DE3843142A1 - Schutzbeschaltung eines serien-schwingkreis-wechselrichters mit saettigbaren drosseln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzbeschaltung eines Serien-Schwingkreis-Wechselrichters mit sättigba­ ren Drosseln, wobei die für den Wechselrichter verwende­ ten Thyristoren und Dioden über jeweils eine sättigbare Drossel mit dem Plus-Potential und dem Minus-Potential einer Energiequelle verbunden sind.

Wechselrichterschaltungen zur Ansteuerung eines Reihen­ schwingkreises als Last sind bekannt aus: Heumann/Stum­ pe: Thyristoren, 3. Auflage, 1974, Seiten 210 bis 213.

Die Aufgabe eines derartigen Wechselrichters besteht darin, einen Reihenresonanzkreis als Last, gebildet aus Spule und Kondensator, mit Energie zu versorgen. Zum Schutz der verwendeten Thyristoren und Dioden vor star­ kem Spannungsanstieg ist weiterhin bekannt, sogenannte RCD-Beschaltungen vorzunehmen.

Um Einschalt- und Ausschaltverluste beim Wechselrichter zu reduzieren, werden die sättigbaren Drosseln zwischen Plus- bzw. Minus-Potential und den Thyristoren und Di­ oden vorgesehen. Diese Drosseln erlauben zwar ein ver­ lustarmes Ein- und Aussschalten der Thyristoren, erzeu­ gen aber auch durch das Ummagnetisieren beim Stromnull­ durchgang eine hohe Spannungsspitze, durch die die Thy­ ristoren bzw. Dioden zerstört werden können.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsan­ ordnung zur Verhinderung der Überspannung bei Wechsel­ richtern zu finden, so daß die eingesetzten Thyristoren spannungsmäßig höher aussnutzbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.

Bei bekannten Wechselrichterschaltungen müssen die ver­ wendeten Thyristoren wegen der Spannungsspitzen, hervor­ gerufen durch die sättigbaren Drosseln beim Stromnull­ durchgang, mit einer hohen Sperrspannungsklasse gewählt werden. Durch die erfindungsgemäße Schutzschaltung wer­ den die Spannungserhöhungen an den Thyristoren vermie­ den, so daß die Thyristoren wesentlich besser ausnutzbar sind. So kann beispielsweise die Ausgangsspannung am Lastkreis, d.h. am Serienschwingkreis, stark erhöht wer­ den, so daß die abgegebene Leistung bis zum Doppelten steigern läßt. Eine gute Ausnutzung der Thyristoren wird auch dadurch erzielt, daß sich in vorteilhafter Weise bis die Drosseln gesättigt sind - an den Thyristoren ein Einschalt- oder Stufenstrom einstellt, der die Sili­ zium-Schicht der Thyristoren vorflutet.

Weitere Vorteile sind aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Hälfte eines einphasigen Wech­ selrichters mit einem die Last darstellenden Reihenreso­ nanzkreis. Die andere Hälfte des Wechselrichters ist genauso aufgebaut und wurde der Übersicht halber nicht dargestellt. Zwischen die beiden Hälften des Wechsel­ richters ist der Reihenresonanzkreis angeordnet. Bei drei-phasigem Wechselrichter ist diese Anordnung natür­ lich dreifach vorhanden.

Vom Plus-Potential 1 nach Minus-Potential 2 ist die Rei­ henschaltung einer Drossel L 1, von zwei Thyristoren T 1 und T 2 mit antiparallel geschalteten Dioden DD 1 und DD 2 und einer weiteren Drossel L 2 gelegt. Die Thyristoren T 1 und T 2 werden über ein Steuerwerk ST gesteuert. Eine allgemein übliche RCD-Beschaltung der Thyristoren T 1, T 2 und Dioden DD 1, DD 2 zur Begrenzung des Spannungsanstiegs ist mit 8 bezeichnet. Der Anschlußpunkt zwischen der Drossel L 1 und dem Thyristor T 1 bzw. der Diode DD 1 ist mit 3, der Anschlußpunkt zwischen dem Thyristor T 2 bzw. der Diode DD 2 und der Drossel L 2 mit 5 bezeichnet. Zwi­ schen den Thyristoren T 1 und T 2 bzw. den Dioden DD 1 und DD 2, also am Anschlußpunkt 4, ist die Last L in Form eines Reihenresonanzkreises angeschaltet. Der Anschluß­ punkt 4 ist also der Ausgang des Wechselrichters.

