DE3717488A1 - Turn-off limiting network for inverters with GTO thyristors - Google Patents
Turn-off limiting network for inverters with GTO thyristorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ausschalt-Entla stungsnetzwerk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a switch-off discharge power network for inverters with GTO thyristors according to the preamble of claim 1.
Ein solches Ausschalt-Entlastungsnetzwerk für Wechsel richter mit GTO-Thyristoren ist aus der DE-OS 35 18 478 bekannt.Such a switch-off relief network for changes richter with GTO thyristors is from DE-OS 35 18 478 known.
Ausschalt-Entlastungsnetzwerke begrenzen allgemein die Steilheit der wiederkehrenden Spannung nach dem Aus schalten eines GTO-Thyristors oder Leistungstransistors. Bei einer gebräuchlichen Schaltung ist dem GTO-Thyristor die Serienschaltung einer Diode und eines Kondensators parallelgeschaltet, wobei ein Widerstand parallel zur Diode liegt (RCD-Schaltung). Nach dem Sperren des GTO- Thyristors kommutiert dessen Laststrom auf den Nebenweg Diode-Kondensator und lädt den Kondensator zeitlinear auf. Auf diese Weise wird die Anstiegssteilheit der Spannung am GTO-Thyristor begrenzt. Wird der GTO-Thyri stor danach wieder eingeschaltet, so entlädt sich der Kondensator über den Widerstand, wobei sein Energiein halt vollständig in Verlustwärme umgewandelt wird. Diese Verluste sind ein wesentlicher Teil der gesamten Verlu ste eines GTO-Wechselrichters.Shutdown relief networks generally limit the Steepness of the recurrent tension after the end switch a GTO thyristor or power transistor. A common circuit is the GTO thyristor the series connection of a diode and a capacitor connected in parallel, with a resistor parallel to the Diode is connected (RCD circuit). After locking the GTO Thyristors commutates its load current on the bypass Diode capacitor and charges the capacitor linearly on. In this way, the slope of the Voltage on the GTO thyristor limited. Will the GTO Thyri then switched on again, the battery discharges Capacitor across the resistor, its energyin is completely converted into heat loss. These Losses are an integral part of the total loss of a GTO inverter.
Aus der DE-OS 35 18 478 ist eine Schaltung bekannt, bei der die Energie des Kondensators in den Zwischenkreis des Umrichters, d.h. in die Gleichspannungsquelle, über einen Transformator zurückgespeist wird, um Verluste zu vermeiden. Für die Erläuterung der Funktionsweise der bekannten Schaltung wird von folgendem Ausgangszustand ausgegangen:A circuit is known from DE-OS 35 18 478, at which is the energy of the capacitor in the intermediate circuit of the converter, i.e. into the DC voltage source, over a transformer is fed back to losses avoid. For an explanation of how the known circuit is from the following initial state went out:
Beide GTO-Thyristoren sind gesperrt, der Kondensator parallel zum ersten GTO-Thyristor ist auf eine Spannung größer als die Spannung der Gleichspannungsquelle aufge laden, der Kondensator parallel zum zweiten GTO-Thyri stor ist ungeladen, der Transformator ist stromlos. Beim Einschalten des ersten GTO-Thyristors wird zunächst der zu diesem Thyristor parallele Kondensator über den Transformator und die Dioden entladen, wobei der gesamte Energieinhalt des Kondensators über den Transformator und den sekundärseitig vorgesehenen Gleichrichter in den Zwischenkreis zurückgespeist wird, mit Ausnahme eines kleinen Restes, der im Hauptfeld des Transformators ge speichert ist. Dieser durch das Hauptfeld des Transfor mators verursachte Magnetisierungsstrom wird jedoch nur sehr langsam durch parasitäre Spannungsabfälle abgebaut. In der Praxis beginnt daher häufig der nächste Rückspei sezyklus bereits, bevor der Transformator restlos abma gnetisiert ist. Das führt nach wenigen Rückspeisungen zur Sättigung des Transformators, wodurch die Funktion der Schaltung zusammenbricht. Zur schnelleren Abmagneti sierung des Transformators wird in der DE-OS 35 18 478 vorgeschlagen, die direkt am Transformator liegende Di ode durch einen GTO-Thyristor zu ersetzen. Durch Ab schalten dieses GTO-Thyristors wird der Magnetisierungs strom einfach unterbrochen. Der Transformator magneti siert sich dann über seine Sekundärwicklung schnell ge gen die Zwischenkreisspannung ab. Die