DE2216676C3 - Anordnung zum Löschen von Thyristoren in einem selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichter - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Löschen von Thyristoren in einem selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichter in Brückenschaltung mit gemeinsamer Löschung für alle Phasen (Summenlöschung) über Hilfskondensatoren und zu den Thyristo- so ren des Wechselrichters parallelliegenden Rückstromventilen, wobei ein Gleichstrom-Pulssteller zur Erzeugung einer variablen Zwischenkreisspannung aus einer konstanten Versorgungsgleichspannung vorgesehen ist und wobei der jeweilige Löschkreis über zwei Drosseln mit je zwei in Reihe geschalteten und mit gleichem Wicklungssinn versehenen Wicklungen auf die Thyristoren des Wechselrichter wirkt, wobei zur Symmetrierung der Zwischenkreisspannung zwei Kondensatoren vorgesehen sind, deren Verbindungspunkt über die Hilfskondensatoren mit den Drehstromausgangsklemmen des Wechselrichters verbunden ist und die Löschspannung sich jeweils ergibt als Differenz der Spannung über der Reihenschaltung eines Symmetrierkondensators und eines Hilfskondensators und der Spannung an einer der Drosselwicklungen.

Eine derartige Anordnung ist im wesentlichen bekannt (Heumann und Stumpe »Thyristoren, Eigenschaften und Anwendungen«, 1969, S, 187, Fig, 187,1 a in Verbindung mit S, 198, Abs, 2 bis S, 200, Abs, 1 oder »AEG-Mitteilungen« 54 (1964), 1/2, S, 91, Bild 7),

Bei Steuerung der Ausgangsspannung des Wechselrichters durch Änderung der Spannung im Gleichstrom-Zwisehenkreis ergeben sich bekanntlich dadurch Schwierigkeiten, daß die für den Kommutierungsvorgang zur Verfügung stehende Spannung der Zwischenkreisspsnnung proportional ist. Dadurch sreten bei der' bekannten Anordnung bei erheblicher Herabsetzung der Gleichspannung am Wechselrichter Kommutierungsschwierigkeiten auf. Damit auch bei relativ kleinen Spannungen im Zwischenkreis der volle Laststrotn gelöscht werden kann, müssen bei der bekannten Anordnung die Kommutierungseinrichtungen überdimensioniert werden. Bei der bekannten Anordnung kann daher durchschnittlich nur bis zu 30% der größten Zwischenkreisspannung heruntergesteuert werden.

Es ist zwar ein weiteres Verfahren für die Löschung der Thyristoren von Wechselrichtern bekanntgeworden. (»Thyristoren in der technischen Anwendung«. Bd. 1 von M. Meyer, S, 151 bis 153,158 und 159), bei dem der Löscbkondensator durch stufenweise Aufladung, bei der die Kommutierungsdrosseln mitwirken, in Abhängigkeit von der variablen Zwischenkreisspannung so lange aufgeladen wird, bis er in jeder Höhe der Zwischenkreisspannung seine Nennspannung erreicht hat Abgesehen von der aufwendigen Elektronik ist für das einwandfreie Funktionieren einer entsprechenden Schaltung eine sehr enge magnetische Koppelung der beiden Wicklungen der Drosseln erforderlich, da jede Streuinduktivität, insbesondere auch die Leitungsinduktivität, die Obergangszeit des Stromes vom Kondensatorkreis auf den bei dieser Schaltung erforderlichen Rückspeisekreis verlängert, und eine so verzögerte Kommutierung eine lastabhängige Überladung des Kommutierungskondensators bedeutet. Es muß also die Spannung am Löschkreiskondensator überwacht werden. Bei kleinen Leistungen können zwar diese Leitungsinduktivitäten der Kmmutierungsdrosseln einigermaßen vernachlässigt werden. Bei größeren Leistungen wird jedoch die magnetische Kopplung der Kreise unzulässig schlecht, weshalb auch schon empfohlen wurde, in solchen Fällen besser auf das auch nicht ganz störungsunanfällige, ebenfalls aufwendige Verfahren mit laststromabhängiger Aufladung des Löschkondensators überzugehen. Dieses hat außerdem den Nachteil, daß während der ersten Schwingung die Löschspannung am Kondensator noch nicht dem größer gewordenen Lastsstrom angepaßt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Anordnung mit Summenlöschung so auszubilden, daß sie unter Beibehaltung ihrer Vorteile auch bei Steuerung der Zwischenkreisspannung bis auf Null herab brauchbar ist. Diese Anordnung soll auch für größere Ausgangsleistungen des Wechselrichters und für kleine Spannung £im Zwischenkreis eine einwandfreie Kommutierung ergeben. Der Löschkondensator soll ohne besondere Überwachung eine bei jeder Höhe der Zwischenkreisspannung für die Löschung der Thyristoren ausreichende Spannungshöhe haben, ohne daß deshalb irgendein Teil der Schaltung überdimensioniert werden muß.

