DE2902693A1

DE2902693A1 - Verfahren zur dreistufigen kommutierung von strom-gleichrichtern und wechselrichtern

Info

Publication number: DE2902693A1
Application number: DE19792902693
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Cibulka; Jiri Dipl Ing Winkler
Original assignee: CKD Praha DIZ AS
Current assignee: CKD Praha DIZ AS
Priority date: 1978-02-14
Filing date: 1979-01-24
Publication date: 1979-08-16
Also published as: FR2417205B1; SU744900A1; GB2014379A; SE7900344L; IT7920130A0; GB2014379B; CH654699A5; US4318171A; JPS54114723A; CS218807B1; SE445160B; JPS646624B2; FR2417205A1; IT1111124B; DE2902693C2

Description

CKD Praha, oborovy podnik, Prag, CSSR

Verfahren zur dreistufigen Kommutierung von Strom-Gleichrichtern und Wechselrichtern

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur dreistufigen selbstgeführten Kommutierung bei Strom-Gleichrichtern oder Wechselrichtern, insbesondere für die Regelung von elektrischen Wechselstroiranaschinen.

Unter Stromgleichrichtern versteht man Stromrichter, die den größtenteils aus einer n-phasigen Wechselspannungsverteilung abgeleiteten Wechselstrom in Gleichstrom mit Glättungsinduktivität auf der Gleichstromseite gleichrichten und dies allgemein mit solchen Impedanzverhältnissen, daß sich diese Gleichrichter wie eine Stromquelle verhalten, unter Stromwechselrichtern versteht man Strom-

die den Eingangsgieichs troxß aus einer Speise= Stromquelle in Wechselstrom umwandeln? vrobei die Last eine elektrische Wechseistroeiiasehinep ein Mets oder allgemein eine Kombination von RCL=Gliedern und aktiven Elementen sein kann« Der Hauptunterschied zwischen einem Stromgleichrichter und einem Stromwechselrichter ist die Grundrichtung der Strömung der elektrischen Leistung«. Beim Gleichrichter ist dies die Richtung von der Wechselstromseite der Quelle sur Gleichstromseite, beim Wechselrichter dagegen von der Gleichstromseite der Quelle zur Wechselstromlastο Es ist möglich und in der Praxis gebräuchlich, daß in bestimmten Betriebszuständen die Leistungsströmung umgekehrt ist«.

Bei netzseitigen Strom-Gleiehriehtern bzw» Wechselrichtern ist der Grunöfc"?o öler Leistungssteuerung die so= genannte Phasensteuerung„ und ä®s Grundvorgang beim Stromricfeterbetriefo ist die äußere ICQSöautierung. Der Strom= üborgang von einesi Strosariefofcerhanaptsweig auf den anderen - Si© KofflEiötierung ■= ιτλζά äujeeli di® Süßere Spannung be= wirktο Die Kommutierungsseitff öas ist die Seit des Strom= übsrgangs„ wird durch den Phasensteuerwinkel ₀ die Strom= gröBe und die Impsdansverhältniss® an der Quelle und der Last bestimmtο Fremdgeführte Gleichrichter sind die am häufigsten angewandten Halbleiterstromrichter„ und der ProseS der äußeren Kommutierung sowie die anderen Eigen= seluaftoa dieser Stromrichter sind allgemein bekannt und in der Literatur ausführlich beschrieben»

Selbstgeführte Gleichrichter oder Wechselrichter ha= besä gleiche Grundeigenschafton wie ähnliche fremdgeführte Steosriehter. Die Stromkonmutierung verläuft jedoch nicht sposstan durch Einwirkung der äuEeren Spannung j, sondern ist. äursh die eigenen Hilfskreise des Stromrichters er-Der Grund dafür ist beispielsweise eine passive

auf der Wechselstromseite des Wechselrichters oder

eine solche Phasenlage der Usehselspasraimg zum Zeitpimkt der Kommutierung? öaß keine äußere ICosEMtierung auftreten kann« Das hängt eng mit der Stroaiwragoriehtung für die Blindleistung zusammen. Allgemein kann raan sagen, daß dl© äußere Kommutierung dort möglich XSt₁₇ wo die Wechselstrom= seite fähig ist, Blindleistung zu liefsra (sum Beispiel das Versorgungsnetz) _f die eigene Kommutierung ist in allen anderen Fällen möglich (passive Last, Elektromotoren, aber auch Versorgungsnetz) . Die eigene KoEmutierusig kassss bei allen LasttypeH eingeführt werdea» Es ist vor allem eine Frage der Komplizierung des Stromrichters und des Preises, daß heute fresndgeführte Gleichrichter oder Wechselrichter bei weitem überwiegen»

