DE19735577C1 - High-power DC/AC converter circuit - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a circuit arrangement according to the Preamble of claim 1.
Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist bekannt durch die US-Z.: SUH, J.-H. u. a.: "A New Snubber Circuit for High Efficiency and Overvoltage Limitation in Three-Level GTO Inverters" in: IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 44, No. 2, April 1997, S. 145-156, insbes. Fig. 2a, S. 147.A circuit arrangement of this type is known from the US-Z .: SUH, J.-H. among others: "A New Snubber Circuit for High Efficiency and Overvoltage Limitation in Three-Level GTO Inverters" in: IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, Vol. 44, No. 2, April 1997, pp. 145-156, in particular Fig. 2a, p. 147.
Zur Speisung von Drehstrommaschinen, deren Moment sich in einem weiten Drehzahlbereich hochdynamisch auf gewünschte Werte einstellen läßt, werden meist Pulsstromrichter mit konstanter oder nahezu konstanter Eingangsgleichspannung eingesetzt. Bei besonders hohen dynamischen Anforderungen an die Regelung der Drehstrommaschine muß die Schaltfrequenz möglichst groß gemacht werden, was sich u. a. ungünstig auf den Wirkungsgrad und die Kosten des Stromrichters auswirkt.For feeding three-phase machines, the moment of which extends over a wide range Speed range can be set to desired values in a highly dynamic way Pulse converter with constant or almost constant input DC voltage is used. With particularly high dynamic demands on the control of the three-phase machine the switching frequency must be made as large as possible, which u. a. unfavorable to the Efficiency and the cost of the converter affects.
Die Schaltfrequenz üblicher Hochleistungs-Pulsstromrichter mit Gate-turn-off-Thyristoren (GTO-Thyristoren) ist derzeit auf Werte unter 300 Hz begrenzt.The switching frequency of standard high-performance pulse converters with gate turn-off thyristors (GTO thyristors) is currently limited to values below 300 Hz.
Bei hochsperrenden Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT's) ist in hartschaltendem Betrieb zu erwarten, daß die Schaltfrequenz nicht über 600 Hz gesteigert werden kann. Gründe dafür sind im wesentlichen die Halbleiterschalt- und die Beschaltungsverluste.With high-blocking insulated gate bipolar transistors (IGBT's) is in hard switching Operation to be expected that the switching frequency cannot be increased above 600 Hz. The reasons for this are essentially the semiconductor switching and wiring losses.
Die Beschaltungsverluste können durch Energie-Rückspeisung vermieden werden. Der dafür benötigte Schaltungsaufwand, z. B. GS-Steller mit Beschaltung, ist allerdings ziemlich hoch, wobei der Wirkungsgrad des Stromrichters nur geringfügig verbessert wird, da der Rückspeise-Stromrichter selbst Schalt- und Beschaltungsverluste verursacht. The circuit losses can be avoided by energy recovery. The one for it required circuit effort, e.g. B. GS actuator with circuitry, is quite high, the efficiency of the converter is only slightly improved since the Regenerative converter itself causes switching and wiring losses.
Die Halbleiterschaltverluste können durch Reduzierung der Strom- und Spannungssteilheiten verringert werden. Dies führt wiederum zur Erhöhung der Beschaltungsverluste.The semiconductor switching losses can be reduced by reducing the Current and voltage steepness can be reduced. This in turn leads to increased wiring losses.
Eine Möglichkeit, die angesprochenen Nachteile zu vermei den, ist die Verwendung einer resonanten Stromrichter schaltung. Hierbei werden die GTO-Thyristoren im Strom- bzw. Spannungsnulldurchgang eines mit ihnen verbundenen, auf der Seite der Gleichspannungsquelle - bei einem Um richter also im Zwischenkreis - angeordneten Schwingkrei ses weich umgeschaltet. Dadurch läßt sich eine erhebliche Reduzierung der Schaltverluste und somit eine Erhöhung der Schaltfrequenz erreichen.One way to avoid the disadvantages mentioned which is the use of a resonant converter circuit. Here, the GTO thyristors in the current or zero voltage crossing of a connected on the side of the DC voltage source - at one order judge in the intermediate circuit - arranged oscillating circuit it switched smoothly. This allows a significant Reduction in switching losses and thus an increase in Reach switching frequency.
