DE19626528A1 - Zwischenkreis-Spannungsumrichter - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektro­ nik. Sie betrifft einen Zwischenkreis-Spannungsumrichter für hohe Leistun­ gen, mit einer Gleichspannungsquelle, einem ersten Stromrichter zur Um­ wandlung einer eingangsseitigen Gleichspannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung, und einem zwischen der Gleichspannungsquelle und dem ersten Stromrichter angeordneten Zwischenkreis, welcher eine zur Gleich­ spannungsquelle und zum Eingang des ersten Stromrichters zwischen zwei Verbindungsleitungen angeordnete Zwischenkreiskondensatorbatterie um­ faßt.

STAND DER TECHNIK

Zwischenkreis-Spannungsumrichter (U-Umrichter) haben sich in der Lei­ stungselektronik in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt, wo beispiels­ weise Wechselspannungen einer festen Frequenz in Wechselspannungen einer anderen festen oder einer variablen Frequenz umgewandelt werden müssen, wie dies zum Beispiel bei vielen elektrischen Antrieben, bei Bahnen oder dgl. der Fall ist. Ein eingangsseitiger Stromrichter (Netzstromrichter) wandelt die eingangsseitige Netzwechselspannung in eine Zwischengleichspannung um, die ihrerseits von einem ausgangsseitigen Stromrichter (Antriebsstromrichter) in die gewünschte Ausgangswechselspannung umgewandelt wird. Die Verbin­ dung beider Stromrichter erfolgt über einen (Gleichspannungs-)Zwischen­ kreis, in welchem die umgewandelte Energie zwischengespeichert wird. Der Netzstromrichter kann auch wegfallen, wenn der Gleichspannungs-Zwischenkreis eingangsseitig über eine Filterdrossel direkt an ein Gleich­ stromnetz angeschlossen ist.

Die U-Umrichter benötigen im Zwischenkreis eine Kondensatorbatterie als Energiespeicher. Das erforderliche Energiespeichervermögen steigt mit zu­ nehmender übertragbarer Stromrichterleistung. Bei Stromrichtern mit hohen Leistungen P < ca. 1 MW (Hochleistungsstromrichter) müssen schon beachtli­ che Energien gespeichert werden. Tritt bei diesen Hochleistungsstromrichtern im Netz- oder im Antriebsstromrichterteil ungewollt ein Kurzschluß des Zwi­ schenkreises auf, wie er z. B. durch das gleichzeitige Zünden zweier Halblei­ terschalter innerhalb eines Zweigpaares eines Stromrichters verursacht wer­ den kann, so wird die Zwischenkreiskapazität schlagartig entladen und die Energie im wesentlichen in der Fehlerstelle in Wärmeenergie und eventuell in mechanische Verformungsenergie umgewandelt.

Hochleistungsstromrichter werden heute typischerweise mit Thyristor-Halbleiterschaltern realisiert. Diese Halbleiterschalter bedingen eine Begren­ zung der Stromänderungsgeschwindigkeit dI/dt während der Schaltvorgänge. In aller Regel wird dies realisiert mit speziellen Begrenzungsdrosseln, die se­ riell zu den Halbleiterschaltern eingebaut werden. Diese Begrenzungsdrosseln sind auch im Durchzündfall (Kurzschlußfall) von Vorteil, da sie die maximale Stoßstromamplitude reduzieren, und so den Hochleistungsstromrichter vor mechanischer Verformung schützen können. Der Nachteil dieser Begren­ zungsdrosseln ist, daß sie im Normalbetrieb, bei stromführenden Halbleiter­ schaltern, magnetische Energie speichern, die beim Abschalten der Halblei­ terschalter mit einer zusätzlichen Beschaltung vom Halbleiter ferngehalten werden muß, wodurch zusätzliche Verluste im Stromrichter verursacht wer­ den. Außerdem reduziert sich durch die erhöhte Anzahl von Stromrichterkom­ ponenten die Zuverlässigkeit. Volumen, Kosten und Gewicht der Stromrichter steigen hingegen.