Ansteuerung des GTO-Thyristors inklusive der notwendigen Leittechnik ist jedoch sehr aufwendig und schwierig zu betreiben und birgt zusätzliche Risiken bezüglich der Zuverlässigkeit. Desweiteren benötigt der zusätzliche GTO-Thyristor selbst auch eine Entlastungsschaltung, was den Aufwand ncch erhöht.Both GTO thyristors are blocked, the capacitor parallel to the first GTO thyristor is on a voltage greater than the voltage of the DC voltage source charge, the capacitor parallel to the second GTO Thyri stor is uncharged, the transformer is de-energized. At the Switching on the first GTO thyristor is first the capacitor parallel to this thyristor via the Transformer and the diodes discharged, the whole Energy content of the capacitor via the transformer and the rectifier provided on the secondary side in the DC link is fed back, with the exception of one small remainder, which ge in the main field of the transformer stores. This through the main field of the Transfor mators caused magnetizing current, however, only degraded very slowly due to parasitic voltage drops. In practice, therefore, the next feedback often begins cycle before the transformer is completely is gnetized. This leads to a few feedback to saturate the transformer, causing the function the circuit breaks down. For faster demagnetization sation of the transformer is in DE-OS 35 18 478 proposed that the Di directly lying on the transformer ode to be replaced by a GTO thyristor. By Ab turn this GTO thyristor is the magnetization electricity simply interrupted. The transformer magneti then quickly settles via its secondary winding against the DC link voltage. The control of the GTO thyristors including the necessary control technology however very complex and difficult to operate and carries additional reliability risks. The additional GTO thyristor is also required even a relief circuit, which is the effort ncch increased.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun de, ein praxistaugliches Ausschalt-Entlastungsnetzwerk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren der eingangs ge nannten Art anzugeben, das eine schnelle Abmagnetisie rung des zur Energierückspeisung eingesetzten Transfor mators ohne den Einsatz gesteuerter Bauelemente gewähr leistet.On this basis, the invention is based on the object de, a practical switch-off relief network for inverters with GTO thyristors of the beginning named type to indicate that a quick demagnetization Transfor used for energy recovery mators without the use of controlled components accomplishes.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is done in conjunction with the characteristics of the Preamble according to the invention by the in the mark of the specified features solved.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins besondere darin, daß das Ausschalt-Entlastungsnetzwerk wesentlich elastischer gegenüber wechselnden Betriebsbe dingungen ist als andere übliche Schaltungen. Es ist auch für Stromrichter in Brückenschaltungen geeignet. Die Zwischenkreisspannung kann fest oder variabel (z.B. bei Einsatz in Dieselloks) sein. Das Ausschalt-Entla stungsnetzwerk ist durchzündungsfest, verlustarm, ein fach aufgebaut und benötigt keine zusätzlichen gesteuer ten Hilfselemente.The advantages that can be achieved with the invention are special in that the off-discharge network much more elastic compared to changing operating conditions conditions than other common circuits. It is also suitable for converters in bridge circuits. The DC link voltage can be fixed or variable (e.g. when used in diesel locomotives). The switch-off discharge power network is resistant to ignition, low loss, one built up and requires no additional tax auxiliary elements.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.The invention is based on the in the drawing illustrated embodiments explained.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 das verlustarme Ausschalt-Entlastungsnetzwerk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren, Fig. 1, the low-loss turn-off snubber circuit for inverters with GTO thyristors,
Fig. 2 eine Variante zur Schaltung gemäß Fig. 1, Fig. 2 shows a variant of the circuit according to Fig. 1,
Fig. 3 wichtige Strom- und Spannungsverläufe. Fig. 3 important current and voltage profiles.
