DE3732592A1 - Steuerverfahren und schaltungsanordnung fuer einen bidirektionalen gleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren für einen bidirektionalen Gleichrichter gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Steuerverfahrens und eignet sich insbe­ sondere zur Speisung eines Antriebsumrichters aus einem Dreiphasennetz.

Ein solches Steuerverfahren und eine solche Schaltungs­ anordnung für einen bidirektionalen Gleichrichter sind aus der DE-OS 35 39 027 bekannt. Beim bidirektionalen Gleichrichter handelt es sich um einen (dreiphasigen) Gleichrichter mit (sechs) netzgeführten Dioden, denen jeweils ein elektronischer Schalter für die entgegenge­ setzte Stromrichtung parallelgeschaltet ist. Da der vom Umrichter mit variabler Dreiphasenspannung und variabler Frequenz versorgte Drehstrommotor nicht nur treiben, sondern auch bremsen soll, muß ein Stromfluß in beiden Richtungen möglich sein. Im bekannten Fall werden die Einschaltphasen jedes elektronisch steuerbaren Schalters synchron zu den Leitphasen der zugeordneten, netzgeführ­ ten Dioden gesteuert. Die Einschaltphasen selbst werden aus den Strömen eines parallel zum Gleichrichter liegen­ den Hilfsgleichrichters abgeleitet. Bei Brems- und Rück­ speisebetrieb sind die elektronischen Schalter aktiv. Da die Schalterströme abrupt zu fließen aufhören, werden an vorhandenen Netzimpedanzen Spannungsspitzen induziert. Diese Spannungsspitzen werden über die netzgeführten Dioden gleichgerichtet und mit Hilfe einer eigenen Be­ grenzerschaltung begrenzt. Dies hat in nachteiliger Wei­ se eine beträchtliche Verlustleistung in der Begrenzer­ schaltung zur Folge.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, ein Steuerverfahren für einen bidirektionalen Gleichrichter der eingangs genannten Art anzugeben, das zu einer Reduzierung der Verlustleistung in der Begren­ zerschaltung beiträgt. Des weiteren soll eine Schaltungs­ anordnung zur Durchführung des Steuerverfahrens angege­ ben werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Steuerverfahrens in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfin­ dungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 an­ gegebenen Merkmale gelöst. Die Aufgabe wird für die Schaltungsanordnung durch die im Anspruch 3 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, durch die Vorverlagerung der Einschalt­ punkte die Kommutierung so rechtzeitig vor dem Kreu­ zungspunkt der Wechselspannungen (natürlicher Zündzeit­ punkt) beginnen zu lassen, daß der Strom im abzuschal­ tenden Schalter während des Schaltens gerade Null gewor­ den ist. Es wird quasi ein Überlappungswinkel bei Rück­ speise- und Bremsbetrieb für die elektronisch steuerba­ ren Schalter berücksichtigt, und zwar vor Beginn des natürlichen Zündzeitpunktes. Auf diese Weise werden kei­ ne nachteiligen Spannungsspitzen an Netzimpedanzen mehr induziert und die in der Spannungsbegrenzerschaltung anfallende Verlustleistung ist minimal.

Es werden vorteilhaft weder ein Spannungsregler, noch eine Umkehrlogik, noch ein Anpaßtransformator benötigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Schaltungsaufbau des bidirektionalen Gleichrichters mit zugehöriger Steuerein­ heit,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Netzwechsel­ spannungen und der Einschaltsignale,

Fig. 3 bis 6 verschiedene Varianten elektronisch steu­ erbarer Schalter,

Fig. 7 bis 9 den zeitlichen Verlauf interessierender Spannungen und Ströme.

In Fig. 1 ist der Schaltungsaufbau des bidirektionalen Gleichrichters mit zugehöriger Steuereinheit darge­ stellt. Man erkennt drei Netzwechselspannungsanschlüsse 1, 2, 3 zum Anschluß eines dreiphasigen Wechselspan­ nungsnetzes (Drehstromnetz). Die an den Anschlüssen 1, 2, 3 anstehenden Netzwechselspannungen sind mit U 1, U 2, U 3 bezeichnet. Die drei Anschlüsse 1, 2, 3 sind mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen des netzgeführten, bidirektionalen Gleichrichters 4 verbunden.