Hochleistungsstromrichter mit modernen MOS-gesteuerten Halbleiterschal­ tern (sog. MCS oder MOS Controlled Switches) wie beispielsweise IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors) oder MCThs (MOS Controlled Thyristors) oder SIThs (Static Induction Thyristors) umgehen die oben aufgeführten Nachteile, weil die eingesetzten MCS keine Begrenzungsdrosseln für den Normalbetrieb benötigen. Durch das Wegfallen der zusätzlichen Beschaltung wird nun aber die gesamte in den parasitären Induktivitäten des Kommutie­ rungskreises gespeicherte Energie beim Abschalten der MCS in diesen in Wärmeenergie umgewandelt. Für eine hohe Ausnutzung der MCS ist es also erforderlich die parasitäre Kommutierungsinduktivität möglichst klein zu hal­ ten. Dies hat aber im Fehler- bzw. Kurzschlußfall, wie er oben schon be­ schrieben wurde, zur Folge, daß die Entladung der Zwischenkreiskondensa­ torbatterie um ein Vielfaches schneller abläuft als bisher üblich. Die Stoß­ stromamplitude wächst entsprechend um ein Vielfaches an. Die Lichtbogenbil­ dung in der Fehlerstelle sowie schwerwiegende mechanische Verformungen der MCS sind dann nicht zu umgehen.

Dieses Problem kann nur gelöst werden durch eine Reduktion des Stoßstromes und der Energie, die in der Fehlerstelle umgewandelt werden muß. Es besteht dabei grundsätzlich die Möglichkeit, den Entladekreis in Anlehnung an die herkömmlichen Thyristorschaltungen zu dämpfen. Eine Dämpfung hat jedoch den Nachteil, daß sie im Normalbetrieb zum einen relativ hohe Verluste er­ zeugt, und zum anderen Probleme bezüglich der Einhaltung der Anforderun­ gen an die Netzrückwirkungen bereiten kann.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen mit MOS-gesteuerten Schaltern bestückten Zwischenkreis-Spannungsumrichter zu schaffen, der im Kurz­ schlußfall sicher gegen übermäßige Beschädigungen geschützt ist, ohne im Normalbetrieb zusätzlichen Einschränkungen unterworfen zu sein.

Die Aufgabe wird bei einem Zwischenkreis-Spannungsumrichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß Mittel vorgesehen sind, welche im Falle eines Kurzschlusses in dem ersten Stromrichter und/oder der Gleichspan­ nungsquelle den aus der Zwischenkreiskondensatorbatterie und der Kurz­ schlußstrecke gebildeten Entladekreis unterbrechen. Durch die erfindungsge­ mäße Unterbrechung des Entladekreises bleibt ein wesentlicher Teil der ge­ speicherten Energie in der Zwischenkreiskondensatorbatterie und kann damit keine zerstörerische Wirkung entfalten. Da die Unterbrechung erst im Kurz­ schlußfall aktiviert wird, ergeben sich für den Normalbetrieb praktisch kei­ nerlei Beeinträchtigungen.

