DE3804478A1 - Beschaltung fuer umrichter, insbesondere pulswechselrichter - Google Patents

Beschaltung fuer umrichter, insbesondere pulswechselrichter

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschaltung für Umrichter, insbesondere für Pulswechselrichter, wie sie im Oberbegriff näher definiert sind.
Der prinzipielle Aufbau von Pulswechselrichtern ist bekannt (z.B. K. Heumann: Grundlagen der Leistungselektronik, B. G. Teubner, Stuttgart, 1975, S. 138). Fig. 1 zeigt dazu ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines dreiphasigen, d.h. eines aus drei Wechselrichter-Zweigpaaren bestehenden Transistor- Wechselrichters, der an den Eingangsklemmen 1 und 2 mit einer Gleichspannung +, - versorgt wird, und der an den Ausgängen 3, 4, 5 eine Drehspannung U R , U F , U T zur Versorgung einer Last abgibt. Pulswechselrichter können zur Dreh­ zahlsteuerung von Drehfeldmaschinen verwendet werden, die ein mehrphasiges Wechselspannungssystem veränderbarer Frequenz und drehzahlproportionaler Spannung benötigen. Die Transistoren als elektronische Zweigschalter des ersten Zweigpaares (strichpunktiert umrahmt) sind mit T 1 und T 2, die der beiden anderen Zweigpaaren mit T 3 und T 4 sowie T 5 und T 6 bezeichnet. Die bei Pulsbetrieb nötigen parallel zu den Transistoren liegenden Rücklaufdioden sind mit D 1 bis D 6 gekennzeichnet. Die Leistungsflußrichtung kann auch um­ gekehrt, wie dargestellt, sein. Das Steuerungsprinzip der sogenannten "Puls­ wechselrichter" bzw. allgemein "Pulsstromrichter" genannt,ist, daß die Ampli­ tude der Grundschwingung der abgegebenen Drehspannung durch mehrmaliges Schalten der Halbleiterschalter T 1 bis T 6 des Wechselrichters pro Perioden­ dauer verstellt werden kann. Die Zweigschalter T 1 bis T 6 sind üblicherweise noch beschaltet. Diese Beschaltung kann als Einschalt- und/oder Ausschaltent­ lastung ausgeführt sein. So ist es bekannt, zur Einschaltentlastung die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt mittels einer Induktivität (Drossel) und zur Ausschaltentlastung die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt am Zweigschalter (Hochleistungsschalter) mittels einer parallelgeschalteten Kapazität (Kondensator) zu begrenzen. In beiden Fällen kann eine Verminde­ rung der beim Schalten auftretenden Verlustleistung erreicht werden. Es finden zur Ausschaltentlastung sogenannte RCD-Netzwerke (sogenannte snubbers) in verschiedener Modifikation Anwendung. Hierzu wird z.B. ver­ wiesen auf "Handbuch II - Transistoren in der Leistungselektronik", Thomson-Components, S. 55 bis 59, oder "IEEE Transactions on Industry Appli­ cations" Vol IA-16 (1980) Nr. 4, S. 513 bis 515, Aufsatz William McMurray "Selection of Snubbers and Clamps to Optimize the Design of Transistor Switching Converters".
Das Prinzip der Ausschaltentlastung bei RCD-Netzwerken ist, daß ein ent­ ladener Kondensator (C-Glied) beim Ausschalten des Hochleistungsschalters einen Nebenschluß zum Schalter bildet, über den der Laststrom für kurze Zeit bis zur vollständigen Aufladung des Kondensators fließen kann. Der Kondensator ist aufgeladen, wenn die treibende Lastspannung erreicht ist. Danach wechseltder Laststrom in eine Rücklaufdiode, wie sie z.B. in jedem Wechselsrichterzweig mit Spannungszwischenkreis vorhanden ist.
Eine Entladung des Kondensators ist nur erforderlich, wenn der Zweigschalter Strom führt. Er muß vollständig entladen sein, bevor der Zweigschalter ab­ geschaltet wird.
Um beim Wiedereinschalten des Zweigschalters ein kurzschlußartiges Ent­ laden des Ausschalt-Entlastungskondensators über den Zweigschalter zu ver­ meiden, ist es üblich, den Entladestrom mit einem Widerstand (R-Glied) zu begrenzen. Diese Maßnahme erfordert aber gleichzeitig eine niederohmige Überbrückung des Entlade-Widerstandes, um die Bypaßwirkung beim Ausschalten nicht zu behindern. Dies wird üblicherweise mit einer Diode (D-Glied) er­ reicht, die parallel zum Entladewiderstand angeordnet wird.
