DE3430308A1 - Converter - Google Patents
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Abstract
Description
StromrichterPower converter
Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit mindestens einer Phase, die zwei zwischen einem positiven und einem negativen Gleichspannungsanschluß in Reihe angeordnete Ventilzweige enthält, deren gemeinsamer Schaltungspunkt einen Wechselspannungsanschluß des Stromrichters bildet, wobei jeder Ventilzweig jeweils mindestens zwei in Reihe liegende steuerbare Halbleiterschaltelemente aufweist, und mit einem Spannungsteiler, der zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluß angeordnet ist.The invention relates to a converter with at least one phase, the two between a positive and a negative DC voltage terminal in Contains valve branches arranged in series, the common circuit point of which is a Forms AC voltage connection of the converter, each valve branch in each case has at least two controllable semiconductor switching elements in series, and with a voltage divider connected between the positive and negative DC voltage terminals is arranged.
Ein derartiger Stromrichter ist in der Druckschrift "BBC-Nachrichten", Heft 4, 1975, Seite 192 ff in den Bildern 2, 3 und 4 dargestellt. Der bekannte Stromrichter (Bild 2) weist drei Phasen auf, die an einem positiven und einem negativen Gleichspannungsanschluß angeschlossen sind, der jeweils aus einer Gleichspannungssammelschiene besteht. Jede Phase des Stromrichters besteht aus zwei Ventilzweigen (Bild 3), die in Reihe zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluß angeordnet sind und deren gemeinsamer Schaltungspunkt einen der Wechselspannungsanschlüsse des Stromrichters bildet. Jeder Ventilzweig enthält mehrere in Reihe angeordnete steuerbare Halbleiterschaltelemente, denen jeweils eine antiparallel liegende Freilaufdiode zugeordnet ist, die Halbleiterschaltelemente bestehen aus Thyristoren. Zwischen den Cleichspannungsanschlüssen des Stromrichters ist weiterhin ein ein Spannungsteiler bestehend aus zwei Stützkapazitäten angeordnet, dessen Teilerabgriff über jeweils eine Kommutierungskapazität eine Kommutierungsinduktivität und zwei Reihen von antiparallel geschalteten Löschthyristoren mit dem Wechselspannungsanschluß der jeweiligen Phase des Stromrichters verbunden ist. Um eine gleichmäßige Aufteilung der Spannung an den Halbleiterschaltelementen der Ventilzweige zu erzielen, ist parallel zu jedem Halbleiterschaltelement jeweils ein Symmetrierwiderstand zur statischen Spannungsaufteilung und eine Reihenschaltung aus einem Beschaltungskondensator und einem Beschaltungswiderstand zur dynamischen Spannungsaufteilung angeordnet (Bild 4). Die erforderlichen Kapazitäten der Beschaltungskondensatoren nehmen zusammen mit der Größe des von den Halbleiterschaltelementen zu schaltenden Stromes, den unvermeidlichen Schaltzeitdifferenzen der einzelnen Halbleiterschaltelemente und wachsenden Anforderungen an die Symmetrie der Spannungsaufteilung zu. Außerdem ist der Schaltungsaufwand zur Erzielung einer gleichmäßigen Aufteilung der Spannung auf die Halbleiterschaltelemente relativ groß.Such a converter is in the publication "BBC-Nachrichten", Issue 4, 1975, page 192 ff shown in Figures 2, 3 and 4. The well-known power converter (Fig. 2) has three phases, which are connected to a positive and a negative DC voltage connection are connected, each consisting of a DC voltage busbar. Each phase of the converter consists of two valve branches (Fig. 3) in series are arranged between the positive and the negative DC voltage terminal and their common connection point is one of the AC voltage connections of the converter forms. Each valve branch contains several controllable semiconductor switching elements arranged in series, each of which is assigned an anti-parallel free-wheeling diode, the semiconductor switching elements consist of thyristors. Between the DC voltage connections of the converter a voltage divider consisting of two support capacitors is also arranged, whose divider tap a commutation inductance in each case via a commutation capacitance and two rows of anti-parallel connected quenching thyristors with is connected to the AC voltage connection of the respective phase of the converter. To ensure that the voltage across the semiconductor switching elements is evenly distributed Achieving valve branches is parallel to each semiconductor switching element a balancing resistor for static voltage distribution and a series connection from a wiring capacitor and a wiring resistor for dynamic Voltage distribution arranged (Fig. 4). The required capacities of the wiring capacitors take together with the size of the semiconductor switching elements to be switched Current, the unavoidable switching time differences of the individual semiconductor switching elements and increasing demands on the symmetry of the voltage distribution. aside from that is the amount of circuitry required to achieve an even distribution of the voltage on the semiconductor switching elements relatively large.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter anzugeben, der bei einem nur geringen Schaltungsaufwand eine besonders verlustarme Aufteilung der Spannung an den Halbleiterschaltelementen der Ventilzweige ermöglicht. Dies ist u.a.The invention is based on the object of specifying a converter, which has a particularly low-loss division with only a small amount of circuitry the voltage on the semiconductor switching elements of the valve branches. this is i.a.
für steuerungsseitig ein- und abschaltbare Halbleiterschaltelemente (z. B. Transistoren und GTO-Thyrist oren) von besonderem Interesse.for semiconductor switching elements that can be switched on and off on the control side (e.g. transistors and GTO thyristors) of particular interest.
