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Löscheinrichtung mit weicher Kommutierung für steuerbare Stromrichterventile
Es sind bereits viele Einrichtungen zur Umformung von uleichstrom in ein- oder mehrphasigen
Wechselstrom oder zur Umformung von Gleichspannung einer Große in eine Gleichspannung
anderer Größe mittels gesteuerter Stromrichterventile bekannt geworden. Da ein Stromrichterventil,
wenn es gezündet worden ist, nicht mehr über den Steuerkreis abgeschaltet werden
kann, muß eine besondere Einrichtung zum Löschen der Stromrichterventile vorgesehen
werden. Im allgemeinen wird parallel zum abzuschaltenden Ventil ein aufgeladener
Kondensator so geschaltet, daß das stromführende Ventil negative Sperrspannung erhält
und der Strom auf den Kondensatorzweig kommutiert. Die negative Sperrspannung muß
solange am Ventil anliegen, bis es die Sperrfähigkeit in positiver Richtung wieder
erlangt hat. Eine weitverbreitete Schaltung zur Löschung von Stromrichterventilen,
heute hauptsächlich von Thyristoren, ist die Tröger-Schaltung (DRP-Nr. 682 532)
Bei gleichem Aufwand wie die Tröger-Schaltung vermeidet die vorliegende Erfindung
deren Nachteile. Um dies zu verdeutlichen und die Wirkungsweise der Erfindung zu
erläutern, werden beide Schaltungen einander gegenübergestellt. In Bild 1 ist die
Tröger-Schaltung und in Bild 2 die Erfindung mit den prinzipiellen zeitlichen Verläufen
interessierender Ströme und Spannungen dargestellt.
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Bei der Tröger-Schaltung muß zunächst zum Anfahren der Löschthyristor
TL gezündet werden, damit der Löschkondensator C sich über die Last auf die speisende
Gleichspannung U3 (Po-Polarität: + - ) auflädt. Nach der Aufladung kann der Hauptthyristor
TH gezündet werden. Sobald dieser leitend geworden ist, kann sich der Kondensator
C über den Hauptthyristor TH, die Umschwingdiode Du und die Umschwingdrossel Lu
auf die Po-Polarität (-) (+) umladen. Der bei diesem Vorgang fließende Umschwingstrom
lu addiert sich im Hauptthyristor zum Laststrom i.
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Die Drossel Ls dient zur Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit des
Laststromes i nach der Zündung von TH. Da aber die Stromanstiegsgeschwindigkeit
im Hauptthyristor beschränkt ist, muß L5 und der Umschwingkreis so aufeinander abgestimmt
sein, daß der di/dt-Wert des Hauptthyristorstromes iH im zulässigen Bereich bleibt.
Aus diesem Grunde kann die Umschwingzeit nicht sehr klein gemacht werden. Wenn der
Umschwingvorgang beendet ist, also nach der Zeit Tau, kann der Hauptthyristor frühestens
wieder gelöscht werden. Dazu wird der Löschthyristor TL gezündet.
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Über TL wird die Kondensatorspannung als negative Sperrspannung an
den txauptthyristor gelegt. Der Laststrom i kommutiert gleichzeitig von TH auf den
Weg C-TL. Wenn hierbei eine definierte Kommutierungssteilheit erwünscht ist, z.B.
um den Rückstrom von TH klein zu halten, muß in den Löschkreis eine zusätzliche
Drossel geschaltet werden.
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Der Laststrom i lädt nun den Löschkondensator um, bis die Spannung
an der Last so weit abgesunken ist, daß die Freilaufdiode DF öffnet. In diesem Augenblick
geht der Strom i vom Löschkreis auf den Freilaufkreis über und C ist wieder auf
UB mit der Polarität + - aufgeladen. In den Liniendiagrammen von Bild 1 ist der
Vorgang einer Zündung und einer Löschung angegeben, wobei davon ausgegangen wurde,
daß in dem Freilaufkreis bereits ein Strom floß. Außerdem wird die Verzögerungszeitkonstante
des Lastkreises so groß angenommen, daß zwischen Zündung und Löschung der Laststrom
als nahezu konstant angesehen werden kann.
