unmittelbar den Schalter 5 des
Parallelkreises 4a an und öffnet den Schalter 5 im
Kommutierungszeitpunkt 15 (2) von der
Phase L2 auf die Phase L3 während eines definierten Zeitfensters
und schließt anschließend den Schalter 5 wieder.
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Zur
besseren Erläuterung der Arbeitsweise des Stromrichters 1a ist
in der 1 nur ein Parallelkreis 4a in dem Stromrichter 1a an
der Phase L1 mit den beteiligen Schaltungselementen 2a, 2b, 2c', 3a, 3b, 3c während
der Kommutierung von der Phase L2 auf die Phase L3 dargestellt.
Im Falle von weiteren Parallelkreisen 4b, 4c (3)
an einer jeweiligen weiteren Phase L2 und L3 sind diese Parallelkreise 4b, 4c ebenfalls, beispielsweise
mittels jeweils eines Schalters 5, unterbrechbar.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den zusätzlichen
Kreisstrom in dem Parallelkreis 4a der nicht-kommutierenden
Phase L1 zu unterbrechen oder dessen Entstehung zu verhindern.
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In
der 2 ist der Stromverlauf des Kollektorstromes I_IGBT
des IGBT 2a mit entgegengerichteter Diode als rückspeisefähiger
Leistungshalbleiter und des Stromflusses I_DIODE durch die parallel
geschaltete Diode als Halbleiterelement 3a des Parallelkreis 4a der
nicht-kommutierenden Phase am Beispiel der Phase L1 dargestellt.
Der zusätzliche Kreisstrom im Parallelkreis 4a wird
durch eine gezielte Sperrung des IGBT 2a der nicht-kommutierenden
Phase L1 während des Kommutierungszeitpunktes 15 der
kommutierenden Phasen, beispielsweise der Phasen L2 und L3, unterbrochen.
Damit wird das „Zünden" der Diode 3a unterdrückt und
der zusätzliche Kreisstrom entsteht nicht im Parallelkreis 4a der
nicht-kommutierenden Phase L1.
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Aus
der 2 ist ersichtlich, dass zum Kommutierungszeitpunkt 15 der
Kollektorstrom I_IGBT für eine kurze Zeit unterbrochen
wird. Im dargestellten Beispiel beträgt das definierte
Zeitfenster für die Unterbrechung des Parallelkreises 4a 25 μsec.
Diese Sperrung des IGBT 2a für den Kommutierungszeitpunkt 15 bewirkt
eine Reduzierung des Stromes I_DIODE durch die Diode 3a und
damit eine Erhöhung der phasensynchronen Rückspeisefähigkeit
in das netzseitige Wechselstromnetz 14a (4).
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Mittels
einer Fast Fourier Transformation(FFT)-Simulation konnte verifiziert
werden, dass die kurzzeitige Stromunterbrechung des Parallelkreises 4a der
nicht-kommutierenden Phase L3 die Rückspeisefähigkeit nachhaltig
erhöht. Im Rahmen der FFT-Analyse wurde vor allem der Einfluss
der kurzzeitigen Stromunterbrechung des Parallelkreises 4a auf
die Spannung des Gleichstromkreises 8, die Rückwirkungen
auf das Wechselstromnetz 14 und die Verlustleistungsbilanz
im IGBT 2a des Parallelkreises 4a der nicht-kommutierenden Phase
L1 durch die zusätzlichen Schaltvorgänge untersucht.
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Bei
der gewählten Sperrzeit von 25 μsec des Parallelkreises 4a der
nicht-kommutierenden Phase L1 während der Kommutierung
von der Phase L2 auf die Phase L3 erhöht sich die Spannung
des Gleichstromkreises 8 um etwa 10 V. Das ist ein tolerierbarer
Wert, auch unter Berücksichtigung des Betriebes an maximaler
Netzeingangsspannung, da die Spannung des Gleichstromkreises 8 die
Amplitude der Eingangsspannung des Wechselstromnetzes 14a nicht übersteigt.
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Die
kurzzeitige Sperrung des IGBT
2a hat daher keine signifikanten
Rückwirkungen auf das Wechselstromnetzes
14a.