Zur Lösung dieser Aufgabe entspricht bei dem Stromrichter der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Zahl der Teilerabgriffe des Spannungsteilers der Anzahl der Verbindungsstellen zwischen den in Reihe liegenden Halbleiterschaltelementen eines Ventilzweiges; jeder Teilerabgriff des Spannungsteilers ist in Reihenfolge von dem dem positiven Gleichspannungsanschluß am nächsten liegenden Teilerabgriff bis zu dem dem negativen Gleichspannungsanschluß am nächsten liegenden Teilerabgriff über jeweils eine Diode mit jeweils einer der Ver- bindungsstellen des an dem positiven Gleichspannungsanschluß liegenden Ventilzweiges in entsprechender Reihenfolge verbunden, wobei jede Diode mit ihrem Anodenanschluß an dem jeweiligen Teilerabgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist; weiterhin ist jeder Teilerabgriff des Spannungsteilers in obiger Reihenfolge über jeweils eine weitere Diode mit jeweils einer der Verbindungsstellen des an dem negativen Gleichspannungsanschluß liegenden Ventilzweiges in entsprechender Reihenfolge zum negativen Gleichspannungsanschluß hin verbunde, wobei jede weitere Diode mit ihrem Kathodenanschluß an dem jeweiligen Teilerabgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist.To solve this problem, the converter corresponds to that at the beginning specified type according to the invention, the number of divider taps of the voltage divider the number of connection points between the series semiconductor switching elements a valve branch; each divider tap of the voltage divider is in sequence from the divider tap closest to the positive DC voltage connection up to the divider tap closest to the negative DC voltage connection via a diode each with one of the attachment points of the valve branch connected to the positive DC voltage connection in a corresponding manner Sequence connected, each diode with its anode connection to the respective Divider tap of the voltage divider is connected; furthermore, each is a divider tap of the voltage divider in the above order via a further diode each with one of the connection points of the lying on the negative DC voltage terminal Valve branch in the corresponding order to the negative DC voltage connection connected out, with each further diode with its cathode connection to the respective Divider tap of the voltage divider is connected.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Stromrichters besteht darin, daß durch die Dioden und die weiteren Dioden die Spannung an den Halbleiterschaltelementen der Ventilzweige entsprechend den Teilspannungen zwischen den Teilerabgriffen des Spannungsteilers aufgeteilt wird, so daß für die Spannungsaufteilung keine besonderen Beschaltungskondensatoren benötigt werden und daher der Schaltungsaufwand besonders gering ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn bei den einzelnen Halbleiterschaltelementen auch keine Beschaltung mit Beschaltungskondensatoren und Beschaltungswiderständen beispielsweise zur Unterdrückung von Spannungsspitzen erforderlich ist, so daß bei Verwendung derartiger Halbleiterschaltelemente in dem erfindungsgemäßen Stromwandler von vornherein keine Beschaltungskondensatoren und Beschaltungswiderstände benötigt werden. Neben der Verwendung von konventionellen Thyristoren ist daher der erfindungsgemäße Stromrichter besonders für die Verwendung von abschaltbaren Halbleiterschaltelementen wie abschaltbaren Thyristoren (GTO-Thyristoren), bipolaren Leistungstransistoren oder Feldeffekttransistoren geeignet, weil insbesondere bei Leistungstransistoren oftmals eine Beschaltung mit Beschaltungskondensatoren und Beschaltungswiderständen entfallen kann. Es ist also lediglich notwendig, bei n in Reihe liegenden abschaltbaren Halbleiterschaltelementen je Ventilzweig n - 1 Teilerabgriffe an dem Spannungsteiler vorzusehen und jeweils eine gleiche Anzahl von Dioden und weiteren Dioden zwischen den Teilerabgriffen des Spannungsteilers und den Verbindungsstellen zwischen den Halbleiterschaltelementen anzuordnen.The main advantage of the converter according to the invention is there in that through the diodes and the further diodes the voltage on the semiconductor switching elements the valve branches according to the partial voltages between the divider taps of the Voltage divider is divided, so that no special for the voltage division Wiring capacitors are required and therefore the circuit complexity is particularly important is low. This is particularly the case when the individual semiconductor switching elements also no wiring with wiring capacitors and wiring resistors is required, for example, to suppress voltage peaks, so that at Use of such semiconductor switching elements in the current converter according to the invention No wiring capacitors and wiring resistors are required from the start will. In addition to the use of conventional thyristors, the inventive Power converters especially for the use of switchable semiconductor switching elements such as switchable thyristors (GTO thyristors), bipolar power transistors or field effect transistors because they are particularly suitable for power transistors often a circuit with circuit capacitors and circuit resistors can be omitted. It is therefore only necessary for n in series lying switchable semiconductor switching elements per valve branch n - 1 divider taps to be provided on the voltage divider and in each case an equal number of diodes and further diodes between the divider taps of the voltage divider and the connection points to be arranged between the semiconductor switching elements.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stromrichters besteht darin, daß durch den Verzicht auf besondere Beschaltungskondensatoren zur Spannungsaufteilung eine Verminderung der Energieverluste erreicht wird. Da insbesondere die Abschaltzeiten der Halbleiterschaltelemente um mehrere Mikrosekunden differieren können, sind für die Beschaltungskondensatoren oft derart große Kapazitäten notwendig, daß die durch die Beschaltungskondensatoren fließenden Verschiebungsströme besonders große Verluste in den zugehörigen Beschaltungswiderständen hervorrufen; demgegenüber kann bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter wegen der fehlenden Beschaltungskondensatoren beim Schalten eines der Halbleiterschaltelemente auch kein Verschiebungsstrom fließen und in dem Beschaltungswiderstand Verlustleistung umsetzen.Another advantage of the converter according to the invention is that that by doing without special wiring capacitors for voltage distribution a reduction in energy losses is achieved. Since in particular the switch-off times of semiconductor switching elements can differ by several microseconds are for the wiring capacitors often necessary such large capacities that the through the circuit capacitors flowing displacement currents particularly large losses cause in the associated wiring resistors; on the other hand, the converter according to the invention because of the lack of wiring capacitors Switching one of the semiconductor switching elements also no displacement current flow and convert power loss in the wiring resistor.