Der in allgemein bekannter Drehstrombrückenschaltung aufgebaute Gleichrichter 4 weist sechs Hauptdioden V 1 . . . V 6 auf. Die Ströme über die Dioden V 1 . . . V 6 sind mit IV 1 . . . IV 6 bezeichnet. In jedem der sechs gebildeten Brückenzweige ist jeder Hauptdiode V 1 . . .V 6 des Gleich­ richters 4 ein elektronisch steuerbarer Schalter S 1 . . . S 6 parallelgeschaltet. Die Ströme über die elektronisch steuerbaren Schalter S 1 . . . S 6 sind mit IS 1 . . . IS 6 bezeich­ net. Zwischen den drei Kathoden der elektronisch steuer­ baren Schalter S 1, S 3, S 5 einerseits und dem positiven Gleichspannungsausgang 6 des Gleichrichters ist eine Glättungsdrossel 5 eingefügt. Der Gleichstrom +I, -I über die Drossel 5 kann in beiden Richtungen fließen (Treiben, Bremsen, Rückspeisen). Die drei Anoden der Hauptdioden V 2, V 4 und V 6 sind direkt mit dem negativen Gleichspannungsausgang 7 verbunden.

Zwischen den Gleichspannungsausgängen 6 und 7 ist ein Stützkondensator C zur Glättung der Ausgangsspannung angeordnet. Die Ausgangsgleichspannung am Stützkondensa­ tor C ist mit UDC bezeichnet. Die Glättungsdrossel 5 glättet den Gleichstrom I, indem sie die Spannungsdiffe­ renzen zwischen der "verbrummten" Gleichrichterspannung und der geglätteten Ausgangsgleichspannung UDC am Stütz­ kondensator C aufnimmt.

Mit den Gleichspannungsausgängen 6, 7 ist ein nicht dar­ gestellter Gleichspannungsverbraucher verbunden, z. B. ein Gleichspannungszwischenkreis eines nachgeschalteten Antriebsumrichters.

Der Glättungsdrossel 5 ist die Reihenschaltung einer Diode V 7, einer Zenerdiode ZD (Begrenzerschaltung) und eines Stromwandlers 8 parallelgeschaltet. Die Diode V 7 und die Zenerdiode ZD dienen zur Begrenzung der Spannung an den elektronisch steuerbaren Schalter S 1 . . . S 6. Der über die Zenerdiode ZD fließende Begrenzerstrom IV 7 wird vom Stromwandler 8 erfaßt und einem Regler 93 einer Steuer- und Regeleinrichtung 9 zugeführt. Der Regler 93 steuert ausgangsseitig einen Schaltsignalerzeuger 92 an. Der Schaltsignalerzeuger 92 ist desweiteren über ein Tiefpaßfilter 91 mit einem Transformator 10 verbunden. Der Transformator 10 ist primärseitig mit den drei Netz­ wechselspannungsanschlüssen 1, 2, 3 beschaltet. Der Schaltsignalerzeuger 92 stellt den Phasenbezug zu den Netzwechselspannungen U 1, U 2, U 3 über den Transformator 10 und das Tiefpaßfilter 91 her. Das Tiefpaßfilter 91 hat die Aufgabe, Spannungsspitzen und Spannungseinbrü­ che, die durch Kommutierungsvorgänge in Verbindung mit hier nicht dargestellten Netzimpedanzen entstehen, vom Schaltsignalerzeuger 92 fernzuhalten. Der Schaltsignal­ erzeuger 92 liefert Einschaltsignale E 1 . . . E 6 an die elektronisch steuerbaren Schalter S 1 . . . S 6.

Der bidirektonale Gleichrichter ist zwar vorzugsweise wie beschrieben als Drehstrombrückenschaltung aufgebaut, er ist jedoch auch in allen anderen allgemeinen bekannten Stromrichterschaltungen, wie Sternschaltung oder Mittel­ punktschaltung ausführbar.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der Netzwechselspan­ nungen und der Einschaltsignale dargestellt. Es sind die drei jeweils um 120°el versetzten Netzwechselspannungen U 1, U 2, U 3 sowie die sechs Einschaltsignale E 1 . . . E 6 ge­ zeigt. Insbesondere ist die Zeitfolge der Einschaltsig­ nale in Bezug zu den drei Wechselspannungen U 1, U 2, U 3 ersichtlich. Die Bezifferung V 1 . . . V 6 bzw. S 1 . . . S 6 gibt dabei die Reihenfolge des Stromflußbeginns an. Weist das Einschaltsignal E 1 . . . E 6 den logischen Wert "1" auf, so wird der zugeordnete elektronisch steuerbare Schalter S 1 . . . S 6 desselben Zweiges geschlossen. Weist das Ein­ schaltsignal E 1 . . . E 6 den logischen Wert "0" auf, so wird der zugeordnete elektronisch steuerbare Schalter S 1 . . . S 6 geöffnet (nichtleitender Zustand).