Lediglich die Grundwelle von 50 Hz des Wechselstromnetzes
14a ist
etwas erhöht, wie der nachfolgende tabellarischen Auszug
der FFT-Analyse der Auswirkungen eines bzw. keines zusätzlichen Kreisstromes
in einem Parallelkreis
4a der nicht-kommutierenden Phase
auf ausgewählte Frequenzen des Wechselstromnetzes
14a entnommen
werden kann:
Frequenz
(Hz) | Frequenzoberwelle | Rückspeisung
mit Kreisstrom (A) | Rückspeisung
ohne Kreisstrom (A) |
50 | | 1345,31 | 1354,07 |
250 | 5te | 211,09 | 279,41 |
350 | 7te | 279,98 | 207,54 |
850 | 17te | 122,68 | 122,40 |
950 | 19te | 84,10 | 79,59 |
1150 | 23te | 85,22 | 91,65 |
1250 | 25te | 63,93 | 67,27 |
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Die
fünfte Oberwelle (250 Hz) erhöht sich beispielsweise
signifikant und im Gegenzug verringert sich die siebte Oberwelle
(350 Hz) um etwa denselben Betrag. Hierbei ist berücksichtigen,
dass die in eine Oberwelle rückspeisungsfähige
elektrische Energie mit höheren Oberwellen immer weiter
abnimmt.
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Durch
die sich verringernden zusätzlichen Kreisströme
minimieren sich die Schaltverluste des IGBT 2a mit entgegengerichteter
Diode als rückspeisefähiger Leistungshalbleiter
und der Diode als Halbleiterelement 3a des Parallelkreis 4a der
nicht-kommutierenden Phase L1 bei höherer Rückspeiseleistung
im Vergleich zu einer Rückspeisung mit einem zusätzlichen
Kreisstrom im Parallelkreis 4a. Der zusätzliche
Schaltvorgang pro Periode beeinträchtigt die Leistungsbilanz
des rückspeisefähigen Leistungshalbleiters 2a und
der Diode als Halbleiterelement 3a nicht oder nur unwesentlich.
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Eine
Verlängerung der Sperrzeit während des Kommutierungszeitpunktes 15 der
kommutierenden Phasen ist bis zur vollständigen Unterdrückung
der zusätzlichen Kreisströme möglich.
In diesem Falle ist die Spannung des Gleichstromkreises 8 deutlich
erhöht und der Spitzenstrom I_IGBT des IGBT 3a steigt
ebenfalls stark an. Die maximale Sperrzeit sollte da her maximal
der Dauer der Kommutierung der kommutierenden Phasen entsprechen.
In der dargestellten FFT-Analyse liegt die maximale Sperrzeit des
Parallelkreises 4a der nicht-kommutierenden Phase bei 110 μsec.
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Gleichzeitig
wird mit der Reduzierung des zusätzlichen Kreisstromes
auch der Strom im Leerlaufbetrieb reduziert. Dies geschieht jedoch
nicht in demselben Maße wie beim Rückspeisen der
elektrischen Energie in das Wechselstromnetz 14a, da der
Mechanismus des Leerlaufstromes ein anderer ist als der des zusätzlichen
Kreisstromes.
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Eine
Schaltung des netzseitigen Stromrichters 1a mit drei Parallelkreisen 4a, 4b, 4c sowie
mit einer netzseitigen Drossel 13 ist in 3 dargestellt.
Die Kommutierung der Phasen L1, L2, L3 erfolgt wechselseitig bezüglich
der IGBTs 2a, 2b, 2c, 2a', 2b', 2c' mit
entgegengerichteter Diode als rückspeisefähiger
Leistungshalbleiter. So erfolgt beispielsweise die Kommutierung
von der Phase L2 auf die Phase L3 durch Übergabe des Stromflusses
vom IGBT 2b auf den IGBT 2c'. In diesem Falle
ist die nicht-kommutierende Phase L1 und der daran angeschlossene
Parallelkreis 4a während der Kommutierung zu unterbrechen.
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Im
gezeigten Beispiel der 3 ist keine Steuereinheit als
Teil der Schaltung des netzseitigen Stromrichter 1a dargestellt.