Um eine gleichmäßige Spannungsaufteilung an einem stromsperren den Ventilzweig auch bei unterschiedlichen Sperrströmen der Halbleiterschaltelemente zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn parallel zu jeder Diode und parallel zu jeder weiteren Diode jeweils ein hochohmiger Widerstand geschaltet ist.To ensure an even voltage distribution on a current blocking device Valve branch even with different blocking currents of the semiconductor switching elements To ensure it is advantageous to have in parallel with each diode and in parallel a high-resistance resistor is connected to each additional diode.
Auch bei bereits vorhandener Beschaltung der Halbleiterschaltelemente mit z. B. jeweils einem Beschaltungskondensator und einem Beschaltungswiderstand läßt sich in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Spannungsaufteilung mit Hilfe der Dioden und der weiteren Dioden eine Verminderung der Energieverluste erreichen. Da nämlich die Spannungsaufteilung an den Halbleiterschaltelementen durch die Dioden und die weiteren Dioden erfolgt, erübrigt sich eine Dimensionierung der Be- schaltungskondensatoren im Hinblick auf die Spannungsaufteilung, so daß für die Beschaltungskondensatoren nur vergleichsweise geringe Kapazitätswerte beispielsweise zur Begrenzung der Spannungssteilheit an den Halbleiterschaltelementen notwendig sind. Dieser Vorteil wirkt sich zunehmend bei höheren Stromrichterleistungen aus, weil im Falle der bekannten Spannuncsaufteilung durch die Beschaltungskondensatoren mit der Stromrichterleistung auch die erforderliche Kapazität der Beschaltungskondensatoren und damit auch deren Volumenbedarf und Kosten ansteigen.Even if the semiconductor switching elements are already connected with z. B. each a wiring capacitor and a wiring resistor can be achieved in an advantageous manner by the voltage distribution according to the invention With the help of the diodes and the other diodes, a reduction in energy losses reach. Because the voltage distribution on the semiconductor switching elements through the diodes and the other diodes takes place, there is no need to dimension the Loading circuit capacitors in terms of voltage distribution, so that only comparatively low capacitance values for the wiring capacitors for example to limit the rate of rise in voltage on the semiconductor switching elements are necessary. This advantage has an increasing effect with higher power converter outputs because in the case of the known voltage distribution through the wiring capacitors with the power converter output also the required capacity of the wiring capacitors and thus their volume requirements and costs also increase.
Die Aufteilung der Spannung an den Halbleiterschaltelementen jedes Ventilzweiges wird durch die Aufteilung der Spannung durch die Teilerabgriffe des Spannungsteilers zwischen den Gleichspannungsanschlüssen bestimmt. Eine besonders gleichmäßige Spannungsaufteilung wird dabei mit besonders einfachen Mitteln dadurch erreicht, daß der Spannungsteiler aus mehreren in Reihe angeordneten Kondensatoren besteht; in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, den Kondensatoren jeweils einen hochohmigen Widerstand parallel zu schalten.The division of the voltage across the semiconductor switching elements each The valve branch is created by dividing the voltage through the divider taps of the Voltage divider determined between the DC voltage connections. One special even stress distribution is thereby achieved with particularly simple means achieves that the voltage divider consists of several capacitors arranged in series consists; In this context, it is advantageous to each one of the capacitors to connect high resistance in parallel.
Der Spannungsteiler kann für den Fall, daß der Stromrichter aus einer Batterie gespeist wird, auch durch in Reihe geschaltete Elemente der Batterie gebildet werden.The voltage divider can in the event that the converter from a Battery is fed, also formed by series-connected elements of the battery will.