Nachteilig an resonanten Stromrichterschaltungen sind die hohen Spannungs- und Strombeanspruchungen der GTO-Thyri storen. Hierzu ist in der DE 43 03 147 C1 bereits eine Möglichkeit beschrieben worden, das weiche Schalten zu er reichen, ohne den GTO-Thyristor mit sehr hohen Spannungen und Strömen zu belasten. Die dort angegebene Schaltung weist allerdings auch Nachteile auf. So muß der für das weiche Schalten notwendige Clamp-Kondensator durch eine zusätzliche Vorladeeinrichtung auf einen Spannungswert von etwa 110% bis 140% der Gleichspannung (Zwischenkreisspan nung) aufgeladen werden. Weiterhin ist es mit einem einzi gen Schwingkreiskondensator sehr schwierig, die abschalt parasitären Induktivitäten für alle GTO-Thyristoren im Stromrichter zu minimieren. Diese Induktivitäten verursa chen beim Abschalten jedes GTO-Thyristors eine hohe Span nungsspitze, die einen zulässigen Grenzwert nicht über schreiten darf. Letztlich erweist sich die Festlegung des genauen Zeitpunktes zum Abschalten unter Nullspannung als problematisch. Grund dafür ist die lange Speicherzeit des GTO-Thyristors, die von vielen Faktoren abhängig ist, z. B. vom abzuschaltenden Strom, von der Temperatur, usw.The disadvantage of resonant converter circuits are high voltage and current demands of the GTO-Thyri to disturb. For this purpose, DE 43 03 147 C1 already includes one Possibility to smooth switching has been described are sufficient without the GTO thyristor with very high voltages and to strain currents. The circuit specified there However, it also has disadvantages. So he has to do that Soft switching necessary clamp capacitor through one additional precharging device to a voltage value of about 110% to 140% of the DC voltage (DC link voltage voltage). Furthermore, it is with a single gene resonant circuit capacitor very difficult to turn off parasitic inductances for all GTO thyristors in the Minimize power converters. This inductance causes high voltage when switching off each GTO thyristor peak that does not exceed a permissible limit allowed to walk. Ultimately, the determination of the exact time to switch off under zero voltage as problematic. The reason for this is the long storage time of the GTO thyristors that depend on many factors, e.g. B. the current to be switched off, the temperature, etc.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der eine zusätzliche Vorladeeinrichtung für den Clamp-Konden sator nicht benötigt wird und bei der die Wirkungen von parasitären Induktivitäten beim Abschalten weitestmöglich vermieden werden. Außerdem soll die Festlegung eines ge nauen Zeitpunktes zum Abschalten unter Nullspannung nicht erforderlich sein.The invention has for its object a circuit order of the type mentioned at the beginning an additional precharging device for the clamp condensers sator is not needed and where the effects of Parasitic inductances when switching off as much as possible be avoided. In addition, the definition of a ge exact time to switch off under zero voltage to be required.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Danach wird die gespeicherte Beschal tungsenergie, die bei den bekannten Schaltungen in Wärme umgesetzt oder durch eine aufwendige Vorrichtung zurückge speist werden muß, vorteilhafterweise für den Zweck des Nullspannungsschaltens verwendet. Eine zusätzliche Vorlade einrichtung für den Clamp-Kondensator kann ebenso entfal len wie die genaue Festlegung des Abschaltzeitpunktes un ter Nullspannung. Weiterhin gelingt es, die parasitären Induktivitäten für alle GTO-Thyristoren im Stromrichter zu minimieren und damit unzulässige Spannungsspitzengrenzwer te zu vermeiden.This object is characterized by those in claim 1 Features resolved. Then the saved scarf tion energy in the known circuits in heat implemented or zurückge by a complex device must be fed, advantageously for the purpose of Zero voltage switching used. An additional preload device for the clamp capacitor can also be omitted len like the exact determination of the switch-off time ter zero voltage. Furthermore, the parasitic succeeds Inductors for all GTO thyristors in the converter too minimize and thus impermissible voltage peak limits to avoid.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements and developments are in specified in the subclaims.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden.The invention is based on an embodiment and the associated drawing will be explained in more detail.
Es zei gen:It shows gene:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für eine weiche Kommutie rung eines aus GTO-Thyristoren aufgebauten Strom richters, Fig. 1 shows a circuit arrangement for a soft commutation tion of a GTO thyristors constructed converter,
Fig. 2 die Strom- und Spannungsverläufe bei den Bauelemen ten der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 bei einer bestimmten Betriebsart, Fig. 2 shows the current and voltage waveforms at the Bauelemen 1 th of the circuit arrangement of FIG. At a particular operating mode,
Fig. 3 eine Variante der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, mit zusätzlicher Beschaltung gegen Überkopfzündung, Fig. 3 shows a variant of the circuit of Fig. 1, with additional circuitry to overhead ignition,
Fig. 4 eine weiter Variante der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit einem zusätzlichen Speicherkondensator. Fig. 4 shows a further variant of the circuit arrangement of FIG. 1 with an additional storage capacitor.
Fig. 1 zeigt einen selbstgeführten, dreiphasigen Strom richter, der aus einer Konstant-Gleichspannungsquelle Ud, die z. B. ein Gleichspannungs-Zwischenkreis in einem Um richter sein kann, gespeist wird und der im wesentlichen aus zwei Hauptteilen besteht, dem eigentlichen Stromrich ter mit unsymmetrischer Beschaltung und der erfindungsge mäßen Soft-Kommutierungsschaltung ZVS. Jeweils als Zweig paare zwischen die Klemmen der Gleichspannungsquelle ge schaltete GTO-Thyristoren T1 bis T6 sowie ihnen antiparal lelgeschaltete Rückarbeitsdioden D1 bis D6 bilden zusammen mit in Reihe hierzu geschalteten Entkopplungsdrosseln Ls1 bis Ls3 die drei Stränge des Stomrichters mit den Wechsel stromanschlüssen U, V, W jeweils am gemeinsamen Verbin dungspunkt der Zweigpaare, an die üblicherweise eine nicht näher dargestellte Last, beispielsweise eine Drehstromasyn chronmaschine, angeschlossen ist. Fig. 1 shows a self-guided, three-phase current judge from a constant DC voltage source Ud, the z. B. can be a DC link in a judge, is fed and which consists essentially of two main parts, the actual power converter ter with unbalanced wiring and the inventive soft commutation circuit ZVS. GTO thyristors T1 to T6 connected to the terminals of the DC voltage source, as well as antiparal gel-connected feedback diodes D1 to D6, together with series-connected decoupling reactors Ls1 to Ls3, form the three strings of the converter with the AC connections U, V, W in each case at the common connection point of the pairs of branches to which a load, not shown, is usually connected, for example a three-phase synchronous machine.
