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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Parallelschaltung eines netzseitigen rückspeisungsfähigen IGBT-Stromrichters und eines angesteuerten Dioden-Gleichrichters in Sechspuls-Brückenschaltung. Sie betrifft weiter eine danach arbeitende Steuereinheit.
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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 Kommutierungsvorganges 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 zur 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 Beendigung 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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Des Weiteren beschreibt die
DE 34 26 324 A1 einen rückspeisungsfähigen Stromrichter, bei dem ein Gleichspannungszwischenkreis über einen ungesteuerten Gleichrichter an ein Spannungsnetz angeschlossen ist. Der Gleichrichter ist zur Energierückspeisung mit einem Wechselrichter parallel geschaltet, wobei der Gleichrichter über die gesamte Zeitdauer der Rückspeisung abgetrennt wird.
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Im genannten 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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Bei einem aus der
GB 2 427 512 A bekannten Stromrichter (Umrichter) wird zur Behebung von Stromeinbrüchen im Gleichrichter bewusst ein Kreisstrom generiert.
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Der Erfindung liegt 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. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem Parallelkreis mit einem IGBT (insulated-gate bipolar transistor) mit gegengerichteter Diode als rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter und einer Diode als Halbleiterelement an einer nicht-kommutierenden 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 den rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter 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 Parallelkreises aus dem Halbleiterelement (Diode) und dem rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter (IGBT) der nicht-kommutierenden Phase ohne Leistungseinschränkungen gewährleistet.
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Auch 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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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der rückspeisungsfähige Leistungshalbleiter der nicht-kommutierenden Phase in Abhängigkeit des Kommutierungszustandes der jeweils kommutierenden Phasen des Wechselstromnetzes ausgeschaltet wird. 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 (Diode) angeordnet sein.
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Die Einspeisung von elektrischer Energie in das mehrphasige Wechselstromnetz aus dem Gleichstromnetz erfolgt mittels der rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter (IGBT) 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 den rückspezsungsfähigen Leistungshalbleiter 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 rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiters mittels der Ansteuerung der Steuereinheit genutzt werden.
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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 Zwischenkreisspannung 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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Bei einem 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 ahne 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. Zweckmäßigerweise ist der Umrichter mit einem dreiphasigen netzseitigen Wechselstromnetz und/oder einem dreiphasigen lastseitigen Wechselstromnetz verbunden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine Schaltung eines netzseitigen Stromrichters mit drei Parallelkreisen der Phasen L1, L2 und L3 mit einer netzseitigen Drossel,
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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, und
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3 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 IGBT's als relevante Schaltungselemente 2a, 3a einer nicht-kommutierenden Phase L1 und der IGBT's 2b, 3b; 2c, 3c kommutierender Phasen L2 und L3 während der Kommutierung von der Phase L2 auf die Phase L3. Die Schaltung des netzseitigen Stromrichters 1a umfasst drei Parallelkreisen 4a, 4b, 4c sowie netzseitige Drosseln 13. 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 sind die nicht-kommutierende Phase L1 und der daran angeschlossene Parallelkreis 4a während der Kommutierung zu unterbrechen. Die unteren Dioden 3a', 3b', 3c' bilden zusammen mit den oberen Halbleiterelemente 3a, 3b, 3c die ungesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung. Parallel bezüglich jeder Phase L1, L2, L3 bilden die IGBTs (mit entgegengerichteter Diode) ebenfalls eine ungesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung. Zur Glättung der Spannung des Gleichstromkreises 8 werden Glättungskondensatoren 7, 7' für die Brückenschaltung der IGBTs (mit entgegengerichteter Diode) und für die Brückenschaltung der Dioden 3a, 3b, 3c, 3a', 3b', 3c' eingesetzt. Die Phasen L1, L2, L3 sind die Phasen eines dreiphasigen netzseitigen Wechselstromnetzes 14a (3).
