DE3872439T2

DE3872439T2 - Pulsbreitenmodulationsumwandler.

Info

Publication number: DE3872439T2
Application number: DE8888400734T
Authority: DE
Inventors: Hubert Cornilleau
Original assignee: La Telemecanique Electrique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2008-03-26
Also published as: EP0289373A1; GR3005802T3; DK668188D0; FR2613554A1; NO885321D0; EP0289373B1; DK668188A; US4884185A; ES2032576T3; BR8806476A; WO1988007784A1; FI885537A0; NO173629C; PT87113A; NO885321L; JPH01502874A; DK169010B1; ATE77905T1; NO173629B; DE3872439D1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Stromwandler, insbesondere einen Frequenzwandler, der durch Pulsbreitenmodulation arbeitet - abgekürzt MLI oder PWM -und der an eine Last angeschlossen werden kann, um die in diese Last eingespeiste Energie verändern zu können.
Die für Synchron- oder Asynchronmotoren bekannten Frequenzwandler umfassen im allgemeinen einen Brückengleichrichter, der über einen Zwischenstromkreis mit Glättkapazität an einen Wechselrichter angeschlossen ist. Der Wechselrichter ist an die Phasenwicklungen des Motors anzuschließen und arbeitet durch Pulsbreitenmodulation. Der Wechselrichter weist mehrere Zweige auf, die jeweils mit zwei statischen Schaltern mit entspre-chenden Rückgewinnungsdioden versehen sind. Der Mit-telpunkt jedes Schalterpaares eines Zweiges ist mit der jeweiligen Phasenwicklung des Motors verbunden. Ein Steuerstromkreis ermöglicht es1 die Schalter in bestimmten Augenblicken leitfähig zu machen und zu sperren (WO-A-81/03722).
Unter statischen Schaltern werden gegenwärtig bipolare Transistoren oder MOS, bipolare MOS-Bauteile wie die unter der Bezeichnung IGT bekannten, sperrbare Thyristoren der Bauart GTO oder andere analoge sperrbare Bauteile verstanden.
Geht man davon aus, daß der erste Schalter eines Zweiges gesperrt ist und der zweite Schalter des gleichen Zweiges noch nicht leitfähig geworden ist, dann fließt der Strom, der die mit dem Mittelpunkt des Zweiges verbundene Phasenwicklung des Motors durchsetzt , durch die mit dem ersten Schalter verbundene Rückgewinnungsdiode. Wenn der zweite Schalter leitfähig wird und während der Erholungszeit der ersten Diode fließt durch diesen Schalter der umgekehrte Strom der ersten Diode gleichzeitig mit dem Durchgang des Stromes einer Motorwicklung und, solange die Spannung an den Klemmen des Schalters nicht auf einen Leitfähigkeitswert Vcesat abgesunken ist, finden erhebliche Schaltverluste statt.
Die Schaltverluste nehmen mit der Schaltfrequenz des Wandlers natürlich zu. Also ist diese Frequenz an den Wert der Induktanzen des Motors gekoppelt und muß um so größer sein, je schwächer die Induktanzen sind. Bei einem Synchronmotor geschieht genau dies und es ist daher notwendig, eine erhebliche Schaltfrequenz zu verwenden, die wiederum zu nicht geringen Schaltverlusten führt. Andererseits beobachtet man bei einem Asynchronmotor und, obwohl die Induktanzen dieses Motors verhältnismäßig hoch sind, eine Tendenz zur Steigerung der Frequenz des Wandlers, mit dem Ziel, das Schwingungsmoment und das Geräusch zu verringern, was wiederum zu einer Steigerung der Schaltverluste führt.