Eine Soft-Kommutierungsschaltung ZVS besteht aus einem Clamp-Schalter Tc mit einer verlustfreien Beschaltung, ge bildet aus den Abschaltkondensatoren Cb1, Cb2, einer Be schaltungsdrossel Lb sowie den Abschaltdioden Db1 bis Db3, einem Nullspannungs-Thyristors Ts sowie einer Rückspeise- Drossel Lz und einer Rückarbeitsdiode Dz.A soft commutation circuit ZVS consists of a Clamp switch Tc with a lossless circuit, ge forms a Be from the turn-off capacitors Cb1, Cb2 circuit choke Lb and the cut-off diodes Db1 to Db3, a zero-voltage thyristor Ts and a regenerative Choke Lz and a rework diode Dz.
Die Anode des Clamp-Schalters Tc ist über Entkopplungsdio den De1 bis De3 mit Clamp-Kondensatoren Cc1 bis Cc3 der unsymmetrischen Beschaltung jedes Stranges verbunden.The anode of the clamp switch Tc is via decoupling diodes the De1 to De3 with clamp capacitors Cc1 to Cc3 unbalanced wiring of each line connected.
Die Entkopplungsdrosseln Ls1 bis Ls3 haben die Aufgabe, die Stränge voneinander zu entkoppeln, um die Hochfre quenzschwingungen zwischen den Clamp-Kondensatoren Cc1 bis Cc3, die durch die praktisch unvermeidbare parasitäre In duktivität verursacht würden, zu minimieren.The decoupling reactors Ls1 to Ls3 have the task to decouple the strands from each other to the Hochfre frequency oscillations between the clamp capacitors Cc1 to Cc3, which is caused by the practically unavoidable parasitic In productivity would be minimized.
Die Funktion der Beschaltungselemente Ds1 bis Ds3, Dc1 bis Dc3 und Cs1 bis Cs3 wird untenstehend anhand der Beschrei bung der Wirkungsweise der Schaltung noch ausführlich er läutert. The function of the wiring elements Ds1 to Ds3, Dc1 to Dc3 and Cs1 to Cs3 is described below using the description Exercise the mode of operation of the circuit in more detail purifies.
Die Soft-Kommutierungsschaltung ZVS hat folgende Aufgaben:
The ZVS soft commutation circuit has the following tasks:
- 1. Schaffung von Nullspannungsintervallen zum verlustfrei en Einschalten der Leistungshalbleiterschalter im Strom richter und1. Creation of zero voltage intervals for lossless Switching on the power semiconductor switches in the current judge and
- 2. Rückspeisung der Beschaltungsenergie.2. Feedback of the wiring energy.
Der Stromrichter mit Soft-Kommutierung nach Fig. 1 kann in zwei Betriebsarten arbeiten, die nachfolgend anhand des Stromrichterzweiges (Anschluß U) näher beschrieben werden:The converter with soft commutation according to FIG. 1 can work in two operating modes, which are described in more detail below using the converter branch (connection U):
Diese Betriebsart wird verwendet, wenn die Spannungsdiffe renz zwischen der Clamp-Spannung Uc über dem Clamp-Konden sator Cc1 und der Zwischenkreisspannung Ud sehr klein ist. Beim Starten des Stromrichters wird z. B. der Clamp-Konden sator Cc1 durch diese Betriebsart I auf die für die noch zu beschreibende andere Betriebsart II benötigte Spannung (z. B. 1,3 Ud) aufgeladen.This operating mode is used when the voltage differences difference between the clamp voltage Uc across the clamp condens sator Cc1 and the intermediate circuit voltage Ud is very small. When starting the converter z. B. the clamp condens sator Cc1 through this operating mode I to that for the still Other operating mode II voltage to be described (e.g. 1.3 Ud) charged.
Nachstehend wird die Funktionsweise in dieser Betriebsart beim Ein- und Abschalten des GTO-Thyristors T1 näher be schrieben.Below is how it works in this mode when switching on and off the GTO thyristor T1 be closer wrote.