Die bedeutendste praktische An^sndusag tob selbstgeführten Strom-Gleichrichtern oder iJ©chs©lrichtern sind Wechselrichter für den Betrieb von Asynchronmotoren. Es wird angenommen, daß eine weitere bedeutende Änwendungsart der netzgeführte Gleichrichter oder Wechselrichter für Leistungsfaktorkompeneatoren, eventuell für Gieich™ stromantriebe mit verbesserten energetischen Parametern sein wird.

Die zur Zeit eingesetzten Gleichrichter oder Wechselrichter haben ohne Rücksicht auf die verschiedenen Varianten der HilfskomiButierungskreise eine gemeinsame Eigenschaft. Es ist dies der charakteristisch© Verlauf des Konmutierungsprozesses, der auch bei eiser vollkosiaaen abweichenden Lösung der KoiWBUtieruagskreise fast die gleichen Eigenschaften hat. Zur Erklärung au® der Begriff der Kommutierung»«tufe eingeführt werden. Die Konmutierung««tufe ist die Anzahl der übergang· sewiachen den Haupt- und Hilfezweigen de« Stromrichter»„ die sur Ver-

wirklichung der ganssn Kommutierung notwendig ist« Als ganse Kommutierung bei Gleichrichtern oder Wechselrichtern bezeichnet man die vollkommene Stromöberleitung von einem Hauptzweig auf den folgenden Haupt2t-?eig? "in. der Prassis bedeutet dies die Stromüberleitung von einer Phase der Wechselstromseite auf die folgende«

Die direkte Kommutierung? wo der elektrische Strom direkt von einem Hauptsweig auf den folgenden übergeht (beispielweise die gebräuchliche äußere Kommutierung) ist von diesem Standpunkt aus einstufig»

Die indirekte Kommutierung,, wo der elektrische Strom beim übergang vo» einem Hauptsweig auf den folgenden- zuerst auf dem Hilfssweig des Stromrichters koramutierty ist Mindestens zweistufige Bei Strom= oder Spannungswechsel·=" richtern und weiter bei anderen Typen von selbstgeführten Stromrichtern(, beispielsweise Gleichstromsteller», verläuft die eigentliche Kommutierung größtenteils in zwei Stufen ₀ sie ist also zweistufigs Die erste Stufe = Kommutierung vom Hauptzweig auf- den Kebensweig (si® enthält für gewöhnlich dsn Komsnutierungskondensator „ die Reaktoren und Hilfsthyristoren) % die zweite Stufe - Korn·= matierung vosa Hilfssweig auf den folgenden Hauptsweig (sum Beispiel auf die Rücklauf diode beiia Spannungswechselrichter und Gleichstromsteller oder auf den Hauptthyristor der folgenden Phase beim StroHs-iechselrichter)«,

Selbstgeführte Stromwechselrichter werden heute über= wiegend Eur Drehzahlregelung bei Asynchronmotoren einge» setzt» Der Kosimufeierungsprozeß bei heut® bekannten und an* gewendeten Leistungsschaltungen mit Thyristoren verläuft In swei Stufen?

I. Stufe - Kommutierung vom Hauptthyristor auf den Hilfskreis des Kommutierungskondensators (dabei ändert sich der Phasenstrom nicht).

II. Stufe - Kommutierung vom Hilfskreis des Kommutiffiruagskondensators auf die folgende Phase. Erst bei der zweiten Stufe tritt eine Stromübergabe zwischen den Phasen auf.

In Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf der elektrischen Ströme i„, i_ in den aufeinanderfolgenden Phasen R, S der

K ο

Drehstromlast und die Spannung u-,_K am Kommutierungskondensator dargestellt. Dabei ist I, der elektrische Eingangsgleichstrom des Wechselsrichters oder der Ausgangsgleichstrora des Gleichrichters, ü die Spannungszunähme am Kommutierungskondensator C. , Jf* der Kommutierungswinkel,, C, der Kommutierungskondensator und L. die Kommutierungsinduktivität. Es handelt sich um Zeitverläufe im Stromwechselrichter bei der zweistufigen Kommutierung.

