DE19851831B4

DE19851831B4 - Mehrphasen-Stromrichter

Info

Publication number: DE19851831B4
Application number: DE19851831.5A
Authority: DE
Inventors: Junichi Itoh; Koetsu Fujita
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2018-11-11
Also published as: CN1189997C; US5991183A; KR100561322B1; DE19851831A1; KR19990045143A; CN1217604A

Abstract

Mehrphasen-Stromrichter des Spannungstyps, umfassend: eine Leistungsquelle (6) mit einer n-phasigen Wechselspannungsquelle und n Augangsanschlüssen entsprechend den n Phasen, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist, eine Diodenbrücke (3), mittels derer Wechselspannungen der n-phasigen Wechselspannungsquelle in eine Gleichspannung umgesetzt werden, und die n Eingangsanschlüsse aufweist, von denen jeder mit einem zugeordneten der Augangsanschlüsse der Leistungsquelle verbunden ist, n Schalter (S1, S2, S3), von denen jeder zwischen einem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse der Leistungsquelle und dem zugeordneten Eingangsanschluß der Diodenbrücke angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Drosseln (1), von denen jede mit einem jeweiligen der Eingangsanschlüsse der Diodenbrücke (3) verbunden ist, wobei die Schalter so steuerbar sind, daß der Eingangsstrom jeder Phase sinusförmig wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalter eine Antiparallelschaltung aus einem unidirektionalen Halbleiterschaltelement und einer Diode umfaßt und daß alle Halbleiterschalter (S1–S3) gleichzeitig ein- bzw. ausschaltbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stromrichter mit hohem Leistungsfaktor zur Umsetzung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, der einen sinusförmigen Eingangsstrom mit hohem Leistungsfaktor aufweist.
Eine Mehrphasenschaltung in Form einer Dreiphasenschaltung wird als Beispiel unter Bezugnahme auf 5 beschrieben, die ein bekanntes Beispiel eines Strom- oder Gleichrichters des oben angegebenen Typs darstellt. Die Schaltung von 5, die als Einzelschalter-Aufwärtsumsetzer bezeichnet wird, enthält eine Diodenbrücke 3, einen Glättungskondensator 4, eine Leistungsquelle 6, Drosseln 51, die mit den Eingängen der Diodenbrücke 3 verbunden sind, und einen Aufwärtsgleichstromsteller 52, der sich aus einem Halbleiterschalter und einer Diode zusammensetzt. Wenn der Halbleiterschalter eingeschaltet ist, wird die Leistungsquelle 6 über die Drosseln 51 kurzgeschlossen, so daß der Eingangsstrom in eine gewünschte Wellenform gebracht wird.
Obwohl die Betriebswellenform später beschrieben wird, wird angemerkt, daß der Schalter so gesteuert wird, daß diskontinuierliche Ströme durch die Drosseln 51 fließen, die mit den Eingängen der Diodenbrücke 3 verbunden sind, wodurch der Umsetzer aus den Wechselströmen Gleichstrom macht Zugleich wird der Eingangsstrom jeder Phase so gesteuert, daß er die Form einer Sinuswelle annimmt.
Bei der bekannten Schaltung ist der beim Abschalten des Halbleiterschalters erzeugte Strom nicht proportional zur Eingangsspannung, weshalb der Eingangsstrom nicht sinusförmig wird, wenn nicht die Ausgangsspannung so gesteuert wird, daß sie das Zweifache oder Dreifache des Maximalpegels der Speisespannung beträgt Im Fall solch hoher Ausgangsspannung müssen das Schaltelement und die Diodenbrücke eine hohe Durchbruchsspannung aufweisen, was die Kosten des Umsetzers bzw. Stromrichters erhöht. Außerdem erreicht die Ausgangsspannung Werte bis zu etwa 600 bis 900 Volt, was den Einsatz dieses Umsetzers bei Anwendungen unmöglich macht, bei denen eine relativ niedrige Ausgangsspannung erforderlich ist. Da ferner beim Hochlauf des Umsetzers in dem Glättungskondensator 4 keine Ladung gespeichert wird, muß eine Anfangsladeschaltung für den Fall des Auftretens eines Einschaltstromstoßes vorgesehen werden.
Ein Mehrphasen-Stromrichter gemäß Patentanspruch 1 ist aus der GB 2 294 165 A bekannt. Bei diesem Stand der Technik sind n oder n – 1 Schalter jeweils als bidirektionale Schaltanordnung ausgebildet, die wenigstens vier unidirektionale Halbleiterbauelemente erfordert, von denen wenigstens eines eine schaltbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Mehrphasen-Stromrichter des Spannungstyps mit einem einfachen, preiswerten Aufbau zu schaffen, der in der Lage ist, den Speisestrom zu einer Sinuswellenform mit hohem Leistungsfaktor zu machen
