DE3831126C2 - Wechselrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dient vorzugsweise zur Anwendung bei Drehstrom- Schienenfahrzeugen.

Ein solcher Wechselrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung ist aus P. Appun, E. Futterlieb, K. Kommissari, W. Marx, "Die elektrische Auslegung der Stromrichterausrüstung der Lokomotive 120 der Deutschen Bundesbahn", Elektrische Bahnen 80 (1982), Heft 10, Seite 290 bis 294 und Heft 11, Seite 314 bis 317 bekannt.

Es handelt sich dabei um einen über einen Transformator gespeisten, selbstgeführten, gepulsten Eingangsstromrichter (Vierquadrantensteller), der an einem Zwischenkreis mit eingeprägter Spannung arbeitet. Mit Hilfe des bzw. mehrerer parallel arbeitender Vierquadrantensteller wird die Zwischenspannung auf einem konstanten Wert gehalten. Am Gleichspannungs- Zwischenkreis wird ein in Grundschwingungsamplitude und Frequenz steuerbarer Pulswechselrichter zur Speisung einer als Traktionsantrieb dienende Drehstrom-Asynchronmaschine betrieben.

Die dort beschriebenen Steuerverfahren beziehen sich auf 2-Punktwechselrichter, die mit eingeprägter Zwischenkreisspannung arbeiten. Die Wechselrichterausgangsspannung ergibt sich durch Pulsbreitenmodulation der Schaltzustände UD/2 und -UD/2 (UD = Zwischenkreisspannung). Die Spannungsdifferenz zwischen der Grundschwingungsausgangsspannung und der durch die Pulsbreitenmodulation tatsächlich am Ausgang anliegenden Spannung führt zu entsprechenden Oberschwingungsströmen.

Die im bekannten Fall dargelegte Stromrichteranordnung besteht - wie erwähnt - aus Vierquadrantensteller, Zwischenkreis und 3-phasigem Antriebswechselrichter. Sowohl der Vierquadrantensteller als auch der Antriebswechselrichter sind Quelle von entsprechenden Oberschwingungen. Für die vom Gesamtstromrichter im Netz verursachten Oberschwingungen ist im wesentlichen der Vierquadrantensteller verantwortlich. Dagegen ist der Antriebswechselrichter die Hauptquelle der Motorstromoberschwingungen.

Von diesen Oberschwingungsströmen erfordern besonders die im Netz erzeugten Oberschwingungsströme und deren Reduzierung auf die zulässige Höchstwerte besondere Aufwendungen. So wird einmal die Taktfrequenz der Vierquadrantensteller soweit angehoben, daß die durch Schalt- und Durchlaßverluste verursachten Halbleiterverluste noch abgeführt werden können und die Kommutierungs- bzw. bei GTO-Halbleitern (Gate-turn-off) die Beschaltungsverluste nicht unvertretbar hoch werden. Zum anderen ist zusätzlich ein nicht unerheblicher Aufwand eines passiven Netzfilters erforderlich.

Aus Elektrische Bahnen 80 (1982), Heft 10, Seite 290 bis 294 ist es für einen Wechselrichter mit nicht löschbaren Halbleiterschaltern im Lastkreis bekannt, den Wechselspannungsanschluß über einen Kommutierungszweig mit dem Spannungsmittelpunkt des Zwischenkreises zu verbinden, wobei der Kommutierungszweig aus mehreren in Serie angeordneten Antiparallelschaltungen von Kommutierungsthyristoren sowie einer Kommutierungsinduktivität und einer Kommutierungskapazität besteht.