Ein weiterer bedeutender Vorzug des erfindungsgemäßen Stromrichters liegt in der folgenden Tatsache: Während es bei dem bekannten Stromrichter erforderlich ist, die Halbleiterschaltelemente jedes Ventilzweiges näherungsweise gleichzeitig anzusteuern, um so die durch die Beschaltungskondensatoren bewirkte Spannungsaufteilung auch beim Schalten der Halbleiterschaltelemente aufrechterhalten zu können, ist dies bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter nicht notwendig. Es ist bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter vielmehr vorteilhaft, die steuerbaren Halbleiterschaltelemente einzeln derart anzusteuern, daß während des strom- leitenden Zustandes des jeweiligen Ventilzweiges die Halbleiterschaltelemente des betreffenden Ventilzweiges nacheinander in Reihenfolge von dem dem Wechselspannungsanschluß am nächsten liegenden Halbleiterschaltelement bis zu dem dem positiven bzw. negativen Gleichspannungsanschluß am nächsten liegenden Halbleiterschaltelement in einen stromleitenden Zustand gesteuert werden und daß zur Beendigung des stromleitenden Zustandes des betreffenden Ventilzweiges die Halbleiterschaltelemente nacheinander in umgekehrter Reihenfolge in einen stromsperrenden Zustand gesteuert werden. Dadurch wird ein treppenförmiger Anstieg der Spannung an dem Wechselspannungsanschluß der jeweiligen Phase des Stromrichters erreicht, so daß es möglich ist, bei jeweils gleicher Schaltfrequenz der Halbleiterschaltelemente die Spannung an dem Wechselspannungsanschluß einem sinusförmigen Verlauf besser anzunähern. Bei gleichen Anforderungen an die Qualität der sinusförmigen Spannung ist es hingegen möglich, bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter die Schalt frequenz der Halbleiterschaltelemente auf größenordnungsmäßig ein Drittel zu senken. Die Zahl der Treppenstufen der Spannung und damit die Güte der Annäherung der Spannung an einen sinusförmigen Verlauf nimmt mit der Anzahl der in Reihe liegenden Halbleiterschaltelemente je Ventilzweig zu.Another significant advantage of the converter according to the invention lies in the following fact: While it is required in the known power converter is, the semiconductor switching elements of each valve branch approximately simultaneously in order to control the voltage distribution caused by the wiring capacitors can also be maintained when switching the semiconductor switching elements this is not necessary with the converter according to the invention. It is with the invention Rather, power converters are advantageous, the controllable semiconductor switching elements individually to be controlled in such a way that during the current conductive state of respective valve branch the semiconductor switching elements of the relevant valve branch one after the other in order from the one closest to the AC voltage connection Semiconductor switching element up to the positive or negative DC voltage connection on the nearest semiconductor switching element controlled in a current-conducting state and that to terminate the current-conducting state of the relevant valve branch the semiconductor switching elements one after the other in reverse order in a current blocking State can be controlled. This creates a step-like increase in voltage reached at the AC voltage connection of the respective phase of the converter, so that it is possible at the same switching frequency of the semiconductor switching elements the voltage at the AC voltage connection has a better sinusoidal curve approximate. With the same requirements for the quality of the sinusoidal voltage it is, however, possible in the converter according to the invention, the switching frequency of the semiconductor switching elements on the order of a third. the Number of steps of the tension and thus the quality of the approximation of the tension a sinusoidal curve increases with the number of semiconductor switching elements in series per valve branch to.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Phase mit Spannungsteiler des erfindungsgemäßen Stromrichters mit zwei Halbleiterschaltelementen je Ventilzweig und in Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Phase mit Spannungsteiler des erfindungsgemäßen Stromrichters mit drei Halbleiterschaltelementen je Ventilzweig dargestellt.To explain the invention, a first embodiment is shown in FIG a phase with voltage divider of the converter according to the invention with two semiconductor switching elements per valve branch and in FIG. 2 a second exemplary embodiment of a phase with a voltage divider of the converter according to the invention with three semiconductor switching elements per valve branch shown.
Figur 1 zeigt eine Phase 1 des erfindungsgemäßen Stromrichters, die zwischen einem positiven Gleichspannungsanschluß 2 und einem negativen Gleichspannungsanschluß 3 angeschlossen ist.Figure 1 shows a phase 1 of the converter according to the invention, the between a positive DC voltage terminal 2 and a negative DC voltage terminal 3 is connected.
Weitere hier nicht dargestellte Phasen des Stromrichters liegen in gleicher Weise ebenso wie auch in der Druckschrift "BBC-Nachrichten", Heft 4, 1975, Seite 193, Bild 2 und 3 dargestellt, an den Gleichspannungsanschlüssen 2 und 3. Diese bestehen beispielsweise jeweils aus einer Gleichspannungssammelschiene. Zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 2 und 3 ist weiterhin ein Spannungsteiler 4 angeordnet, der aus zwei in Reihe angeordneten Kondensatoren 5 und 6 besteht; die gemeinsame Verbindungsstelle der Kondensatoren 5 und 6 bildet einen Teilerabgriff 7 des Spannungsteilers 4. Die dargestellte Phase 1 des Stromrichters besteht aus zwei zwischen dem positiven Gleichspannungsanschluß 2 und dem negativen Gleichspannungsanschluß 3 in Reihe angeordneten Ventilzweigen 8 und 9, deren gemeinsamer Anschlußpunkt den Wechselspannungsanschluß 10 der dargestellten Phase 1 des Stromrichters bildet.Further phases of the converter, not shown here, are in in the same way as in the publication "BBC-Nachrichten", No. 4, 1975, Page 193, Fig. 2 and 3, at the DC voltage connections 2 and 3. These each consist, for example, of a DC voltage busbar. Between the DC voltage connections 2 and 3, a voltage divider 4 is also arranged, which consists of two capacitors 5 and 6 arranged in series; the common The connection point of the capacitors 5 and 6 forms a divider tap 7 of the voltage divider 4. The illustrated phase 1 of the converter consists of two between the positive DC voltage terminal 2 and the negative DC voltage terminal 3 arranged in series Valve branches 8 and 9, the common connection point of which is the AC voltage connection 10 of the illustrated phase 1 of the converter forms.