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Als Nachteile der Tröger-Schaltung ergeben sich: 1. Der Hauptthyristor
muß zusätzlich zum Laststrom den iUmschwingstrom iu führen, 2. die Einschaltdauer
des Hauptthyristors muß mindestens die Umschwingzeit Tu betragen, 3. die Einschaltdauer
des Hauptthyristors darf einen bestimmten Wert nicht übersteigen, weil sich der
Löschkondensator C während dieser Zeit über die Sperrwiderstände von Du und TL entlädt,
4. Die Ausschaltzeit des Hauptthyristors muß mindestens so groß sein, daß die Spannung
des Loachkondensators wieder den Wert der Speisespannung mit der Polarität + - erreicht
hat,
5. definierte Kommutierungssteilheiten bei der Löschung erfordern
eine zusätzliche Drossel.
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Diese Nachteile vermeidet die neue Schaltung.- Aus Bild 2 ist die
Wirkungsweise der Erfindung zu erkennen, die nicht mehr Bauteile erfordert als die
Tröger-Schaltung. Beim Einschalten der Speisespannung UB wird sofort der Löschkondensator
C über die Löschdiode t und die Last zum UB mit der Polarität + -aufgeladen. Die
Schaltung ist damit bereits zünd- und löschbereit.
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Geht man davon aus, daß der Hauptthyristor gesperrt ist und ein Laststrom
i im Freilaufkreis fließt, so kommutiert beim Ziinden des Hauptthyristors der Strom
i von DF auf TH. Die Kommutierungsgeschwindigkeit wird wie bei der Tröger-Schaltung
durch die Drossel L5 festgelegt. Aber hier führt der Hauptthyristor nur den Laststrom
i. Lösch- und Hauptstromkreis sind getrennt. Wenn der Hauptthyristor gelöscht werden
soll, was beispielsweise direkt nach einer Zündung geschehen darf, wird ebenfalls
der Löschthyristor TL gezündet. Im Gegensatz zur Tröger-Schaltung wird erst jetzt
der Umschwingvorgang im Kreis TL-LU-C eingeleitet. Dabei bildet sich als Umschwingstrom
1u auch hier ein sinusförmiger Halbwellenstrom aus. Die Kondensatorspannung schwingt
hierbei auf die Polarität (-) (+) um. Nun öffnet die Löschdiode DL und der Strom
iH von TH kommutiert mit definierter Steilheit, gegeben durch den Reihenschwingkreis
von C und Lu, auf den Weg C-LU-DL. Das weitere Verhalten entspricht der Tröger-Schaltung.
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Von Vorteil ist hier, daß für den Hauptthyristor keine Beschränkung
der Einschaltzeit nach oben wie nach unten besteht. Lediglich der zeitliche Abstand
zweier Löschungen darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten. Das ist notwendig,
weil in dieser Zeit die Liischkondensatorspannung wieder den Wert UB mit der Polarität
+ - erreichen muß. Das ist aber kein Nachteil, weil wegen der Schaltverluste die
Schaltfrequenz ohnehin begrenzt werden muß. Das trifft in gleicher Weise für die
Tröger-Schalr tung zu.
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Bei kleinen Lastströmen i ist aber die Umladezeit für C groß.
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Hier kann in einfacher Weise durch einen Widerstand RNL entweder
der
Kondensator nach- oder aber schneller umgeladen werden. Eine verlustlose Art der
Umladung ergibt sich jedoch in bekannter Weise, wenn parallel zum Löschkreis ein
zusätzlicher Drossel-Dioden-Zweig Lz-Dz geschaltet wird (Bild 3). Die Drossel Lz
muß so groß sein, daß bei dem höchsten Laststrom der Hauptthyristor in der Löschphase
genügend lange negative Sperrspannung erhält. Bei kleinen Lastströmen Jedoch schwingt
der größte Teil der Kondensatorenergie über den Zusatzzweig Dz-Lz zurück.
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In Bild 4 ist als Beispiel ein Vierquadrantensteller oder einphasiger
Wechselrichter mit der neuen Löschschaltung dargestellt.
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Das Löschverhalten entspricht hierbei der in Bild 3 dargestellten
Schaltung, wobei die Diode Dz der Blindstromdiode DB der Gegengruppe und die Drossel
Lz der Entkopplungsinduktivität LE (Zwischen Löschkreis und Blindstromdioden)einschließlich
der Stromsteilheitsbegrenzungsdrossel Ls entsprechen.
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Ein geringer Nachteil dieser Schaltung gegenüber der Tröger-Schaltung
ist, daß die Umschwingzeit als Totzeit in den Löschvorgang eingeht. Da aber der
Umschwingstrom iu nur den Löschthyristor belastet, kann hier die Umschwingzeit sehr
klein (<so ps) gemacht werden. Diese Zeit kann aber bei den üblichen Schaltfrequenzen
vernachlässigt werden.