Ein Wechselrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung ist auch aus J. K. Steinke, Grundlagen für die Entwicklung eines Steuerverfahrens für GTO-Dreipunktwechselrichter für Traktionsantriebe, etz archiv, Bd. 10 (1988), H. 7, Seiten 215 bis 220 bekannt. Beim dort vorgeschlagenen GTO-Dreipunktwechselrichter ist der Wechselspannungsanschluß über ein aus zwei antiparallel angeordneten, zünd- und löschbaren Halbleiterschaltern bestehendes Zweigpaar mit einer Spannungsanzapfung des Zwischenkreises verbunden. Diese zusätzlichen zünd- und löschbaren Halbleiterschalter müssen eigens angesteuert werden, was beim Steuerverfahren berücksichtigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vereinfachten Wechselrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung zu schaffen, mit dem die Oberschwingungsströme reduziert werden.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß infolge der Reduzierung der Oberschwingungsströme der Netzfilteraufwand, sowie die durch die Oberschwingungsströme verursachten Zusatzverluste und die im Stromrichter auftretenden Scheitelströme verkleinert werden. Dies gilt sowohl für den aufwandsarmen 3-Punktwechselrichter als auch für den Mehrpunktwechselrichter. Durch geeignete Taktungen, insbesondere durch das stufenartige Schalten jeweils der halben Zwischenkreisspannung bzw. einer Teilzwischenkreisspannung, können die Beschaltungsverluste sowie Schaltverluste der GTO′s und der Rückleistungsdioden gegenüber der 2-Punktschaltung nicht unbeträchtlich reduziert werden. Die Verringerung der Beschaltungsverluste ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß die GTO-Einschaltung nur mit halber Zwischenkreisspannung bzw. mit einer Teilzwischenkreisspannung geschieht.

Im Vergleich zur 2-Punktschaltung ist der Mehraufwand der vorgeschlagenen 3-Punktschaltung oder auch der Mehr­ punktschaltung gegenüber anderen 3-Punktschaltungen, die vier abschaltbare Halbleiter je Wechselrichter benötigen, gering.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines 2-Punkt­ wechselrichters,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines 2-Punktwechsel­ richters,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild eines 3-Punktwechsel­ richters,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines 3-Punktwechsel­ richters,

Fig. 5a, b Zustandsdiagramme des 3-Punktwechselrichters bei positivem Strom (Fig. 5a) und negativem Strom (Fig. 5b),

Fig. 6 ein Zustandsdiagramm des 2-Punktwechselrichters,

Fig. 7 ein Schaltbild eines 3-Punktwechselrichters mit Kommutierungsdrosseln,

Fig. 8 ein Schaltbild eines Mehrpunktwechselrichters,

Fig. 9 eine Vierquadranten-Einspeiseschaltung mit Netzschutz für eine Fahrdraht-Drehstromlokomotive,

Fig. 10 die Leitzustände der Ventile eines Vier­ quadrantenstellers bei unsymmetrischer Taktung im Fahrbetrieb,

Fig. 11 die Leitzustände der Ventile eines Vier­ quadrantenstellers bei symmetrischer Taktung im Fahrbetrieb,

Fig. 12 die Leitzustände der Ventile eines Vier­ quadrantenstellers im Bremsbetrieb,

Fig. 13 die Leitzustände der Ventile eines Vier­ quadrantenstellers im Bremsbetrieb bei einer alternativen Taktung.

In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schaltbild eines 2-Punktwechselrichters dargestellt. Es sind zwei in Serie geschaltete Spannungsquellen Q1, Q2 (z. B. Konden­ satorbatterie eines Zwischenkreises) zu erkennen, wobei die eine Anschlußklemme der Spannungsquelle Q1 den positiven Pol P1 des Zwischenkreises, die eine Anschlußklemme der Spannungsquelle Q2 den negativen Pol N des Zwischenkreises sowie die jeweils weiteren, miteinander verbundenen Anschlußklemmen der Spannungsquellen Q1, Q2 den Mittelpunkt M des Zwischenkreises bilden. Zwischen den Polen P und N liegt die Zwischenkreisspannung UD sowie zwischen dem Pol P und dem Mittelpunkt M bzw. zwischen dem Mittelpunkt und dem Pol N jeweils die halbe Zwischenkreisspannung UD/₂ an.

Mit dem Pol P sind die Anode eines zünd- und löschbaren Halbleiterschalters G1 und die Kathode einer Rück­ leistungsdiode D1 verbunden. An den Pol N sind die Kathode eines zünd- und löschbaren Halbleiterschalters G2 und die Anode einer Rückleistungsdiode D2 angeschlossen. Die Kathode von G1, die Anode von D1, die Anode von G2 und die Kathode von D2 sind miteinander verbunden und bilden den Wechselspannungsausgang A des Wechselrichters. Die Wechselspannung zwischen A und M beträgt µM. Als zünd- und löschbare Halbleiterschalter G1, G2 sind GTO-Thyri­ storen oder Thyristoren mit Löscheinrichtungen einsetz­ bar. Im weiteren werden die Schalter G1, G2 sowie die weiteren zünd- und löschbaren Halbleiterschalter kurz mit "GTO" bezeichnet.

In Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild eines 2-Punkt­ wechselrichters dargestellt. Es ist zu erkennen, daß wahl­ weise eines der zwei Potential UD/₂ (über Punkt B) oder -UD/₂ (über Punkt C) an den Wechselspannungsausgang A geschaltet werden kann. Der aus dem Wechselspannungsaus­ gang A fließende Wechselstrom ist mit i bezeichnet.

In Fig. 3 ist ein vereinfachtes Schaltbild eines 3-Punktwechselrichters dargestellt. Als 3-Punktwechsel­ richter wird allgemein eine Anordnung bezeichnet, die in der Lage ist, wahlweise eines der drei Potentiale UD/₂, 0 oder -UD/₂ von zwei in Reihe geschalteten Kondensator­ batterien oder Spannungsquellen an den Wechselspannungsaus­ gang A zu schalten. Die Schaltung ist wie der unter Fig. 1 beschriebene 2-Punktwechselrichter aufgebaut, darüber hinaus ist zusätzlich der Mittelpunkt M des Zwischenkreises über zwei antiparallel geschaltete, ein Zweigpaar bildende Thyristoren T1, T2 mit dem Wechsel­ spannungsausgang A verbunden. Im einzelnen sind die Anode von T2 und die Kathode von T1 an den Mittelpunkt M sowie die Kathode von T2 und die Anode von T1 an den Ausgang A angeschlossen. Die Thyristoren T1, T2 sowie weitere Thyristoren werden nachfolgend auch als Mittel­ punktthyristoren bezeichnet.

In Fig. 4 ist ein Prinzipschaltbild eines 3-Punkt­ wechselrichters dargestellt. Es ist zu erkennen, daß wahl­ weise eines der drei Potentiale UD/₂ (über Punkt B), 0 (über Punkt D) oder -UD/₂ (über Punkt C) an den Wechsel­ spannungsausgang A geschaltet werden kann. Die drei Potentiale UD/₂, 0, -UD/₂ können durch die jeweilige Stromführung eines der Ventile des oberen (G1/D1), mittleren (T1/T2) oder unteren Zweigpaares (G2/D2) mit dem Wechselspannungsausgang A verbunden werden. Die Löschung der Mittelpunktthyristoren erfolgt selbsttätig beim Ein­ schalten der entsprechenden GTO′s G1 oder G2. Als Sperr­ spannung steht jeweils die halbe Zwischenkreisspannung UD/₂ zur Verfügung. Die Schonzeit des zuletzt stromführenden Mittelpunktthyristors ergibt sich direkt aus der Einschaltdauer des entsprechenden GTO′s. Die Kommutie­ rungsdauer vom Mittelpunktthyristor auf den GTO ist vernachlässigbar.

In den Fig. 5a, 5b sind Zustandsdiagramme des 3-Punkt­ wechselrichters bei positivem Strom (Fig. 5a) und bei negativem Strom (Fig. 5b) dargestellt. Die möglichen Zustandswechsel von einem Potential UD/₂, 0, -UD/₂ zum anderen Potential sind jeweils mit Pfeilen bezeichnet. Wie Fig. 5a und 5b zeigen, sind die drei Schaltzustände beim 3-Punktwechselrichter mit Mittelpunktthyristoren durch fünf der sechs möglichen Zustandswechsel ver­ knüpft. Gemäß Fig. 5a ist zu erkennen, daß nicht direkt vom Potential 0 zum Potential -UD/₂ geschaltet werden kann. Gemäß Fig. 5b ist ersichtlich, daß ein direkter Zustandswechsel vom Potential 0 zum Potential UD/₂ nicht möglich ist. Die Zustandswechsel von 0 nach UD/₂ bzw. von 0 nach -UD/₂ sind vielmehr für negativen und positiven Strom unterschiedlich. Für positiven Strom (siehe Fig. 5a) ist der Wechsel von 0 nach -UD/₂ nur über den Umweg UD/₂ nach -UD/₂ möglich. Bei negativem Strom (siehe Fig. 5b) ist ein Übergang von 0 nach UD/₂ dagegen nur über -UD/₂ nach UD/₂ möglich.