Jeder Ventilzweig 8 bzw. 9 der Phase 1 weist jeweils zwei in Reihe liegende steuerbare Halbleiterschaltelemente 11 und 12 bzw. 13 und 14 auf, so daß die Zahl der Verbindungsstellen 15 bzw. 16 zwischen den Halbleiterschaltelementen 11 und 12 bzw. 13 und 14 jeweils eines Ventilzweiges 8 bzw. 9 mit der Anzahl der Teilerabgriffe 7 des Spannungsteilers 4 übereinstimmt. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist jeder Ventilzweig 8 bzw. 9 nur eine derartige Verbindungsstelle 15 bzw. 16 auf und ist dementsprechend der Spannungsteiler 4 ebenfalls mit nur einem einzigen Teilerabgriff 7 versehen. Die Halbleiterschaltelemente 11 bis 14 der Ventilzweige 8 und 9 bestehen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus bipolaren Leistungstransistoren, die mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet sind und deren Basisanschlüsse den jeweiligen Steuereingang des betreffenden steuerbaren Halbleiterschaltelementes bildet. Weiterhin ist jedem Halbleiterschaltelement 11 bis 14 jeweils eine Freilaufdiode 17 bis 20 zugeordnet, die jeweils derart parallel an dem betreffenden Halbleiterschaltelement 11 bis 14 angeschlossen ist, daß alle Freilaufdioden 17 bis 20 in stromsperrender Richtung in Reihe zwischen dem positiven Gleich- spannungsanschluß 2 und dem negativen Gleichspannungsanschluß 3 liegen. Der Teilerabgriff 7 des Spannungsteilers 4 ist über eine Diode 22 mit der Verbindungsstelle 15 des an dem positiven Gleichspannungsanschluß liegenden Ventilzweiges 8 verbunden, wobei die Diode 22 mit ihrem Anodenanschluß an dem Teilerabgriff 7 des Spannungsteilers 4 angeschlossen ist.Each valve branch 8 or 9 of phase 1 has two in series lying controllable semiconductor switching elements 11 and 12 or 13 and 14, so that the number of connection points 15 or 16 between the semiconductor switching elements 11 and 12 or 13 and 14 each have a valve branch 8 and 9 with the number of Divider taps 7 of the voltage divider 4 match. In the case of the one shown in FIG In the exemplary embodiment, each valve branch 8 or 9 has only one such connection point 15 or 16 and is accordingly the voltage divider 4 also with only one single divider tap 7 provided. The semiconductor switching elements 11 to 14 of the valve branches 8 and 9 consist of bipolar power transistors in the embodiment shown, which are connected in series with their collector-emitter paths and their base connections the respective control input of the relevant controllable semiconductor switching element forms. Furthermore, each semiconductor switching element 11 to 14 is in each case a freewheeling diode 17 to 20 assigned, each in such a way parallel to the relevant semiconductor switching element 11 to 14 is connected that all free-wheeling diodes 17 to 20 in current blocking Direction in series between the positive equal voltage connection 2 and the negative DC voltage terminal 3 lie. The divider tap 7 of the voltage divider 4 is connected to the junction 15 of the positive DC voltage terminal via a diode 22 lying valve branch 8 connected, the diode 22 with its anode connection is connected to the divider tap 7 of the voltage divider 4.
Eine weitere Diode 24, die mit ihrem Kathodenanschluß an dem Teilerabgriff 7 des Spannungsteilers 4 angeschlossen ist, verbindet diesen mit der Verbindungsstelle 16 des an dem negativen Gleichspannungsanschluß 3 liegenden Ventilzweiges 9.Another diode 24 with its cathode connection to the divider tap 7 of the voltage divider 4 is connected, connects it to the junction 16 of the valve branch 9 connected to the negative DC voltage connection 3.
Zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 2 und 3 liegt eine Gleichspannung Ud und an dem Wechselspannungsanschluß 10 ist eine Last angeschlossen; gleiches gilt auch für die nicht dargestellten weiteren Phasen des Stromrichters. Die Gleichspannung Ud zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 2 und 3 wird durch die Kondensatoren 5 und 6 des Spannungsteilers 4 eingeprägt. Gleichzeitig findet durch die Kondensatoren 5 und 6 des Spannungsteilers 4 eine Spannungsaufteilung statt, so daß bei gleicher Dimensionierung der Kondensatoren 5 und 6 jeweils eine Spannung 1/2 Ud an jedem Kondensator 5 bzw. 6 liegt. Die Diode 22 bewirkt eine Spannungsaufteilung an den Halbleiterschaltelementen 11 und 12 des Ventilzweiges 8 entsprechend der Aufteilung der Spannung Ud an den Kondensatoren 5 und 6 des Spannungsteilers 4, so daß an jedem Halbleiterschaltelement 11 bzw. 12, soweit es sich in einem stromsperrenden Zustand befindet, jeweils eine Spannung 1/2 Ud liegt.A DC voltage is applied between the DC voltage connections 2 and 3 Ud and a load is connected to the AC voltage connection 10; same also applies to the other phases of the converter, which are not shown. The DC voltage Ud between the DC voltage connections 2 and 3 is through the capacitors 5 and 6 of the voltage divider 4 impressed. At the same time takes place through the capacitors 5 and 6 of the voltage divider 4 instead of a voltage division, so that with the same Dimensioning of the capacitors 5 and 6 each have a voltage 1/2 Ud on each Capacitor 5 or 6 is located. The diode 22 causes a voltage distribution to the Semiconductor switching elements 11 and 12 of the valve branch 8 according to the division the voltage Ud across the capacitors 5 and 6 of the voltage divider 4, so that at each Semiconductor switching element 11 or 12, insofar as it is in a current-blocking state there is a voltage of 1/2 Ud in each case.