Die zweistufige Kommutierung hat folgende charakteristische Intervalle, welche in Fig. 1 dargestellt sind:

Zeitintervall t - t- der Kommutierung vom Haupfcthyristor auf den Kommutierungskondensator C_k der entsprechenden Phase und den entsprechenden Hilfsthyristor. Mit Rücksicht auf die eigenen Induktivitäten der Zweige und auf die eventuellen Begrenzungsinduktivitäten auf di/dt dauert dieses Invervall einige Mikrosekundeneinheiten. Es handelt sich um die erste Kommutierungsstufe.

Zeitintervall t- - t~ - überladung des Kondensators mit LaststroiR auf Null. Diese Zeit erscheint im konkreten Schema als Schutzzeit t des Thyristors (am Thyristor liegt eine negative Spannung).

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beider Funktionen führt zu einfachen Kommutierungskreisen, aber gleichzeitig sind hier die Ansprüche an einen Koiranutierungskondensator für die Erfüllung beider Funktionen sehr verschieden.

c) Aus dem obigen Abschnitt b) ergibt sich eine bestimmte Größe des Kommutierungskondensators, die durch die Spannungsdimensionierung der Haupt- und Kommutierungskreise gegeben ist (hoher Spannungswert ü in Fig« 1 im Intervall t₃ - t. bei kleinen Werten von C. ). Für höhere Werte von C, wächst jedoch bei Gleichstromregelung am Stromrichtereingang die Kommutierungsgesamtzeit und kann den Frequenzbereich des Wechselrichters begrenzen.

d) Bei der zweistufigen Kommutierung eben auf Grund großer Kapazitäten und einer langen Kommutierungszeit steigt der Strom durch die Hilfskreise mit ungünstigen Auswirkungen auf die Bauelementedimensionierung an.

e) Der Kommutierungskondensator ist direkt mit den Lastkonstanten (des Motors) verknüpft, und der Kommutierungsprozeß ändert sich (es kann sogar eine Funktionsstörung auftreten), wenn ein anderer Motor eingesetzt wird. Für diese Wechselrichter ist es typisch, daß die Kommutierungskreise auf Maß mit den angewendeten Motoren dimensioniert werden. Deshalb sind diese Wechselrichter zum Beispiel für Mehrmotorenantriebe geeignet.

Die angeführten Eigenschaften, von denen einige sehr ungünstig sind, können im Rahmen der gegebenen Qualität (der zweistufigen Kommutierung) durch Anwendung weiterer Kreise verbessert werden. Zum Beispiel das Intervall t^ -

t2 und t₂ - t₃ in Fig. 1 kann mit Hilfsüberschwingung

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über die Induktivität und weitere Hilfsthyristoren herabgesetzt werden» Das hat keinen Einfluß auf die Größe der Kondensatoren, der Frequenzbereich des Strom= riefeters kann jedoch dadurch erhöht x-jeräen? daß die ICommutierungsgeit herabgesetzt wird» Eine ähnliche Ein= richtung ist beispielsweise in der US=PS 3 980 941 beschrieben»

Die Erfindung beseitigt die angeführten Nachteile und löst die gegebene Aufgabe dadurch,, daß nach dem Ausschalten der gesteuerten Halbleiterbauelemente im Hauptzweig durch Einwirkung des Hilfsausschaltsweiges der elektrische Strom der Wechselstromseite von diesem Hilfsausschaltsweig auf den Hilfsspeichersi-jelg konsnutiert t-jirdy wonach unter Eiawirkung dieses Hilfsspeicherzweiges der elektrische Strom von der bis dahin führenden Phase der Wechselstromseite auf die folgende Phase übergeht»