Soll z. B. bei positivem Ausgangsstrom (Zählpfeil siehe Fig. 4) und leitendem Thyristor T2 das Potential von 0 auf -UD/₂ an den Ausgang A geschaltet werden (Übergang bei positivem Strom von T2 nach D2), so geschieht dies in zwei Schritten: Zunächst wird G1 gezündet und damit die Sperrspannung UD/₂ an T2 gelegt, um die geforderte Schonzeit für T2 zu sichern. Nach Ablauf der Schonzeit von T2 wird G1 gelöscht, worauf eine Stromkommutierung auf die Rückleistungsdiode D2 erfolgt. Eine analoge Löschung für den Thyristor T1 ergibt sich bei negativem Ausgangsstrom beim Umschalten vom Potential 0 nach UD/₂:
Zunächst wird G2 gezündet und damit die Sperrspannung UD/₂ an T1 gelegt. Nach der Schonzeit von T1 wird G2 gelöscht, worauf die Kommutierung des Stromes auf die Rückleistungsdiode D1 erfolgt.

In Fig. 6 ist ein Zustandsdiagramm des 2-Punktwechsel­ richters gezeigt, aus dem die beiden möglichen Schaltzu­ stände UD/₂ und -UD/₂ hervorgehen.

In Fig. 7 ist ein Schaltbild eines 3-Punktwechselrichters mit Kommutierungsdrosseln dargestellt. Die Schaltung entspricht der in Fig. 3 gezeigten Anordnung, zusätzlich befindet sich eine Kommutierungsdrossel Lip zwischen dem positiven Pol P des Zwischenkreises und dem Zweigpaar G1/D1, eine Kommutierungsdrossel LiN zwischen dem negativen Pol N des Zwischenkreises und dem Zweig­ paar G2/D2 sowie eine Kommutierungsdrossel LiM zwischen dem Mittelpunkt M und dem Zweigpaar T1/T2.

In Fig. 8 ist ein Schaltbild eines Mehrpunktwechselrichters dargestellt. Es sind die beiden Zweigpaare G1/D1 und G2/D2 zu erkennen, die einerseits miteinander ver­ bunden sind und den Wechselspannungsausgang A bilden und die andererseits an Spannungsquellen (Kondensatorbatterien) Q1, Q2 angeschlossen sind. Zusätzlich können weitere Spannungsquellen (Kondensatorbatterien) Q(n-1) vor­ gesehen sein (n=3,4,5 . . . Pulszahl). Jeweils an den Verbindungspunkt zweier Spannungsquellen ist ein mit Thyristoren bestücktes Zweigpaar T1/T2 bzw. T2(n-2)-1/- T2(n-2) angeschlossen. Die weiteren Klemmen dieser Zweigpaare liegen am Wechselspannungsausgang A. Bei dem in Fig. 8 angeordneten 4-Punktwechselrichter (n=4) ist demnach im Vergleich zum 3-Punktwechselrichter gemäß Fig. 7 eine weitere Spannungsquelle Q3 sowie ein weiteres Zweigpaar T3/T4 vorzusehen, wobei das Zweigpaar T1/T2 am Verbindungspunkt Q1/Q3 und das Zweigpaar T3/T4 am Verbindungspunkt Q2/Q3 liegt. Zwischen dem Zweigpaar G1/D1 und dem positiven Pol P bzw. zwischen dem Zweig­ paar G2/D2 und dem negativen Pol N können wiederum Kommutierungsdrosseln LiP bzw. LiN angeordnet sein. Zwischen den Zweigpaaren T1/T2, T3/T4 . . . und den zugeordneten Verbindungspunkten der Spannungsquellen können ebenfalls Kommutierungsdrosseln Li angeordnet sein.

In Fig. 9 ist eine Vierquadrantensteller-Einspeiseschaltung mit Netzschutz für eine Fahrdraht-Drehstromlokomotive dargestellt. Es ist zu erkennen, daß sich durch die bei der Drehstromtechnik in der Traktion generell einge­ setzten Netzschutzthyristoren T11, T12, T21, T22 eine 3-Punktanordnung beim Vierquadrantensteller durch Einbe­ ziehung des Netzschutzes als betriebsmäßiges Schaltglied ohne nennenswerten Mehraufwand im Leistungsteil erreichen läßt. Hierzu ist lediglich eine zusätzliche elek­ trische Verbindung zwischen den Netzschutzthyristoren und dem Mittelpunkt des Zwischenkreises notwendig, wie in Fig. 9 strichliert dargestellt. Die Netzschutzfunktion der Thyristoren bleibt weiterhin erhalten.