Die kurzzeitige Ansteuerung der gegengerichteten Dioden der oberen
IGBTs 2a, 2b, 2c, bzw. der oberen Halbleiterelemente 3a, 3b, 3c im
Parallelkreis 4a, 4b, 4c der jeweils
nicht-kommutierenden Phase L1, L2, L3 wird in der dargestellten
Schaltung mittels eines kurzzeitigen Spannungsimpulses in den jeweiligen
Parallelkreis 4a, 4b, 4c durch einen
Impulsgeber 9 gewährleistet. Mittels des Spannungsimpulses
im jeweiligen Parallelkreis 4a, 4b, 4c der
jeweils nicht-kommutierenden Phase L1, L2, L3 sperrt die jeweilige
Diode der oberen IGBTs 2a, 2b, 2c, bzw.
der oberen Halbleiterelemente 3a, 3b, 3c und
unterbricht in einem definierten Zeitfenster den Parallelkreis 4a, 4b, 4c der
jeweils nicht-kommutierenden Phase L1, L2, L3.
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Da
der jeweilige Kommutierungszeitpunkt 15 der Phasen L1,
L2, L3 bekannt ist, sperrt der Impulsgeber 9 zu dem jeweiligen
Kommutierungszeitpunkt 15 für ein definiertes
Zeitfenster den jeweiligen Parallelkreis 4a, 4b, 4c der
jeweils nicht-kommutierenden Phase L1, L2, L3. Das definierte Zeitfenster
ist dem Impulsgeber 9 vorgebbar.
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Die
unteren Halbleiterelemente 3a', b', 3' bilden
zusammen mit den oberen Halbleiterelemente 3a, b, 3c eine
ungesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung. Parallel bezüglich
jeder Phase L1, L2, L3 bilden die IGBTs mit entgegengerichteter
Diode 3a, 3c, 3a', 3b', 3c' ebenfalls
eine ungesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung. Zur Glättung
der Spannung des Gleichstromkreises 8 werden Glättungskondensatoren 7, 7' für
die Brückenschaltung der IGBTs mit entgegengerichteter
Diode 3a, 3b, 3c, 3a', 3b', 3c' und
der Brückenschaltung der Halbleiterelemente 3a, 3b, 3c, 3a', 3b', 3c' jeweils
eingesetzt.
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In
der 4 ist eine Übersichtsschaltung des Umrichters 10 dargestellt,
wobei der netzseitige Stromrichter 1a mit einem Impulsgeber 9 zur
Unterbrechung der nicht-kommutierenden Phase, beispielsweise die Phase
L1, während der Kommutierung der kommutierenden Phasen,
beispielsweise der Phasen L2 und L3, verbunden ist. Der Impulsgeber 9 kann
dabei mit einer Steuereinheit 6 gemäß 1 verbunden
sein. Ebenfalls kann der Impulsgeber 9 mit einer Spannungsquelle
und/oder Stromquelle verbunden sein, die die elektrische Energie
für die Sperrimpulse der Parallelkreise 4a, 4b, 4c liefert.
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Der
Impulsgeber 9 ist im dargestellten Beispiel mit allen rückspeisefähigen
Leistungshalbleitern 2a, 2b, 2c, 2a', 2b', 2c' der
jeweils nicht-kommutierenden Phasen L1, L2, L3 verbunden und unterbricht
während der Kommutierungsphase der kommutierenden Phasen
L1, L2, L3 den jeweiligen Parallelkreis 4a, 4b, 4c der jeweils
nicht-kommutierenden Phase L1, L2, L3.
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Der
netzseitige Stromrichter 1a ist mit einem dreiphasigen
Wechselstromnetz 14a und mit einem Gleichstromkreis 8 verbunden.
Die im Gleichstromkreis 8 auftretenden Impedanzen 12 sind
symbolisch zu einem Schaltungssymbol zusammengefasst.
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Im
Gleichstromkreis 8 ist ein Glättungskondensator 7 zur
Glättung der Spannung angeordnet. Der gleichgerichtete
Strom bzw. die gleichgerichtete Spannung des netzseitigen Wechselstromnetzes 14 wird
vom netzseitigen Stromrichter 1a in den Gleichstromkreis 8 gespeist
und steht damit dem lastseitigen Stromrichter 1b zur Verfügung.