Grundsätzlich ist es denkbar, im Rahmen der Erfindung als Mittel zur Unter­ brechung des Entladekreises Sicherungen einzusetzen. Jedoch ist der Einsatz von Sicherungen bei hohen DC-Spannungen bis heute aus Gründen des be­ trächtlichen Bauvolumens und der erforderlichen schnellen Reaktionszeit (Mikrosekunden-Bereich) technologisch nur sehr schwierig realisierbar. Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist daher dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterbrechungsmittel wenigstens einen steuerbaren Kurz­ schlußstromabschalter (sog. SCCS oder Short Circuit Current Switch) umfas­ sen, welcher im Kurzschlußfall die Verbindung der Zwischenkreiskondensa­ torbatterie zu wenigstens einer der Verbindungsleitungen unterbricht, und daß der wenigstens eine steuerbare Kurzschlußstromabschalter einen MOS-gesteuerten Schalter (MCS) und eine antiparallel geschaltete Ladediode um­ faßt. Mittels der bei diesen Elementen einfach und sicher möglichen Kurz­ schlußstromerfassung und -Abschaltung wird der Kurzschlußstrom schon bei kleinen Amplituden (ca. 3- bis 10facher MCS-Nennstrom), innerhalb von we­ nigen Mikrosekunden abgeschaltet. Falls ein SCCS defekt geht, im schlimm­ sten Fall einfach durch Kurzschluß, wird der Stromrichter immer noch vor großen Schäden geschützt, da nur die Energie eines Teiles der Zwischenkreis­ kondensatorbatterie in der Fehlerstelle umgesetzt wird.

In einer ersten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Zwischenkreis­ kondensatorbatterie als Ganzes mit einem steuerbaren Kurzschlußstromab­ schalter in Serie geschaltet. Dies hat einerseits den Vorteil, daß nur ein ein­ ziger Schalter einzubauen und anzusteuern ist. Andererseits muß der eine Schalter jedoch die gesamte Leistung des Zwischenkreises schalten können.

Eine zweite alternative Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Zwischenkreiskondensatorbatterie aus einer Mehrzahl von parallelen Teilzwischenkreiskondensatoren zusammengesetzt ist, und daß jeder der Teilzwischenkreiskondensatoren mit einem eigenen Kurz­ schlußstromabschalter in Serie geschaltet ist. Dies hat einerseits den Vorteil, daß die abzuschaltende Leistung auf die einzelnen Schalter in maximaler Weise aufgeteilt wird. Andererseits müssen jedoch viele Schalter eingesetzt und koordiniert angesteuert werden.

Eine dritte alternative Weiterbildung dieser Ausführungsform, die eine Zwi­ schenform und damit einen Kompromiß zwischen den beiden anderen Wei­ terbildungen darstellt, zeichnet sich dadurch aus, daß die Zwischenkreiskon­ densatorbatterie aus einer Mehrzahl von parallelen Teilzwischenkreiskonden­ satoren zusammengesetzt ist, daß die einzelnen Teilzwischenkreiskondensa­ toren gruppenweise zu Teilzwischenkreiskondensatorgruppen zusammenge­ faßt sind, und daß jede der Teilzwischenkreiskondensatorgruppen mit einem eigenen Kurzschlußstromabschalter in Serie geschaltet ist.

Beim schnellen Abschalten des Kurzschlußstromes besteht die Gefahr von Überspannungen, welche die SCCS oder andere Komponenten im Stromrich­ ter zerstören können. Es sind daher gemäß einer weiteren bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung im Zwischenkreis zusätzlich Mittel zur Begren­ zung von im Kurzschlußfall beim Unterbrechen des Entladekreises entste­ henden Überspannungen vorgesehen.

Gemäß einer ersten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist entweder zwi­ schen den Verbindungsleitungen eine Überspannungsbegrenzerschaltung angeordnet, oder jedem der steuerbaren Kurzschlußstromabschalter eine eige­ ne Überspannungsbegrenzerschaltung parallel geschaltet, wobei die Über­ spannungsbegrenzerschaltungen beispielsweise aus einem Kondensator klei­ ner Kapazität bestehen oder einen Varistor umfassen können. Insbesondere durch die passiven Begrenzungselemente läßt sich eine einfache und sichere Begrenzung erreichen.