Die in Fig. 9 dargestellte Schaltung zeigt zwei Vier­ quadrantensteller, die parallel an einem Zwischenkreis arbeiten. Es sind wiederum die beiden Spannungsquellen (Kondensatorbatterien) Q1, Q2, die Kommutierungsdrosseln LiP, LiN, LiM, die zwischen den Polen des Zwischenkreises liegenden Zweigpaare G11/D11, G21/D21 (diese beiden Zweigpaare entsprechen den Zweigpaaren G1/D1, G2/D2 gemäß Fig. 7) sowie das Zweigpaar T11/T21 (dieses Zweig­ paar entspricht dem Zweigpaar T1/T2 gemäß Fig. 7) zu erkennen. Der Wechselspannungsanschluß A dieser 3-Punkt­ anordnung ist mit der ersten Klemme einer ersten Sekundär­ wicklung S1 eines Transformators T verbunden. Die Primärwicklung des Transformators T ist zwischen Fahr­ draht FD und Rad/Schiene RS geschalten. Die zweite Klemme der ersten Sekundärwicklung S1 bildet den Wechsel­ spannungsanschluß E einer weiteren 3-Punktanordnung mit den Zweigpaaren G12/D12, G22/D22 und T22/T12. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Thyristoren T11, T12, T21, T22 ist über die Kommutierungsdrossel LiM mit dem Mittelpunkt M des Zwischenkreises verbunden. Diese beiden 3-Punktanordnungen bilden den ersten Vierquadrantensteller.

Der zweite Vierquadrantensteller wird durch zwei weitere 3-Punktanordnungen mit den Zweigpaaren G11′/D11′, G21′/ D21′, T11′/T21′ sowie G12′/D12′, G22′/D22′, T22′/T12′ gebildet. Die Thyristoren T11′, T12′, T21′, T22′ der beiden weiteren 3-Punktanordnungen sind über eine Kommu­ tierungsdrossel LiM′ mit dem Mittelpunkt M des Zwischen­ kreises verbunden. Die Wechselspannungsanschlüsse F, G der weiteren 3-Punktanordnungen sind mit den Klemmen einer zweiten Sekundärwicklung S2 des Transformators T verbunden. Während die Kommutierungsdrossel LiP allen vier 3-Punktanordnungen gemeinsam ist, sind getrennte Kommutierungsdrosseln LiN für jede 3-Punktanordnung vor­ gesehen. Fig. 9 zeigt nur ein Beispiel der möglichen Drosselanordnungen.

In den Fig. 10 bis 13 sind einige der möglichen Vier­ quadrantensteller-Taktungen für Fahr- und Bremsbetrieb gezeigt. Dabei wird von einem in Fig. 9 gezeigten Vier­ quadrantensteller mit den Ventilen G11, G21, T11, T21, D11, D21, G12, G22, T12, T22, D12 und D22 ausgegangen. Die entsprechenden Leitzustände der Ventile sind mit LG11, LG21, LT11, LT21, LD11, LD21, LG12, LG22, LT12, LT22, LD12 und LD22 bezeichnet. Desweiteren sind jeweils die zeitlichen Verläufe der Stellerspannung US, der (von einer Regeleinrichtung vorgegebenen) Grundwelle der Trafo-Sekundärspannung US1 und des Stromes i in die Sekundärwicklung S1 dargestellt.

Auf die Darstellung der Pulsbildung im Bereich der Strom-Nulldurchgänge, die die Trafomagnetisierung zum Teil vom Zwischenkreis durchführt, wurde bei den Fig. 10 bis 13 aus Vereinfachungsgründen verzichtet. Die Trafo­ magnetisierung in diesem Bereich kann mit ±UD/₂ und ±UD durchgeführt werden.