Der während des Kommutierungsvorgangs konstant angenommene Laststrom fließt zunächst in der Rückarbeitsdiode D2 über den Wechselspannungsanschluß U zur Last. Der Beschaltungs- Kondensator Cs1 ist in der eingezeichneten Polarität posi tiv aufgeladen. Beim Einschalten des GTO-Thyristors T1 steigt der Anodenstrom im GTO-Thyristor T1 linear an (diT1/dt = Ud/Ls bei Ls1 << Ls), der Strom in der Rückar beitsdiode D2 nimmt entsprechend linear ab. Sobald die Rückarbeitsdiode D2 stromlos geworden ist, fließt ein Ent ladestrom in dem Kreis Ud, Beschaltungsdrossel Ls, Ent kopplungsdrossel Ls1, GTO-Thyristor T1, Beschaltungskon densator Cs1, Clamp-Diode Dc1, Clamp-Kondensator Cc1, wo durch der Beschaltungskondensator Cs1 entladen wird. Wenn die Kondensatorspannung Ucs1 am Beschaltungskondensator Cs1 den Wert Null erreicht hat, kommutiert der Entlade strom in die Beschaltungsdiode Ds1. Die Energie des Be schaltungskondensators Cs1 : 1/2 Cs1(UCs1)2 ist damit nach dem Einschalten des GTO-Thyristors T1 zunächst zum großen Teil in der Beschaltungsdrossel Ls und der Entkopplungs drossel Ls1 zwischengespeichert. Danach wird sie durch den über die Beschaltungsdiode Ds1 weiterfließenden Strom von der Beschaltungsdrossel Ls und der Entkopplungsdrossel Ls1 in den Clamp-Kondensator Cc1 transferiert.The load current, which is assumed to be constant during the commutation process, initially flows in the reworking diode D2 via the AC voltage connection U to the load. The wiring capacitor Cs1 is positively charged in the polarity shown. When the GTO thyristor T1 is switched on, the anode current in the GTO thyristor T1 increases linearly (diT1 / dt = Ud / Ls at Ls1 << Ls), the current in the diode diode D2 decreases correspondingly linearly. As soon as the reworking diode D2 has become de-energized, a discharge current flows in the circuit Ud, circuit reactor Ls, decoupling reactor Ls1, GTO thyristor T1, circuit capacitor Cs1, clamp diode Dc1, clamp capacitor Cc1, where the circuit capacitor Cs1 is discharged . When the capacitor voltage Ucs1 on the wiring capacitor Cs1 has reached the value zero, the discharge current commutates into the wiring diode Ds1. The energy of the loading capacitor Cs1: 1/2 Cs1 (UCs1) 2 is initially temporarily stored in the wiring choke Ls and the decoupling choke Ls1 after switching on the GTO thyristor T1. Then it is transferred by the current flowing through the wiring diode Ds1 from the wiring choke Ls and the decoupling choke Ls1 into the clamp capacitor Cc1.
Beim Abschalten des GTO-Thyristors T1 kommutiert der Last strom in den Beschaltungskondensator Cs1. Die Anodenspan nung am GTO-Thyristor T1 steigt linear an. Wenn die Kon densatorspannung UCs1 den Wert Ud erreicht hat, übernimmt die Rückarbeitsdiode D2 den Laststrom. Der Strom in der Beschaltungsdrossel Ls und in der Entkopplungsdrossel Ls1 fließt über die die Beschaltungsdiode Ds1 und die Clamp- Diode Dc1 in den Clamp-Kondensator Cc1, bis die Energie in den Drosseln Ls und Ls1 vollständig abgebaut ist.The load commutates when the GTO thyristor T1 is switched off current in the wiring capacitor Cs1. The anode chip voltage at the GTO thyristor T1 increases linearly. If the con capacitor voltage UCs1 has reached the value Ud the rework diode D2 the load current. The current in the Wiring choke Ls and in the decoupling choke Ls1 flows through the wiring diode Ds1 and the clamp Diode Dc1 in the clamp capacitor Cc1 until the energy in the chokes Ls and Ls1 is completely removed.
Diese Betriebsart erlaubt es, daß die für das Nullspan nungs-Einschalten benötigte Clamp-Spannung Uc in Höhe von etwa 1,3 Ud über den Stromrichter selbst zur Verfügung ge stellt wird. Diese Betriebsart wird auch bevorzugt einge setzt, wenn durch das Einschalten des Ausgangsschalters (z. B. GTO-Thyristor T1) keine Stromkommutierung von einer Rückarbeitsdiode (z. B. D2) auf den Schalter stattfinden soll (kein echter Einschaltvorgang).This operating mode allows that for the zero chip Switching on the voltage requires the clamp voltage Uc of about 1.3 Ud is available via the converter itself is posed. This operating mode is also preferred sets when by turning on the output switch (e.g. GTO thyristor T1) no current commutation from one Reverse diode (e.g. D2) on the switch should (no real switch-on process).
Diese Betriebsart wird verwendet, wenn die Spannungsdiffe renz zwischen der Clamp-Spannung Uc und der Zwischenkreis spannung Ud den Spannungswert von etwa 1,3 Ud erreicht hat. This operating mode is used when the voltage differences limit between the clamp voltage Uc and the intermediate circuit voltage Ud reaches the voltage value of about 1.3 Ud Has.
Anhand der Fig. 2 soll diese Betriebsart unter Bezug auf die Strom- und Spannungsverläufe an der Rückspeisedrossel Lz (iLz, uLz), am Nullspannungs-Thyristors Ts (iTs, uTs), am Clamp-Thyristor Tc (iTc, uTc) und am GTO-Thyristor T1 (iT1, uT1) beim Ein- und Abschalten des GTO-Thyristors T1 näher erläutert werden.This mode is based on the Fig. 2 with reference to the current and voltage waveforms at the regeneration choke Lz (ilz, Ulz), at the zero-voltage thyristor Ts (ITS, UTS), the clamp thyristor Tc (iTc UTC) and the GTO -Thyristor T1 (iT1, uT1) when switching on and off the GTO thyristor T1 are explained in more detail.
