DE3544232A1 - Schaltungsanordnung zur ueberstrombegrenzung in einem wechselrichter mit abschaltbaren leistungshalbleitern z.b. gto-thyristoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus dem Beitrag von Tore M. Undeland "Snubbers for Pulse Width Modulated Bridge Converters with Power Transistors or GTOs" zur IPEC-Tagung in Tokyo (Japan), 27.- 31. März 1983, Seiten 313 bis 323, insbesondere Seite 319 bekannt.

Die bekannte Schaltung ist in ihrem prinzipiellen Aufbau in Fig. 1 dar­ gestellt. Dort ist ein dreiphasiger Wechselrichter gezeigt, der aus einer durch einen Kondensator C _d gebildeten Gleichspannungsquelle ge­ speist wird. Der Kondensator kann zum Beispiel ein Stützkondensator im Zwischenkreis eines Zwischenkreisumrichters sein.

Der Gleichspannungsquelle nachgeschaltet ist eine den Anstieg eines Kurzschlußgleichstromes begrenzende erste Drosselspule L _{K 1,} die in ne­ gativer Richtung des Gleichstromes (bei einer Rückspeisung des Wechsel­ richters in die Gleichstromquelle) durch eine Diode D _K überbrückt ist.

Jede Phase des Wechselrichters ist zwischen den beiden Gleichspannungs­ potentialen durch die Reihenschaltung von zwei GTO-Thyristoren T 1, T 2 mit einer Beschaltungsdrossel L _S gebildet. Der Wechselspannungsabgriff U,V, W der einzelnen Phasen des Wechselrichters ist jeweils in der Verbin­ dung der beiden GTO-Thyristoren T 1, T 2 angeordnet. Jedem GTO-Thyristor T 1 bzw. T 2 ist jeweils in üblicher Weise eine Freilaufdiode D 1 bzw. D 2 zu­ geordnet. Dem einen GTO-Thyristor T 1 ist eine Reihenschaltung eines Be­ schaltungskondensators C _S mit einer über ihre Kathode mit der Kathode des GTO-Thyristors T 1 verbundenen ersten Beschaltungsdiode D _{S 1} parallel­ geschaltet. Diese unsymmetrische Beschaltung mit nur einem Kondensator verursacht weniger Beschaltungsverluste als die sonst übliche symmetri­ sche RCD-Beschaltung. Ferner ist eine allen Phasen gemeinsame, die überschüssige Beschaltungsenergie aufnehmende Einrichtung U _Q vorgesehen, die jeweils je Phase mit einem Speicherkondensator C _o zwischen die bei­ den Gleichspannungspotentiale des Wechselrichters gelegt ist. An die Verbindung zwischen der gemeinsamen Einrichtung und dem jeweiligen Spei­ cherkondensator ist jeweils die Anode einer zweiten Beschaltungsdio­ de D _{S 2} gelegt, deren Kathode an die Verbindung zwischen dem Beschaltungs­ kondensator C _S und der Anode der ersten Beschaltungsdiode D _{S 1} ange­ schlossen ist. Die gemeinsame, die überschüssige Beschaltungsenergie aufnehmende Einrichtung U _Q kann als rückspeisefähige Spannungsquelle ausgestaltet sein, durch die eine Rückspeisung von Energie in die Gleichspannungsquelle (z.B. über einen Hochsetzsteller) möglich ist. Die Einrichtung U _Q kann aber auch lediglich ein ohmscher Widerstand sein, in dem die überschüssige Energie in Wärme umgesetzt wird.

Wie schon erwähnt, verhindert die erste Drossel L _{K 1}, daß der Wechsel­ richter durch einen schnellen Anstieg eines Kurzschlußgleichstromes Schaden nimmt. Es gibt jedoch auch Störungsfälle innerhalb des Wechsel­ richters, die von der außerhalb liegenden Drossel L _{K 1} nicht beeinflußt werden: Wenn nämlich infolge einer fehlerhaften Zündung die beiden GTO- Thyristoren T 1 und T 2 gleichzeitig gezündet sind, entlädt sich der Spei­ cherkondensator C _o , der in der Regel sehr viel größer ist als der Be­ schaltungskondensator C _S über die beiden Thyristoren T 1 und T 2 sowie über die Beschaltungsdrossel L _S . Die Beschaltungsdrossel L _S ist aber aus Betriebsgründen so klein bemessen, daß sie den Stromanstieg nicht ausreichend begrenzt. Der Strom kann dann so hoch sein, daß die GTO-Thy­ ristoren T 1 bzw. T 2 nicht mehr abschaltbar sind.