Eine zweite Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß jeder der steuerbaren Kurzschlußstromabschalter über eine Ansteuer­ schaltung angesteuert wird, welche den Spannungsabfall am Kurz­ schlußstromabschalter durch eine entsprechende Ansteuerung begrenzt. Diese Art der Begrenzung hat den Vorteil, daß sie leicht in vorhandene Steuerun­ gen eingebaut werden kann und sehr flexibel in der Anwendung ist.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zu­ sammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach der Erfindung mit einem einzelnen Kurzschlußstromabschalter;

Fig. 2 in einem vereinfachten Blockschaltbild ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach der Erfindung mit einzeln ab­ schaltbaren Teilzwischenkreiskondensatorgruppen; und

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ansteuerschaltung mit Überspannungsbegrenzung für einen MOS-gesteuerten Kurz­ schlußstromabschalter.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist in einem vereinfachten Blockschaltbild ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach der Erfindung dargestellt. Der Zwischenkreis-Spannungsumrichter 10 umfaßt eingangsseitig einen Netzstromrichter 13, der mit seinem Eingang über einen Netztransformator 12 an ein Wechselspannungsnetz 11 angeschlossen ist. Der Netzstromrichter 13, der in bekannter Weise eine Mehrzahl von steuerbaren Leistungshalbleiter-Schaltern enthält, wandelt die Wechselspannung aus dem Netz 11 in eine (pulsierende) Gleichspannung um, die ausgangsseitig an einen Zwischenkreis 14 abgegeben wird. Der an das Wechselspannungsnetz 11 an­ geschlossene Netzstromrichter 13 stellt eine Gleichspannungsquelle dar. Er fällt weg, wenn der Zwischenkreis-Spannungsumrichter 10 über eine Ein­ gangsfilterdrossel direkt an ein Gleichstromnetz angeschlossen wird, welches in diesem Falle der Gleichspannungseinspeisung die Gleichspannungsquelle bildet.

Der Zwischenkreis 14 verbindet den Ausgang des Netzstromrichters 13 bzw. der Gleichspannungsquelle mit dem Eingang eines Antriebsstromrichters 15, der ebenfalls in üblicher Weise mit steuerbaren Leistungshalbleiter-Schaltern bestückt ist und die Gleichspannung des Zwischenkreises 14 wieder in eine (ein- oder mehrphasige) Wechselspannung umwandelt und beispielsweise als dreiphasige Versorgungsspannung an einen Motor 16 abgibt. Es versteht sich von selbst, daß der Stromrichter 13 auch an andere Wechselspannungsquel­ len angeschlossen sein, und der Stromrichter 15 auch andere Wechselspan­ nungsverbraucher versorgen kann.

Der Zwischenkreis 14 umfaßt zwei Verbindungsleitungen 21, 22, die den Ausgang des Netzstromrichters 13 mit dem Eingang des Antriebsstromrich­ ters 15 verbinden. Zwischen den beiden Verbindungsleitungen 21, 22 liegt parallel zum Ausgang des Netzstromrichters 13 und dem Eingang des An­ triebsstromrichters 15 eine Zwischenkreiskondensatorbatterie 17, in welcher ein Teil der zwischen den Stromrichtern 13 und 15 übertragenen Energie zwi­ schengespeichert wird.

Wie bereits eingangs erwähnt worden ist, können, wenn einer der Stromrich­ ter mit modernen MOS-gesteuerten Schaltern wie z. B. IGBTs ausgerüstet ist, durch den Wegfall der induktiven Zusatzbeschaltung im Kurzschlußfall durch eine schnelle und weitgehend ungehinderte Entladung der Zwischen­ kreiskondensatorbatterie 17 extrem hohe Ströme auftreten, die - wenn keine geeigneten Gegenmaßnahmen getroffen werden - in der Kurzschlußstrecke zu großen Zerstörungen führen können. Nach der Erfindung werden nun Mittel vorgesehen, welche im Falle eines Kurzschlusses in einem der beiden Strom­ richter 13, 15 den aus der Zwischenkreiskondensatorbatterie 17 und der Kurzschlußstrecke gebildeten Entladekreis schnell unterbrechen, so daß ein wesentlicher Anteil der gespeicherten Energie in der Zwischenkreiskondensa­ torbatterie 17 verbleibt und nicht zur Zerstörung in der Kurzschlußstrecke beitragen kann.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 umfassen diese Mittel einen mit der Zwi­ schenkreiskondensatorbatterie 17 in Serie liegenden steuerbaren Kurz­ schlußstromabschalter oder SCCS (Short Circuit Current Switch) 18, der im Normalbetrieb geschlossen ist, und nur im Kurzschlußfall schnell geöffnet wird und den Entladekreis unterbricht. Die gesamte Zwischenkreiskondensa­ torbatterie 17 wird in diesem Beispiel durch einen einzigen Schalter 18 von der Verbindungsleitung getrennt. Der steuerbare Kurzschlußstromabschalter 18 umfaßt - wie dies in Fig. 2 an den Kurzschlußstromabschaltern 27 und 28 erkennbar ist - vorzugsweise einen MOS-gesteuerten Schalter (27a, 28a in Fig. 2) und eine antiparallel geschaltete Ladediode (27b, 28b in Fig. 2). Als MOS-gesteuerte Schalter kommen vorzugsweise Hochleistungs-IGBTs in Betracht.