Ein unerwünschtes Entladen des besagten Kondensators kann jedoch in solchen Schaltungen erfolgen, in denen eine Rücklaufdiode in Gegenparallelschaltung zu einem konventionell RCD-beschalteten (Diode mit Parallelwiderstand in Reihe zum Entlastungskondensator) Zweigschalter angeordnet ist. Führt in derartigen Schalteranordnungen die Rücklauf-Diode Strom, so entlädt sich über diesen Kurzschlußpfad der Kondensator verlustbehaftet über den Ent­ ladewiderstand, als wenn der beschaltete Zweigschalter eingeschaltet wäre. Dies führt zu einem Energieverlust von E V =1/2 C · U 2 C , was bei hohen Schaltfrequenzen beachtliche Verluste mit sich bringt.
Betriebszustände, bei denen es zu solchen unerwünschten Entladungen des Kondensators kommt, treten z.B. in allen Pulswechselrichtern mit ent­ sprechender Zweigschalteransteuerung auf (Wechselrichter mit Spannungs­ zwischenkreis) bzw. allgemeinen Impulsstromrichtern, wie sie z.B. zur Ver­ sorgung von Mehrphasenmaschinen verwendet werden.
Es wurde bereits ein RCD-Netzwerk vorgeschlagen, das diese Nachteile ver­ meidet und das aus jeweils einer gleichsinnig zum Zweigschalter gepolten Diode und einem reihengeschalteten Entlastungskondensator besteht, wobei einem dieser Elemente ein über einen gleichsinnigen Hilfsschalter steuer­ barer Entladewiderstand parallel liegt. (Patentanmeldung P 36 39 495.5).
Derartig beschaltete Zweige von Pulswechselrichtern sind den Fig. 2 und 3 entnehmbar. In Fig. 2 liegt ein über einen Hilfsschalter (Transistor) T H 1 steuerbarer Entladewiderstand R H 1 parallel zum Entlastungskondensator C A 1 und in Fig. 3 ist diese steuerbare Widerstandsanordnung der Diode D A 1 parallelgeschaltet. Während der Hilfsschalter TA 1 in Fig. 2 die gleiche Durchlaßrichtung wie der zugehörige Zweigschalter T 1 aufweist, liegt diese in Fig. 3 entgegengesetzt. Anstelle von Transistoren können auch Thyristoren oder GTOs eingesetzt werden.
Fließt in einem Zeitpunkt ein Laststrom über den Zweigschalter T 1 und die Zweigdrossel L S 1, dann soll definitionsgemäß auch der zugehörige Entlastungs­ kondensator C A 1 entladen werden. Das geschieht über den Entladewiderstand R H 1, bei gleichzeitig mit dem Zweigschalter T 1 eingeschalteten Hilfs­ schalter T H 1 Die Entladung muß abgeschlossen sein, bevor T 1 abgeschaltet wird. In diesem Fall fließt der Laststrom dann kurzfristig über D A 1 und C A 1 (Fig. 2) bzw. umgekehrt in Fig. 3 und lädt jeweils den Entlastungskonden­ sator C A 1 auf. Der Kondensator C A 1 wird jedoch nicht nur auf die treibende Spannung aufgeladen, sondern beim Abschalten durch die in Zweigdrosseln und Streuinduktivitäten gespeicherten Energien auf weit höhere Werte auf­ geladen, was zu einer Gefährdung der Zweigschalter (Leistungshalbleiter) führen würde.
Zur Vermeidung hoher Überspannungen am Entlastungskondensator werden üb­ licherweise Zusatzbeschaltungen, bestehend aus RC- bzw. RCD-Gliedern ein­ gesetzt, die mit den Polen der Eingangs-Gleichspannung verbunden sind. Diese Zusatzbeschaltungen werden möglichst nahe zu den Zweigschaltern plaziert, um eine möglichst induktivitätsarme, niederohmige Verbindung herzustellen und damit die Überspannungen gering halten zu können. Auf solche Schaltungen wird z.B. ebenfalls in der auf Seite 4, Zeilen 8 bis 10 angegebenen Literaturstelle verwiesen. Solche Zusatzbeschaltungen haben die Aufgabe, die beim Abschalten auftretenden Überschußenergien vom Ent­ lastungskondensator (hier C A 1) fernzuhalten. Das sind Energien, die im Wechsel immer wieder verlustbehaftet über den Entladewiderstand R H 1 und Hilfsschalter T H 1 abgeführt werden müssen und die insbesondere auch beim Abschalten die besagten Überspannungen herbeiführen, die den Zweigschalter zusätzlich belasten und die zur Überdimensionierung zwingen. Die hier ge­ troffenen Überlegungen für den oberen Zweigschalter gelten natürlich auch für alle anderen Zweigschalter.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zusatzbeschaltung auch für eine verlustarme Entlastungsbeschaltung mit Hilfsschalter - wie sie bereits mit der Patentanmeldung P 36 39 495.5 vorgeschlagen wurde - zu erstellen, die die Funktion der verlustarmen Entlastungsbeschaltung nicht nachteilig beeinflußt.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausbildungen sind den Unteransprüchen ent­ nehmbar. Anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles wird die Erfin­ dung im nachstehenden näher erläutert.
