DE3612343A1 - Kommutierungsschaltung fuer stromrichter - Google Patents

Description

Einleitung

Es sind Schaltungen zum Betrieb von elektrischen Maschinen bekannt, die eine weitgehend sinusförmige oder aber auch weitgehend rechteckförmige Stromform (in Abhängigkeit von der Zeit) benötigen. Der Übergang auf hochausgenützte elektrische Maschinen läßt es wünschenswert erscheinen, daß die Stromform annähernd rechteckförmig gewählt wird und die Zeit der Stromänderung vergleichsweise kurz gehalten wird. Dies bedeutet, daß die Arbeitsphase, innerhalb der sich die Energieumwandlung vollzieht, vergrößert und die Leistungsdichte des Energiewandlers erhöht wird.

Wird eine kurze Kommutierungszeit gegenüber der Grundperiode des Stroms angestrebt, dann kann dies entweder durch eine Verkleinerung der Wicklungsinduktivität, der Wicklungsströme oder durch Vergrößerung der während der Stromwendung wirksamen Spannung erreicht werden. Letzteres ist gleichbedeutend mit einer entsprechenden Erhöhung der Schaltleistung der Halbleiter und der Belastung des Zwischenkreises.

Bei der hier vorliegenden Aufgabenstellung werden Induktivität und Größe der Stromamplitude als gegeben angesehen und Schaltungsvarianten beschrieben, die eine Verkleinerung der Kommutierungszeit ermöglichen. Die Erhöhung der Belastung des Zwischenkreises kann dabei vermieden werden. Der angestrebten Verlängerung der Arbeitsphase kommt besonders dann Bedeutung zu, wenn die Frequenz der Grundschwingung verhältnismäßig hoch ist. Zur Verkürzung des Kommutierungsvorganges wird eine vom Zwischenkreis unabhängige Spannung aufbereitet, die nur während des Kommutierungsvorganges wirksam ist. Es besteht somit die Möglichkeit, in der Arbeitsphase den Wandler mit der für die Energieumformung günstigsten Spannung zu betreiben. So ist es z. B. möglich, auf die Taktung mit Hilfe der Arbeitsventile des Wechselrichters ohne Nachteile für die Kommutierung zu verzichten.

Zielsetzung

Pulswechselrichter gespeiste Synchronmaschinen erweisen sich für Antriebsaufgaben als besonders anpassungsfähig, wenn der Rotor ohne umlaufende Wicklung gebaut werden kann. Das trifft sowohl auf die permanentmagneterregte als auch auf das Reluktanzkonzept der Synchronmaschine zu. Die Fortschritte auf dem Gebiet der Magnetwerkstoffe und auf dem Gebiet der Leistungstransistoren und der GTO-Thyristoren ermöglichen heutzutage den Bau der beiden genannten Maschinen mit großen Leistungsdichten auch im Bereich großer Maschinenleistungen.

Besonders günstige Eigenschaften erhalten diese Maschinen, wenn sie als vielsträngige Maschinen konzipiert werden. Es läßt sich dann, wie bei der Gleichstrommaschine, eine zeitlich nahezu gleichbleibende und räumlich effiziente Wechselwirkung zwischen magnetischem Feld und den elektrischen Strömen herbeiführen. Die Kraftbildung erfolgt ähnlich jener der Gleichstrommaschine besonders phasengünstig. Diese Zuordnung gelingt, wenn die vielsträngige Maschine über einen Wechselrichter gespeist wird, der eine zyklische Kommutierung der Spulenströme erlaubt.

Da eine solche Maschine trotz der erhöhten Strangzahl im Vergleich zur konventionellen Gleichstrommaschine i. a. (wegen der Begrenzung der Zahl der benötigten Stromwendeschalter) mit einer kleineren Zahl von schaltbaren Strängen pro Pol ausgerüstet ist, kann eine Abweichung von den idealen Bedingungen nicht vermieden werden. Diese Abweichung führt zu Kraftschwankungen. Um diese klein zu halten, ist es erforderlich, die Stromumschaltungen in den Strängen mit einer Mindestgeschwindigkeit vorzunehmen.

Außer dem Einfluß auf die Schubkraftschwankungen ist mit größer werdender Dauer der Stromwendung auch ein Abfall der kraftbildenden Wirkung festzustellen. Verringert sich jedoch der nutzbare Kraftmittelwert, so ist dies bei konstanter Gesamtkraft gleichbedeutend mit einem vergrößerten Ankerstrom. Dies soll jedoch vermieden werden.