Vom Pluspol 1 nach Minuspol 2 sind in Reihe geschaltet: Eine in Durchlaßrichtung betriebene Diode D 1, ein Wider­ stand R 1, ein Kondensator C 2 und eine weitere in Durchlaßrichtung betriebene Diode D 2. Parallel zu R 1 und C 2 ist eine Reihenschaltung eines Kondensator C 1 und eines Widerstandes R 2 gelegt. Der Verbindungspunkt zwi­ schen der Diode D 1 und Widerstand R 1 bzw. Kondensator C 1 ist mit 6 bezeichnet. Der Verbindungspunkt zwischen der Diode D 2, dem Kondensator C 2 bzw. Widerstand R 2 wurde mit 7 bezeichnet. Die Verbindung zwischen dem Kondensa­ tor C 1 und dem Widerstand R 2 ist an den Anschlußpunkt 5 angeschaltet.

Betrieben wird der Wechselrichter bzw. die dargestellte Hälfte eines einphasigen Wechselrichters aus einer als konstant angenommenen Spannungsquelle E.

Im stationären, eingeschwungenen Zustand fließt durch die Last L ein annähernd sinusförmiger Strom. Die Funk­ tionsweise der oben beschriebenen Anordnung setzt ein zu dem Zeitpunkt, in dem der Strom vom Pluspotential 1 durch die gesättigte Drossel L 1, Thyristor T 1, über den Anschlußpunkt 4 und den Lastkreis L über den nicht dar­ gestellten weiteren Wechselrichterzweig zu Minuspol 2 zurückfließt. Die Spannungsquelle E wird als konstant vorausgesetzt. Da an der Drossel L 1 und am leitenden Thyristor T 1 keine nennenswerten Spannungsabfälle ent­ stehen, liegt am gesperrten Thyristor T 2 die Spannung E in nahezu voller Höhe an. Bedingt durch die Lastanord­ nung ist der Laststrom nahezu sinusförmig und geht damit nach einiger Zeit durch Null. Damit übernimmt die Diode DD 1 den Strom und der Thyristor T 1 wird gesperrt. Im Nulldurchgang des Laststromes wird die Drossel L 1 als Induktivität wirksam. Die an der Drossel L 1 entstehende Spannung versucht die Stromänderung zu verhindern. Diese Spannung addiert sich zur Spannung E und erhöht die Spannung am gesperrten Thyristor T 2.

Mit steigender Frequenz wird die Stromänderungsgeschwin­ digkeit im Nulldurchgang des Laststromes immer größer, so daß die durch die sättigbare Drossel L 1 hervorgerufe­ ne Spannungserhöhung am gesperrten Thyristor T 2 auch immer größer wird. Die normale RCD-Beschaltung 8 zur du/dt-Begrenzung der Thyristoren und Dioden ist nicht in der Lage , die durch die sättigbaren Drossel hervorgeru­ fenen Überspannungen von den Thyristoren T 1, T 2 abzuhal­ ten. Die Sperrspannung der Thyristoren muß also wesent­ lich höher als normal notwendig gewählt werden. Da diese Schaltung auch für höhere Frequenzen eingesetzt wird, sind entsprechende schnelle Thyristoren mit hoher Sperr­ spannung schwer erhältlich und teuer.

Nach einer gewissen Zeit wird durch die Steuerung ST der zweite Thyristor T 2 gezündet. Der Laststrom kommutiert nun von der leitenden Diode DD 1 auf den Thyristor T 2. Die dabei auftretenden Spannungen an den Drosseln sind nicht störend. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich im unteren Zweig der Schaltung.

Gemäß der Erfindung sollen die Spannungserhöhungen beim Laststromnulldurchgang deutlich reduziert werden. Dies wird erzielt durch die Reihenschaltung der Diode D 1, Widerstand R 1, Kondensator C 2 und Diode D 2 zwiscn Plus­ potential 1 und Minuspotential 2 sowie von der Reihen­ schaltung des Kondensators C 1 und des Widerstandes R 2 parallel zu R 1 und C 2.