Die Fig. 4 zeigt ein komplettes Zweigpaar eines Pulswechselrichters mit gesteuertem RCD-Netzwerk und einer Spannungsklemmbeschaltung. Auf die Fig. 1 bis 3 wurde bereits eingegangen.
Unter Beibehaltung bereits verwendeter Bezugszeichen wird zur Figur ausge­ führt. An den Eingangsklemmen 1 und 2 ist eine Gleichspannungsquelle U d angeschlossen (z.B. ein Gleichspannungszwischenkreis). Die Zweigschalter (Transistoren) der Zweigpaare sind mit T 1 und T 2, die Freilaufdioden mit D 1, D 2 und mit L S 1 und L S 2 die Zweigdrosseln zur Entlastung des Einschalt­ stromstoßes bezeichnet. Am elektrischen Mittelpunkt 10 der Reihenschaltung von Zweigschaltern und Zweigdrosseln ist die Phasenspannung U R (Anschluß 3) für den Anschluß einer Last abgreifbar. n solcher Zweigpaare sind zum Auf­ bau eines n-phasigen Pulswechselrichters geeignet. Den Zweigschaltern T 1 und T 2 sind die bereits erwähnten RCD-Netzwerke parallelgeschaltet, mit den Ausschalt-Entlastungskondensatoren C A 1 bzw. C A 2, den Dioden D A 1 bzw. D A 2 und den Entladungswiderständen R H 1 bzw. R H 2, denen Hilfsschalter hier GTOs (T H 1 bzw. T H 2) vorgeschaltet sind. Die Hilfs­ schalter T H 1 und T H 2 haben jeweils dieselbe Durchlaßrichtung wie die zuge­ hörigen Zweigschalter T 1, T 2. Mit Fig. 4 wurde die bisherige Fig. 2 auf ein vollständiges Zweigpaar komplettiert. Die eigentliche Erfindung, auf die noch eingegangen wird, ist strichpunktiert umrahmt und mit K bezeich­ net. In gleicher Weise kann jedoch auch die Fig. 3 ergänzt werden. Die er­ findungsgemäße Klemmbeschaltung K weist einen Zusatzkondensator C K auf, (z.B. 10facher Kapazität gegenüber den Entlastungskondensatoren C A 1, C A 2) der einmal über zwei niederohmige Widerstände R K 1 und R K 2 parallel zur Spannungsquelle U d geschaltet ist und zum anderen mit seinen Anschlüssen verkreuzt über Sperrdioden an den zentralen Teilerpunkten 11 und 12 der beiden gesteuerten RCD-Netzwerke liegt. Dabei steht der negative und posi­ tive Anschluß des Zusatzkondensators C K noch mit jeweils dem gleichnamigen Pol (+ bzw. -) der beiden Entlastungskondensatoren C A 1 bzw. C A 2 so über die Sperrdioden D K 1 bzw. D K 2 in Verbindung, daß ein Ladungsausgleich zum Zusatzkondensator C K möglich ist. Zweckmäßig liegen die Entlastungskonden­ satoren der gesteuerten Netzwerke außen, d.h. jeweils mit einem Anschluß an den Polen der Gleichspannungsquelle U d . Für den oberen Zweigschalter T 1 könnte also auch die Entlastungsbeschaltungsanordnung nach Fig. 3 vorteil­ haft angewandt werden.
Das Arbeitsprinzip der Anordnung ist folgendes: Zunächst sei angenommen, daß ein eingeprägter Laststrom vom Pluspol der Spannungsquelle über T 1, L S 1, 10, 3, über die Last R L /L L fließt. Wenn T 1 sperrt, fließt der Last­ strom dann weiter über C A 1, D A 1, L S 1 die Last R L/L L . Dabei wird C A 1 auf­ geladen. Sobald die obere + Platte des Entlastungskondensators C A 1 ein gegenüber der treibenden Spannung höheres + Potential annehmen will - infolge der Zusatzenergie aus parasitären vorhandenen Streuinduktivitäten und dem Einfluß der Zweigdrosseln - kommutiert der Strom jetzt auf die Zusatz-Klemmbeschaltung K als Parallelkreis über R K 1, C K, D K 1, D A 1, um dann unverändert über L S 1 und die Last R L/L L zu fließen. Dabei lädt sich der Zusatzkondensator C K unter Laststromeinfluß soweit auf, bis seine untere - Platte ein niedrigeres Potential annimmt als die treibende Spannung. Dies stellt die Kommutierungsspannung für den Laststrom dar, der die Rückstromdiode D 2 leitend macht, die den Laststrom übernimmt. Der Laststrom wechselt nun mit einer von der Kommutierungsspannung und der Drossel-Induktivität abhängigen Steilheit auf die Rücklauf-Diode D 2. Über die Widerstände R K 1 und R K 2 gibt der Zusatz-Kondensator C K nachfol­ gend die "überschüssige" Energie wieder ab. Der Zusatzkondensator entlädt sich dabei schließlich wieder bis auf den Wert der anliegenden Gleich­ spannung U d .