Die Dauer der Stromkommutierung hängt, wie bei den Maschinen mit mechanischem Kommutator, bei gegebener Spannung von der Größe des Stromes und der Stranginduktivität für Haupt- und Streufeld (Nut- und Stirnstreuung) der Ankerspulen ab. Ein etwaiger Einfluß der Ankerrückwirkung läßt sich durch eine der "Bürstenverstellung" bei Gleichstrommaschinen analoge Maßnahme, wie etwa eine Verschiebung der Pollagegeber bzw. eine zeitliche Beeinflussung der Schaltbefehle, weitgehend eliminieren.

Bei hochausgenutzten Maschinen kann der Quotient aus zu schaltender Ankerspulendurchflutung und Ankerinduktivität sehr große Werte annehmen. Soll dabei eine im Verhältnis zur Zykluszeit kleine Kommutierungszeit erreicht werden, erscheinen Maßnahmen zur Anwendung einer erhöhten Kommutierungsspannung besonders dringend. Zur Erreichung der angestrebten Maschineneigenschaften erweist sich dieses Hilfsmittel als außerordentlich wirksam. Es dient dem Ziel, die Eigenschaften der Energiewandlung zu verbessern.

Dieses Ziel wird hier dadurch erreicht, daß dem Pulsumrichter mit Hilfe einer Schaltungsergänzung eine Stromwendespannung bereitgestellt wird, die unabhängig vom Wert der Zwischenkreisspannung eingestellt werden kann. Für viele Anwendungen besonders vorteilhaft ist wie erwähnt die Möglichkeit, einen höheren Wert für die Kommutierungsspannung als die Zwischenkreisspannung vorzusehen. Die Verlagerung der Spannungserzeugung (für die Kommutierung) in einen Hilfskreis der Schaltung ergibt die Möglichkeit, die Blindleistung für die Kommutierung vom Zwischenkreis weitgehend fernzuhalten.

Boosterschaltung für das Kommutierungsintervall

Gegenstand der hier beschriebenen Vorschläge ist eine Schaltungsanordnung, die es gestattet, bei Pulswechselrichtern mit Spannungszwischenkreis während der Stromwendung in der vom Wechselrichter gespeisten Einrichtung eine gegenüber der Arbeitsphase unabhängige Spannung bereitzustellen. Zur Beschleunigung der Stromwendung kann diese Spannung höher als die Zwischenkreisspannung eingestellt werden.

Die Wirkungsweise dieser Ergänzungsschaltung wird im folgenden anhand von schematischen Darstellungen näher erläutert.

In Bild 1 speist der Block G mit der Gleichspannung U _G den Zwischenkreis mit der Glättungsinduktivität L _g und dem Glättungskondensator C _g . Diese Gleichspannung kann z. B. über einen Gleichrichter, aus einer Batterie oder über gesteuerte Gleichspannungsstellglieder (Gleichstromsteller) bereitgestellt werden. Die Gleichspannung U _d1 erscheint bei einem Pulswechselrichter ohne die Ergänzungsschaltung H direkt am Eingang des Wechselrichters WR als Spannung U _d , und zwar sowohl während der Arbeits- als auch während der Stromwendephase. Es kann sich dabei um einphasige, aber auch um vielphasige Schaltungen handeln. Der Wechselrichter reicht diese Spannung U _d weiter an den nachgeschalteten Energiewandler. Die am Wechselrichter und an der gespeisten Last auftretenden Spannungen sowie der Laststrom sind schematisch in Bild 2 wiedergegeben. Aus Gründen einer einfachen Darstellung wurde eine einphasige, nahezu induktive Last vorausgesetzt. Die Gleichspannung U _d1 wird vom Wechselrichter in eine rechteckförmige Wechselspannung u _L (Bild 2b) umgeformt. Diese Wechselspannung u _L erzeugt in der Last einen trapezförmigen Wechselstrom i _L (Bild 2c). Die Zeit, die vergeht, bis der gesamte Laststrom seine Richtung gewechselt hat, wird als Stromwende- oder Kommutierungszeit T _k1 bezeichnet. Vorausgesetzt wurde bei den Darstellungen in den Bildern 2 und 3, daß die Stromamplitude durch Wechselrichtertaktung konstant gehalten werden kann. Die Pulsung ist durch die strichpunktierten Linien angedeutet. Ein stellbarer Wert des Laststromes, der innerhalb der Arbeitsphase konstant ist, kann aber auch dadurch erreicht werden, daß die Spannung U _d1 z. B. mit Hilfe des Gleichrichters G geregelt wird. Diese Strombeeinflussung vor dem Glättungsglied des Zwischenkreises hat gegenüber dem Pulsbetrieb des Wechselrichters für den nachgeschalteten Energiewandler Vorteile. Hierbei sind vor allem der Wegfall der durch die Stromschwankungen (Welligkeit) verursachten Zusatzverluste zu nennen. Im Wechselrichter treten nun reduzierte Schaltverluste auf, so daß sich eine günstigere Bemessung ergibt.