Die Einschaltbefehle E 1 . . . E 6 für jeden der sechs elektro­ nisch steuerbaren Schalter S 1 . . . S 6 decken sich gemäß Fig. 2 mit den vom Netz geführten Leitdauern der jeweils parallelen Hauptdioden V 1 . . . V 6, wie sie sich bei nicht­ lückendem Gleichstrom mit der Energieflußrichtung vom Netz zum Gleichspannungsverbraucher ergeben.

Somit führt das Netz indirekt die Leitphasen der elek­ tronisch steuerbaren Schalter S 1 . . . S 6 und direkt die Leitphasen der Hauptdioden V 1 . . . V 6. Der bidirektionale Gleichrichter ist daher trotz der elektronisch ein- und ausschaltbaren Schalter S 1 . . . S 6 ein ungesteuerter Typ, d. h. die Gleichspannung ist nicht veränderbar und es gilt bei der Drehstrombrückenschaltung die bekannte fe­ ste Beziehung U _DC = 1,35 U _AC (U _AC = Spannung zwischen zwei Phasen).

Im einzelnen gilt für die Spannungen und Signale gemäß Fig. 2 folgendes:

Im Bereich 0°ω t120° befindet sich die Diode V 1 im Leitzustand, das Einschaltsignale E 1 weist den logi­ schen Wert "1" auf, wodurch der elektronisch steuerbare Schalter S 1 geschlossen wird.

Im Bereich 60°ω t180° leitet die Diode V 2, das Einschaltsignal E 2 = "1" und der Schalter S 2 ist ge­ schlossen.

Im Bereich 120°ω t240° befindet sich die Diode V 3 im Leitzustand, das Einschaltsignal E 3 weist den Wert "1" auf, wodurch der elektronisch steuerbare Schalter S 3 geschlossen wird.

Im Bereich 180°ω t300° leitet die Diode V 4, das Einschaltsignal E 4 = "1" und der Schalter S 4 ist geschlossen. Im Bereich 240°ω t360° befindet sich die Diode V 5 im Leitzustand, das Einschaltsignal E 5 = "1" und der Schalter S 5 ist geschlossen.

Im Bereich 300°ω t60° leitet die Diode V 6, das Einschaltsignal E 6 = "1" und der Schalter S 6 ist ge­ schlossen.

In den Fig. 3 bis 6 sind verschiedene Varianten elek­ tronisch steuerbarer Schalter dargestellt.

Gemäß Fig. 3 kann ein Feldeffekttransistor 11 für einen elektronisch steuerbaren Schalter S 1 . . . S 6 inklusive pa­ rallel geschalteter Hauptdiode V 1 . . . V 6 eingesetzt wer­ den. Die parasitäre interne Diode des Feldeffekttransi­ stors 11 ersetzt dabei die Hauptdiode V 1 . . . V 6 und kann für die erste Stromrichtung +I benutzt werden, während die Transistorfunktion, d. h. die Ansteuerung der Steuer­ elektrode mittels Einschaltsignal, für die zweite Strom­ richtung -I zum Tragen kommt.

Gemäß Fig. 4 kann auch ein Darlington-Transistor 12 für einen elektronisch steuerbaren Schalter S 1 . . . S 6 inklusi­ ve parallel geschalteter Hauptdiode V 1 . . . V 6 eingesetzt werden. Auch hierbei ersetzt die interne parasitäre Di­ ode des Darlington-Transistors 12 die Hauptdiode V 1 . . . V 6 und wird für die erste Stromrichtung +I benutzt, während die eigentliche Transistorfunktion für die zweite Strom­ richtung -I zum Tragen kommt.

Gemäß Fig. 5 kann ein bipolarer Transistor 13 als elek­ tronisch steuerbarer Schalter V 1 . . . V 6 eingesetzt werden, wobei bei dieser Variante jedoch jeweils eine eigene, parallel zum Transistor 13 angeordnete Hauptdiode V 1 . . . V 6 notwendig ist.

Gemäß Fig. 6 kann ein GTO-Thyristor 14 (GTO = gate turn off) als elektronisch steuerbarer Schalter V 1 . . . V 6 ein­ gesetzt werden. Auch bei dieser Variante ist jeweils eine eigene Hauptdiode V 1 . . . V 6 parallel zum GTO-Thy­ ristor 14 zu schalten.

