DE3804478C2 - Beschaltung für Wechselrichter, insbesondere Pulswechselrichter - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschaltung für Wechselrichter, insbesondere
für Pulswechselrichter, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Beschaltung
ist durch die DE 29 31 070 A1 bekannt.
Fig. 4 zeigt ein entsprechendes, durch Fortlassen des RCD-Netzwerks zunächst vereinfachtes Prinzipschaltbild eines dreiphasigen,
d. h. eines aus drei Zweigpaaren bestehenden Transistor-
Wechselrichters, der an seinen Eingangsklemmen 1 und 2 mit einer Gleichspannung
(Pole +, -) versorgt wird, und der an seinen Ausgängen 3, 4, 5 eine Drehspannung UR,
US, UT zur Versorgung einer Last abgibt. Pulswechselrichter können zur Dreh
zahlsteuerung von Drehfeldmaschinen verwendet werden, die ein mehrphasiges
Wechselspannungssystem veränderbarer Frequenz und drehzahlproportionaler
Spannung benötigen. Zwei Transistoren als elektronische Zweigschalter des
ersten Zweigpaares (strichpunktiert umrahmt) sind mit T1 und T2, die der
beiden anderen Zweigpaaren mit T3 und T4 sowie T5 und T6 bezeichnet. Bei
Pulsbetrieb nötige parallel zu den Transistoren liegende Rücklaufdioden
sind mit D1 bis D6 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 T1 bis T6 des Wechselrichters pro Perioden
dauer verstellt werden kann.
Die Zweigschalter T1 bis T6 sind üblicherweise
noch beschaltet. Diese Beschaltung kann als Einschalt- und/oder Ausschaltent
lastung ausgeführt sein. So wird, 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) begrenzt. In beiden Fällen kann eine Verminde
rung der beim Schalten auftretenden Verlustleistung erreicht werden.
Es
finden zur Ausschaltentlastung sogenannte RCD-Netzwerke (sogenannte
snubber) in verschiedener Modifikation - wie weiter unten im einzelnen ausgeführt - Anwendung.
Das Prinzip der Ausschaltentlastung bei RCD-Netzwerken ist, daß ein ent
ladener Kondensator (C-Glied) beim Ausschalten eines Zweigschalters
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 z. B. mit einer Diode (D-Glied) er
reicht, die parallel zum Entladewiderstand angeordnet wird
(vgl. die eingangs genannte DE 29 31 070 A1). Es ist aber auch
durch die DE 26 08 126 A1 eine RCD-Beschaltung bekannt, bei der
eine Parallelschaltung von R-Glied und Entlastungskondensator in
Reihe mit dem D-Glied liegt.
Ein unerwünschtes Entladen des besagten Kondensators kann jedoch in solchen
Schaltungen erfolgen, in denen eine Rücklaufdiode in Gegenparallelschaltung
zu einem (wie zuvor erläutert) RCD-beschalteten (Diode mit Parallelwiderstand in
Reihe zum Entlastungskondensator) Zweigschalter angeordnet ist. Führt in
derartigen Schalteranordnungen die Rücklaufdiode Strom, so entlädt sich
über diesen Kurzschlußpfad der Entlastungskondensator verlustbehaftet über den Ent
ladewiderstand, als wenn der beschaltete Zweigschalter eingeschaltet wäre.
Dies führt zu einem Energieverlust von EV=1/2 C · U2 C, was bei hohen
Schaltfrequenzen beachtliche Verluste mit sich bringt.
Betriebszustände, bei denen es zu solchen unerwünschten Entladungen des Entlastungs
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 mit der nachveröffentlichten DE 36 39 495 A1 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.
Durch die US-Z: Marjanovi, N.: MODIFIED RCD SNUBBER NET
WORK FOR POWER TRANSISTORS IN: PCI/MOTORCON SEPTEMBER 1983
PROCEEDINGS; S. 406-412 ist ein solches gesteuertes RCD-Netzwerk
auch bekannt.
Derartig beschaltete Zweige von Pulswechselrichtern sind den Fig. 2 und 3
entnehmbar. In Fig. 2 liegt ein über einen Hilfsschalter (Transistor) TH1
steuerbarer Entladewiderstand RH1 parallel zu einem Entlastungskondensator CA1
und in Fig. 3 ist die steuerbare Widerstandsanordnung einer Diode DA1
parallelgeschaltet. Während der Hilfsschalter TH1 in Fig. 2 die gleiche
Durchlaßrichtung wie der zugehörige Zweigschalter T1 aufweist, liegt diese gemäß
Fig. 3 entgegengesetzt. Anstelle von Transistoren können auch Thyristoren
oder GTOs eingesetzt werden.