Zunächst wird angenommen, daß ein Kreisstrom iLz in Höhe von etwa 20% des Nennstromes in dem Kreis Beschaltungs drossel Ls, Nullspannungs-Thyristor Ts und Rückspeisedros sel Lz fließt. Soll nun zum Zeitpunkt t2 der Laststrom von einer Rückarbeitsdiode (z. B. D2) auf einen Ausgangsschal ter (z. B. GTO-Thyristor T1) umkommutiert werden (Einschalt vorgang), so wird zunächst der Clamp-Schalter Tc zum Zeit punkt t0 eingeschaltet.First, it is assumed that a circulating current iLz in height of about 20% of the nominal current in the circuit wiring choke Ls, zero-voltage thyristor Ts and regenerative dros sel Lz flows. At time t2, the load current of a rework diode (e.g. D2) on an output scarf ter (e.g. GTO thyristor T1) can be commutated (switch-on process), the clamp switch Tc becomes the time point t0 switched on.
Da die Clamp-Spannung Uc höher ist als die Zwischenkreis spannung Ud, kommutiert der Kreisstrom iLz vom Nullspan nungs-Thyristor Ts auf den Clamp-Schalter Tc. Die Stromän derungsgeschwindigkeit des Kreisstromes iLz wird von der Spannungsdifferenz (Uc - Ud) und der Induktivität der Be schaltungsdrossel Ls bestimmt. Zum Zeitpunkt t1 wird der Nullspannungs-Thyristor Ts gelöscht, da sein Strom iTs den Wert Null erreicht hat. Solange der Clamp-Schalter Tc ein geschaltet ist, nimmt der Nullspannungs-Thyristor Ts den Spannungswert Uc - Ud als Sperrspannung uTs auf.Since the clamp voltage Uc is higher than the intermediate circuit voltage Ud, the circulating current iLz commutates from the zero voltage voltage thyristor Ts on the clamp switch Tc. The Stromän speed of the circuit current iLz is determined by the Voltage difference (Uc - Ud) and the inductance of the Be circuit choke Ls determined. At time t1 Zero voltage thyristor Ts cleared because its current iTs the Has reached zero. As long as the clamp switch Tc is on is switched, the zero voltage thyristor Ts takes the Voltage value Uc - Ud as reverse voltage uTs.
Durch die Rückspeisedrossel Lz fließt über den Clamp- Schalter Tc und die Clamp-Kondensatoren Cc1 bis Cc3 ein linear ansteigender Strom (diLz/dt = (Uc - Ud)/Lz). Dadurch wird Energie von den Clamp-Kondensatoren Cc1 bis Cc3 ent zogen. Diese Energie wird teilweise in der Rückspeisedros sel Lz zwischengespeichert und der größere Teil wird in den Zwischenkreis zurückgespeist.Through the regenerative choke Lz flows over the clamp Switch Tc and the clamp capacitors Cc1 to Cc3 on linearly increasing current (diLz / dt = (Uc - Ud) / Lz). Thereby energy is removed from the clamp capacitors Cc1 to Cc3 pulled. This energy is partly in the regenerative power plant sel Lz is buffered and the greater part is saved in fed back the intermediate circuit.
In dem Clamp-Schalter Tc fließt außerdem noch ein Umlade strom iTc im Kreis Abschaltkondensator Cb1, Abschaltkon densator Cb2, Beschaltungsdiode Db3, Beschaltungsdrossel Lb, wodurch die Abschaltkondensatoren Cb1 und Cb2 umgela den werden. Dabei wird der Abschaltkondensator Cb2 auf die Spannung Uc und der Abschaltkondensator Cb1 auf Null ent laden. Dieser Umladestrom iTc kann durch Vergrößerung der Beschaltungsdrossel Lb klein gehalten werden.A recharge also flows in the clamp switch Tc current iTc in circuit shutdown capacitor Cb1, shutdown con capacitor Cb2, connection diode Db3, connection choke Lb, whereby the turn-off capacitors Cb1 and Cb2 reloaded that will. The turn-off capacitor Cb2 is on the Voltage Uc and the turn-off capacitor Cb1 ent to zero load. This transfer current iTc can be increased by increasing the Wiring choke Lb can be kept small.
Nachdem die Clamp-Kondensatoren Cc1 bis Cc3 genügend Ener gie abgegeben haben, wird der Clamp-Schalter Tc abgeschal tet. Der Strom kommutiert während des Abschaltvorgangs je zur Hälfte in den Kreis aus der Abschaltdiode Db1 in Reihe mit dem Abschaltkondensator Cb1 und in den Kreis aus der Abschaltdiode Db2 in Reihe mit dem Abschaltkondensator Cb2, wobei die Parallelschaltung der Kapazitäten der Abschaltkondensatoren Cb1 und Cb2 ein Maß für den Span nungsanstieg du/dt der Spannung uTc am Clamp-Schalter Tc ist. Dabei wird der Abschaltkondensator Cb1 auf die Span nung Uc aufgeladen und der Abschaltkondensator Cb2 auf Null entladen.After the clamp capacitors Cc1 to Cc3 enough ener have released the clamp switch Tc tet. The current commutates during the switch-off process half in the circle from the shutdown diode Db1 in series with the turn-off capacitor Cb1 and in the circuit from the Shutdown diode Db2 in series with the shutdown capacitor Cb2, the parallel connection of the capacities of the Cut-off capacitors Cb1 and Cb2 measure the span voltage increase du / dt of the voltage uTc at the clamp switch Tc is. The turn-off capacitor Cb1 on the Span voltage Uc charged and the turn-off capacitor Cb2 Discharge zero.