Weiter soll vor allem der Aufwand an elektronischem Zubehör möglichst klein sein. Schließlich soll zumindest eine Variante der Erfindung auch für eine niedrige Versorgungsspannung geeignet sein.

Dies wird mit einer Anordnung der eingangs

ι genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens eine der Prosseln eine dritte Wicklung ■ aufweist, die den gleichen Wicklungssinn wie die beiden i anderen Wicklungen besitzt, von diesen galvanisch . getrennt und magnetisch mit ihnen fest gekoppelt ist . und daß die dritte Wicklung - unter Abtrennung der ersten Wicklung von der Zwischenkreisspannung - an Stelle der ersten Wicklung im Arbeitsstromkreis . vorgesehen ist und daß der Verbindungspunkt vom . Ende der ersten Wicklung und Anfang der zweiten Wicklung mit d-r zugehörigen Klemme der Versorgungsgleichspannung verbunden ist

Ausführungsbeispiele der Erfindung seien an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Anordnung gemäß der Erfindung mit nur einer einseitigen galvanischen Abtrennung des Löschkreises von dem Kreis mit der variablen Zwischenkreisspannung zur VerwendbarmachuBg dieser in sonstigen Einzelheiten an sich bekannten Löschschaltung für Zwischenkreisspannungen bis herab zu Null, unter Benutzung eines an sich ebenfalls bekannten Mittelpunkts M der konstanten Versorgungsspannung, -

F i g. 2 eine Variante der Erfindung zur Verwendbarmachung für Zwischenkreisspannungen bis l«;rab zu Null für eine sonst bekannte Einrichtung ohne Mittelpunkt für die Versorgungsspannung, wobei der Löschkondensator zwischen 4 Thyristoren in Brückenschaltung liegt,

F i g. 3 Spannungen und Ströme der Anordnung nach Fi g. 1, in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig.4 eine Anordnung gemäß einer Variante der Erfindung mit auf beiden Polen vom Zwischenkreis galvanisch abgetrennter Schaltung für den Löschkondensator und .

Fig.5 eine Einrichtung gemäß einer weiteren Variante der Erfindung mit ungeteilter Versorgungsspannung und mit Brückenschaltung von 4 Thyristoren für den Löschkondensator.

In Fig. 1 bedeuten 1+ und 2 — die Klemmen des Versorgungskreises mit der konstanten Spannung U. Die Spannung U wird durch Kondensatoren c2 und c3 halbiert, wodurch sich ein Mittelpunkt M ergibt Die Kondensatoren c2 und c3 dienen auch als Energiespeicher für Schwingungsenergien. Durch eine übliche Pulseinrichtung P, ihre Freilaufdiode D_p und eine zugehörige Glättungsdrossel L_p wird in bekannter Weise zwischen den Punkten 3 + , 4— eine veränderliche Zwischenkreisspannung E erzeugt, die vom augenblicklich gewünschten Betriebszustand einer Last. z.B. eines Drehstrommotors, d.h. seiner Drehzahl, abhängt Leistungsthyristoren Ti bis Γ 6 werden wie bekannt in der Reihenfolge ihrer Indices gezündet. D1 bis D 6 sind zugehörige Freilaufdioden.

