DE3612343C2

DE3612343C2 -

Info

Publication number: DE3612343C2
Application number: DE19863612343
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof. Dr.-Ing. Weh; Juergen Dr.-Ing. 3300 Braunschweig De Poschadel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1986-04-11
Publication date: 1992-04-02
Also published as: DE3612343A1

Description

Die Anmeldung betrifft eine Kommutierungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine Schaltung, die einem ähnlichen Ziel dient, ist aus der DE-PS 32 36 502 bekannt. Zum Betrieb von elektrischen Maschinen werden sowohl weit gehend sinusförmige oder aber auch annähernd rechteckför mige Stromformen (in Abhängigkeit von der Zeit) eingesetzt. 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 Energie wandlers erhöht wird.

Wird eine kurze Kommutierungszeit gegenüber der Grund periode 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 Zwi schenkreises.

Bei der hier vorliegenden Aufgabenstellung werden Indukti vität und Größe der Stromamplitude als gegeben angesehen und Schaltungsvarianten beschrieben, die eine Verkleinerung der Kommutierungszeit ermöglichen. Die Erhöhung der Be lastung des Zwischenkreises kann dabei vermieden werden. Der angestrebten Verlängerung der Arbeitsphase kommt beson ders dann Bedeutung zu, wenn die Frequenz der Grundschwin gung verhältnismäßig hoch ist. Zur Verkürzung des Kommutie rungsvorganges wird eine vom Zwischenkreis unabhängige Spannung aufbereitet, die nur während des Kommutierungs vorganges wirksam ist. Es besteht somit die Möglichkeit, in der Arbeitsphase den Wandler mit der für die Energieum formung 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, Aufgabe

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 Synchron maschine als auch auf das Reluktanzkonzept der Synchron maschine zu. Die Fortschritte auf dem Gebiet der Magnet werkstoffe 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 zeit lich nahezu gleichbleibende und räumlich effiziente Wech selwirkung zwischen magnetischem Feld und den elektrischen Strömen herbeiführen. Die Kraftbildung erfolgt ähnlich je ner der Gleichstrommaschine besonders phasengünstig. Diese Zuordnung gelingt, wenn die vielsträngige Maschine über einen Wechselrichter gespeist wird, der eine zyklische Kom mutierung 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 Stromwende schalter) mit einer kleineren Zahl von schaltbaren Strängen pro Pol ausgerüstet ist, kann eine Abweichung von den idealen Bedingungen nicht vermieden werden. Diese Abwei chung 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 je doch der nutzbare Kraftmittelwert, so ist dies bei konstan ter Gesamtkraft gleichbedeutend mit einem vergrößerten Ankerstrom. Dies soll jedoch vermieden werden.

Die Dauer der Stromkommutierung hängt, wie bei den Maschi nen 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 ana loge Maßnahme, wie etwa eine Verschiebung der Pollagegeber bzw. eine zeitliche Beeinflussung der Schaltbefehle, weit gehend 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 Kommutie rungsspannung besonders dringend. Zur Erreichung der ange strebten Maschineneigenschaften erweist sich dieses Hilfs mittel als außerordentlich wirksam. Es dient dem Ziel, die Eigenschaften der Energiewandlung zu verbessern. Dieses Ziel wird hier dadurch erreicht, daß dem Pulsum richter mit Hilfe einer Schaltungsergänzung eine Strom wendespannung 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 Kommutierungsspan nung als die Zwischenkreisspannung vorzusehen. Die Ver lagerung der Spannungserzeugung (für die Kommutierung) in einen Hilfskreis der Schaltung ergibt die Möglichkeit, die Blindleistung für die Kommutierung vom Zwischenkreis weit gehend fernzuhalten.

Mit der DE-OS 32 36 502 ist eine Schaltung bekannt, die für einen mit nichtabschaltbaren Ventilen aufgebauten Wechsel richter eine lastunabhängige Nachladespannung für den Kom mutierungskondensator bereitstellt. Dort wird hierzu ein separater Gleichrichter verwendet. Die Merkmale 1.1, 1.3, 2, 3 und 4 des Schutzanspruchs 1 lassen sich daraus dem Wortlaut nach entnehmen wogegen 3.1 und 4.1 nicht entnehmbar sind. Dabei wird aber in DE-OS 32 36 502 der Be griff Kommutierung in anderem Sinne verwendet.

Die Aufgabe besteht nun darin, für Wechselrichter mit ab schaltbaren Leistungsschaltern eine Kommutierungsschaltung zu schaffen, die eine Beschleunigung der Stromwendung an der angeschlossenen Last und eine weitgehende Vermeidung des Lasteinflusses ohne Anwendung einer zusätzlichen Induk tivität ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 7 haben zweckmäßige Weiterbildungen zum Gegenstand. Die Bilddarstellungen 1 bis 4 dienen der weiteren Erläuterung des Erfindungsgedankens.

Boosterschaltung für das Kommutierungsintervall

Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung ist eine Schal tungsanordnung, 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 fol genden anhand von schematischen Darstellungen näher er läutert.

