DE3544232C2 - - 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), wie dies üblich, aber nicht eingezeichnet ist, 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 und 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 C _o 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 _σ , 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 Schaltungsan­ ordnung der eingangs angegebenen Art das Auftreten von Überströmen durch eine fehlerhafte Zündung der GTO-Thyristoren T 1 bzw. T 2 inner­ halb der einzelnen Wechselrichterphasen zu begrenzen sowie die kri­ tischen Schwingungen zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die US-35 36 984 ist zwar bereits eine bei einem in einen Thyristorwechselrichter fließenden Überstrom zündbare Schutzein­ richtung bekannt, die aus der Reihenschaltung eines Schutzthyri­ stors, einer Drosselspule und einem vorgeladenen Kondensator be­ steht, jedoch löst die Anwendung dieser Schutzeinrichtung bei der eingangs angegebenen Schaltungsanordnung nicht das Problem der kri­ tischen Schwingungen infolge der durch die parasitären Induktivi­ täten vorhandenen ungedämpften Schwingkreise.

Bei der Anordnung nach der Erfindung ist dagegen vorteilhafterweise die Reihenschaltung aus dem Schutz-Thyristor, der zweiten strombe­ grenzenden Drosselspule und dem vorgeladenen Kondensator als Schutz­ schwingkreis wirksam, der den fließenden Strom schnell zu Null wer­ den läßt, während die dritte Beschaltungsdiode im Störungsfall den Speicherkondensator entkoppelt. Der Schutz-Thyristor wird sofort ge­ zündet, wenn ein Überstrom auftritt, der Verhältnisse schafft, die außerhalb des Abschaltvermögens der GTO-Thyristoren liegen, ohne daß bei der Zündung des Schutz-Thyristors die Mindestzeiten der GTO-Thy­ ristoren berücksichtigt werden. Der weitere Schutz-Thyristor, der die zweite Drosselspule und den Kondensator im gezündeten Zustand derart überbrückt, daß ein Rückschwingen dieses Schwingkreises er­ folgen kann, sorgt dafür, daß der Kondensator schnell umgeladen wird. Damit ist die Bereitschaft des Schutzschwingkreises nach einem Störungs­ fall umgehend wiederhergestellt. Eine zusätzliche Aufladung des Spei­ cherkondensators über die dritte Beschaltungsdiode wird auf einfache Weise dadurch vermieden, daß der an die Kathode der dritten Beschal­ tungsdiode angeschlossene Pol des Speicherkondensators jeder Phase des Wechselrichters über den ohmschen Entladewiderstand mit dem gleichspannungsquellenseitigen Anschluß der ersten Drosselspule ver­ bunden ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteran­ spruch gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in einer weiteren Zeich­ nungsfigur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 2 die bereits zu Fig. 1 zuvor beschriebene Schaltung, er­ weitert um eine Schutzschaltung nach der Erfindung 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.

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 _σ . 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 gemäß Fig. 2 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 wichtig, den Kondensator C _K schnell umladen zu können. Hierzu dient 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 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 (3)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Überströmen in einem aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Wech­ selrichter mit abschaltbaren Leistungshalbleitern, insbesondere GTO-Thyristoren, bei der

• - zumindest zwischen dem einen Pol der Gleichspan­ nungsquelle und dem Wechselrichter eine den An­ stieg eines Kurzschlußgleichstromes begrenzende erste Drosselspule vorgesehen ist, die in negativer Richtung des Gleichstromes durch eine Diode überbrückt ist,
• - je Phase des Wechselrichters zwischen seinen bei­ den Gleichspannungspotentialen die Reihenschaltung von abschaltbaren Leistungshalbleitern mit einer Beschaltungsdrossel liegt und der Wechsel­ spannungsanschluß in der Verbindung der beiden abschaltbaren Leistungshalbleitern angeordnet ist,
• - jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter antiparal­ lel jeweils eine Freilaufdiode zugeordnet ist,
• - dem einen abschaltbaren Leistungshalbleiter die Reihenschaltung eines Beschaltungskondensators mit einer über ihre Kathode mit der Kathode des abschaltbaren Leistungshalbleiters verbundenen ersten Beschaltungsdiode parallelgeschaltet ist und
• - eine gemeinsame, überschüssige Beschaltungs­ energie aufnehmende Einrichtung vorgesehen ist, die jeweils je Phase mit einem Speicher­ kondensator zwischen die beiden Gleichspan­ nungspotentiale des Wechselrichters gelegt ist, wobei an die Verbindung zwischen der ge­ meinsamen Einrichtung und dem jeweiligen Spei­ cherkondensator jeweils die Anode einer zwei­ ten Beschaltungsdiode gelegt ist, deren Kathode an die Verbindung zwischen dem Beschaltungs­ kondensator und der Anode der ersten Beschaltungs­ diode angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet,
daß der wechselrichterseitige Anschluß der ersten Drossel­ spule (L _{K 1}) zum einen je Phase mit dem Speicherkondensa­ tor (C _o ) über eine in Richtung auf diesen gepolte dritte Beschaltungsdiode (D _{S 3}) verbunden ist und zum anderen über eine Reihenschaltung eines bei Überschreiten eines vorgebbaren Stromes im Wechselrichter sofort zündbaren Schutz-Thyristors (T _{K 1}), einer zweiten strombegrenzenden Drosselspule (L _{K 2}) und eines aus einer zusätzlichen Span­ nungsquelle (U _QK ) mit seinem niedrigeren Potential auf der Seite der zweiten Drosselspule (L _{K 2}) vorgeladenen Konden­ sators (C _K ) an das andere Gleichspannungspotential des Wechselrichters angeschlossen ist,
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, und
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.

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