Durch Kondensatoren c4 und c5 wird bekanntlich ein von M unabhängiger Mittelpunkt Ai'der Zwischenkreisspannung E gebildet, der die Zwischenkreisspannung £in E/2 unterteilt. Mit D 7 und DS sind bekannte Abschneidedioden bezeichnet.

Ein Löschkondensator c 1 liegt — wie bekannt — mit seiner einen Klemme am Mittelpunkt M und an der Verbindungsleitung der Dioden D7, DU einerseits und an der Verbindungsleitung von Thyristoren T7, Γ8 andererseits.

Nach der Erfindung hat nun die Kommutierungsdrossel L 1, die üblicherweise nur 2 Wicklungen w 1 und tv2 aufweist, nunmehr 3 Wicklungen, von denen die Wicklungen w\ und tv 2 miteinander verbunden auf der einen (»Primär«-)Seite, die Arbeitswicklung w3 galvanisch getrennt und magnetisch mit ihnen eng gekoppelt auf der anderen Seite (»Sekundär«-Sejte) der Drossel liegen. Der Wicklungssinn der Wicklung w3 ist dabei gleichsinnig mit demjenigen der beiden anderen Wicklungen w\ und wZ Gemäß der Erfindung kann dadurch die Löschschaltung an der konstanten Versorgungsspannung U betrieben und somit die Zwischenkreisspannung £bis gegen Null herabgesteuert werden. Auf dem anderen (negativen) Pol befindet sich bei der Anordnung gemäß Fig. 1 keine galvanische Trennung in der Drossel L 2, sondern die Wicklungen w 1 und w2 sind, wie üblich, direkt aneinandergereiht ohne eine dritte galvanisch getrennte Wicklung w3.

Die Löschschaltung besteht in bekannter Weise aus den Thyristoren Tl und Γ8, den Dioden D 7 und D 8, dem Löschkondensator el, den Drosseln Ll und L2, sowie aus den Kondensatoren c6 bis c8. Bei der Bildung des Mittelpunkts M der Spannung U mit den Kondensatoren c2 und c3 einerseits und der Bildung des Mittelpunkts M' für die Spannung E durch die Kondensatoren cA und c5 andererseits werden bekanntlich zusätzlich hochohmige Widerstände zur Aufteilung der Gleichspannung erforderlich, die in F i g. 1 nicht eingezeichnet sind.

Der Ablauf eines Löschvorgangs kann sich nun trotz der erfindungsgemäß vorgenommenen galvanischen Abtrennung mittels der Wicklung w3 in der bekannten Weise abspielen, wie an Hand der Diagramme Fig.3a bis 3d nachfolgend beschrieben wird:

Zum Zeitpunkt / = 0 sind die Thyristoren T\,T2 und T3 leitend. Es sollen nun die Thyristoren T1 und T3 der oberen Brückenhälfte gelöscht werden. Dazu wird bei f = 0 der Thyristor 7"7 gezündet. Der Kondensator c 1 wird bis zum Zeitpunkt i2 vom Strom /4 mit dem Verlauf nach F i g. 3a umgeladen. Die Spannung u 1 am Kondensator c 1 verläuft nach F i g. 3b.

Für die Drosseln L 1, L 2 sei zur Vereinfachung der Darstellung und zur Beschreibung der Wirkungsweise der Erfindung w\ = w2 = w3 vorausgesetzt. An der Wicklung w\ und der erfindungsgemäß zusätzlichen Wicklung w3 der Drossel L J liegt dann die Spannung

|+ ul

mit dem Verlauf nach Fig.3c. Ebenfalls in Fig.3c eingetragen ist die Spannung u3 an den Kondensatoren c 4 und c 6. Die Differenz

t/4 = t/3 — t/2

liegt an dem Thyristor Π als Löschspannung (F i g. 3d, in F i g. 1 punktiert eingezeichnete Stromkreise). Die Spannung u5 am Thyristor T3 verläuft ähnlich i/4.