Die angeführten Tatsachen und Eigenschaften der zwei= stufiges Itorosautierung sind deshalb gründlicher beschrie= bon worden;, darait das Wesentliche der dreistufigen Komaautierung erklärt werden kann, denn diese Kommutierung hat in iaanoher Hinsicht qualitativ andere Eigenschaften als die zweistufige Kommutierung„ Der Zweck der dreistufigen Ko&iBiutierung ist? einen solchen ICoromutierungsproseß ^u ver= wirkliehenρ wo sich in den Hilfskreisen des Wechselrichters die bisher gemeinsamen Funktionen der ICosimutierungskreise treansEi - und swar di© das Ausschalten dee Thyristors sichernde Funktion und die die Energiespeicherung aus den LastinduktionsEi in die Hilfskondensator^ sichernde Funk= ti© hu ο Durch Trsnnen beider Funktionen werden folgende ¥or= teil© ©rsielts

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Der das Ausschalten der Thyristoren sichernde Hilfskreis wird so vorgeschlagen _t damit er die Bedingungen zur Stromausschaltung im Thyristor (Herabsetzung des Stroms mit definierter Steilheit auf Null und Erneuerung der Blockierungseigenschaften) ohne Rücksicht auf die Energiespeicherung aus den LastInduktionen erfüllt. Der die Energiespeicherung aus den Lastinduktivitäten sichernde Hilfskreis wird dann so vorgeschlagen, damit er ohne gefährliche Überspannungen die Energie aus der Last auf gewünschte Weise speichert» Die Funktionstrennung der beiden beschriebenen Hilfskreise muß nicht eine vollkommene Trennung bei der Lösung der Kreise bedeuten_o Bedeutsam ist, daß in Zukunft die Anwendung von Ausschal thyristoren, gegebenenfalls von Leistungstransistoren statt Thyristoren^ vorausgesetzt wird» Dann können die das Ausschalten des Thyristors sichernden Hilfskreise vollkommen weggelassen werden,, denn diese Kreise dienen bei der dreistufigem Kommutierung ausschließlich zur Durchführung des Ausschaltprozesses des Thyristors. Mit dem Ansteigen der dynamischen Eigenschaften der Bauelemente _s !insbesondere mit. der Herabsetzung ihrer Freiwerde zeit,, wird sich deren Dimemslonie-=· rung und Struktur ändern«,

Es ist offensichtlich? da© durch die Trennung beider Funktionen nicht mehr auf die direkte Zuordnung des Motors und des Wechselrichters geaehtefe werden muß, denn die das Ausschalten des Thyristors sichernden KomHrafeierumgskreise werden auf den maximalen elektrischen Strom der Last (Typenleistung des Stromrichters) und auf die Thyristorparameter ausgelegt«, Di© Hilfsspeicherkreise sind jedoch den konkreten Motorparametern anzupassen. In der Praxis wird dies besonders auf die Einstellung der Regel= schleifen reduziert= Deshalb siad Wechselrichter mit dreistufiger Kommutierung auch für Mehrmotoreaantriefoe geeignet»

Der übergang von der zweistufigen zur dreistufigen Kommutierung hat einige gemeinsame Ergebnisse betreffend die Schaltungslösung der Hilfskommutierungszweige des Wechselrichters« Sie können wie folgt beschrieben werden? Bei Wechselrichtern, die mit si-reistufiger Kommutierung arbeitenj, werden die Kommutierungskondensatoren C, so verkleinerte daß das Intervall t^ - t₂ aus Fig. 2 mit der Freiwerdezeit der Thyristoren korrespondiert, was ungefähr 50 ,us bedeutet» Dadurch kommt es in der Praxis zu einer Herabsetzung der Kondensatorgröße auf ungefähr 10 % der Kapazität« Ohne weitere Eingriffe würde dies zu einer so großen Überspannung am Kondensator und dadurch auch an den Thyristoren führen,, daß ein durch Spannung verursachter Durchschlag auftreten würde» Durch Herabsetzung der Kapazität wurde ermöglicht _v die erste Funistion der Wechselrichterhilfskreise,, d» i. das Ausschalten des Thyristors β zu optimieren» Der Aufbau der SpeicSierkreise zur Durchführung der zweiten Funktion der Hilfskreise kann allgemein durch einen weiteren hinzugefügten Stromrichter geschsfooa« In der Praxis wird äies jedoch auf einen Gleichrichter reduziert und zwar größtenteils auf eiaea Diodengleichrichter in Brückenschaltung? der auf geeignete S-Jeise an den Wechselrichter angeschlossen t-yirdo So wie das Prinzip der zweistufigen Kommutierung im Grunde gemeinsam für verschiedene Wechselrichterarten war, so ist auch die dreistufige Kommutierung in ihren Grundzügen gemeinsam für verschiedene konkrete Lösungen von Hilfskreisen«