Ein zweites Problem bilden ungedämpfte Schwingkreise, die durch unver­ meidbare parasitäre Induktivitäten entstehen (z.B. der Kreis C _d , L ₆, D _K , C _o , U _Q in Fig. 1). Hierbei werden kritische Schwingungen angeregt, die zu unzulässiger Beanspruchung der Schaltungsbauelemente führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art das Auftreten von Überströmen durch eine fehlerhafte Zündung der GTO-Thyristoren T 1 bzw. T 2 innerhalb der ein­ zelnen Wechselrichterphasen zu begrenzen sowie die kritischen Schwin­ gungen zu unterdrücken. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Während die dritte Beschaltungsdiode im Störungsfall den Speicherkonden­ sator C _o entkoppelt, ist die Reihenschaltung aus dem Schutz-Thyristor, der zweiten strombegrenzenden Drosselspule und dem vorgeladenen Konden­ sator als Schutzschwingkreis wirksam, der den fließenden Strom schnell zu Null werden läßt. Der Schutz-Thyristor wird sofort gezündet, wenn ein Überstrom auftritt, der Verhältnisse schafft, die außerhalb des Ab­ schaltvermögens der GTO-Thyristoren liegen, ohne daß bei der Zündung des Schutz-Thyristors die Mindestzeiten der GTO-Thyristoren berücksich­ tigt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in den weiteren Zeichnungs­ figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 2 die bereits zu Fig. 1 zuvor beschriebene Schaltung, erwei­ tert um eine Schutzschaltung nach der Erfindung und

Fig. 3 Weiterbildungen der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung für eine besonders schnelle erneute Einsatzbereitschaft der Schutzanordnung nach einem Störungsfall.

Die in Fig. 2 dargestellte Wechselrichterschaltung entspricht auch in den dafür gewählten Bezeichnungen derjenigen in Fig. 1 mit der zusätz­ lichen Maßnahme, daß der wechselrichterseitige Anschluß der ersten Drosselspule L _{K 1} zum einen je Phase mit dem Speicherkondensator C _o über eine in Richtung auf diesen Speicherkondensator gepolte dritte Be­ schaltungsdiode D _{S 3} verbunden ist und zum anderen über eine Reihen­ schaltung eines Schutz-Thyristors T _{K 1}, einer zweiten strombegrenzenden Drosselspule L _{K 2} und eines mit der gezeigten Polarität vorgeladenen Kondensators C _K an das andere Gleichspannungspotential des Wechselrich­ ters angeschlossen ist. Die Vorladung des Kondensators C _K erfolgt dabei über einen ohmschen Widerstand R _K aus einer zusätzlichen Spannungsquelle U _QK . Die zusätzliche Spannungsquelle U_QK kann z.B. aus einer an ein beliebi­ ges Wechselspannungsnetz angeschlossenen Gleichrichterbrücke bestehen.

Sobald ein Überstrom im Wechselrichter auftritt, der das Abschaltvermö­ gen der GTO-Thyristoren T 1 bzw. T 2 übersteigt, wird der Schutz-Thyri­ stor T _{K 1} sofort gezündet. Damit fließt vom Kondensator C _K über die Ein­ richtung U _Q , die Beschaltungsdioden D _{S 2}, D _{S 1}, die GTO-Thyristoren T 1, T 2 sowie den Schutz-Thyristor T _{K 1} und die zweite Drosselspule L _{K 2} ein Schwingstrom, bis der Kurzschlußstrom durch die GTO-Thyristoren auf Null abgeklungen ist. Der Kondensator C _K wird dann aus der Gleichspannungs­ quelle mit ihrer treibenden Spannung U _d über die erste Drosselspule L _{K 1}, den Schutz-Thyristor T _{K 1} und die zweite Drosselspule L _{K 2} aufgeladen, bis der Strom durch den Schutz-Thyristor T _{K 1} auf Null absinkt.

Zur Wiederherstellung der Bereitschaft des Schutzschwingkreises wird dann der Kondensator C _K aus der Quelle U _QK wieder auf seine Vorladespannung U _K aufgeladen.

Durch die dritte Beschaltungsdiode D _{S 3} wird für den Fehlerfall, d.h. wenn die GTO-Thyristoren T 1 und T 2 gezündet sind und sich ein Kurz­ schlußstrom ausbildet, der Speicherkondensator C _o vom Kurzschlußkreis entkoppelt. Die sich über die Kondensatoren C _o , C _S und die Beschaltungs­ drossel L _S einstellenden Schwingungen werden verhindert. Wenn der Kurz­ schlußstrom durch die fehlerhaft gezündeten GTO-Thyristoren T 1, T 2 ab­ geklungen ist, ist der Wechselrichter sofort wieder einsatzfähig, weil die speisende Gleichspannungsquelle C _d durch den Kurzschlußfall nicht weiter beeinflußt wird.

Wie in Fig. 1 angedeutet, bilden die Zuleitungen zu den einzelnen Wech­ selrichterphasen unvermeidbare Streuinduktivitäten L ₆. Durch diese Streuinduktivitäten würde der Speicherkondensator C _o über die dritte Beschaltungsdiode D _{S 3} ständig weiter aufgeladen werden. Um eine zu­ sätzliche Aufladung des Speicherkondensators C _o hier zu vermeiden, ist der mit der Kathode der dritten Beschaltungsdiode D _{S 3} verbundene Pol des Speicherkondensators C _o jeder Phase des Wechselrichters über einen ohmschen Entladewiderstand R _S mit dem gleichspannungsquellenseitigen Anschluß der ersten Drosselspule L _{K 1} verbunden.