Für die Dauer der Zeit 11, während welcher durch negative Spannung am Thyristor letzterer gelöscht bzw. gesperrt wird, (Schonzeit 11), die um einen Sicherheftszuschlag größer sein muß als die Zeit, wo die Spannung am Thyristor wieder positiv werden darf (Freiwerdezeit), sind u 4 und υ 5 negativ, so daß die Thyristoren Ti und T3 gelöscht ν erden. Die Lastströme /1 und /3 kommutieren zunächst auf die Kondensatoren c6 und c7. In Fig. j sind diese Stromkreise durch Strichelung markiert. Daran anschließend nach erfolgter Umladung der Kondensatoren findet eine Kommutation auf die Dioden D4und D6 statt. Etwa zum Zeitpunkt /2 ist der Kondensalcr c 1 umgeladen, der Strom /4 geht auf MuI! zurück, und die in der Drossel L 1 aufgespeicherte

überschüssige magnetische Energie wird gemäß F i g. 3a mittels des Stromes /5 an den Kondensator c2 zurückgegeben, dem sie vorher entnommen worden war.

Zum Zeitpunkt f3 ist dies abgeschlossen und die Thyristoren T3 und TA werden für den nächsten Arbeitstakt des Wechselrichters gezündet. 7"2 war während des l-öschvorgangs leitend geblieben. — Alle einzelnen Vorgänge können sich also bei der Einrichtung gemäß der Erfindung mit Hilfe der galvanisch to abgetrennten Wicklung w3 genau so abspielen, wie bei der bekannten Anordnung, nur daß eben bei kleinen Zwischenkreisspannungen die Nachteile der bekannten Einrichtung beseitigt sind.

F i g. 2 zeigt eine Variante der Erfindung.

Auch hierbei ist in der Kommutierungsdrossel L 1 die Wicklung w3 galvanisch von den Wicklungen w\ und w 2 abgetrennt und in der Drossel L 2 die galvanische Verbindung wie in F i g. I aufrechterhalten. Dagegen wird kein fviiiieipuiiki Ar der Veisuigüngsspärinüng U hergestellt, sondern der Kondensator eil wird in eine Brückenschaltung von 4 Thyristoren TT bis 7"1O aufgenommen. Hierdurch wird der Kondensator auf eine höhere Spannung als in Fig. 1 aufladbar. Die Variante der Erfindung gemäß Fig. 2 ist also zur Verwendung an niedrigen Versorgungsspannungen U besonders geeignet. Der einzige Kondensator c2 hat hierin die Bedeutung eines Energie-Puffers.

In Fig.4 ist nun auch die Drossel L2 mit einer galvanisch von den Wicklungen »v 1 und m/2 abgetrennten Arbeitswicklung w3 ausgeführt. Dadurch sind die variable Zwischenkreisspannung ^(Klemmen 3 + , 4-) und die konstante Spannung der Löschschaltung (Klemmen 1 +, 2-) galvanisch völlig entkoppelt. Es ist damit möglich, die Zwischenkreisspannung Eaus einem netzgeführten gesteuerten Stromrichter zu gewinnen und die Spannung U aus einem ungesteuerten, an demselben Netz liegenden Stromrichter..

Der Löschkondensator el liegt dabei wie in Fig. 1 zwischen zwei Thyristoren TT, TS und zwei Dioden DT. DS. Die Mittelpunkte Mund Λ/'sind wieder durch Kondensatoren c2, c3 bzw. c4, c5 gebildet, so daß

zur Verfugung stehen.

F i g. 5 zeigt eine der F i g. 4 in bcvug auf die galvanische Abtrennung der Drossel L 2 entsprechende Schaltungsanordnung, jedoch mit einer ungeteilten Spannung L/und mit Brückenschaltung von Thyristoren TT bis TiO im Löschkreis, analog Fig. 2. Die Variante Fig. 5 ist demnach ebenfalls für eine niedere Versorgungsspannung besonders geeignet.