Sobald die Kondensatorspannung Ucb2 den Wert Null erreicht hat, wird die Rückarbeitsdiode Dz leitend. Die während der Einschaltintervalle der Clamp-Schalter Tc in der Rückspei sedrossel Lz zwischengespeicherte Energie wird über die Rückarbeitsdiode Dz in den Zwischenkreis zurückgespeist.As soon as the capacitor voltage Ucb2 reaches zero has the rework diode Dz conductive. The during the Switch-on intervals of the clamp switch Tc in the feedback sedrossel Lz is stored energy over the Reverse diode Dz fed back into the DC link.
Das eigentliche Nullspannungsintervall für den Ausgangs schalter (z. B. GTO-Thyristor T1) wird erst durch das Einschalten des Nullspannungs-Tyristors Ts eingeleitet. Der Strom iDz der Rückarbeitsdiode Dz kommutiert - be grenzt durch die Beschaltungsdrossel Ls - als Strom iTs in den Nullspannungs-Thyristor Ts. Während dieses Kommutie rungsintervalls wird der GTO-Thyristor T1 gezündet, da die Spannung UB vorher zusammengebrochen ist. Damit ist eine optimale Voraussetzung des Schaltens ohne nennenswerte Einschaltverluste für den GTO-Thyristor T1 geschaffen.The actual zero voltage interval for the output switch (e.g. GTO thyristor T1) is only activated by the Switching on the zero voltage tyristor Ts initiated. The current iDz of the reworking diode Dz commutates - be delimited by the circuit choke Ls - as current iTs in the zero voltage thyristor Ts. During this commutation tion interval, the GTO thyristor T1 is ignited because the Voltage UB has previously collapsed. So that's one optimal condition for switching without any noteworthy Switch-on losses created for the GTO thyristor T1.
Die vom Clamp-Kreis (Clamp-Kondensatoren Cc1 bis Cc3) ent zogene Ladung, im wesentlichen während der Einschaltdauer des Clamp-Schalters Tc, hängt außer von der Höhe des Kreistromes iLz auch noch von der Einschaltdauer des Clamp- Schalters Tc sowie dem Induktivitätswert der Rückspeise drossel Lz ab.Ent from the clamp circuit (clamp capacitors Cc1 to Cc3) drawn charge, essentially during the duty cycle of the clamp switch Tc depends on the height of the Kreistromes iLz also on the duty cycle of the clamp Switch Tc and the inductance value of the feedback throttle Lz.
Im Hinblick auf die Verluste in der Soft-Kommutierungs schaltung ZVS soll der Kreisstrom iLz so klein wie möglich und auf einen annähernd konstanten Wert gehalten werden. Der Induktivitätswert der Rückspeisedrossel Lz soll etwa 5 bis 10fach größer als derjenige der Beschaltungsdrossel Ls sein.In terms of losses in the soft commutation circuit ZVS, the circulating current iLz should be as small as possible and kept at an approximately constant value. The inductance value of the regenerative choke Lz should be about 5 up to 10 times larger than that of the circuit choke Ls be.
Als Stellgröße zur Regelung des Ladungszustandes des Clamp- Kreises (Clamp-Kondensatoren Cc1 bis Cc3) steht die Ein schaltdauer des Clamp-Schalters Tc zur Verfügung. Diese beeinflußt allerdings auch die Höhe des Kreisstromes iLz, da er während der Einschaltdauer des Clamp-Schalters Tc zwangsläufig ansteigt.As a manipulated variable for controlling the state of charge of the clamp Circle (clamp capacitors Cc1 to Cc3) is the on Switching time of the clamp switch Tc is available. This however also affects the level of the circulating current iLz, because during the duty cycle of the clamp switch Tc inevitably increases.
Zur Regelung des Kreisstromes iLz kann jedoch auch eine zweite Stellgröße dienen, der Einschaltzeitpunkt des Null spannungs-Thyristors Ts. Nach dem Abschalten des Clamp- Schalters Tc und dem Umschwingen der Abschaltkondensatoren Cb1, Cb2 wird die in der Rückspeisedrossel Lz zwischenge speicherte Energie über die Rückspeisediode Dz in den Zwi schenkreis Ud zurückgespeist. Während dieser Zeit fällt der Kreisstrom iLz linear schnell ab (diLz/dt = Ud/Lz).However, one can also be used to regulate the circulating current iLz serve as the second manipulated variable, the switch-on time of zero voltage thyristor Ts. After switching off the clamp Switch Tc and the swinging of the cut-off capacitors Cb1, Cb2 is the intermediate in the regenerative choke Lz stored energy via the feedback diode Dz in the Zwi feeding circle Ud. During this time it falls the circulating current iLz decreases linearly rapidly (diLz / dt = Ud / Lz).
Der Nullspannungs-Thyristor Ts muß auf jeden Fall einge schaltet werden, bevor die Energie in der Rückspeisedros sel Lz abgebaut ist, da es ansonsten kein Nullspannungsin tervall mehr gibt.The zero voltage thyristor Ts must be switched on in any case be switched before the energy in the regenerative power plant sel Lz is reduced, since otherwise there is no zero voltage tervall more there.