Die Wirkungsweise dieser zusätzlichen Bauteile auf die Gesamtschaltung ist folgende:

Im stationären Betrieb sind die Kondensatoren C 1 und C 2 über die Dioden D 1 und D 2 und entsprechend die Drosseln L 1 und L 2 auf die Spannung E aufgeladen. Wie oben be­ schrieben geht der Strom im Thyristor T 1 durch Null und die Drossel L 1 wird wirksam. Im Nulldurchgang versucht die Drossel eine Stromänderung durch Aufbau einer Gegen­ spannung zu verhindern. Damit versucht die Drossel L 1 die Spannung am Anschlußpunkt 3 über Minuspotential 2 zu erhöhen. Da jedoch am Anschlußpunkt 3 der Kondensator C 2 mit Diode D 2 in Reihe auch an Minuspotential 2 ange­ schlossen ist, wird der Laststrom in den Kondensator C 2 fließen, bis die Drossel L 1 gesättigt ist und den Strom wieder übernehmen kann. Der Kondensator C 2 überrnimmt also die Energie aus der Drossel L 1 bzw. baut die hohe Spannungspitze ab.

Die Spannung am Kondensator C 2 erhöht sich während der Stromflußzeit. Die Spannungserhöhung am Kondenstor C 2 wird durch die Kapazität des Kondensators C 2 bestimmt. Der erhöhte Spannung des Kondensators C 2 wird bei der Zündung des Thyristors T 2 entladen. In diesem Moment besteht der Entladekreis aus der noch leitenden Diode DD 1, dem gerade gezündeten Thyristor T 2 und dem Wider­ stand R 2. Der Kondensator C 2 entlädt sich auf die Span­ nung E. Die Höhe des Entladestroms wird durch die Größe des Widerstands R 2 bestimmt.

Da der Strom durch den gerade gezündeten Thyristor T 2 fließt, bewirkt dieser Strom, auch Stufenstrom genannt, eine sich gleichmäßig ausbreitende, leitende Fläche im Thyristor T 2, da die Drossel L 2 noch nicht gesättigt ist. Der Entladevorgang wie Bei C 2 besteht auch gleich­ zeitig für Kondensator C 1 über Widerstnad R 1. Der Entla­ dekreis besteht dann aus C 1, R 1, DD 1, T 2.

Beim nächsten Laststromnulldurchgang entsteht eine Span­ nungserhöhung am Kondensator C 1 und der Vorgang wieder­ holt sich im anderen Zweig, so daß bei der erfindungsge­ mäßen Schutzschaltung in vorteilhafter Weise eine Reduk­ tion der Überspannung mit geringem Aufwand möglich ist. Die Verluste in der erfindungsgemäßen Schutzschaltung sind ebenfalls gering.

Claims (1)

1. Schutzbeschaltung eines Serien-Schwingkreis-Wech­ selrichters mit sättigbaren Drosseln, wobei die für den Wechselrichter verwendeten Thyristoren und Dioden über jeweils eine sättigbare Drossel mit dem Plus-Potential und dem Minus-Potential einer Energiequelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
   daß zwischen Plus-Potential und Minus-Potential der Energiequelle (E) eine Reihenschal­ tung einer Diode (D 1), eines Widerstandes (R 1), eines Kondensators (C 2) und einer Diode (D 2) geschaltet ist, daß parallel zu dem Widerstand (R 1) und dem Kondensator (C 2) eine Reihenschaltung eines weiteren Kondensators (C 1) und eines weiteren Widerstandes (R 2) gelegt ist, daß der Verbindungspunkt (3) zwischen dem Widerstand (R 1) und dem Kondensator (C 2) an die Verbindung zwischen der einen sättigbaren Drossel (L 1) und dem einen Thyri­ stor (T 1) gelegt ist,
   daß der Verbindungspunkt (5) zwischen dem Widerstand (R 2) und den Kondensator (C 1) an die Verbindung zwischen der anderen sättigbaren Drossel (L 2) und dem anderen Thyristor (T 2) geführt ist,
   so daß die Kondensatoren (C 1 bzw. C 2) die an den Verbin­ dungspunkten (3 bzw. 5) auftretenden Spannungspitzen aufnehmen und die aufgenommene Ladung über die Wider­ stände (R 1 bzw. R 2), eine Diode (DD 1 oder DD 2) und den Thyristor (T 2 oder T 1) des Wechselrichters abgeben.