In Fig. 1 ist das verlustarme Ausschalt-Entlastungsnetz werk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren dargestellt. An dem Pluspol P einer Gleichspannungsquelle ist ein erster GTO-Thyristor T 1 (Gate-turn-off-Thyristor) mit seiner Anode angeschlossen. Eine Diode D 1 liegt antipa rallel zu T 1. Die Serienschaltung eines Kondensators C 1 und einer Diode D 11 ist ebenfalls parallel zu T 1 ange ordnet. Die Kathode von T 1, die Anode von D 1 und die Kathode von D 11 sind miteinander verbunden.In Fig. 1, the low-loss switch-off network for inverters with GTO thyristors is shown. A first GTO thyristor T 1 (gate turn-off thyristor) with its anode is connected to the positive pole P of a DC voltage source. A diode D 1 is antipa parallel to T 1 . The series connection of a capacitor C 1 and a diode D 11 is also arranged in parallel with T 1 . The cathode of T 1 , the anode of D 1 and the cathode of D 11 are interconnected.
An den Minuspol N der Gleichspannungsquelle ist ein zweiter GTO-Thyristor T 2 mit seiner Kathode angeschlos sen. Eine Diode D 2 liegt antiparallel zu T 2. Die Serien schaltung eines Kondensators C 2 und einer Diode D 12 ist ebenfalls parallel zu T 2 angeordnet. Die Anode von T 2, die Kathode von D 2 und die Anode von D 12 sind miteinan der verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt T 2/ D 2/ D 12 ist zum gemeinsamen Verbindungspunkt T 1/ D 1/ D 11 geführt. Der Ausgang A des Wechselrichters ist an diese Verbin dungspunkte angeschlossen.At the negative pole N of the DC voltage source, a second GTO thyristor T 2 is ruled out with its cathode. A diode D 2 is antiparallel to T 2 . The series circuit of a capacitor C 2 and a diode D 12 is also arranged in parallel with T 2 . The anode of T 2 , the cathode of D 2 and the anode of D 12 are connected to each other. The common connection point T 2 / D 2 / D 12 leads to the common connection point T 1 / D 1 / D 11 . Output A of the inverter is connected to these connection points.
An den Verbindungspunkt von C 1/D 11 ist die erste Klemme der Primärwicklung eines Transformators L 3 angeschlos sen. Die zweite Klemme von L 3 führt über eine Parallel schaltung eines Kondensators C 3 mit einem Widerstand R 3 und über eine Diode D 3 zum Verbindungspunkt von C 2/D 12. At the connection point of C 1 / D 11 , the first terminal of the primary winding of a transformer L 3 is ruled out. The second terminal of L 3 leads via a parallel connection of a capacitor C 3 with a resistor R 3 and via a diode D 3 to the connection point of C 2 / D 12 .
Die Sekundärwicklung von L 3 liegt einerseits am Minuspol N, andererseits über einer Diode D 4 am Pluspol P der Gleichspannungsquelle.The secondary winding of L 3 is on the one hand at the negative pole N , on the other hand via a diode D 4 at the positive pole P of the DC voltage source.
Die Spannungen an den Kondensatoren C 1 bzw. C 2 bzw. C 3 sind mit U C 1 bzw. U C 2 bzw. U C 3 bezeichnet. Der Strom durch die Primärwicklung von L 3 beträgt i L 3. Die an der Primärwicklung des Transformators L 3 eingekoppelte transformatorische Gleichspannung ist mit U L 3 bezeich net.The voltages across the capacitors C 1 and C 2 and C 3 are designated U C 1 and U C 2 and U C 3 , respectively. The current through the primary winding of L 3 is i L 3 . The DC voltage coupled into the primary winding of the transformer L 3 is denoted by U L 3 .