Mit der Ergänzungsschaltung H nach Bild 1 läßt sich die Spannung U _d über das Spannungsniveau U _d1 hinaus auf U _d2 anheben. Diese Anhebung kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt erfolgen. Gesteuert wird der Zeitaugenblick der Anhebung und die Dauer des überhöhten Spannungsbereichs durch die Steuerschaltung S, siehe Bild 1. Bild 3 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Wechselrichtereingangsspannung U _d (Bild 3b) und des sich einstellenden Laststromes i _L (Bild 3c), wenn die Spannung U _d , gesteuert über S und gebildet über H, nur während der Stromwendephase auf U _d2 angehoben wird. Die erhöhte Spannung U _d2 wird entweder aus der Spannung U _d1 über die Verbindung 2 oder aber aus einer anderen Spannung über die direkte Verbindung 1 von G (Bild 1) gewonnen. Handelt es sich bei U _d1 z. B. um eine in der Höhe geregelte Spannung, so ist es sicherlich günstiger, U _d2 über die Verbindung 1 zu erzeugen. Ist U _d1 jedoch konstant, so spricht nichts dagegen, U _d2 aus U _d1 abzuleiten.

Das Gerät H kann so konzipiert sein, daß U _d2 unabhängig vom Betriebspunkt (Belastung) der Anlage ist. Es ist jedoch ebenso möglich, die Höhe von U _d2 in Abhängigkeit von der Wechselrichterbelastung zu regeln.

Wie der Vergleich von Bild 2 und Bild 3 zeigt, wird die Stromwendedauer durch die angehobene Kommutierungsspannung verkürzt. Bei gleichen Lastbedingungen und U _d2 = 2 U _d1 ist z. B. die Kommutierungszeit T _k2 nur halb so lang wie die Kommutierungszeit T _k1.

Der angebotenen Spannung U _d2 kann in Abhängigkeit von der Zeit auch eine Form derart gegeben werden, daß bei vorliegenden Schaltzeiten der Wechselrichterhalbleiter nicht eine lineare Kommutierung (von der negativen Amplitude des Laststromes zur positiven Amplitude) erfolgt, sondern daß eine unterbrochene Kommutierung stattfindet. Dann wird der Laststrom innerhalb der Kommutierungsdauer bereichsweise den Wert Null annehmen.

Es wurde schon erwähnt, daß die Möglichkeit besteht, die Ausgangsspannung der Boosterschaltung H zu regeln. Denkbar ist es aber auch, mehrere Boosterschaltungen vorzusehen, deren jede für sich eine konstante Spannung bereitstellt, wobei sich aber die bereitgestellten Spannungsamplituden unterscheiden. Über diese Ergänzungsschaltungen mit ihrem Steuerblock S sind dann auch treppenförmige Spannungsverläufe von U _d erzeugbar. Eine Schaltungsvereinfachung ergibt sich, wenn z. B. nur der Aufkommutierungsvorgang beschleunigt wird, die Abkommutierung jedoch in nicht- beschleunigter Form stattfindet oder umgekehrt.

Beschreibung eines Schaltungsbeispiels

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Schaltungsbeispiels, in dem sowohl in der Boosterschaltung als auch im Pulsumrichter als Schalter GTO-Thyristoren und Dioden verwendet werden, im Detail erläutert.

Das Bild 4 zeigt eine Gleichspannungsquelle G mit fester Ausgangsspannung. Aus der Gleichspannung U _G wird über einen Schalter Sch und den Zwischenkreis ZW, eine geregelte Gleichspannung U _d1 am Zwischenkreiskondensator gewonnen. Sie ist kleiner oder maximal gleich U _G ; der Schalter Sch wirkt als Tiefsetzsteller. Die Spannung U _d1 liegt in der Arbeitsphase am Wechselrichter WR und an der Last E. An letzterer tritt sie als Folge der Umschaltungen im WR als Wechselspannung auf.

Die Boosterschaltung H wird im Beispiel ebenfalls von der Gleichspannung U _G gespeist. Sie erzeugt über den Hochsetzsteller, der aus den Elementen HL, HT 1, HD 2 und HC besteht, eine Spannung U _d2 am Kondensator HC, die wie U _d1 geregelt sein kann. Sie ist damit unabhängig von U _d1 und größer oder gleich der Spannung U _G . Damit ist sie auch größer als die Spannung U _d1. Die Spannungen U _d2 und U _d1 werden durch die Diode HD 1 entkoppelt.