In den Fig. 7 bis 9 ist der zeitliche Verlauf inter­ essierender Spannungen und Ströme dargestellt. Im ein­ zelnen sind in Fig. 7 die Wechselspanungen U 1 (gestri­ chelter Linienzug), U 2 (durchgezogener Linenzug), U 3 (gepunkteter Linienzug) sowie die Ströme IV 1 (gestri­ chelter Linienzug), IV 3 (durchgezogener Linienzug), IV 5 (gepunkteter Linienzug), in Fig. 8 die Wechselspannungen U 2 (durchgezogener Linienzug), U 3 (gepunkteter Linien­ zug) sowie die Ströme IV 7 (gestrichelter Linienzug), IS 3 (durchgezogener Linienzug), IS 5 (gepunkteter Linienzug) und in Fig. 9 die Wechselspannungen U 1 (gestrichelter Linienzug), U 2 (durchgezogener Linienzug), U 3 (gepunkte­ ter Linienzug), die Ströme IS 1 (gestrichelter Linienzug in den Bereichen a und b), IS 3 (durchgezogener Linienzug in den Bereichen b und c), IV 3 (durchgezogener Linienzug im Bereich a), IS 5 gepunkteter Linienzug in den Berei­ chen a und c), IV 7 (gestrichelter Linienzug im Bereich c) sowie die Einschaltsignale E 1 (gestrichelter Linien­ zug), E 3 (durchgezogener Linienzug), E 5 (gepunkteter Linienzug) gezeigt.

In den Fig. 7 und 8 ist zu erkennen, wie die Wechsel­ spannungen U 1, U 2, U 3 durch Kommutierungsvorgänge ver­ zerrt werden. Daraus wird insbesondere die Notwendigkeit des Tiefpaßfilters 91 ersichtlich. In der Betriebsart "Antreiben" (siehe Fig. 7) sind die Hauptdioden V 1 . . . V 6) aktiv. Die Hauptdioden V 1 . . . V 6 beginnen bei den Kreu­ zungspunkten zwischen den Wechselspannungen U 1, U 2, U 3 zu leiten, d. h. bei den sogenannten natürlichen Zünd­ zeitpunkten. An diesen Kreuzungspunkten beginnt daher die Kommutierung oder Stromübergabe von Diode V 1 nach Diode V 3, von Diode V 2 nach Diode V 4, von Diode V 3 nach Diode V 5 usw. In Fig. 7 sind hierzu nur die Kommutie­ rungen zwischen den Dioden V 1, V 3, V 5 dargestellt. Bei den Strömen IV 1, IV 3, IV 5 durch die Ventile V 1, V 3, V 5 wird vereinfachend angenommen, daß die Glättungsdrossel 5 eine ausreichend große Induktivität aufweist, um den Gleichstrom ideal zu glätten.

Bei Brems- bzw. Rückspeisebetrieb (siehe Fig. 8) sind die elektronisch steuerbaren Schalter S 1 . . . S 6 aktiv. Bei diesen Betriebsarten tritt das Problem auf, daß die Ströme IS 3, IS 5 usw. durch die Schalter S 3, S 5 usw. ab­ rupt zu fließen aufhören, und daß dadurch an den (nicht dargestellten) Netzimpedanzen Spannungsspitzen induziert werden. Diese Spannungsspitzen werden über die sechs Hauptdioden V 1 . . . V 6 gleichgerichtet und mittels des Zweiges Diode V 7-Zenerdiode ZD begrenzt, wie der Verlauf der Wechselspannungen U 2, U 3 gemäß Fig. 8 erkennen läßt. Dies hat einen sägezahnförmigen Verlauf des Stromes IV 7 durch die Diode V 7 zur Folge, der in der Zenerdiode ZD eine beträchtliche Verlustleistung erzeugt.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ergibt sich die Notwen­ digkeit, die Einschaltphase eines elektronisch steuerba­ ren Schalters strom- und impedanzabhängig beginnen zu lassen. Es muß die Kommutierung bei Brems- oder Rück­ speisebetrieb so rechtzeitig vor dem Kreuzungspunkt zwi­ schen den Wechselspannungen (= natürlicher Zündzeit­ punkt) beginnen, daß der Strom durch den abzuschaltenden Schalter zum natürlichen Zündzeitpunkt gerade Null ge­ worden ist. Die Stromänderungen zweier Schalterströme liegen dann genau spiegelbildlich zu den Stromänderungen zweier Diodenströme, wobei die Spiegelung an einer senk­ rechten Linie durch den Kreuzungspunkt erfolgt.