Durch die Erfindung wird bei induktivitätsbehafteten Pulsstromrichter­ schaltungen (z.B. durch die Einschaltentlastungsdrosseln) eine sehr wir­ kungsvolle Spannungsbegrenzung für die Halbleiter-Zweigschalter geschaffen. Es wird verhindert, daß die Ausschalt-Entlastungskondensatoren in einem Wechselrichterzweigpaar unerwünscht hohe Spannungen annehmen können. Es ist durch die Erfindung möglich, Halbleiterschalter mit niedrigeren Sperr­ spannungswerten zu verwenden, die nicht nur billiger, sondern auch schneller sind und daher geringere Verlustleistung verursachen. Das bedeutet weniger Kühlung und insbesondere geringere Baugröße, die im wesentlichen heute schon durch die Kühlkörpergröße bestimmt wird. Außerdem können die in der Beschaltung selbst entstehenden Verluste ganz entscheidend verringert werden.
In einem Anwendungsfall mit einer Induktivität von 0,4 µH als Einschaltent­ lastung konnten die auftretenden Überspannungen um etwa 50% und die Be­ schaltungs-Verlustleistung pro Zweigschalter um fast 40% gesenkt werden.

Claims (4)

1. Beschaltung für Umrichter, insbesondere Pulswechselrichter, mit Zweig­ paaren und folgendem Aufbau
  • - jedes Zweigpaar besteht aus wenigstens zwei gleichsinnig in Reihe liegende, symmetrisch angeordnete elektronische Zweigschalter,
  • - über die Zweigschalter liegt das Zweigpaar an einer Gleichspannungs- quelle, der Lastanschluß erfolgt zwischen einem Pol der Gleich­ spannungsquelle und dem Mittelpunkt des Zweigpaares,
  • - jedem Zweigschalter ist eine antiparallel geschaltete Rücklaufdiode sowie ein RCD-Netzwerk zugeordnet,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - bei Anordnungen mit gesteuertem RCD-Netzwerk - bestehend aus jeweils einer gleichsinnig zu jedem Zweigschalter (T 1 bzw. T 2) gepolten Diode (D A 1 bzw. D A 2) und einem reihengeschalteten Entlastungskondensator (C A 1 bzw. C A 2), von denen entweder der Diode oder dem Entlastungskon­ densator ein über einen Hilfsschalter (T H 1 bzw. T H 2) steuerbarer Ent­ ladewiderstand (R H 1 bzw. R H 2) parallel liegt - ist pro Zweigpaar eine Klemmbeschaltung (K) mit einem Zusatzkondensator (C K) größerer Kapazi­ tät vorgesehen,
  • - der Zusatzkondensator (C K ) ist der Gleichspannungsquelle (6) parallel geschaltet und liegt mit seinen Anschlüssen zudem verkreuzt über Sperrdioden (D K 1 bzw. D K 2) an den zentralen Teilerpunkten (11, 12) der beiden gesteuerten RCD-Netzwerke.
2. Beschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkondensator (C K) über niederohmige Vorwiderstände (R K 1, R K 2) an die Gleichspannungsquelle (6) gelegt ist und der negative und positive Anschluß des Zusatzkondensators (C K) mit noch jeweils dem gleichnamigen Pol (+ bzw. -) der beiden Entlastungskondensatoren (C A 1 bzw. C A 2) in den Teilerpunkten (11, 12) der gesteuerten RCD-Netzwerke so über die Sperrdioden (D K 1 bzw. D K 2) in Verbindung steht, daß ein Ladungsausgleich zum Zusatzkondensator (C K) möglich ist.
3. Beschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Elemente innerhalb der gesteuerten RCD- Netzwerke so erfolgt, daß die Entlastungskondensatoren (C A 1, C A 2) je weils mit einem Anschluß direkt an den Polen (+ oder -) der Gleich­ spannungsquelle (6) liegen.
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