In Fig. 2 ist eine Variante zur Schaltung gemäß Fig. 1 dargestellt. Zwischen den Verbindungspunkten T 1/ D 1/ D 11 und T 2/ D 2/ D 12 sind dabei Schutzdrosseln L 1/2 angeordnet. Der Ausgang A des Wechselrichters liegt zwischen beiden Schutzdrosseln bzw. am Mittelabgriff einer gemeinsamen Schutzdrossel. FIG. 2 shows a variant of the circuit according to FIG. 1. Protective chokes L 1/2 are arranged between the connection points T 1 / D 1 / D 11 and T 2 / D 2 / D 12 . Output A of the inverter is between the two protective chokes or at the center tap of a common protective choke.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der verlustarmen Ausschaltentlastung für Wechselrichter mit GTO-Thyristo ren beschrieben. Es wird dabei von einem Zustand ausge gangen, bei dem die Spannungen U C 1 und U C 3 Null sind, d.h. die Kondensatoren C 1 und C 3 sind entladen. Der Kon densator C 2 ist dagegen mindestens auf die eingangssei tig anliegende Gleichspannung aufgeladen. Die beiden GTO-Thyristoren T 1 und T 2 sperren.The function of the low-loss switch-off relief for inverters with GTO thyristors is described below. It is assumed that the voltages U C 1 and U C 3 are zero, ie the capacitors C 1 and C 3 are discharged. The capacitor C 2 , however, is charged at least to the DC voltage applied on the input side. Block the two GTO thyristors T 1 and T 2 .
Durch Zündung von T 2 wird der Stromkreis C 2-D 3-C 3||R 3 - Primärwicklung von L 3-D 11-T 2 geschlossen. Der zeitliche Verlauf des in diesem Abschnitt I fließenden Stromes i L 3 ist in Fig. 3 gezeigt. Die sich ausbildende Schwingung entlädt den Kondensator C 2, d.h. die Spannung U C 2 sinkt. Gleichzeitig steigt die Spannung U C 3, d.h. der Kondensa tor C 3 wird aufgeladen. By igniting T 2 , the circuit C 2 - D 3 - C 3 || R 3 - primary winding of L 3 - D 11 - T 2 closed. The time course of the current i L 3 flowing in this section I is shown in FIG. 3. The oscillation that forms discharges the capacitor C 2 , ie the voltage U C 2 drops. At the same time, the voltage U C 3 rises, ie the capacitor C 3 is charged.
Da die Zeitkonstante R 3×C 3 wesentlich größer ist als die Periodendauer der Schwingung, kann der Widerstand R 3 im Abschnitt I außer Betracht bleiben. Den Stromverlauf bestimmen die Reihenkapazitäten aus C 2 und C 3, die Streuinduktivität des Transformators L 3 und die trans formatorisch eingekoppelte Gleichspannung. Diese Gleich spannung muß kleiner sein als die halbe Anfangsspannung des Kondensators C 2, sonst wird dieser nicht vollständig entladen.Since the time constant R 3 × C 3 is significantly larger than the period of the oscillation, the resistance R 3 in section I can be disregarded. The current capacities are determined by the series capacitances from C 2 and C 3 , the leakage inductance of the transformer L 3 and the DC voltage coupled into the transformer. This DC voltage must be less than half the initial voltage of the capacitor C 2 , otherwise it will not be fully discharged.
Sobald der Kondensator C 2 entladen ist (U C 2=0), wird die Diode D 12 in einem Abschnitt II leitend. Der durch die Induktivität von L 3 weiter getriebene Strom i L 3 fließt jetzt im geschlossenen Stromkreis Primärwicklung von L 3-D 11-D 12-D 3-C 3||R 3 (R 3 weiterhin vernachlässig bar). Dies ist wiederum ein Schwingkreis aus der indu zierten Gleichspannung U L 3, der Streuinduktivität von L 3 und der Kapazität C 3. Im Abschnitt II magnetisiert sich die Streuinduktivität gegen die transformatorische Span nung und die Spannung des Kondensators C 3 ab, bis ihr Strom auf den Wert des Magnetisierungsstromes von L 3 gefallen ist.As soon as the capacitor C 2 is discharged ( U C 2 = 0), the diode D 12 becomes conductive in a section II. The current i L 3 driven further by the inductance of L 3 now flows in the closed circuit primary winding of L 3 - D 11 - D 12 - D 3 - C 3 || R 3 ( R 3 still negligible cash). This is in turn a resonant circuit made up of the induced DC voltage U L 3 , the leakage inductance of L 3 and the capacitance C 3 . In section II, the leakage inductance magnetizes itself against the transformer voltage and the voltage of the capacitor C 3 until its current has dropped to the value of the magnetizing current of L 3 .