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 ge steuerte 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 sche matisch in Bild 2 wiedergegeben. Aus Gründen einer ein fachen Darstellung wurde eine einphasige, nahezu induktive Last vorausgesetzt. Die Gleichspannung U_d1 wird vom Wech selrichter 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 ge wechselt 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 Ar beitsphase konstant ist, kann aber auch dadurch erreicht werden, daß die Spannung U_d1 z. B. mit Hilfe des Gleich richters G geregelt wird. Diese Strombeeinflussung vor dem Glättungsglied des Zwischenkreises hat gegenüber dem Puls betrieb des Wechselrichters für den nachgeschalteten Ener giewandler Vorteile. Hierbei sind vor allem der Wegfall der durch die Stromschwankungen (Welligkeit) verursachten Zu satzverluste zu nennen. Im Wechselrichter treten nun redu zierte Schaltverluste auf, so daß sich eine günstigere Be messung ergibt.

Mit der Ergänzungsschaltung H nach Bild 1 läßt sich die Spannung U_d über das Spannungsniveau U_d1 hinaus auf U_d2 an heben. 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 prinzi piellen 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 Ver bindung 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 vorlie genden Schaltzeiten der Wechselrichterhalbleiter nicht eine lineare Kommutierung (von der negativen Amplitude des Last stromes zur positiven Amplitude) erfolgt, sondern daß eine unterbrochene Kommutierung stattfindet. Dies kann z. B. durch eine verzögerte Zündung des Schalters HT2 erreicht werden. Der Laststrom nimmt dann innerhalb der Kommutie rungsdauer bereichsweise den Wert Null an (nicht gezeich net).

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 Spannungs verläufe von U_d erzeugbar. Eine Schaltungsvereinfachung er gibt sich, wenn z. B. nur der Aufkommutierungsvorgang be schleunigt wird, die Abkommutierung jedoch in nicht beschleunigter Form stattfindet oder umgekehrt.

Beschreibung eines Schaltungsbeispiels

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Schaltungs beispiels, 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 Hochsetz steller, der aus den Elementen HL, HT1, HD2 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 HD1 entkoppelt.

Zu Beginn der Stromwendungsphase in E werden alle GTO- Thyristoren im Wechselrichter 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 Wechsel richter heraus. Der Weg über ZC aber wird durch die Entkopplungsdiode HD1 versperrt. Der Strom i_d kann sich jedoch über die Diode HD3 gegen die angehobene Spannung U_d2 abbauen. Somit wird auch der Laststrom i_L abkommutiert.

Nach dem Nulldurchgang kann sich ein jetzt negativer Last strom 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 HD1 aufbauen. Dies jedoch würde bedeuten, daß die Aufkommu tierung 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 HT2 leitend wird. Damit ist U_d2 die für die Auf kommutierung maßgebende Spannung. Der GTO-Thyristor HT2 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 HD1, d. h. die Spannung U_d1 liegt am Wech selrichter 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 an nähernd 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 wesent lich größeren Zeitraum der Arbeitsphase erstrecken kann. Entsprechend verringert sich die den Zwischenkreis be lastende Strom- bzw. Leistungsspitze. Die Kommutierungs schaltung läßt folglich außer der Kommutierungsbeschleuni gung eine Blindleistungsreduktion zu. Dies gilt im Ver gleich zu allen Schaltungen, bei denen die Zwischenkreis spannung unmmittelbar im Kommutierungsintervall wirksam ist. Die Heranziehung eines Kondensators als Energie speicher ermöglicht über die zeitliche Trennung von Ladung und Entladung auch eine Stromtransformation, die zur Reduk tion der Spitzenleistung im Zwischenkreis führt.

Claims

1. Kommutierungsschaltung für einen Wechselrichter mit

1.1 eingeprägter Zwischenkreisspannung,
1.2 abschaltbaren Schaltern (z. B. GTO) und
1.3 Rückstromdioden,
2. mit einem induktiven Verbraucher,
3. mit einem Kommutierungskondensator im Zwischenkreis, der durch einen Ladekreis auf eine steuerbare, über der Zwischenkreisspannung liegende Spannung aufgeladen wird, wobei
3.1 die Spannung am Kommutierungskondensator bei Kommutie rungsbeginn und die Spannung am Zwischenkreiskonden sator die gleiche Polarität haben, und
4. mit einer Schaltung, die den Kommutierungskondensator während der Kommutierungsintervalle mit dem Wechsel richter verbindet und so einen Schwingkreis aufbaut, der
4.1 aus dem Kommutierungskondensator und der Lastinduktivi tät besteht.

2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Speisespannung für den Ladekreis des Kommu tierungskondensators die Zwischenkreisspannung nach dem Glättungsglied eines über den Spannungszwischenkreis gespeisten Wechselrichters verwendet wird.

3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreisspannung für den nachgeschalteten Wechselrichter lastabhängig gesteuert wird.

4. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Spannung, auf die der Kommutierungs kondensator aufgeladen wird, lastabhängig gesteuert wird.

5. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kommutierungskondensatoren im Zusammenwirken mit einem Wechselrichter verwendet werden.

6. Elektrische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungskondensatoren auf unterschiedliche Spannungen aufgeladen werden.

7. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kommutierungsphasen der Strom auf konstante Größe geregelt wird.