Das Prinzip der dreistufigen Kommutierung ist in den beigefügten Fig. 2a und 2b für den Fall einer dreiphasigen Last RST dargestellt« In Fig„ 2a sind die zur Erklärung des Begriffs ^Cldreistufige Kommutierung¹¹ dienenden schematischen Darstellungen der Schaltung und in Fig» 2b die zeitlichen Verläufe der elektrischen Ströme i_„ i_ im der Phase R„ S ä©r Drehstromlast RST gezeigte Den gleichen Größea wie

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in Fig. 1 entsprechen mit ihren Bezeichnungen die gleichen Größen auch in Fig. 2a und 2b.

Die dreistufige Kommutierung verläuft in folgenden Schritten:

I. Stufe: Intervall t - t- - Kommutierung vom Hauptthyristor T₁ auf die Hilfsthyristoren, Induktivitäten und den Kommutierungskondensator C,. Die Induktivitäten L_v laut Fig. 2a stellen wiederum die eigenen Zweiginduktivitäten und die Begrenzungsinduktivitäten auf di/dt dar.

II. Stufe: Intervall t? ~ *"3 ~ ^Kommutierun9 ^vom Zweig des Kommutierungskondensators C, auf den Hilfszweig des Speicherkondensators C,. Der Kondensator C, ist ein hinter dem

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Gleichrichter befindlicher Gleichstromkondensator.

III. Stufe: Intervall t, - t* - Kommutierung von den Hilfszweigen des Speicherkondensators C^ auf den Hauptzweig des Thyristors T₂- Im Grunde die Kommutierung von einer Wechselstromphase auf die folgende.

Bei einigen Wechselrichtertypen mit dreistufiger Kommutierung können sich die Intervalle t₂ - t, und t₃ - t. so überdecken, daß die Kommutierung von Phase zu Phase schon zum Zeitpunkt t2 eintritt.

Wegen der ziemlich verschieden langen Dauer der zweiten und dritten Stufe (in der Praxis ungefähr 20 ,u und 1000 ,us) ist diese Erscheinung für die Kommutierung unwesentlich .

Durch Vergleich mit der zweistufigen Kommutierung sieht man, daß die übergabe des Stromes zwischen den Phasen,

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also die Energiespeicherung der Last in den Hilfskondensatoren in der dritten Stufe vor sich geht,, wenn der Hilfsausschaltkreis abgeschaltet ist. Das erklärt die bereits früher beschriebene Unabhängigkeit der Ausschaltkreise von der Energiespeicherung aus der Last» Die Hilfsspeicherkreise werden meistens von einem ungesteuerten Gleichrichter in Brückenschaltung gebildet„ der an der Gleichstromseite an einen großen Gleichstrom-Speicherkondensator C-, angeschlossen ist. Für eine bestimmte Schaltung der Hilfsausschaltkreise können mehrere Schaltungsvarianten des Speichergleichrichters existieren» Beispielsweise die Ausschalt- und Speicherkreise sind zum Teil vereinigt, und der Speichergleichrichter funktioniert gleichseitig als Ausschaltgleichrichter ο

Das Prinzip des Speicherkreises besteht darin? daß

in der Phase,, in welcher der Strom erlischt (in Fig„ 2a und 2b ist es die Phase r) in der dritten Kommutierungsstufe ein Speicherkondensator C, auf der Gleichstromseite des Gleichrichters in Reihe zugeschaltet wird. Seine Spannung wirkt gegen den Strom in der Phase und verursacht die eigentliche Kommutierung auf die neue Phase (Fig» 2a dritte Kommutierungsstufe) . Im Grenzfall, xirenn sich der Speicherkondensator C-, dem Unendlichen nähert-, ist seine Schaltung gleichwertig mit der Gegenspannung,, die den kommutierenden Phasen zugeführt wird» Diese Gegenspannung kann als eine Zusatzkommutierungsspannung bezeichnet werden, die ohne Rücksicht darauf„ ob die Last einer äußeren Kommutierung fähig ist oder nicht,, zur Durchführung der Stromkommutierung in den Phasen angewendet werden kann. Die Speicherfähigkeit beruht also bei der dreistufigen. Kommutierung auf der Speicherfähigkeit des Gleichstrom-Speicherkondensators Cj, während bei der zweistufigen Kommutierung das Überladen des Kommutierungskondensators x-jährend der Kommutierung typisch ist. Es handelt sich also