Danach verschwindet in einem Abschnitt III die transfor matorische Spannung U L 3 und die Hauptinduktivität des Transformators L 3 wird für den weiteren Stromverlauf bestimmend. Der Magnetisierungsstrom i L 3 baut sich nun in einem relativ langsamen, durch den Widerstand 3 stark gedämpften Schwingungsvorgang gegen die Spannung U C 3 des Kondensators C 3 ab. Der Kondensator C 3 stellt die zur kontrollierten Abmagnetisierung des Transformators L 3 erforderliche Spannung U C 3 zur Verfügung. Dies ist seine eigentliche Aufgabe. Thereafter, the transformer voltage U L 3 disappears in a section III and the main inductance of the transformer L 3 becomes decisive for the further course of the current. The magnetizing current i L 3 is now reduced in a relatively slow oscillation process against the voltage U C 3 of the capacitor C 3, which is strongly damped by the resistor 3 . The capacitor C 3 provides the voltage U C 3 required for the controlled demagnetization of the transformer L 3 . That is his real job.
Sobald der durch die Primärwicklung des Transformators L 3 fließende Strom i L 3 durch Null geht, sperrt die Diode D 3 in einem Abschnitt IV. Nun entlädt sich nur noch der Kondensator C 3 über den Widerstand R 3 bis auf Null.As soon as the current flowing through the primary winding of the transformer L 3 current i L 3 passes through zero, the diode D 3, only blocks in a section IV. Now discharges the capacitor C 3 through the resistor R 3 to zero.
Während der Abschnitte I und II wird Energie aus dem Kondensator C 2 über die transformatorische Kopplung in die Gleichspannungsquelle (Zwischenkreis) zurückge speist. Die während des gesamten Prozesses dem RC-Glied C 3/ R 3 zugeführte Energie wird dagegen im Widerstand R 3 in Wärme umgesetzt. Damit dieser Verlustanteil klein bleibt, sollte der Kondensator C 3 eine große Kapazität aufweisen. Ein Kondensator C 3 mit zu großer Kapazität verlängert jedoch andererseits die Abmagnetisierungs zeit. Ein guter Kompromiß ist C 3≈10....30 C 2. R 3 muß so gewählt werden, daß die Zeitkonstante C 3×R 3 größer ist als die Zeitkonstante L 3/ R 3. Hier ist etwa ein Fak tor 2 sinnvoll.During sections I and II, energy is fed back from capacitor C 2 via the transformer coupling into the DC voltage source (intermediate circuit). The energy supplied to the RC element C 3 / R 3 during the entire process, on the other hand, is converted into heat in the resistor R 3 . So that this loss portion remains small, the capacitor C 3 should have a large capacitance. A capacitor C 3 with too large capacitance, on the other hand, extends the demagnetization time. A good compromise is C 3 ≈10 .... 30 C 2 . R 3 must be selected so that the time constant C 3 × R 3 is greater than the time constant L 3 / R 3 . A factor 2 is useful here.
Das Ausschalt-Entlastungsnetzwerk ermöglicht eine Rück speisung von etwa 70% der anfangs im Entlastungskondensa tor (C 1 bzw. C 2) enthaltenen Energie (begrenzter Rück speise-Wirkungsgrad), wobei die prinzipbedingten Verlu ste durch den Widerstand R 3 verursacht sind. Die Schal tung bildet einen guten Kompromiß zwischen den Forderun gen nach Verlustverminderung einerseits und Praxistaug lichkeit andererseits.The switch-off relief network enables a recovery of approximately 70% of the energy initially contained in the relief capacitor ( C 1 or C 2 ) (limited recovery efficiency), whereby the principle-related losses are caused by the resistor R 3 . The circuit forms a good compromise between the requirements for loss reduction on the one hand and practicality on the other.
Claims (3)
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| DE19873717488 DE3717488A1 (en) | 1987-05-23 | 1987-05-23 | Turn-off limiting network for inverters with GTO thyristors |
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Legal Events
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