Bei eirier bekannten Ausführungsform, die es ermöglicht, Schaltverluste zu reduzieren, weist der Wandler in Serie mit jedem Schalter eine Induktivitätund parallel zu jedem Schalter ein Widerstands-Kapazitäts-Dioden- Netz WKD auf. Jede Induktivität trägt zur Begrenzung des Stromdurchganges wie vorstehend beschrieben bei, wenn der Schalter leitfähig gemacht wird, während bei dessen Sperrung die in der Induktivität gespeicherte Energie die Leistung über die Diode aufbaut, wonach sich die Leistung über den Widerstand wieder entlädt. Diese Ausführungsform weist als Nachteil die Notwendigkeit auf, daß jeder Schalter eine Induktivität und ein WKD-Hilfsnetz benötigt. Außerdem ermöglicht sie nicht die Verwendung integrierter Brücken, die untereinander mit ihren jeweiligen Rückgewinnungsdioden verbundene Schalter aufweisen.
Zweck der Erfindung ist, diese Nachteile zu vermeiden, indem die Schaltverluste eines Wandlers - insbesondere eines Frequenzwandlers - mit Pulsbreitenmodulation mittels einer einfachen Vorrichtung unter Verwendung einer geringen Anzahl an Bauteilen und zu geringen kosten wirksam verringert werden.
Der Ausdruck MLI-Wandler bezeichnet jeden Erzeuger einer veränderlichen Spannung mit modulierter Pulsbreite, beispielsweise Frequenzwandler für Synchronoder Asynchronmotoren, Wandler für Gleichstrommotoren, einen Wechselspannung liefernden Wechselrichter, u.s.w.
Außerdem bezweckt die Erfindung, in gewissen Fällen die Wiedererlangung der Restschaltverluste zu ermöglichen, die bei dem Wechselrichter des Wandlers auftreten.
Erfindungsgemäß umfaßt der Wandler in einem der Leiter, der den Zwischenstromkreis mit dem Brückengleichrichter verbindet, eine Hilfsinduktivität, die mitwirkt, die statischen Schalter der Brücke leitfähig zu machen und parallel zu den Brückenzweigen einen in Reihe mit einer Diode geschalteten Übertragungskondensator, um die von der Induktivität gelieferte Energie aufzunehmen, wenn die statischen Schalter gesperrt werden, während ein Widerstand vorgesehen ist, um den Übertragungskondensator zu entladen.
Dieser Widerstand kann parallel zu der Übertragungsdiode angeordnet werden; diese ist vorzugsweise parallel zu dem Serien - Stromkreis angeordnet, der aus der Hilfsinduktivität für die Leitfähigkeit und aus der Übertragungsdiode besteht, was es ermöglicht, den Übertragungskondensator in die Glättkapazität zu entladen, die zu dem Gleichspannungsstromkreis gehört, der dem Wechselrichter vorgeschaltet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Wandlers nach der Erfindung ist ein Begrenzungskondensator mit hoher Kapazität parallel zu dem Übertragungskondensator angeordnet, um den Energieüberschuß bei Kurzschluß zu speichern, während ein Entladungswiderstand mit diesem Begrenzungskondensator verbunden ist. Hieraus ergibt sich, daß man einen Übertragungskondensator mit geringer Kapazität und einen Begrenzungskondensator mit geringem Effektivstromwert verwenden kann, wodurch die Gestehungskosten des Wandlers gesenkt werden.
Außerdem kann eine Trennversorgung vorteilhafterweise mit den Klemmen des Übertragungskondensators und/oder des Begrenzungskondensators verbunden werden, um einen Teil der Umschaltenergie der statischen Schalter wiederzugewinnen, mit dem Ziel, den Steuerstromkreis der Schalter zu versorgen, wenn nicht sogar den Strom oberhalb des Wandlers wieder zurückzuführen.
Nachstehend wird eine beispielartige Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnung beschrieben.
Figur 1 ist die schematische Darstellung einer Ausführungsform des Wandlers nach der Erfindung;
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Wandlers gemäß Figur 1.
Der Wandler 10 gemäß Figur 1 ist ein Pulsbreitenfrequenzmodulationswandler MLI, der mit einer Last verbunden ist, die beispielsweise aus einem Synchronmotor 11 besteht.