Fließt in einem Zeitpunkt ein Laststrom über den Zweigschalter T1 und die
Zweigdrossel LS1, dann soll definitionsgemäß auch der zugehörige Entlastungs
kondensator CA1 entladen werden. Das geschieht über den Entladewiderstand
RH1, bei gleichzeitig mit dem Zweigschalter T1 eingeschalteten Hilfs
schalter TH1 Die Entladung muß abgeschlossen sein, bevor T1 abgeschaltet wird.
In diesem Fall fließt der Laststrom dann kurzfristig über DA1 und CA1
(Fig. 2) bzw. umgekehrt in Fig. 3 und lädt jeweils den Entlastungskonden
sator CA1 auf. Der Kondensator CA1 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 in den "TEE Transactions on Industry Applications" Vol. IA-16 (1980) Nr. 4
S. 513-515
verwiesen. Diese Zusatzbeschaltungen haben
die Aufgabe, die beim Abschalten auftretenden Überschußenergien vom Ent
lastungskondensator (hier CA1) fernzuhalten. Das sind Energien, die im
Wechsel immer wieder verlustbehaftet über den Entladewiderstand RH1 und
Hilfsschalter TH1 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
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 in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles wird die Erfin
dung im nachstehenden näher erläutert:
Fig. 1 zeigt ein komplettes Zweigpaar eines Pulswechselrichters mit
gesteuertem RCD-Netzwerk und einer Zusatzbeschaltung. (Auf die
Fig. 2 bis 4 wurde bereits eingegangen).
Unter Beibehaltung bereits verwendeter Bezugszeichen wird zu Fig. 1 ausge
führt. An den Eingangsklemmen 1 und 2 ist eine Gleichspannungsquelle Ud
angeschlossen (z.B. ein Gleichspannungszwischenkreis). Die Zweigschalter
(Transistoren) der Zweigpaare sind mit T1 und T2, die Rücklaufdioden mit
D1, D2 und mit LS1 und LS2 Zweigdrosseln zur Entlastung des Einschalt
stromstoßes bezeichnet. Am elektrischen Mittelpunkt 10 der Reihenschaltung
von Zweigschaltern und Zweigdrosseln ist die Phasenspannung UR (Anschluß 3)
für den Anschluß einer Last RL, LL abgreifbar. n solcher Zweigpaare sind zum Auf
bau eines n-phasigen Pulswechselrichters geeignet. Den Zweigschaltern T1
und T2 sind die bereits erwähnten steuerbaren RCD-Netzwerke
parallelgeschaltet, mit den Ausschalt-Entlastungskondensatoren CA1 bzw.
CA2, den Dioden DA1 bzw. DA2 und den Entladungswiderständen RH1 bzw. RH2,
denen Hilfsschalter- hier GTOs- (TH1 bzw. TH2) vorgeschaltet sind. Die Hilfs
schalter TH1 und TH2 haben jeweils dieselbe Durchlaßrichtung wie die zuge
hörigen Zweigschalter T1, T2. In Fig. 1 wird die bisher in Fig. 2
gezeigte Schaltungsanordnung zu einem
vollständigen Zweigpaar komplettiert. Gemäß Fig. 1 liegen die Entlastungskondensatoren
der gesteuerten Netzwerke im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 2 allerdings zweckmäßigerweise außen, d. h. jeweils mit einem Anschluß
an den Polen der Gleichspannungsquelle Ud. Die eigentliche Erfindung, auf
die noch eingegangen wird, ist strichpunktiert umrahmt und mit K bezeich
net. In gleicher Weise kann jedoch auch die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 ergänzt werden. Die er
findungsgemäße Zusatzbeschaltung K weist einen Zusatzkondensator CK auf,
(z.B. 10facher Kapazität gegenüber den Entlastungskondensatoren CA1, CA2)
der einmal über zwei niederohmige Widerstände RK1 und RK2 parallel zur
Spannungsquelle Ud geschaltet ist und zum anderen mit seinen Anschlüssen
verkreuzt über Sperrdioden DK1, DK2 an den zentralen Teilerpunkten 11 und 12 der
beiden gesteuerten RCD-Netzwerke liegt. Dabei steht der negative und posi
tive Anschluß des Zusatzkondensators CK noch mit jeweils dem gleichnamigen
Pol (+ bzw. -) der beiden Entlastungskondensatoren CA1 bzw. CA2 so über
die Sperrdioden DK1 bzw. DK2 in Verbindung, daß ein Ladungsausgleich zum
Zusatzkondensator CK möglich ist.