Dieser ideale Fall ist in Fig. 9 im Bereich b darge­ stellt. Im Bereich b erfolgt eine Kommutierung vom Strom IS 1 durch den Schalter S 1 auf den Strom IS 3 durch den Schalter S 3. Das Einschaltsignal E 1 weist bis zum Kreu­ zungspunkt zwischen U 1 und U 2 den Wert "1" und an­ schließend den Wert "0" auf. Das Einschaltsignal E 3 weist nicht erst ab dem Kreuzungspunkt zwischen U 1 und U 2, sondern bereits eine Vorverlagerungszeit t _b früher den Wert "1" auf. Da die Vorverlagerungszeit t _b exakt richtig bemessen ist, werden sowohl ein Strom IV 7 durch den Begrenzungszweig V 7-ZD als auch ein Kreisstrom durch einen Schalter und eine Hauptdiode vermieden.

Bei dem in Fig. 9 im Bereich a dargestellten Fall wird die Kommutierung zu früh eingeleitet, und zwar um eine Vorverlagerungszeit t _a vor dem Kreuzungspunkt zwischen den Wechselspannungen U 1 und U 3. Es erfolgt eine Kommu­ tierung vom Strom IS 5 durch den Schalter S 5 auf den Strom IS 1 durch den Schalter S 1. Das Einschaltsignal E 5 weist bis zum Kreuzungspunkt zwischen U 3 und U 1 den Wert "1" und anschließend den Wert "0" auf. Das Einschaltsig­ nal E 1 weist nicht erst ab dem Kreuzungspunkt zwischen U 3 und U 1, sondern bereits eine Vorverlagerungszeit t _a früher den Wert "1" auf. Da die Vorverlagerungszeit t _a jedoch zu lang bemessen ist, ergibt sich ein unerwünsch­ ter Kreisstrom IV 3 durch den Schalter S 1 und die Haupt­ diode V 3.

Bei dem in Fig. 9 im Bereich c dargestellten Fall wird die Kommutierung zu spät eingeleitet, und zwar um eine Vorverlagerungszeit t _c vor dem Kreuzungspunkt zwischen den Wechselspannungen U 2 und U 3. Es erfolgt eine Kommu­ tierung vom Strom IS 3 durch den Schalter S 3 auf den Strom IS 5 durch den Schalter S 5. Das Einschaltsignal E 3 weist bis zum Kreuzungspunkt zwischen U 2 und U 3 den Wert "1" und anschließend den Wert "0" auf. Das Einschaltsig­ nal E 5 weist nicht erst ab dem Kreuzungspunkt zwischen U 2 und U 3, sondern bereits eine Vorverlagerungszeit t _c frühr den Wert "1" auf. Da diese Vorverlagerungszeit t _c jedoch zu kurz bemessen ist, ergibt sich ein unerwünsch­ ter Strom IV 7 durch den Begrenzungszweig V 7-ZD.

Ein Kriterium für die exakt richtige Bildung der Vorver­ lagerungszeit ist der Strom IV 7 durch den Begrenzungs­ zweig V 7-ZD. Dieser Strom wird mit Hilfe des Stromwand­ les 8 erfaßt und dem Regler 93 zugeleitet, wie bereits erwähnt. Der Regler 93 wertet den erfaßten Strom IV 7 aus und steuert die Vorverlagerung der Einschaltzeitpunkte mit Hilfe des Schaltsignalerzeugers 92 derart, daß der Strom IV 7 gerade zu Null wird.

Claims (3)

1. Steuerverfahren für einen an einem Wechselspan­ nungsnetz liegenden bidirektionalen Gleichrichter, der für jede Spannungsphase mindestens eine Diode mit hierzu parallel geschaltetem elektronisch steuerbarem Schalter aufweist, wobei die Einschaltphasen jedes elektronisch steuerbaren Schalters in Abhängigkeit der Leitphasen der zugeordneten, netzgeführten Diode gesteuert werden, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einschaltphasen bei Brems- und Rückspeisebetrieb um eine Vorverlagerungszeit (t _b ) derart vor den natürlichen Zündzeitpunkten gestartet werden, daß der Strom durch den abzuschaltenden Schalter zum natürlichen Zündzeitpunkt gerade Null geworden ist.

2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der durch einen Spannungsbegrenzungszweig (V 7-ZD) fließende Strom (IV 7) für die Bildung der Vor­ verlagerungszeit (t _b ) herangezogen wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Steuer­ verfahrens nach den Anspruch 1 und/oder 2, wobei eine Steuer- und Regeleinrichtung mit Schaltsignalerzeuger zur Bildung der Einschaltsignale der elektronisch steu­ erbaren Schalter vorgesehen sind, gekennzeichnet durch einen Regler (93), der eingangsseitig den Strom (IV 7) durch einen Spannungsbegrenzungszweig (V 7-ZD) empfängt und der ausgangsseitig den Schaltsignalerzeuger (92) beein­ flußt.