Ebenso bewirkt auch die weitere Diode 24 eine Spannungsaufteilung an den Halbleiterschaltelementen 13 und 14 des Ventilzweiges 9 entsprechend der Aufteilung der Spannung Ud an den Kondensatoren 5 und 6 des Spannungsteilers 4, so daß an jedem stromsperrenden Halbleiterschaltelement 13 bzw. 14 jeweils eine Spannung 1/2 Ud anliegt. Der erfindungsgemäße Stromrichter arbeitet in an sich bekannter Weise als Wechselrichter, indem die Ventilzweige der einzelnen Phasen abwechselnd in einen stromleitenden und in einen stromsperren- den Zustand gesteuert werden. Die Freilaufdioden 17 und 18 bzw. 19 und 20 ermöglichen, daß durch die an dem Wechselspannungsanschluß 10 liegende nicht dargestellte Last bei beliebiger Richtung der Spannung ein Stromfluß in beiden Richtungen möglich ist. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn die Last induktive Anteile aufweist. Um einen Ventilzweig z. B. den Ventilzweig 8 in einen stromleitenden Zustand zu steuern, wird zunächst das dem Wechselspannungsanschluß 10 am nächsten liegende Halbleiterschaltelement 12 in einen stromleitenden Zustand gesteuert, so daß an der Last an dem Wechselspannungsanschluß 10 die von dem Kondensator 6 bereitgestellte Spannung 1/2 Ud anliegt. Daraufhin wird auch das zweite Halbleiterschaltelement 11 des Ventilzweiges 8 in einen stromleitenden Zustand gesteuert, so daß die Last an dem Wechselspannungsanschluß 10 nunmehr mit der gesamten Spannung Ud zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 2 und 3 in Verbindung steht. Zur Beendigung des stromleitenden Zustandes Ventilzweiges 8 werden die Halbleiterschaltelemente 11 und 12 in umgekehrter Reihenfolge in einen stromsperrenden Zustand gesteuert, indem zunächst das Halbleiterschaltelement 11 und dann das Halbleiterschaltelement 12 in einen stromsperrenden Zustand gesteuert wird. Die Halbleiterschaltelemente 13 und 14 des anderen Ventilzweiges 9 ermöglichen es in sinngemäß gleicher Weise, die Last mit einer Spannung entgegengesetzter Polarität zu verbinden.The further diode 24 also effects a voltage distribution on the semiconductor switching elements 13 and 14 of the valve branch 9 according to the Division of the voltage Ud on the capacitors 5 and 6 of the voltage divider 4, so that on each current-blocking semiconductor switching element 13 and 14 respectively one Voltage 1/2 Ud is applied. The converter according to the invention works in a manner known per se Way as an inverter by alternating the valve branches of the individual phases into a current-conducting and into a current blocking the condition being controlled. The freewheeling diodes 17 and 18 or 19 and 20 allow that through the load lying on the AC voltage terminal 10, not shown, at any Direction of the voltage a current flow in both directions is possible. This is particular necessary when the load has inductive components. To a valve branch z. B. to control the valve branch 8 in a conductive state, the first the semiconductor switching element 12 closest to the AC voltage terminal 10 controlled in a current-conducting state, so that the load on the AC voltage connection 10 the voltage 1/2 Ud provided by the capacitor 6 is present. Thereupon the second semiconductor switching element 11 of the valve branch 8 is also converted into a current-conducting State controlled so that the load on the AC voltage terminal 10 is now with the total voltage Ud between the DC voltage connections 2 and 3 in connection stands. To terminate the current-conducting state of valve branch 8, the semiconductor switching elements are 11 and 12 controlled in reverse order in a current blocking state, by first the semiconductor switching element 11 and then the semiconductor switching element 12 is controlled in a current blocking state. The semiconductor switching elements 13 and 14 of the other valve branch 9 make it possible in an analogous manner to connect the load to a voltage of opposite polarity.