Beim schnellen Abschalten des Kurzschlußstromes besteht die Gefahr von Überspannungen, welche den SCCS 18 oder andere Komponenten in den Stromrichtern 13 bzw. 15 zerstören können. Diese Überspannungen können entweder durch eine geschickte Ansteuerung (Collector-Emitter-Voltage-Limitation) des oder der SCCS (vgl. weiter unten die Ausführungen im Zu­ sammenhang mit Fig. 3) oder durch Begrenzerbeschaltungen auf ein unge­ fährliches Niveau reduziert werden. Als Begrenzungsmittel ist dabei gemäß Fig. 1 im Zwischenkreis 14 eine zentrale Überspannungsbegrenzerschaltung 19 denkbar, die parallel zu der Serieschaltung aus Zwischenkreiskondensa­ torbatterie 17 und dem Kurzschlußstromabschalter 18 zwischen den Verbin­ dungsleitungen 21 und 22 angeordnet ist. Im einfachsten Fall ist dies ein kleines C (Kondensator 29 in Fig. 2) oder ein Varistor, insbesondere ein Metall-Oxid-Varistor. Es ist jedoch auch möglich, dem SCCS 18 oder den SCCS eine eigene Überspannungsbegrenzerschaltung 20 parallel zu schalten (gestrichelt in Fig. 1). Die Überspannungsbegrenzung kann neben den be­ reits erwähnten Beispielen Kondensator oder Varistor durch eine Vielzahl an­ derer möglicher Schaltungen realisiert werden.

Beim Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 muß der Kurzschlußstromabschalter bzw. SCCS 18 im Kurzschlußfall die volle Leistung schalten. Es kann daher bei sehr hohen Leistungen des Umrichters vorteilhaft sein, die Zwischenkreis­ kondensatorbatterie 18, in einzelne oder Gruppen von einzelnen Teilzwi­ schenkreiskondensatoren zu unterteilen, und die einzelnen Teilzwischen­ kreiskondensatoren oder Teilzwischenkreiskondensatorgruppen separat abzu­ schalten. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen solchen Zwischen­ kreis-Spannungsumrichter mit aufgeteilter Abschaltung ist in Fig. 2 wieder­ gegeben. Der Zwischenkreis-Spannungsumrichter 23 der Fig. 2 hat bezüglich des Netzanschlusses (Netz 11, Netztransformator 12, Netzstromrichter 13) und bezüglich der Antriebsseite (Antriebsstromrichter 15, Motor 16) denselben Aufbau wie das Beispiel aus Fig. 1.