Mittels aller 4 Varianten der Erfindung ergibt sich somit die Möglichkeit, für die Thyristorloschung eine von der Zwischenkreisspannung unabhängige Spannung zur Verfügung zu haben, so daß eine sichere Löschung auch hei kleinster Zwischenkreisspannung möglich wird, ohne daß irgend ein Teil des elektronischen Schaltungszubehörs deshalb überdimensioniert werden muß. Die bisher vorhandenen Nachteile des bekannten Summenlöschverfahrens sind dadurch beseitigt und die Erfindung macht die bekannte Schaltung für Steuerung der Zwischenkreisspannung bis auf Null „U U.--...„

Der Aufwand an Elektronik ist mit Hilfe der Erfindung wesentlich kleiner als bei den bekannten Schaltungen, wie durch Vergleich der jeweiligen Schaltbilder sofort zu erkennen ist. Für niedere Versorgungsspannungen können mit Vorteil die Einrichtungen nach Fig. 2 und 5 verwendet werden. Die Speisung des Löschkreises durch eine von der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises unabhängige Spaniw.gsquelle macht die Verwendung eines ungesteuerten Stromrichters für den Löschkreis möglich zusammen mit einem gesteuerten Stromrichter für die variable Zwischenkreisspannung.

Die erfindungsgemäße Anotdnung ist insofern von der Größe der Leitungsinduktivitäten unabhängiger, als bei ihr zur Bildung der Löschspannung am Löschkondensator jene bekannte Einrichtungen mit nur einer einzigen Kondensatorschwingung mit verwandt werden können, um den Löschkondensator hoch genug zu laden. Deshalb kann auch die erfindungsgemäße Anordnung für größere Ausgangsleistungen von Wechselrichtern verwandt werden. Die bekannte Einrichtung für Summenlöschung wird durch die Erfindung erst brauchbar für sichere Steuerung der Zwischenkreisspannung bis herab gegen Null.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche;

   1, Anordnung zum Löschen von Thyristoren in einem selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichter in Brückenschaltung mit gemeinsamer Löschung für alle Phasen (Summenlöschung) über Htifskondensatoren und zu den Thyristoren des Wechselrichters parallelliegenden Rückstromventilen, wobei ein Gleichstrom-Pulssteller zur Erzeugung einer variablen Zwischenkreisspannung aus einer konstanten Versorgungsgleichspannung vorgesehen ist und wobei der jeweilige Löschkreis über zwei Drosseln mit je zwei in Reihe geschalteten und mit gleichem WicWungssinn versehenen Wicklungen auf die is Thyristoren des Wechselrichters wirkt, wobei zur Symmetrierung der Zwischenkreisspannung zwei Kondensatoren vorgesehen sind, deren Verbindungspunkt über die Hilfskondensatoren mit den Drehstromausgangsklemmen des Wechselrichters verbundf-r* ist und die Löschspannung sich jeweils ergibt als Differenz der Spannung über der Reihenschaltung eines Symmetrierkondensators und eines Hilfskondensators und der Spannung an einer der Drosselwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Drosseln (L 1, L 2) eine dritte Wicklung /V 3) aufweist, die den gleichen Wicklungssinn wie die beiden andern Wicklungen (V 1, w2) besitzt, von diesen galvanisch getrennt und magnetisch mit ihnen fest gekoppelt ist und daß die dritte Wicklung (V 3) - unter Abtrennung der ersten Wicklung (w\) von der Zwischenkreisspannung — an Stelle der ersten Wicklung (Vl) im Arbeitsstromkreis vorgesehen ist und daß der Verbindung.?punkt vom Ende der ersten Wicklung (Vl) und Anfang cer zweiten Wicklung (V 2) mit der zugehörigen Klemme der Versorgungsgleichspannung (U) verbunden ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß beide Drosseln (L I, L 2) jeweils eine dritte Wicklung (V 3) aufweisen.