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stromrichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Stromrichter bzw. Umsetzer so gestaltet, daß kein Strom durch die Leistungsquelle fließt, wenn die beim Kurzschluß der Leistungsquelle in den Drosseln gespeicherte Energie aus diesen entladen wird. Die Leistungsquelle wird über die Drosseln kurzgeschlossen, wenn die Wechselstromschalter eingeschaltet sind, wobei Energie in den Drosseln gespeichert wird. Wenn die Wechselstromschalter ausgeschaltet sind, wird die in den Drosseln gespeicherte Energie über die Diodenbrücke an eine Last geliefert. Da kein Strom durch die Leistungsquelle fließt, wenn die Schalter ausgeschaltet sind, besteht der Speisestrom (Leistungsquellenstrom) ausschließlich aus Strom, der der Speisespannung (Leistungsquellenspannung) proportional ist und fließt, wenn die Schalter geschlossen sind, weshalb sinusförmige Ströme ungeachtet der Ausgangsspannung erhalten werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Mehrphasen-Stromrichters,
2 Darstellungen zur Erläuterung eines Beispiels einer Stromwellenform beim Mehrphasen-Stromrichter gemäß 1 verglichen mit derjenigen beim herkömmlichen Umsetzer,
3 eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels eines Steuerverfahrens für den Mehrphasen-Stromrichter,
4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und
5 ein Schaltbild eines bekannten Umsetzers.
1 zeigt ein Beispile eines dreiphasigen Stromrichters des Spannungstyps (nachfolgend einfach als Umsetzer bezeichnet). Die Schaltung von 1 enthält Drosseln 1 zur Energiespeicherung, eine Schaltergruppe 8 aus Wechselstrom-(WS)-Schaltern (bidirecktionalen Schaltern) S1 und S2, eine Diodenbrücke 3, einen Glättungskondensator 4, eine Gleichstromlast 5, eine Dreiphasen-Spannungsquelle oder -Leistungsquelle 6 und ein Hochfrequenzfilter 7. Das Hochfrequenzfilter 7 ist nicht unbedingt erforderlich und kann unter Umständen entfallen. Die WS-Schalter sind beispielsweise durch Kombinationen von Halbleiterschaltern realisiert.
Die Schaltergruppe 8 ist einerseits über das Hochfrequenzfilter 7 mit der Spannungsquelle 6 und andererseits mit den Eingängen der Diodenbrücke 3 verbunden. Die Drosseln 3 in Sternschaltung sind mit den Eingängen der Diodenbrücke 3 verbunden. Der Glättungskondensator 4 ist mit den Ausgängen der eine Gleichrichterschaltung bildenden Diodenbrücke 3 verbunden, und die Gleichstromlast 5 ist parallel zum Glättungskondensator 4 geschaltet.
Zwei WS-Schalter S1 und S2 der Schaltergruppe 8 werden alle mittels derselben Impulse so gesteuert, daß diskontinuierliche Ströme die Drosseln 1 durchfließen. Wenn die zwei WS-Schalter im Einschaltzustand sind, wird die Spannungsquelle über die Drosseln 1 kurzgeschlossen. In diesem Fall gelten für die Eingangsströme (Ausgangsströme des Filters 7) i_u', i_v' und i_w' der WS-Schalter S1 bzw. S2: i_u' = v_u·T_on/L i_v' = v_v·T_on/L i_w' = v_w·T_on)L (1) wobei v_u, v_v und v_w Speisespannungen darstellen, L die Induktivität der Drosseln 1 ist und T_on die Einschaltdauer der WS-Schalter S1 und S2 darstellt. Aus dem obigen Gleichungssatz (1) ergibt sich, daß der Eingangsstrom der einzelnen Phasen mit einer zur Speisespannung proportionalen Neigung ansteigt. Wenn andererseits die WS-Schalter ausgeschaltet sind, wird die in den Drosseln 1 gespeicherte Ladung bzw. Energie über die Diodenbrücke 3 der Last 5 zugeführt Da dabei die Ströme nicht durch die Spannungsquelle 6 fließen, da die Schalter offen sind, ergeben sich als Ströme in den einzelnen Phasen der Spannungsquelle diejenigen, die durch den Gleichungssatz (1) angegeben sind und die, wenn sie mittels des Hochfrequenzfilters 7 geglättet werden, sinusförmige Ströme darstellen, die mit der jeweiligen Leiterspannung synchron sind.
Der Zusammenhang zwischen den Speiseströmen i_u, i_v und i_w und den Eingangsströmen der Diodenbrücke 3 (Ausgangsströme des Filters 7) i_u', i_v' und i_w' beim vorliegenden Beispiel soll mit dem entsprechenden Zusammenhang beim bekannten Umsetzer von 5 verglichen werden.
2(a) zeigt ein Beispiel der Stromwellenform der U-Phase für den Fall des bekannten Umsetzers von 5. Der diskontinuierliche Strom i_u' wird mittels des Hochfrequenzfilters 7 zu dem dargestellten kontinuierlichen Strom i_u geformt, wobei i_u den Mittelwert von i_u' darstellt.