Es kann vorkommen, daß infolge einer erneuten Fehlzündung der beiden GTO-Thyristoren T 1 und T 2 nach einem bereits erfolgten Störungsfall die Bereitschaft des Schutzschwingkreises schnell erneut gefordert wird. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, den Kondensator C _K schnell umladen zu können. Hierzu dient gemäß Fig. 3 ein weiterer Schutz-Thyristor T _{K 2}, der die zweite Drosselspule L _{K 2} und den Kondensator C _K im gezündeten Zustand derart überbrückt, daß ein Rückschwingen dieses Schwingkreises erfolgen kann, wodurch der Kondensator C _K umgeladen wird.

Zusätzlich dient der schnellen Bereitschaft des Schutz-Schwingkreises eine schnelle Abmagnetisierung der ersten Drosselspule L _{K 1}. Zu diesem Zweck ist ebenfalls gemäß Fig. 3 die erste Drosselspule L _{K 1} als Zwei­ wicklungstransformator T ausgebildet. Während die erste Wicklung wie bisher im Gleichstromkreis zwischen der speisenden Gleichspannungs­ quelle und dem Wechselrichter angeordnet ist, fließt über die zweite Wicklung und über eine Diode D _T der Abmagnetisierungsstrom der Drossel­ spule L _{K 1} in die die überschüssige Beschaltungsenergie aufnehmende Ein­ richtung U _Q .

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Überströmen in einem aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Wechselrichter mit abschalt­ baren Leistungshalbleitern z.B. GTO-Thyristoren, bei der

• - zumindest zwischen dem einen Pol der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter eine den Anstieg eines Kurzschlußgleichstromes begrenzende erste Drosselspule vorgesehen ist, die in negativer Richtung des Gleichstromes durch eine Diode überbrückt ist,
• - je Phase des Wechselrichters zwischen seinen beiden Gleichspan­ nungspotentialen die Reihenschaltung von zwei GTO-Thyristoren mit einer Beschaltungsdrossel liegt und der Wechselspannungsanschluß in der Verbindung der beiden GTO-Thyristoren angeordnet ist,
• - jedem GTO-Thyristor antiparallel jeweils eine Freilaufdiode zuge­ ordnet ist,
• - dem einen GTO-Thyristor die Reihenschaltung eines Beschaltungskon­ densators mit einer über ihre Kathode mit der Kathode des GTO-Thy­ ristors verbundenen ersten Beschaltungsdiode parallelgeschaltet ist und
• - eine gemeinsame, überschüssige Beschaltungsenergie aufnehmende Ein­ richtung vorgesehen ist, die jeweils je Phase mit einem Speicherkon­ densator zwischen die beiden Gleichspannungspotentiale des Wech­ selrichters gelegt ist, wobei an die Verbindung zwischen der ge­ meinsamen Einrichtung und dem jeweiligen Speicherkondensator je­ weils die Anode einer zweiten Beschaltungsdiode gelegt ist, deren Kathode an die Verbindung zwischen dem Beschaltungskondensator und der Anode der ersten Beschaltungsdiode angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wechselrichterseitige Anschluß der ersten Drosselspule (L _{K 1}) zum einen je Phase mit dem Speicherkondensator (C _o ) über eine in Richtung auf diesen gepolte dritte Beschaltungsdiode (D _{S 3}) verbunden ist und zum anderen über eine Reihenschaltung eines bei Überschrei­ ten eines vorgebbaren Stromes im Wechselrichter sofort zündbaren Schutz-Thyristors (T _{K 1}), einer zweiten strombegrenzenden Drosselspu­ le (L _{K 2}) und eines aus einer zusätzlichen Spannungsquelle (U _QK ) mit seinem niedrigeren Potential auf der Seite der zweiten Drosselspu­ le (L _{K 2}) vorgeladenen Kondensators (C _K ) an das andere Gleichspannungs­ potential des Wechselrichters angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kathode des Schutz-Thyristors (T _{K 1}) die Anode eines weite­ ren Schutz-Thyristors (T _{K 2}) gelegt ist, der die zweite Drosselspu­ le (L _{K 2}) und den Kondensator (C _K ) im gezündeten Zustand überbrückt.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drosselspule (L _{K 1}) eine zweite Wicklung aufweist, durch die über eine Diode (D _T ) ein Abmagnetisierungsstrom der Drosselspule in die die überschüssige Beschaltungsenergie aufnehmende Einrich­ tung (U _Q ) fließt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der mit der Kathode der dritten Beschaltungsdiode (D _{S 3}) verbundene Pol des Speicherkondensators (C _o ) jeder Phase des Wechsel­ richters über einen ohmschen Entladewiderstand (R _S ) mit dem gleich­ spannungsquellenseitigen Anschluß der ersten Drosselspule (L _{K 1}) ver­ bunden ist.