In Fig. 10 sind die Leitzustände der Ventile eines Vier­ quadrantenstellers bei unsymmetrischer Taktung im Fahr­ betrieb dargestellt. Während der Zeiträume zwischen Zeitpunkt t1 und Zeitpunkt t2, zwischen t3 und t4, zwischen t5 und t6, zwischen t11 und t12 sowie zwischen t17 und 18 leiten die Ventile T11 und D22 und die halbe Zwischenkreisspannung UD/₂ wird an die Sekundärwicklung S1 angelegt. Während der Zeiträume zwischen t2 und t3, zwischen t4 und t5, zwischen t6 und t7, zwischen t12 und t13 sowie zwischen t18 und t9 ergibt sich ein Freilauf über die Ventile G21 und D22. Während der Zeiträume zwischen t7 und t8, zwischen t10 und t11, zwischen t13 und t14, zwischen t16 und t17 sowie zwischen t19 und t20 leiten die Ventile D11 und D22 und die volle Zwischen­ kreisspannung UD wird an S1 angelegt. Während der Zeit­ räume zwischen t8 und t9, zwischen t14 und t15, zwischen t20 und t21, zwischen t22 und t23 sowie zwischen t24 und t25 leiten die Ventile D11 und T22 und die halbe Zwischenkreisspannung UD/₂ wird an S1 angelegt. Während der Zeiträume zwischen t9 und t10, zwischen t15 und t16, zwischen t21 und t22 sowie zwischen t23 und t24 ergibt sich ein Freilauf über die Ventile D11 und G12. Die vorstehend für die positive Spannungshalbwelle erläuterten Zusammenhänge wiederholen sich in entsprechender Weise während der negativen Spannungshalbwelle, wobei dann die Ventile G11, T21, D21, G22, T12 und D12 zum Einsatz gelangen.

In Fig. 11 sind die Leitzustände der Ventile eines Vier­ quadrantenstellers bei symmetrischer Taktung im Fahrbe­ trieb dargestellt. Während der Zeiträume zwischen t31 und t32, zwischen t35 und t36, zwischen t41 und t42, zwischen t47 und t48 sowie zwischen t52 und t53 leiten die Ventile D11 und T22 und die halbe Zwischenkreis­ spannung UD/₂ wird an die Sekundärwicklung S1 gelegt. Während der Zeiträume zwischen t32 und t33, zwischen t36 und t37, zwischen t42 und t43, zwischen t48 und t49 sowie zwischen t53 und t54 ergibt sich ein Freilauf über die Ventile D11 und G12. Während der Zeiträume zwischen t33 und t34, zwischen t38 und t39, zwischen t44 und t45, zwischen t50 und t51 sowie zwischen t54 und t55 leiten die Ventile T11 und D22 und die halbe Zwischenkreis­ spannung UD/₂ wird an S1 angelegt. Während der Zeiträume zwischen t34 und t35, zwischen t39 und t40, zwischen t45 und t46 sowie zwischen t51 und t52 ergibt sich ein Frei­ lauf über die Ventile G21 und D22. Während der Zeiträume zwischen t37 und t38, zwischen t40 und t41, zwischen t43 und t44, zwischen t46 und t47 sowie zwischen t49 und t50 leiten die Ventile D11 und D22 und die volle Zwischen­ kreisspannung UD wird an S1 angelegt. Die vorstehend für die positive Spannungshalbwelle erläuterten Zusammenhänge wiederholen sich in entsprechender Weise während der negativen Spannungshalbwelle, wobei dann die Ventile G11, T21, D21, G22, T12 und D12 zum Einsatz gelangen.

In Fig. 12 sind die Leitzustände der Ventile eines Vier­ quadrantenstellers im Bremsbetrieb dargestellt. Während der Zeiträume zwischen t61 und t62, zwischen t65 und t66, zwischen t69 und t70, zwischen t73 und t74 sowie zwischen t77 und t78 leiten die Ventile G11 und T12 und die halbe Zwischenkreisspannung UD/₂ liegt an der Sekundär­ wicklung S1 an. Während der Zeiträume zwischen t62 und t63, zwischen t64 und t65, zwischen t76 und t77 sowie zwischen t78 und t79 ergibt sich ein Freilauf über die Ventile T21 und T12. Während der Zeiträume zwischen t63 und t64, zwischen t67 und t68, zwischen t71 und t72, zwischen t75 und t76 sowie zwischen t79 und t80 leiten die Ventile T21 und G22 und die halbe Zwischenkreis­ spannung UD/₂ liegt an S1. Während der Zeiträume zwischen t66 und t67, zwischen t68 und t69, zwischen t70 und t71, zwischen t72 und t73 sowie zwischen t74 und t75 leiten die Ventile G11 und G22 und die volle Zwischenkreis­ spannung UD liegt an S1 an. Die vorstehend für die positive Spannungshalbwelle erläuterten Zusammenhänge wiederholen sich in entsprechender Weise während der negativen Spannungshalbwelle, wobei dann die Ventile G21, T11, G12 und T22 zum Einsatz gelangen.