Wenn der Halbleiterschalter des Aufwärtsgleichstromstellers 52 bei dem Beispiel in 5 eingeschaltet wird, wird die Spannungsquelle 6 über die Drosseln 51 kurzgeschlossen, und den Drosseln 51 wird Energie zugeführt. In diesem Zustand ergibt sich beispielsweise für den Strom i_u der U-Phase der folgende Ausdruck (2), der dem obigen Ausdruck (1) ähnlich ist: i_u = v_u·T_on/L (2).
Der Spitzenwert des durch einen Schaltvorgang erzeugten Stroms ist proportional der Speisespannung. Demgemäß ergibt sich für die Fläche A1 in 2(a) folgt der Ausdruck (3): A1 = v_u·T_on ²/2L (3)
Die Fläche A1 ist somit proportional zur Speisespannung, wenn T_on konstant ist.
Auf der anderen Seite ergibt sich der Strom beim Ausschalten des Halbleiterschalters des Aufwärtsgleichstromstellers 52 beim Beispiel von 5 wie folgt: i_u = v_u·T_on/L – (Vdc – v_u)Td/L (4) darin sind Vdc die Ausgangsspannung und Td die Zeit, die verstreicht, bis der Strom null wird Aufgelöst nach Td ergibt sich aus Gleichung (4) nachstehende Gleichung (5): Td = v_u·T_on/(Vdc – v_u) (5)
Daraus leitet sich die Fläche A2 in 2(a) ab: A2 = v_u ²·T_on ²/2L(Vdc – v_u) (6)
Man sieht, daß die Fläche A2 von der Ausgangsspannung Vdc abhängt und nicht proportional zur Speisespannung v_u ist. Bei dem bekannten Umsetzer muß der Strom daher dadurch sinusförmig gemacht werden, daß die Fläche A2 relativ zur Fläche ”A1” ausreichend verringert wird.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel des Umsetzers ist die Schaltergruppe 8 so an die Spannungsquelle 6 angeschlossen, daß keine Ströme durch die Spannungsquelle fließen, wenn die WS-Schalter S1 und S2 ausgeschaltet sind. Dabei setzt sich der Strom i_u' ausschließlich aus Flächen A1 zusammen, wie in 2(b) gezeigt, und der Eingangsstrom des Filters 7 bzw. der Speisestrom i_u wird sinusförmig, selbst wenn die Ausgangsspannung Vdc klein ist. Der Laststrom iL der U-Phase, der erzeugt wird, wenn die WS-Schalter ausgeschaltet sind, hat die in 2(c) gezeigte Form. Die Flächen A2 dieses Stromverlaufs werden direkt von den Drosseln 1 über den von der Diodenbrücke 3 gebildeten Gleichrichter an die Last geliefert.
3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Regelung der Gleichspannung beim Beispiel von 1.
Die gemessene Gleichspannung Vdc wird mit dem Sollwert Vdc* verglichen, und die Differenz zwischen beiden wird einem Spannungsregler AVR eingegeben. Das Ausgangssignal des Spannungsreglers wird mit einer Zerhacker- oder Dreieckswelle verglichen, um PWM-Impulse (Pulsweitenmodulationsimpulse) zu erzeugen. Die beiden Schalter können gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet werden. Die PWM-Impulse können auch mittels einer Trapezwelle anstelle der Zerhackerwelle erzeugt werden, und es kann ein anderes Modulationsverfahren als die Pulsweitenmodulation eingesetzt werden.
4 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Schaltergruppe 8 von 1 durch eine Schaltergruppe 20 aus Halbleiterschaltelementen S1 bis S3 ersetzt ist. Wenn die Schaltelemente der Schaltergruppe 20 gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet werden, fließt kein Speisestrom (Leistungsquellenstrom), wenn alle Schaltelemente ausgeschaltet sind, während der Strom aller Phasen in einer bestimmten Richtung fließt, wenn alle Schaltelemente eingeschaltet sind. Die Schaltelemente können jeweils so angeordnet sein, daß ihr Emitter der Spannungsquelle 6 zugewandt ist, oder auch so, daß ihr Emitter der Diodenbrücke 3 zugewandt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Leistungsquelle (die Phasen der Leistungs- oder Spannungsquelle) über die Drosseln kurzgeschlossen, wenn die Schalter eingeschaltet sind, und die in den Drosseln gespeicherte Energie wird, wenn die Schalter ausgeschaltet sind, direkt, d. h. nicht durch die Leistungsquelle, an die Last geliefert, so daß die Eingangsströme sinusförmig gemacht werden können, und zwar selbst dann, wenn die Gleichspannung niedriger als im Fall des bekannten Umsetzers ist. Die Steuerung des Umsetzers gemäß der Erfindung kann auf sehr einfache Weise, einfach durch gleichzeitiges Einschalten bzw. Ausschalten aller Schalter erfolgen. Somit bietet die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise einen preiswerten Umsetzer hohen Leistungsfaktors mit einem weiten Ausgangsspannungsbereich.