Anders ist der Zwischenkreis 24. Im Zwischenkreis 24 sind zwischen den Verbindungsleitungen 21, 22 parallel zueinander eine Mehrzahl von Serie­ schaltungen aus Teilzwischenkreiskondensatorgruppen 25, 26 und steuerba­ ren Kurzschlußstromabschaltern 27, 28 angeordnet, so daß jede Teilzwi­ schenkreiskondensatorgruppe für sich im Kurzschlußfall durch einen eigenen steuerbaren Kurzschlußstromabschalter abschaltbar ist. Jede der Teilzwi­ schenkreiskondensatorgruppen 25, 26 besteht ihrerseits aus einer Mehrzahl von Teilzwischenkreiskondensatoren 25a-c bzw. 26a-c. Jeder der Kurz­ schlußstromabschalter 27, 28 besteht aus einem MOS-gesteuerten Schalter (MCS) 27a bzw. 28a und einer antiparallel geschalteten Ladediode 27b bzw. 28b. Eine weitere (in Fig. 2 nicht gezeigte) Unterteilung läßt sich dadurch erreichen, daß die Teilzwischenkreiskondensatorgruppen 25, 26 in die einzel­ nen Teilzwischenkreiskondensatoren 25a-c bzw. 26a-c aufgetrennt und jedem der Teilzwischenkreiskondensatoren ein eigener SCCS in Serie geschaltet wird. Als Überspannungsbegrenzerschaltung (19 in Fig. 1) ist hier der bereits erwähnte Kondensator 29 kleiner Kapazität eingesetzt. Selbstverständlich können anstelle des Kondensators 29 die Kurzschlußstromabschalter 27, 28 einzeln mit Überspannungsbegrenzerschaltungen ausgerüstet sein, wie dies in Fig. 1 mit der Schaltung 20 angedeutet ist.

Eine andere Möglichkeit der Überspannungsbegrenzung im Zusammenhang mit den Kurzschlußstromabschaltern in Form der MOS-gesteuerten Schalter besteht darin, den Abschaltvorgang der Schalter so zu steuern, daß der Spannungsabfall an der Schaltstrecke eine vorgegebene Spannungsgrenze nicht überschreitet. Eine dafür geeignete Ansteuerschaltung 44 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 44 ist zur Ansteuerung eines Kurz­ schlußstromabschalters 43 vorgesehen, der (wie in Fig. 2 gezeigt) in eine Zulei­ tung 41 zur Kondensatorbatterie oder Teilen davon eingefügt ist. Der Kurz­ schlußstromabschalter 43 besteht vorzugsweise aus einem MOS-gesteuerten Schalter (MCS) 43a und einer antiparallelen Ladediode 43b.

Der MCS 43a wird von einer Ansteuerlogik und -Regelung 31 über einen Si­ gnalverstärker 34 angesteuert, welcher für den Einschalt- und Ausschaltvor­ gang jeweils einen separaten ON-Ansteuerkanal 36 bzw. OFF-Ansteuerkanal 35 mit einer für den jeweiligen Schaltvorgang optimierten Gateimpedanz be­ dient. Eine Versorgungsspannungsquelle 30 sorgt für den notwendigen Spei­ seenergiebedarf.

Über der bei allen Halbleitermodulen vorhandenen parasitären Induktivität 42 im Emitterkreis wird eine Spannung abgegriffen, welche der Stroman­ stiegsgeschwindigkeit im Kurzschlußpfad (Zuleitung 41) proportional ist. Diese Spannung wird über die Ansteuerlogik und -Regelung 31 dem Gate-Kreis des MCS 43a gegengekoppelt, so daß der Stromanstieg des MCS-Stromes bei zu hohen Werten durch die Reduzierung der Gate-Spannung auf die zulässigen Werte geregelt reduziert wird.

Im Kurzschlußfall wird die durch den ansteigenden Entladestrom aufge­ zwungene fortschreitende Entsättigung des MCS 43a, welche ein Ansteigen der Kollektor-Emitterspannung des MCS 43a zur Folge hat, von einer Kurz­ schlußerkennungseinheit 37 überwacht und über die Ansteuerlogik und -Regelung 31 eine Kurzschlußabschaltung des MCS 43a eingeleitet, sobald ein definierter Spannungsschwellwert überschritten wird. Optional könnte der Kurzschlußstrom auch mit einem Stromsensor 40 gemessen werden, der über eine Zuleitung 39 an die Ansteuerlogik und -Regelung 31 angeschlossen ist.