In Fig. 13 sind die Leitzustände der Ventile eines Vier­ quadrantenstellers im Bremsbetrieb bei einer alternativen Taktung dargestellt. Während der Zeiträume zwischen t81 und t82, zwischen t85 und t86, zwischen t89 und t90, zwischen t93 und t94 sowie zwischen t97 und t98 leiten die Ventile G11 und T12 und die halbe Zwischenkreis­ spannung UD/₂ wird an die Sekundärwicklung S1 des Transfor­ mators angelegt. Während der Zeiträume zwischen t82 und t83 und zwischen t98 und t99 ergibt sich ein Freilauf über die Ventile D21 und G22. Während der Zeiträume zwischen t83 und t84, zwischen t87 und t88, zwischen t91 und t92, zwischen t95 und t96 sowie zwischen t99 und t100 leiten die Ventile T21 und G22 und die halbe Zwischenkreisspannung UD/₂ wird an die Sekundärwicklung S1 gelegt. In den Zeiträumen zwischen t84 und t85 sowie zwischen t96 und t97 ergibt sich ein Freilauf über die Ventile G11 und D12. In den Zeiträumen zwischen t86 und t87, zwischen t88 und t89, zwischen t90 und t91, zwischen t92 und t93 sowie zwischen t94 und t95 leiten die Ventile G11 und G22 und die volle Zwischenkreisspannung UD wird an die Sekundärwicklung S1 gelegt. Die vor­ stehend für die positive Spannungshalbwelle erläuterten Zusammenhänge wiederholen sich in entsprechender Weise während der negativen Spannungshalbwelle, wobei dann die Ventile G21, T11, D11, G12, T22 und D22 zum Einsatz gelangen.

Bei der in Fig. 11 für Fahrbetrieb gezeigten symmetrischen Taktung lösen sich die beiden Phasen des Vierqua­ drantenstellers in der Zündreihenfolge nacheinander ab. Unter einer symmetrischen Taktung wird dabei eine Taktung verstanden, bei der die Pulse der Phasen symme­ trisch bezüglich ihrer Lage und ihrer Impulsbreite über eine Spannungshalbwelle verteilt sind. Fig. 10 zeigt im Unterschied hierzu eine unsymmetrische Taktung, bei der bei einer inneren Trafo-Sekundärspannung uF unterhalb von UD/₂ der Strom zwischen einem GTO und einem Thyri­ stor einer Vierquadrantensteller-Phase geschaltet wird. Bei einer inneren Trafo-Sekundärspannung uF oberhalb des Wertes UD/₂ schalten die GTO′s und Thyristoren der beiden Vierquadrantensteller-Phasen wieder abwechselnd.

Im Beispiel gemäß Fig. 10 wechselt der Strom während des Anstieges der Spannung uF bis zum Wert UD/₂ zwischen G21 und T11 hin und her (siehe Fig. 10 und 9). Beim Abfall der Spannung uF im Bereich von UD/₂ bis zum Wert 0 wechselt dann der Strom zwischen den Ventilen G12 und T22. Auf eine Halbschwingung bezogen bleiben jedoch die Anzahl der Schalthandlungen und damit die Verluste beider Vierquadrantensteller-Phasen gleich. Damit durch diese spezielle Taktung keine Zwischenkreisanregungen entstehen, sollte der andere, parallel am gleichen Zwischen­ kreis arbeitende Vierquadrantensteller G11′, G21′, T11′, T21′, D11′, D21′, G12′, G22′, T12′, T22′, D12′, D22′ genau spiegelsymmetrisch takten.