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immer um Wechselstromkondensatoren. Bei jeder Kommutierung wird im Kondensator C^ eine bestimmte, der Stromgröße und der Kommutierungsdauer proportionale Energiemenge gespeichert. Zum Erreichen des Leistungsgleichgewichts ist es notwendig, aus dem Speicherkondensator C, die gleiche Energie abzuleiten. Eine mögliche Art ist beispielsweise bei kleineren Leistungen die Belastung des Kondensators über einen Widerstand oder die Energieableitung über einen gesteuerten Stromrichter in das Versorgungsnetz. Die Ableitungsart ist mit Rücksicht auf das Prinzip der dreistufigen Kommutierung nicht grundlegend, in der Praxis jedoch handelt es sich um eine gewisse Komplikation des ganzen Wechselrichters mit weiteren Ansprüchen an die zur Ableitung der gespeicherten Leistung notwendigen Leistungskreise und elektronischen Kreise.

Die Größe der aus dem Speicherkondensator abgeleiteten Leistung bezogen auf die Leistung des Hauptgleichrichters ist ein wichtiger Parameter bei dem Stromwechselbzw. -Gleichrichter mit dreistufiger Kommutierung. Der die Größe der abgeleiteten Energie beeinflussende Hauptumstand ist die Größe der Energie, die in den Lastinduktivitäten gespeichert ist. Aus der Theorie folgt, daß es beim Asynchronmotor und beim Synchronmotor und weiter bei der vom Netz gebildeten Last die in den Streuinduktivitäten der Last gespeicherte Energie ist. Diese Last ist im Ersatzschaltbild in Fig. 2 mit der inneren induzierten Spannung in Reihe geschaltet. Der Anschluß des Wechselrichters mit dreistufiger Kommutierung ans Netz ruft mit Hinsicht auf die kleinen Streuinduktivitäten einen sehr kleinen Kommutierungswinkel und eine sehr kleine Größe der Speicherleistung hervor, beispielsweise 2 bis 6 el. Die Größe des Kommutierungswinkels kann durch die Spannungsgröße am Speicherkondensator C-. gesteuert werden und kann so eigentlich den Kommutierungs-

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Vorgang beeinflussen» Bei Asynchronmotoren bewegt sich der Koramutierungswinkel wegen der größeren Streuinduktivitäten zwischen 5 und 20 el. Dem entspricht auch eine größere Speicherleistung,, die relativ zur Scheinleistung des Motors 4 bis 15 % je nach der Motorqualität beträgt»

Die dreistufige Kommutierung ist nicht nur auf die Anwendung bei einer bestimmten Lasttype begrenzt^ sie kann prinzipiell bei allen möglichen Lasttypen ausgenützt werden, die bei Wechsel- oder Gleichrichtern vorkommen können« Die Haupteigenschaft der dreistufigen Kommutierung ist die funktionelle Trennung der Hilfskreise bei der Kommutierung, so daß wie der Ausschaltvorgang des Thyristors so auch die eigentliche Stromkommutierung zwischen den Phasen optimiert wird.

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Claims

Verfahren zur dreistufigen Kommutierung von Strom-Gleichrichtern oder Wechselrichtern mit selbstgeführter Kommutierung zum Zvieck der Trennung von Ausschalt= und Speicherfunktion der Hilfskreise,

dadurch ge kennzeichnet!, daß nach dem Ausschalten der gesteuerten Halbleiter= bauelemente im Hauptzweig durch Einwirkung des Hilfsaussehaltsweiges der elektrische Strom der Wechselstromseite von diesem Hilfsausschaitzwsig auf den Hilfsspeicherzweig kommutiert wird „ x-jonach unter Einwirkung dieses Hilfsspeicherzweiges der elektrische Strom von der bis dahin führenden Phase der Wechselstromseite auf die folgende Phase übergehtο

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