DE3843142C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzbeschaltung eines Serien-Schwingkreis-Wechselrichters mit sättigbaren Drosseln, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs.

Ein derartiger Serien-Schwingkreis-Wechselrichter mit sättigbaren Drosseln ist aus Brown Boveri Technik 1-86, Seite 50 bis 55 bekannt. Dabei wird der Einsatz rückwärtsleitender Thyristoren vorgeschlagen.

Wechselrichterschaltungen zur Ansteuerung eines Reihen­ schwingkreises als Last sind außerdem bekannt aus: Heumann/Stumpe: 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 starkem Spannungsanstieg ist weiterhin bekannt, sogenannte RCD-Beschaltungen vorzunehmen.

Um Einschalt- und Ausschaltverluste beim Wechselrichter zu reduzieren, werden die sättigbaren Drosseln zwischen Plus- und Minus-Potential und den Thyristoren und Dioden vorgesehen. Diese Drosseln erlauben zwar ein verlustarmes Ein- und Aussschalten der Thyristoren, erzeugen aber auch durch das Ummagnetisieren beim Stromnulldurchgang eine hohe Spannungsspitze, durch die die Thyristoren bzw. Dioden zerstört werden können.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Überspannung bei Serien-Schwingkreis-Wechselrichtern mit sättigbaren Drosseln zu finden, so daß die eingesetzten Thyristoren spannungsmäßig höher aussnutzbar sind.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Dabei ist es aus Elektrische Bahnen eb, 86. Jahrgang, Heft 3/1988, Seiten 81 bis 85 für einen GTO-U-Umrichtung (Pulswechselrichter) bekannt, eine RCD-Zusatzbeschaltung zur Zwischenspeicherung der Kommutierungsenergie, die in den zur Stromanstiegsbegrenzung bei Kommutierungsvorgängen dienenden Drosslen und in den Leitungsinduktivitäten gespeichert ist, vorzusehen. Desweiteren ist es aus der EP 2 12 155 A1 für einen Spannungsumrichtung bekannt, zur Verminderung von Überspannungen beim Abschalten der Thyristoren (GTO-Thyristoren), welche Überspannungen von Streuinduktivitäten in den Zuleitungen herrühren, parallel zu diesen Thyristoren über eine Drosselfreilaufdiode einen Überspannungskondensator zu schalten. Diese Vorschläge betreffen jedoch keinen Serien-Schwingkreis-Wechselrichter und die Drosseln sind nicht ausdrücklich sättigbar. Die beim Entladen der Kondensatoren fließenden Ströme fließen nicht über die Thyristoren, so daß sich kein Einschalt- oder Stufenstrom über die Thyristoren einstellt.

Bei bekannten Serien-Schwingkreis-Wechselrichterschaltungen müssen die verwendeten Thyristoren wegen der Spannungsspitzen, hervorgerufen durch die sättigbaren Drosseln beim Stromnulldurchgang, mit einer hohen Sperrspannungsklasse gewählt werden. Durch die erfindungsgemäße Schutzschaltung werden die Spannungserhöhungen an den Thyristoren vermieden, so daß die Thyristoren wesentlich besser ausnutzbar sind. So kann beispielsweise die Ausgangsspannung am Lastkreis, d.h. am Serienschwingkreis, stark erhöht werden, so daß sich 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 Silizium-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 dreiphasigem 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 zum 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 übernimmt 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 Widerstand 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 mindestens einem Wechselrichter-Zweigpaar, wobei das mindestens eine Zweigpaar aus der Reihenschaltung einer ersten sättigbaren Drossel, eines ersten Thyristors mit antiparalleler Diode, eines zweiten Thyristors mit antiparalleler Diode und einer zweiten sättigbaren Drossel besteht und mit dem Plus-Potential und dem Minus-Potential einer Energiequelle verbunden ist,
   dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Plus-Potential und Minus-Potential der Energiequelle (E) eine Reihenschaltung einer in Durchlaßrichtung gepolten Diode (D 1), eines Widerstandes (R 1), eines Kondensators (C 2) und einer weiteren in Durchlaßrichtung gepolten 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 ersten sättigbaren Drossel (L 1) und dem einen Thyristor (T 1) gelegt ist,
   daß der Verbindungspunkt (5) zwischen dem weiteren Widerstand (R 2) und dem weiteren Kondensator (C 1) an die Verbindung zwischen der zweiten sättigbaren Drossel (L 2) und dem anderen Thyristor (T 2) geführt ist, so daß die Kondensatoren (C 1 bzw. C 2) die an den Verbindungspunkten (3 bzw. 5) auftretenden Spannungspitzen aufnehmen und die aufgenommene Ladung über die Widerstände (R 1 bzw. R 2), eine Diode (DD 1 oder DD 2) und den Thyristor (T 2 oder T 1) des Wechselrichters abgeben.