Die in Fig. 10 gezeigte unsymmetrische Taktung hat besonders niedrige Beschaltungsverluste, da hierbei die Schalthandlungen bezogen auf die resultierende Taktfre­ quenz gering sind und die Einschaltung der GTO′s stets mit halber Zwischenkreisspannung erfolgt.

Die im Bereich der Spannung uF oberhalb des Wertes UD/₂ und beim Übergang der Stellerspannung US von UD/₂ auf UD auftretenden kurzen 0-Spannungsbereiche sind zur Bereit­ stellung der Schonzeit für die Mittelpunktthyristoren erforderlich. In diesem Spannungsbereich muß der Strom im Fahrbetrieb zwischen Thyristor und Rückleistungsdiode hin und her wechseln. Wie unter Fig. 5 erläutert, ist jedoch ein Wechsel von Thyristor auf Rückleistungsdiode nur über eine entsprechende GTO-Einschaltung möglich.

Im Bremsbetrieb treten diese Spannungsnullphasen im Bereich der Spannung uF oberhalb des Wertes UD/₂ nicht auf, da der Strom nur zwischen GTO und Thyristor hin und her wechselt (siehe Fig. 12 und 13). Die Taktung nach Fig. 12 verursacht vorteilhaft besonders niedrige Beschaltungsverluste.

Claims (6)

1. Wechselrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung, wobei ein aus einem zünd- und löschbaren Halbleiterschalter und einer antiparallel angeordneten Rückleistungsdiode bestehendes erstes Zweigpaar mit einem zweiten, gleichartig aufgebauten Zweigpaar in Reihe geschaltet ist, der Wechselspannungsanschluß am Verbindungspunkt beider Zweigpaare liegt und die weiteren Anschlüsse der beiden Zweigpaare mit dem positiven bzw. negativen Pol des Zwischenkreises verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsanschluß (A) über mindestens ein aus zwei antiparallel angeordneten nicht löschbaren Halbleiterschaltern (T1/T2; T2(n-2)-1/T2(n-2); T11/T21, T22/T12) bestehendes Zweigpaar mit mindestens einer Spannungsanzapfung des Zwischenkreises verbunden ist, wobei zur Kommutierung des Stromes von einem nicht löschbaren Halbleiterschalter (T1/T2; T2(n-2)-1(T2(n-2); T11/T21, T22/T12) eines Zweigpaares auf eine Rückleistungsdiode (D1/D2; D11/D21, D12/D22) in einem ersten Schritt der zünd- und löschbare Halbleiterschalter (G1/G2; G11/G21, G12/G22) der jeweils anderen, diese Rückleistungsdiode nicht enthaltenden Zweigpaares eingeschaltet wird und daß in einem zweiten Schritt nach Ablauf der Schonzeit des nicht löschbaren Halbleiterschalters dieser zünd- und löschbare Halbleiterschalter wieder gelöscht wird, so daß der Strom auf die Rückleistungsdiode kommutiert.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz lediglich eines aus nicht löschbaren Halbleiterschaltern (T1/T2) bestehenden Zweigpaares der Mittelpunkt (M) des Zwischenkreises zur Spannungsanzapfung dient.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz mehrerer aus nicht löschbaren Halbleiterschaltern (T2/T1, T2(n-2)/T2(n-2)-1)) bestehenden Zweigpaare eine Aufteilung der Zwischenkreisspannung mittels der Spannungsanzapfungen erfolgt.

4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem aus einem zünd- und löschbaren Halbleiterschalter (G1/G2; G11/G21, G12/G22) und einer antiparallel angeordneten Rückleistungsdiode (D1/D2; D11/D21, D12/D22) bestehenden Zweigpaar und dem positiven bzw. negativen Pol des Zwischenkreises mindestens eine Kommutierungsdrossel (LiP, LiN) angeordnet ist.

5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wechselspannungsanschluß (A) und jeder Spannungsanzapfung eine Kommutierungsdrossel (LiM, Li) angeordnet ist.

6. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von aus nicht löschbaren Halbleiterschaltern gebildeten Zweigpaaren der gemeinsame Verbindungspunkt von Netzschutzthyristoren (T11, T21, T12, T22) eines Vierquadrantenstellers an den Mittelpunkt (M) des Zwischenkreises angeschlossen ist.