Mit der Umwandlung in einen dreiphasigen Wechselstrom im lastseitigen
Wechselstromnetz 14b kann der Wechselstrom zur Ansteuerung,
beispielsweise eines Motors 11, verwendet werden. Im dargestellten
Beispiel weist der lastseitige Stromrichter 1b keinen Parallelkreis 4a, 4b, 4c an
den Phasen des lastseitigen Wechselstromnetzes 14b auf.
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Bei
einem Bremsvorgang des Motors 11 arbeitet dieser ebenfalls
als Generator, so dass die gewonnene elektrische Energie wieder
in das netzseitige Wechselstromnetz 14a zurückgespeist
werden kann. Hierfür werden im lastseitigen Stromrichter 1b die
rückspeisefähigen Leistungshalbleiter 2a, 2b, 2c, 2a', 2b', 2c' genutzt,
um die in Abhängigkeit der jeweiligen Phase des lastseitigen
Wechselstromnetzes 14b aufgenommene elektrische Energie
in den Gleichstromkreis 8 einzuspeisen. Der netzseitige
Stromrichter 1a entnimmt dem Gleichstromkreis 8 diese
rückspeisungsfähige Energie und gibt mittels der
pro Phase L1, L2, L3 angeordneten rückspeisefähigen
Leistungshalbleiter 2a, 2b, 2c, 2a', 2b', 2c' die
am Motor 11 generatorisch erzeugte elektrische Energie
phasensynchron an das netzseitige Wechselstromnetz 14a wieder
ab.
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Der
zeitlich definierte Sperrimpuls des Impulsgebers 9 für
den Parallelkreis 4a, 4b, 4c der nicht-kommutierenden
Phase L1, L2, L3 führt zur Sperrung der den IBGTs gegengerichteten
Dioden als Teil der rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter 2a, 2b, 2c, 2a', 2b', 2c' bzw.
zur Sperrung der im jeweiligen Pa rallelkreis 4a, 4b, 4c parallelgeschalteten
Halbleiterelemente 3a, 3b, 3c, 3a', 3b', 3c'.
Hierdurch wird der Stromfluss des Parallelkreises 4a, 4b, 4c der
nicht-kommutierenden Phase L1, L2, L3 im Kommutierungszeitpunkt 15 der kommutierenden
Phasen L1, L2, L3 unterbrochen und ein zusätzlicher Kreisstrom
im Parallelkreis 4a, 4b, 4c der zeitabhängig
nicht-kommutierenden Phasen L1, L2, L3 minimiert bzw. verhindert.
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Zusammenfassens
sind bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter 1a, 1b zur
Umformung einer Spannung bzw. eines Stromes zwischen einem mehrphasigen
Wechselstromnetz 14a, 14b und einem Gleichstromnetz 8 an
jeder Phase L1, L2, L3 des Wechselstromnetzes 14a, 14b mindestens
ein rückspeisungsfähiger Leistungshalbleiter 2a, 2b, 2c, 2a', 2b', 2c' und
mindestens ein Halbleiterelement 3a, 3b, 3c, 3a', 3b', 3c' mit einer
bevorzugten Stromflussrichtung angeordnet. Der rückspeisungsfähige
Leistungshalbleiter 2a, 2b, 2c, 2a', 2b', 2c' ist
bezogen auf eine nicht-kommutierende Phase L1, L2, L3 des Wechselstromnetzes 14a, 14b parallel
zu dem Halbleiterelement 3a, 3b, 3c, 3a', 3b', 3c' angeordnet.
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Der
derart gebildete Parallelkreis 4a, 4b, 4c ist
in Abhängigkeit des Kommutierungszustandes der jeweils
kommutierenden Phasen L1, L2, L3 des Wechselstromnetzes 14a, 14b unterbrechbar.
Ein zum Kommutierungszeitpunkt der kommutierenden Phasen L1, L2,
L3 entstehender zusätzlicher Kreisstrom im Parallelkreis 4a, 4b, 4c der
nicht-kommutierenden Phase L1, L2, L3 wird durch die kurzzeitige
Unterbrechung des Parallelkreises 4a, 4b, 4c der
nicht-kommutierenden Phase L1, L2, L3 bei der Kommutierung der beiden
anderen Phasen L1, L2, L3 reduziert bzw. verhindert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4427805
C1 [0006]
- - DE 4322379 C1 [0007]
- - DE 102004035799 A1 [0009]