Claims

Mehrphasen-Stromrichter des Spannungstyps, umfassend: eine Leistungsquelle (6) mit einer n-phasigen Wechselspannungsquelle und n Augangsanschlüssen entsprechend den n Phasen, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist, eine Diodenbrücke (3), mittels derer Wechselspannungen der n-phasigen Wechselspannungsquelle in eine Gleichspannung umgesetzt werden, und die n Eingangsanschlüsse aufweist, von denen jeder mit einem zugeordneten der Augangsanschlüsse der Leistungsquelle verbunden ist, n Schalter (S1, S2, S3), von denen jeder zwischen einem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse der Leistungsquelle und dem zugeordneten Eingangsanschluß der Diodenbrücke angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Drosseln (1), von denen jede mit einem jeweiligen der Eingangsanschlüsse der Diodenbrücke (3) verbunden ist, wobei die Schalter so steuerbar sind, daß der Eingangsstrom jeder Phase sinusförmig wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalter eine Antiparallelschaltung aus einem unidirektionalen Halbleiterschaltelement und einer Diode umfaßt und daß alle Halbleiterschalter (S1–S3) gleichzeitig ein- bzw. ausschaltbar sind.
Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an seine Gleichstromausgangsanschlüsse eine Kondensatorreihenschaltung (11, 12) angeschlossen ist, deren Mittelpunkt mit dem jeweiligen der Diodenbrücke abgewandten Ende der Drosseln (1) verbunden ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter bzw. Halbleiterschaltelemente (S1–S3) so steuerbar sind, daß diskontinuierliche Ströme durch die Drosseln (1) fließen.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln (1) in Sternschaltung miteinander verbunden sind.