Figur 2 zeigt eine Phase 30 eines weiteren Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Stromrichters. Die dargestellte Phase 30 ist wiederum ebenso wie weitere nicht dargestellte Phasen des Stromrichters an einem positiven Gleichspannungsanschluß 31 und an einem negativen Gleichspannungsanschluß 32 angeschlossen. Zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 31 und 32 ist ein Spannungsteiler 33 angeordnet, der aus drei in Reihe liegenden Kondensatoren 34, 35 und 36 sowie aus drei hochohmigen, den Kondensatoren 34 bis 36 jeweils parallel geschalteten Widerständen 37, 38 und 39 besteht. Die gemeinsame Verbindungsstelle der Kondensatoren 34 und 35 bildet einen Teilerabgriff 40 und die Verbindungsstelle der Kondensatoren 35 und 36 bildet einen weiteren Teilerabgriff 41 des Spannungsteilers 33. Die Phase 30 des Stromrichters besteht aus zwei zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluß 31 bzw. 32 in Reihe liegenden Ventilzweigen 42 und 43, deren gemeinsamer Schaltungspunkt einen Wechselspannungsanschluß 44 der dargestellten Phase 30 bildet. Jeder Ventilzweig 42 bzw. 43 der Phase 30 enthält jeweils drei in Reihe liegende Halbleiterschaltelemente 45, 46 und 47 bzw. 48, 49 und 50, so daß die Zahl der Verbindungsstellen zwischen jeweils zwei Halbleiterschaltelementen eines Ventilzweiges mit der Zahl der Teilerabgriffe 40 und 41 des Spannungsteilers 33 übereinstimmt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Ventilzweig 42 zwei derartige Verbindungsstellen 51 und 52 zwischen den Halbleiterschaltelementen 45 und 46 bzw. 46 und 47 auf; bei dem Ventilzweig 43 sind zwei Verbindungsstellen 53 und 54 zwischen den Halbleiterschaltelementen 48 und 49 bzw. 49 und 50 vorhanden. Die Halbleiterschaltelemente 45 bis 50 der Ventilzweige 42 und 43 bestehen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus abschaltbaren Thyristoren (GTO-Thyristoren). Parallel zu jedem Halbleiterschaltelement 45 bis 50 ist jeweils eine Freilaufdiode 55 bis 60 derart angeordnet, daß alle Freilaufdioden 55 bis 60 jeweils in Sperrichtung in Reihe zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluß 31 bzw. 32 liegen. Jeder Teilerabgriff 40 bzw. 41 des Spannungsteilers 33 ist über jeweils eine Diode 63 bzw.Figure 2 shows a phase 30 of a further embodiment of the converter according to the invention. The illustrated phase 30 is again the same as further phases, not shown, of the converter at a positive DC voltage connection 31 and connected to a negative DC voltage terminal 32. Between DC voltage terminals 31 and 32, a voltage divider 33 is arranged, the from three series capacitors 34, 35 and 36 as well as from three high-resistance, the capacitors 34 to 36 each connected in parallel Resistances 37, 38 and 39 consists. The common junction of the capacitors 34 and 35 forms a divider tap 40 and the connection point of the capacitors 35 and 36 forms a further divider tap 41 of the voltage divider 33. The phase 30 of the converter consists of two between the positive and the negative DC voltage connection 31 and 32 in series valve branches 42 and 43, their common switching point an AC voltage terminal 44 of the phase 30 shown. Every valve branch 42 and 43 of phase 30 each contain three semiconductor switching elements in series 45, 46 and 47 or 48, 49 and 50, so that the number of junctions between two semiconductor switching elements of a valve branch with the number of divider taps 40 and 41 of the voltage divider 33 match. In the illustrated embodiment has the valve branch 42 two such connection points 51 and 52 between the Semiconductor switching elements 45 and 46 or 46 and 47; in the valve branch 43 are two connection points 53 and 54 between the semiconductor switching elements 48 and 49 or 49 and 50 available. The semiconductor switching elements 45 to 50 of the valve branches 42 and 43 consist of thyristors which can be switched off in the exemplary embodiment shown (GTO thyristors). In parallel to each semiconductor switching element 45 to 50 is in each case a freewheeling diode 55 to 60 arranged such that all freewheeling diodes 55 to 60 in each case in the reverse direction in series between the positive and the negative DC voltage connection 31 and 32 respectively. Each divider tap 40 or 41 of the voltage divider 33 is over one diode 63 resp.
64 mit jeweils einer der Verbindungsstellen 51 bzw. 52 des an dem positiven Gleichspannungsanschluß 31 angeschlossenen Ventilzweiges 42 derart verbunden, daß von dem positiven Gleichspannungsanschluß 31 an gezählt der erste Teilerabgriff 40 des Spannungsteilers 33 mit der ersten Verbindungsstelle 51 des Ventilzweiges 42 und der folgende Teilerabgriff 41 des Spannungsteilers 33 mit der in entsprechender Reihenfolge folgenden Verbindungsstelle 52 des Ventilzweiges 42 in Verbindung steht; die Dioden 63 und 64 sind dabei mit ihrem jeweiligen Anodenanschluß an dem betreffenden Teilerabgriff 40 bzw. 41 des Spannungsteilers 33 angeschlossen. Weiterhin ist jeder Teilerabgriff 40 bzw. 41 des Spannungsteilers 33 über jeweils eine weitere Diode 67 bzw. 68 an jeweils einer der Verbindungsstellen 53 bzw. 54 des an dem negativen Gleichspannungsanschluß 32 liegenden Ventilzweiges 43 angeschlossen, wobei wiederum von dem positiven Gleichspannungsanschluß 31 an gezählt der erste Teilerabgriff 40 des Spannungsteilers 33 mit der ersten, dem positiven Gleichspannungsanschluß 31 am nächsten liegenden Verbindungsstelle 53 des Ventilzweiges 43 und der folgende Teilerabgriff 41 des Spannungsteilers 33 mit der folgenden Verbindungsstelle 54 des Ventilzweiges 43 in Verbindung steht; die Dioden 67 und 68 sind dabei mit ihrem jeweiligen Kathodenanschluß an dem betreffenden Teilerabgriff 40 bzw. 41 des Spannungsteilers 33 angeschlossen.64 each with one of the connection points 51 and 52 of the valve branch 42 connected to positive DC voltage terminal 31 in such a way that that from the positive DC voltage terminal 31 counts the first divider tap 40 of the voltage divider 33 with the first connection point 51 of the valve branch 42 and the following divider tap 41 of the voltage divider 33 with the corresponding series following connection point 52 of valve branch 42 communicates; the diodes 63 and 64 are with their respective anode connection connected to the relevant divider tap 40 or 41 of the voltage divider 33. Furthermore, each divider tap 40 or 41 of the voltage divider 33 is over, respectively a further diode 67 or 68 at one of the connection points 53 or 54, respectively of the valve branch 43 connected to the negative DC voltage connection 32, the first counting again from the positive DC voltage terminal 31 Divider tap 40 of the voltage divider 33 with the first, the positive DC voltage terminal 31 closest junction 53 of valve branch 43 and the following Divider tap 41 of voltage divider 33 with the following connection point 54 the valve branch 43 is in communication; the diodes 67 and 68 are with their respective cathode connection at the relevant divider tap 40 or 41 of the voltage divider 33 connected.