Zu Beginn der Stromwendungsphase in E werden alle GTO- Thyristoren im Wechselricher WR gesperrt. Der Strangstrom i _L muß wegen der induktiven Lastanteile jedoch stetig weiterfließen. Dies ist nur möglich, wenn gleichzeitig mit dem Sperren der GTO-Thyristoren im Wechselrichter WR die für die Stromübernahme geeigneten Dioden leitend werden. Der Strom i _d , der vor der Stromwendephase vom Kondensator ZC mit der Spannung U _d1 geliefert wurde, muß seine Richtung sprunghaft verändern und fließt jetzt aus dem Wechselrichter heraus. Der Weg über ZC aber wird durch die Entkopplungsdiode HD 1 versperrt. Der Strom i _d kann sich jedoch über die Diode HD 3 gegen die angehobene Spannung U _d2 abbauen. Somit wird auch der Laststrom i _L abkommutiert. Nach dem Nulldurchgang kann sich ein jetzt negativer Laststrom i _L , der einen positiven Strom i _d und außerdem die Zündung der nun für die Stromführung vorgesehenen GTO- Thyristoren voraussetzt, sofort über die Elemente ZC und HD 1 aufbauen. Dies jedoch würde bedeuten, daß die Aufkommutierung des Laststromes mit einer kleineren Steigung als die Abkommutierung erfolgt, da als Kommutierungsspannung nur U _d1 wirksam ist.

Ebenso wie die Abkommutierung des Stromes i _L durch die Spannung U _d2 beschleunigt wurde, ist es auch machbar, die Aufkommutierung zu beschleunigen. Dazu ist erforderlich, daß gleichzeitig mit dem Stromnulldurchgang von i _L der Schalter HD 2 leitend wird. Damit ist U _d2 die für die Aufkommutierung maßgebende Spannung. Der GTO-Thyristor HT 2 wird wieder gesperrt, wenn i _L die gewünschte Höhe erreicht hat. Die Stromwendephase ist beendet und der Strom i _d fließt während der Arbeitsphase wieder über den Kondensator ZC und die Diode HD 1, d. h. die Spannung U _d1 liegt am Wechselrichter WR.

Weiter läßt Bild 4 erkennen, daß die Kommutierungsenergie in der Form der Ladeströme an den Kondensator HC geliefert wird. Dies erfolgt innerhalb der Arbeitsphase über die einen Schwingkreis bildenden Elemente HL und HC so, daß annähernd sinusförmige Halbperioden (eines Wechselstromes) auftreten. Die Bemessung der Schwingkreiselemente bestimmt dabei die Periodendauer der Ladestromschwingung. Dem in der kurzen Kommutierungsphase T _k2 erfolgenden Entladungsvorgang steht ein Ladevorgang gegenüber, der sich über den wesentlich größeren Zeitraum der Arbeitsphase erstrecken kann. Entsprechend verringert sich die den Zwischenkreis belastende Strom- bzw. Leistungsspitze. Die Kommutierungsschaltung läßt folglich außer der Kommutierungsbeschleunigung eine Blindleistungsreduktion zu. Dies gilt im Vergleich zu allen Schaltungen, bei denen die Zwischenkreisspannung unmittelbar im Kommutierungsintervall wirksam ist. Die Heranziehung eines Kondensators als Energiespeicher ermöglicht über die zeitliche Trennung von Ladung und Entladung auch eine Stromtransformation, die zur Reduktion der Spitzenleistung im Zwischenkreis führt.

Claims (8)

1. Elektrische Schaltung zur Umkehr des Stromes in induktivitätsbehafteten Stromzweigen (Wicklungen elektrischer Maschinen), wobei mehrere dieser Stromzweige, die mit Halbleiterschaltern bestückt sind und parallel angeordnet sein können und zeitlich gleichartig oder gestaffelt (phasenversetzt) an Spannung gelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von zusätzlichen Schaltelementen der Leistungselektronik und einem Kondensator, der mit einer Induktivität einen Schwingkreis bildet, am Kondensator eine Spannung aufgebaut wird, die über Schaltelemente zeitweise zur Stromumkehr an den Lastkreis gelegt werden kann.

2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Kondensator größer ist als die Eingangsspannung der Schaltung.

3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsspannung für den Ladekreis des Kondensators die Zwischenkreisspannung nach dem Glättungsglied eines über den Spannungszwischenkreis gespeisten Wechselrichters verwendet wird.

4. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsspannung zur Ladung des Kondensators eine konstante Spannung Verwendung findet.

5. Elektrische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreisspannung für den nachgeschalteten Wechselrichter lastabhängig geregelt wird.

6. Elektrische Schaltung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Spannung, auf die der Kommutierungskondensator aufgeladen wird, lastabhängig geregelt wird.

7. Elektrische Schaltung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schaltungen zur Erzeugung von Kommutierungsspannungen im Zusammenwirken mit einem Wechselrichter verwendet werden.

8. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren auf unterschiedliche Spannungen aufgeladen werden.