Im Nullspannungsintervall muß der Ausgangsschalter (z. B. GTO-Thyristor T1) eingeschaltet werden, da sonst die Span nung UB schlagartig von Null auf die Spannung Ud springen würde, was zu einer Überkopf-Zündung der Ausgangsschalter (z. B. GTO-Thyristor T1) führen könnte. Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante, mit der durch eine Beschaltungsergän zung dieses Problem vermieden werden kann. Durch eine ver lustfreie zusätzliche Beschaltung aus den Beschaltungs drosseln Dr1, Dr2 und dem Beschaltungskondensator Cr kann die Spannung UB nicht mehr schlagartig springen, auch wenn der Einschaltvorgang nicht genau innerhalb des Nullspan nungsintervalls stattfindet.In the zero voltage interval, the output switch (e.g. GTO thyristor T1) must be switched on, since otherwise the voltage UB would suddenly jump from zero to the voltage Ud, resulting in an overhead ignition of the output switch (e.g. GTO thyristor T1) could result. Fig. 3 shows a circuit variant with which this problem can be avoided by a wiring supplement. Due to a lossless additional circuitry from the circuit chokes Dr1, Dr2 and the circuit capacitor Cr, the voltage UB can no longer jump suddenly, even if the switch-on process does not take place exactly within the zero voltage interval.
Fig. 4 zeigt eine weitere Schaltungsvariante, in der ein zusätzlicher gemeinsamer Clamp-Kondensator Cc zwischen der Anode des Clamp-Schalters Tc und dem Verbindungspunkt der Drosseln Ls und Lz angeordnet ist. FIG. 4 shows a further circuit variant in which an additional common clamp capacitor Cc is arranged between the anode of the clamp switch Tc and the connection point of the inductors Ls and Lz.
Der Clamp-Schalter Tc (Fig. 3, Fig. 4) kann ein GTO- Thyristor sein, aber auch durch zwei in Reihe geschaltete hochsperrende IGBT's ersetzt werden, da er nur etwa 20% des Nennstroms zu schalten braucht, d. h. etwa 300 A. Die Beschaltungskomponenten Cb1, Cb2, Lb, Db1, Db2 und Db3 für den GTO-Thyristor Tc können dann entfallen. Der Einschalt vorgang wird ohnehin durch die Beschaltungsdrossel Ls ent lastet.The clamp switch Tc ( FIG. 3, FIG. 4) can be a GTO thyristor, but can also be replaced by two high-blocking IGBTs connected in series, since it only needs to switch about 20% of the nominal current, ie about 300 A. The wiring components Cb1, Cb2, Lb, Db1, Db2 and Db3 for the GTO thyristor Tc can then be omitted. The switch-on process is relieved anyway by the circuit choke Ls.
Fig.Fig.
1, 3 und 4:
Cb1, Cb2Abschaltkondensatoren
Cczusätzl. gemeinsamer Clamp-Kondensator
Cc1 bis Cc3Clamp-Kondensatoren
Crzusätzl. Beschaltungskondensator
Cs1 bis Cs3Beschaltungskondensatoren
Db1 bis Db3Abschaltdioden
Dc1 bis Dc3Clamp-Dioden
De1 bis De3Entkopplungsdioden
Dr1, Dr2zusätzl. Beschaltungsdioden
Ds1Beschaltungsdiode
D1 bis D6Rückarbeitsdioden in den Zweigen
DzRückarbeitsdiode
LbBeschaltungsdrossel
LsBeschaltungsdrossel
Ls1 bis Ls3Entkopplungsdrosseln
LzRückspeisedrossel
T1 bis T6GTO-Thyristoren der Zweige
TcClamp-Schalter
TsNullspannungs-Thyristor
UcClamp-Spannung
U, V, WWechselspannungsanschlüsse
UcClamp-Spannung
Ucs1Spannung über Cs1
UdGleichspannungsquelle (Zwischenkreis)
ZVSSoft-Kommutierungsschaltung (zero
voltage swichting)
1, 3 and 4:
Cb1, Cb2 turn-off capacitors
Ccadditional common clamp capacitor
Cc1 to Cc3Clamp capacitors
Craddle. Wiring capacitor
Cs1 to Cs3 wiring capacitors
Db1 to Db3 switch-off diodes
Dc1 to Dc3Clamp diodes
De1 to De3 decoupling diodes
Dr1, Dr2 additional Wiring diodes
Ds1 circuit diode
D1 to D6 rework diodes in the branches
Dz rework diode
Lb circuit choke
Ls circuit choke
Ls1 to Ls3 decoupling reactors
Lzrefeed choke
T1 to T6GTO thyristors of the branches
TcClamp switch
Ts zero voltage thyristor
UcClamp voltage
U, V, WAC voltage connections
UcClamp voltage
Ucs1 voltage over Cs1
Ud DC voltage source (DC link)
ZVSSoft commutation circuit (zero voltage swichting)
Fig.Fig.