Im allgemeinen Fall von n in Reihe angeordneten Halbleiterschaltelementen je Ventilzweig des Stromrichters besteht der Spannungsteilers aus n Kondensatoren; es werden n - 1 Diodenzweige und ebenso viele weitere Diodenzweige benötigt.In the general case of n semiconductor switching elements arranged in series For each valve branch of the converter, the voltage divider consists of n capacitors; n - 1 diode branches and just as many other diode branches are required.
Die Funktionsweisen des Stromrichters nach Figur 1 und 2 entsprechen einander im wesentlichen. Bei dem Stromrichter nach Figur 2 wird die Gleichspannung Ud zwischen den Gleichspannungsanschlü&sen 31 und 32 durch die Kondensatoren 34 bis 36 des Spannungsteilers 33 eingeprägt. Die Kondensatoren 34 bis 36 und die Widerstände 37 bis 39 bewirken gleichzeitig eine Spannungsaufteilung, so daß bei jeweils gleicher Dimensionierung der Kondensatoren 34 bis 36 bzw. der Widerstände 37 bis 39 an jedem Kondensatoren 34 bis 36 jeweils eine Spannung 1/3 Ud anliegt. Die Dioden 63 und 64 bewirken eine Spannungsaufteilung an den Halbleiterschaltelementen 45 bis 47 des Ventilzweiges 42 entsprechend der Spannungsaufteilung an dem Spannungsteiler 33, so daß an jedem Halbleiterschaltelement 45 bis 47, soweit es sich in einem stromsperrenden Zustand befindet, jeweils eine Spannung 1/3 Ud anliegt. Eine entsprechende Spannungsaufteilung an den Halbleiterschaltelementen 48 bis 50 des Ventilzweiges 43 wird durch die weiteren Dioden 67 und 68 bewirkt. Um einen Ventilzweig, z. 8. den Ventilzweig 42, in einen stromleitenden Zustand zu steuern, wird zunächst das dem Wechselspannungsanschluß 44 am nächsten liegende Halbleiterschaltelement 47 in einen stromleitenden Zustand gesteuert, so daß an der Last an dem Wechselspannungsanschluß 44 die Spannung 1/3 Ud des Kondensators 36 anliegt.The modes of operation of the converter according to FIGS. 1 and 2 correspond each other essentially. In the converter according to Figure 2, the DC voltage Ud between the DC voltage terminals 31 and 32 through the capacitors 34 to 36 of the voltage divider 33 are impressed. The capacitors 34 to 36 and the Resistors 37 to 39 simultaneously cause a voltage distribution, so that at each of the same dimensions of the capacitors 34 to 36 or the resistors 37 to 39 a voltage of 1/3 Ud is applied to each capacitor 34 to 36. The diodes 63 and 64 cause a voltage distribution on the semiconductor switching elements 45 to 47 of the valve branch 42 according to the voltage distribution on the Voltage divider 33, so that on each semiconductor switching element 45 to 47, as far as it is in a current-blocking State, a voltage of 1/3 Ud is applied in each case. A corresponding distribution of tension at the semiconductor switching elements 48 to 50 of the valve branch 43 is through the further Diodes 67 and 68 causes. To a valve branch, z. 8. the valve branch 42, in one To control the current-conducting state, the AC voltage connection is first used 44 closest semiconductor switching element 47 into a current-conducting state controlled, so that at the load at the AC voltage terminal 44, the voltage 1/3 Ud of the capacitor 36 is applied.
Daraufhin wird auch das zweite Halbleiterschaltelement 46 in einen stromleitenden Zustand gesteuert, so daß nunmehr eine Spannung 2/3 Ud von den Kondensatoren 35 und 36 an der Last anliegt. Zuletzt wird das Halbleiterschaltelement 45 in einen stromleitenden Zustand gesteuert, so daß jetzt die Last an dem Wechselspannungsanschluß 44 mit der gesamten Spannung Ud in Verbindung steht. Zur Beendigung des stromleitenden Zustandes des Ventilzweiges 42 werden die Halbleiterschaltelemente 45 bis 47 in umgekehrter Reihenfolge jeweils in einen stromsperrenden Zustand gesteuert.Thereupon the second semiconductor switching element 46 is also in a conductive state controlled, so that now a voltage 2/3 Ud from the capacitors 35 and 36 rests against the load. Finally, the semiconductor switching element 45 is in a conductive state controlled, so that now the load on the AC voltage connection 44 is connected to the total voltage Ud. To terminate the conductive In the state of the valve branch 42, the semiconductor switching elements 45 to 47 are shown in FIG reverse sequence is controlled in each case in a current blocking state.
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