Sobald infolge des Abschaltens am MCS 43a eine Spannung ansteht, die einen vorgegebenen Wert überschreitet, regelt die Ansteuerlogik und -Regelung 31 den MCS 43a wieder soweit auf (d. h. der MCS wird wieder etwas mehr lei­ tend), daß die Spannung nicht weiter ansteigt. Hierdurch kann auf einfache und wirkungsvolle Weise eine Überspannungsbegrenzung erreicht werden. Der dazu erforderliche Kollektor-Emitterspannungs-Istwert wird von einer Überspannungserkennungseinheit 38 erfaßt, aufbereitet und der Ansteuer­ logik und -Regelung 31 zur Verfügung gestellt. Für die externe Steuerung kann an der Steuerlogik 31 weiterhin ein separater Signaleingang 32 vorge­ sehen werden.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Zwischenkreis-Spannungsumrichter für hohe Leistungen, der bei reduziertem Aufwand an Bauteilen und reduzierten Leistungsverlusten gleichzeitig eine erhöhte Si­ cherheit bei Kurzschlüssen in den Stromrichtern bietet.

Bezugszeichenliste

10, 23 Zwischenkreis-Spannungsumrichter
11 Netz
12 Netztransformator
13 Netzstromrichter
14, 24 Zwischenkreis
15 Antriebsstromrichter
16 Motor
17 Zwischenkreiskondensatorbatterie
18 Kurzschlußstromabschalter
19, 20 Überspannungsbegrenzerschaltung
21, 22 Verbindungsleitung (Zwischenkreis)
25, 26 Teilzwischenkreiskondensatorgruppe
25a- c Teilzwischenkreiskondensator
26a- c Teilzwischenkreiskondensator
27, 28 Kurzschlußstromabschalter
27a, 28a MOS-kontrollierter Schalter (z. B. IGBT)
27b, 28b Ladediode (antiparallel zu 24 bzw. 26)
29 Kondensator (Überspannungsbegrenzer)
30 Versorgungsspannungsquelle
31 Ansteuerlogik und -Regelung
32 Signaleingang (Ansteuerlogik)
34 Signalverstärker
35 OFF-Ansteuerkanal
36 ON-Ansteuerkanal
37 Kurzschlußerkennungseinheit
38 Überspannungserkennungseinheit
39 Zuleitung
40 Stromsensor
41 Zuleitung (Kondensatorbatterie)
42 parasitäre Induktivität (MCS)
43 Kurzschlußstromabschalter
43a MOS-gesteuerter Schalter
43b Ladediode
44 Ansteuerschaltung
E Emitter
G Gate
K Kathode.

Claims (17)

1. Zwischenkreis-Spannungsumrichter (10, 23) für hohe Leistungen, mit einer Gleichspannungsquelle (11, 12, 13), einem ersten Stromrichter (15) zur Umwandlung einer eingangsseitigen Gleichspannung in eine ausgangs­ seitige Wechselspannung, und einem zwischen der Gleichspannungsquelle (11, 12, 13) und dem ersten Stromrichter (15) angeordneten Zwischenkreis (14, 24), welcher eine zur Gleichspannungsquelle (11, 12, 13) und zum Ein­ gang des zweiten Stromrichters (15) zwischen zwei Verbindungsleitungen (21, 22) angeordnete Zwischenkreiskondensatorbatterie (17; 25, 26; 25a-c, 26a-c) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (18; 27, 28; 43) vorgesehen sind, welche im Falle eines Kurzschlusses in dem ersten Stromrichter (15) und/oder der Gleichspannungsquelle (11, 12, 13) den aus der Zwischenkreiskondensa­ torbatterie (17; 25, 26; 25a-c, 26a-c) und der Kurzschlußstrecke gebildeten Entladekreis unterbrechen.

2. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromrichter (15) mit MOS-gesteuerten Schal­ tern ausgerüstet ist.

3. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle durch ein Gleichstromnetz gebildet wird.

4. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle einen zwei­ ten Stromrichter (13) umfaßt, welcher eingangsseitig an ein Wechselspan­ nungsnetz (11) angeschlossen ist.

5. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromrichter (13) mit MOS-gesteuerten Schaltern ausgerüstet ist.

6. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungsmittel wenigstens ei­ nen steuerbaren Kurzschlußstromabschalter (18; 27, 28; 43) umfassen, welcher im Kurzschlußfall die Verbindung der Zwischenkreiskondensatorbatterie (17; 25, 26; 25a-c, 26a-c) zu wenigstens einer der Verbindungsleitungen (21 bzw. 22) unterbricht.

7. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine steuerbare Kurzschlußstromab­ schalter (18; 27, 28; 43) einen MOS-gesteuerten Schalter (27a, 28a, 43a) und eine antiparallel geschaltete Ladediode (27b, 28b, 43b) umfaßt.

8. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreiskondensatorbatterie (17) als Ganzes mit einem steuerbaren Kurzschlußstromabschalter (18) in Se­ rie geschaltet ist.

9. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreiskondensatorbatterie aus einer Mehrzahl von parallelen Teilzwischenkreiskondensatoren (25a-c; 26a-c) zusammengesetzt ist, daß die einzelnen Teilzwischenkreiskondensato­ ren (25a-c; 26a-c) gruppenweise zu Teilzwischenkreiskondensatorgruppen (25, 26) zusammengefaßt sind, und daß jede der Teilzwischenkreiskondensator­ gruppen (25, 26) mit einem eigenen Kurzschlußstromabschalter (27, 28) in Serie geschaltet ist.

10. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreiskondensatorbatterie aus einer Mehrzahl von parallelen Teilzwischenkreiskondensatoren (25a-c; 26a-c) zusammengesetzt ist, und daß jeder der Teilzwischenkreiskondensato­ ren (25a-c; 26a-c) mit einem eigenen Kurzschlußstromabschalter in Serie ge­ schaltet ist.

11. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenkreis (14, 24) zusätzlich Mittel (19, 20) zur Begrenzung von im Kurzschlußfall beim Unterbrechen des Entladekreises entstehenden Überspannungen vorgesehen sind.

12. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungsleitungen (21, 22) eine Über­ spannungsbegrenzerschaltung (19) angeordnet ist.

13. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach Anspruch 11 und ei­ nem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der steuer­ baren Kurzschlußstromabschalter (18; 27, 28) eine eigene Überspannungsbe­ grenzerschaltung (20) parallel geschaltet ist.

14. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, das die Überspannungsbegrenzerschal­ tung aus einem Kondensator (29) gebildet wird.

15. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, das die Überspannungsbegrenzerschal­ tung (19, 20) einen Varistor umfaßt.

16. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach Anspruch 11 und ei­ nem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der steuerba­ ren Kurzschlußstromabschalter (43) über eine Ansteuerschaltung (44) ange­ steuert wird, welche den Spannungsabfall am Kurzschlußstromabschalter (43) durch eine entsprechende Ansteuerung begrenzt.

17. Zwischenkreis-Spannungsumrichter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Kurzschlußstromabschalter (43) einen MOS-gesteuerter Schalter (43a) umfaßt, und daß in der Ansteuerschaltung (44) Mittel (31, 38) vorgesehen sind, welche den MOS-gesteuerten Schalter (43a) wieder etwas durchsteuern, wenn beim Abschalten die an der Schalt­ strecke abfallende Spannung eine vorgegebene Spannungsgrenze überschrei­ tet, derart, daß die Abschaltüberspannung innerhalb einer vorgegebenen Grenze gehalten wird.