2:
iDzStromverlauf über Rückarbeitsdiode Dz
iLz, uLzStrom- und Spannungsverläufe an Lz
iTs, uTsStrom- und Spannungsverläufe an Ts
iTc, uTcStrom- und Spannungsverläufe an Tc
iZ1, uT1Strom- und Spannungsverläufe an T1
2:
iDz current curve via reworking diode Dz
iLz, uLz current and voltage profiles at Lz
iTs, uTs current and voltage profiles on Ts
iTc, uTc current and voltage profiles at Tc
iZ1, uT1 current and voltage profiles at T1
Claims (10)
- a) ein Anschluß einer Beschaltungsdrossel (Ls) mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle (Ud) und der andere Anschluß mit dem gemeinsamen Anschluß von Entkopplungsdrosseln (Ls1, Ls2, Ls3) verbunden ist, deren andere Anschlüsse jeweils zu den Anoden der Halbleiterschalter (T1, T2, T3) des oberen Brückenzweiges führen,
- b) parallel zu den abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern (T1, T3, T5) jedes oberen Brückenzweiges jeweils eine Beschaltungsdiode (Ds1, Ds2, Ds3) und ein Beschaltungskondensator (Cs1, Cs2, Cs3) in Reihe hierzu angeordnet sind, wobei deren Verbindungspunkte jeweils mit den Anoden einer Clamp-Diode (Dc1, Dc2, Dc3) verbunden sind,
- c) die Kathoden der Clamp-Dioden (Dc1, Dc2, Dc3) zum einen mit den jeweiligen Clamp- Kondensatoren (Cc1, Cc2, Cc3) verbunden sind,
- a) die Kathoden der Clamp-Dioden (Dc1, Dc2, Dc3) zum anderen mit jeweils den Anoden von Entkopplungsdioden (De1, De2, De3) verbunden sind,
- b) die Kathoden der Entkopplungsdioden (De1, De2, De3) gemeinsam an die Anode eines Clamp-Schalters (Tc) geführt sind, der mit seiner Kathode mit der Kathode eines Nullspannungs-Thyristors (Ts) in Verbindung steht,
- c) der Nullspannungs-Thyristor (Ts) mit seiner Kathode zusätzlich mit einer Rückspeisedrossel (Lz) und mit seiner Anode sowohl mit der Beschaltungsdrossel (Ls) als auch mit den Entkopplungsdrosseln (Ls1, Ls2, Ls3) verbunden ist,
- d) der andere Anschluß der Rückspeisedrossel (Lz) mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle (Ud) verbunden ist und daß
- e) die Kathode einer Rückarbeitsdiode (Dz) an den Verbindungspunkt zwischen der Kathode des Clampschalters (Tc) mit der Kathode des Nullspannungs-Thyristors (Ts) und die Anode dieser Rückarbeitsdiode (Dz) an den Minuspol der Gleichspannungsquelle (Ud) angeschlossen ist.
- a) a connection of a wiring choke (Ls) to the positive pole of the DC voltage source (Ud) and the other connection to the common connection of decoupling chokes (Ls1, Ls2, Ls3), the other connections of which are each connected to the anodes of the semiconductor switches (T1, T2 , T3) of the upper branch of the bridge,
- b) a wiring diode (Ds1, Ds2, Ds3) and a wiring capacitor (Cs1, Cs2, Cs3) are arranged in parallel to the power semiconductor switches (T1, T3, T5) of each upper branch of the bridge, their connection points being connected to the anodes a clamp diode (Dc1, Dc2, Dc3) are connected,
- c) the cathodes of the clamp diodes (Dc1, Dc2, Dc3) are connected on the one hand to the respective clamp capacitors (Cc1, Cc2, Cc3),
- a) the cathodes of the clamp diodes (Dc1, Dc2, Dc3) are connected to the anodes of decoupling diodes (De1, De2, De3),
- b) the cathodes of the decoupling diodes (De1, De2, De3) are routed together to the anode of a clamp switch (Tc) which is connected with its cathode to the cathode of a zero-voltage thyristor (Ts),
- c) the zero-voltage thyristor (Ts) is additionally connected with its cathode to a regenerative choke (Lz) and with its anode both to the wiring choke (Ls) and to the decoupling chokes (Ls1, Ls2, Ls3),
- d) the other connection of the regenerative choke (Lz) is connected to the positive pole of the direct voltage source (Ud) and that
- e) the cathode of a rework diode (Dz) is connected to the connection point between the cathode of the clamp switch (Tc) and the cathode of the zero-voltage thyristor (Ts) and the anode of this rework diode (Dz) is connected to the negative pole of the DC voltage source (Ud).
- a) an der Kathode des Clampschalters (Tc) liegt die Kathode einer ersten Abschaltdiode (Db1), ein Anschluß eines ersten Abschaltkondensators (Cb2) und der Verbindungspunkt der Rückspeisedrossel (Lz) mit der Rückarbeitsdiode (Dz)
- b) an der Anode des Clampschalters (Tc) liegt ein zweiter Abschaltkondensator (Cb1), wobei die Anode der ersten Abschaltdiode (Db1) und der andere Anschluß des zweiten Abschaltkondensators (Cb1) mit einer Beschaltungsdrossel (Lb) verbunden sind, deren anderer Anschluß mit der Kathode einer zweiten Abschaltdiode (Db3) verbunden ist und deren Anode wiederum mit dem ersten Abschaltkodensator (Cb2) und der Kathode einer dritten Abschaltdiode (Db2) verbunden ist, deren Anode an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle (Ud) angeschlossen ist.
- a) on the cathode of the clamp switch (Tc) is the cathode of a first switch-off diode (Db1), a connection of a first switch-off capacitor (Cb2) and the connection point of the regenerative choke (Lz) with the reworking diode (Dz)
- b) on the anode of the clamp switch (Tc) is a second turn-off capacitor (Cb1), the anode of the first turn-off diode (Db1) and the other connection of the second turn-off capacitor (Cb1) being connected to a wiring choke (Lb), the other connection of which the cathode of a second shutdown diode (Db3) is connected and the anode in turn is connected to the first shutdown encoder (Cb2) and the cathode of a third shutdown diode (Db2), the anode of which is connected to the negative pole of the DC voltage source (Ud).
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