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Während der Kommutierung des Phasenkreises L2 mit der Diode 3b und dem in Brückenschaltung angeordneten IGBT 2b' (mit gegengerichteter Diode) auf den Phasenkreis L3 – ebenfalls mit einer Diode 3c und dem weiteren IGBT 2c' (mit gegengerichteter 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.
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Mit fortlaufendem Kommutierungsvorgang wird der leitende IGBT 2b' der zweiten Phase L2 ausgeschaltet und der IGBT 2c' der dritten Phase L3 eingeschaltet. während dieses Zeitpunktes wird der Stromfluss auf die dritte Phase L3 übergeleitet und der durch die Phase L2 fließende Strom wird von der Diode 3c der dritten Phase L3 übernommen. Im Einschaltmoment des IGBTs 2c' – als rückspeisefähiger Leistungshalbleiter der zweiten Phase L2 – ist die Spannungsdifferenz zwischen L2 und L3 gleich Null und es kommt zu diesem Zeitpunkt zu einem starken Stromabfall im rückspeisefähigen IGBT 2a. Dies hat eine hohe positive Spannung an der diesem zugeordneten Drossel 13 der ersten Phase L1 zur Folge, so dass die im Parallelkreis 4a liegende Diode 3a leitfähig wird. Es bildet sich ein Kreisstrom über den Parallelkreis 4a der Schaltungselemente 3a, 2a und 13 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 (nicht dargestellten) Schalters 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 IGBT 2a der nicht-kommutierenden Phase L1 erhöht werden. Gleichzeitig wird durch die kurzfristige Unterbrechung des Parallelkreises 4a ein zusätzlicher Kreisstrom vermindert bzw. unterdrückt. Wahlweise kann die Unterbrechereinheit 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 (nicht dargestellten) Steuereinheit ermittelt. Die Steuereinheit steuert unmittelbar den Schalter des Parallelkreises 4a an und öffnet den Schalter im Kommutierungszeitpunkt 15 (2) von der Phase L2 auf die Phase L3 während eines definierten Zeitfensters und schließt anschließend den Schalter wieder.
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Die Arbeitsweise des Stromrichters 1a wurde anhand des Parallelkreises 4a in dem Stromrichter 1a an der Phase L1 mit den beteiligen Schaltungselementen 2a, 2b', 2c', 3a, und 13 während der Kommutierung von der Phase L2 auf die Phase L3 beschrieben. Im Falle der weiteren Parallelkreise 4b, 4c an der jeweiligen weiteren Phase L2 und L3 sind diese Parallelkreise 4b, 4c ebenfalls, beispielsweise mittels jeweils eines Schalters, 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 3a des Parallelkreis 4a der nicht-kommutierenden Phase am Beispiel der Phase L1 dargestellt. Der 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 (3).
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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 | 5 te | 211,09 | 279,41 |
| 350 | 7 te | 279,98 | 207,54 |
| 850 | 17 te | 122,68 | 122,40 |
| 950 | 19 te | 84,10 | 79,59 |
| 1150 | 23 te | 85,22 | 91,65 |
| 1250 | 25 te | 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.
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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 daher 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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Im gezeigten Beispiel der 1 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 Dioden 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. die obere Diode 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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In der 3 ist eine Übersichtsschaltung des Umrichters 10 dargestellt, wobei der netzseitige Stromrichter 1a mit einem Impulsgeber 9 zur Unterbrechung der nicht-kommutierenden Phase, beispielsweise der Phase L1, während der Kommutierung der kommutierenden Phasen, beispielsweise der Phasen L2 und L3, verbunden ist. Der Impulsgeber 9 kann dabei mit einer Steuereinheit 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 IGBT's 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 der 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 2a, 2b, 2c, 2a', 2b', 2c' gegengerichteten Dioden als Teil der rückspeisungsfähigen Leistungshalbleiter bzw. zur Sperrung der im jeweiligen Parallelkreis 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.