Das Arbeitsprinzip der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist folgendes: Zunächst sei angenommen,
daß ein eingeprägter Laststrom vom Pluspol der Spannungsquelle über
den Zweigschalter T1, die Zweigdrossel LS1, den Mittelpunkt 10 und den Anschluß 3
über die Last RL und LL fließt. Wenn der Zweigschalter T1 sperrt, fließt der Last
strom dann weiter über die Elemente CA 1, DA 1, LS 1 sowie die Last RL und LL. Dabei wird der Entlastungskondensator CA 1 auf
geladen. Sobald der mit + bezeichneter Belag des Entlastungskondensators CA 1 ein
gegenüber der treibenden Spannung höheres + Potential annehmen will -
infolge der Zusatzenergie aus parasitären vorhandenen Streuinduktivitäten
und dem Einfluß der Zweigdrosseln LS1, LS2 - kommutiert der Strom jetzt auf die
Zusatzbeschaltung K als Parallelkreis über die Elemente RK1, CK, DK1, DA1, um
dann unverändert über die Zweigdrossel LS1 und die Last RL und LL zu fließen. Dabei lädt sich
der Zusatzkondensator CK unter Laststromeinfluß soweit auf, bis sein mit
bezeichneter Belag ein niedrigeres Potential annimmt als die treibende
Spannung. Dies stellt die Kommutierungsspannung für den Laststrom dar,
der die Rücklaufdiode D2 leitend macht, die den Laststrom übernimmt. Der
Laststrom wechselt nun mit einer von der Kommutierungsspannung und der
Drossel-Induktivität abhängigen Steilheit auf die Rücklaufdiode D2.
Über die Widerstände RK1 und RK2 gibt der Zusatzkondensator CK nachfol
gend die "überschüssige" Energie wieder ab. Der Zusatzkondensator CK entlädt
sich dabei schließlich wieder bis auf den Wert der anliegenden Gleich
spannung Ud.
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 (3)
1. Beschaltung für Wechselrichter, insbesondere Pulswechselrichter, mit
folgendem Aufbau
- - jedes ein Zweigpaar besteht aus wenigstens zwei gleichsinnig in Reihe liegenden elektronischen Zweigschalter,
- - jedes Zweigpaar liegt an den Polen einer Gleichspannungsquelle,
- - der Lastanschluß erfolgt jeweils am Mittelpunkt eines 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 (T1 bzw. T2) gepolten Diode (DA1 bzw. DA2) und einem reihengeschalteten Entlastungskondensator (CA1 bzw. CA2), von denen entweder der Diode oder dem Entlastungskondensator ein über einen Hilfsschalter (TH1 bzw. TH2) steuerbarer Entladewiderstand (RH1 bzw. RH2) parallel liegt - ist pro Zweigpaar eine Zusatzbeschaltung (K) mit einem Zusatzkondensator (CK) größerer Kapazität vorgesehen, wobei
- - der Zusatzkondensator (CK) den Polen (+, -) der Gleichspannungsquelle parallel geschaltet ist und mit seinen Anschlüssen zudem verkreuzt über Sperrdioden (DK1 bzw. DK2) an den zentralen Teilerpunkten (11, 12) der beiden gesteuerten RCD-Netzwerke.
2. Beschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zusatzkondensator (CK) über niederohmige Vorwiderstände (RK1,
RK2) an die Pole (+, -) der Gleichspannungsquelle gelegt ist und der negative und
positive Anschluß des Zusatzkondensators (CK) mit noch jeweils dem
gleichnamigen Pol (+ bzw. -) der beiden Entlastungskondensatoren (CA1
bzw. CA2) in den Teilerpunkten (11, 12) der gesteuerten RCD-Netzwerke
so über die Sperrdioden (DK1 bzw. DK2) in Verbindung steht, daß ein
Ladungsausgleich zum Zusatzkondensator (CK) 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 (CA1, CA2) jeweils
mit einem Anschluß direkt an den Polen (+ oder -) der Gleich
spannungsquelle liegen.
Priority Applications (1)
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DE3804478A DE3804478C2 (de) | 1988-02-11 | 1988-02-11 | Beschaltung für Wechselrichter, insbesondere Pulswechselrichter |
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ID=6347328
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DE3804478A Expired - Fee Related DE3804478C2 (de) | 1988-02-11 | 1988-02-11 | Beschaltung für Wechselrichter, insbesondere Pulswechselrichter |
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DE (1) | DE3804478C2 (de) |
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