Der Wandler 10 weist in herkömmlicher Weise einen Brükkengleichrichter 12 auf, der mit den Phasenleitern des Netzes verbunden ist, einen Gleichspannungsstromkreis 13, der mit einer Glättkapazität 14 versehen ist, und einen Wechselrichter 15, der mit dem Brückengleichrichter über den Zwischenstromkreis verbunden ist. Der Wechselrichter weist drei Zweige B1, B2, B3 auf, die jeweils mit einer Phasenwicklung des Synchronmotors 11 verbunden sind.
Jeder Zweig B1-B3 des Wechselrichters 15 weist zwei statische Schalter T1, T2 für B1, T3, T4 für B2, T5, T6 für B3 auf, die mit jeweiligen Rückgewinnungsdioden, D1-D6 versehen sind.
Der Mittelpunkt jedes Paares von Schaltern eines gleichen Zweiges ist mit einer jeweiligen Phasenwicklung des Motors verbunden. Ein Steuerstromkreis 16 ermöglicht es, die Schalter T1-T6 in bestimmten Augenblicken leitfähig zu machen und zu blockieren.
Nach der Erfindung ist eine Induktivität L, die mitwirkt, die Gesamtheit der statischen Schalter T1-T6 leitfähig zu machen, in einem der Leiter 17,18 angeordnet, die den Brückengleichrichter 12 - bzw. den Zwischenstromkreis 30 - mit dem Wechselrichter 14 verbinden. Ein Übertragungskondensator CL ist parallel zu den Zweigen B1-B3 des Wechselrichters angeordnet, wobei dieser Kondensator in Serie mit einer Übertragungsdiode DL geschaltet ist, um den Strom aus der InduktivitätL bei der Sperrung der verschiedenen statischen Schalter T1-TS aufzunehmen. Ein Widerstand RL zur Entladung des Übertragungskondensators CL ist zwischen diesem und einem Punkt 19 des Leiters 17 stromaufwärts der Induktivität L angeordnet. In weniger vorteilhafter Weise könnte der Widerstand RL mit einem Punkt 20 des Leiters 17 unterhalb der Induktanz verbunden werden, wie mit gestrichelter Linie in Figur 1 dargestellt.
Bei der bevorzugten Abwandlung gemäß Figur 2 ist ein Begrenzungskondensator CS - oder ein Kurzschlußbegrenzer - parallel zu dem Übertragungskondensator CL angeordnet, während eine Diode DS mit diesem Kondensator verbunden ist, um dessen Ladung im Falle eines zufälligen Kurzschlußes des Motors oder im Falle einer gleichzeitigen Leitfähigkeit von zwei Schaltern eines gleichen Zweiges zu ermöglichen.
Bei der kostenaufwendigeren Abwandlung könnte eine einziger Kondensator CL, der gleichzeitig eine hohe Stromcharakteristik und eine starke Kapazität aufweist, die vorstehend beschriebenen Kondensatoren CL und CS ersetzen.
Die Funktion der Vorrichtung gemäß Figur 2 ist wie nachstehend beschrieben. Da die Umschaltfrequenz hoch ist, führt der Übertragungskondensator CL Lade- und Entladezyklen bei gleicher Frequenz durch; zu diesem Zweck wird ein Kondensator mit hohem Effektivstromwert aber geringer Kapazität verwendet, um diese Kosten und den Platzbedarf zu begrenzen. Im Falle eines Kurzschlusses nimmt der Begrenzungskondensator CS die in der Induktivität L gespeicherte Energie auf; zu diesem Zweck weist er eine hohe Kapazität auf, braucht aber im Normalbetrieb keinen hohen Effektivstrom aufzunehmen. Ein Teil der durch den Übertragungskondensator CL gespeicherten Umschaltenergie wird durch eine Trennversorgung 21 wiedergewonnen, die mit dem Steuerstromkreis 16 verbunden ist, wobei der Kondensator CL oder CS damit den Eingangskondensator für diese Versorgung bildet.

Claims

1. Pulsbreitenmodulationswandler, um einer induktiven Last einen variablen elektrischen Strom zuzuführen, mit einem Wechselrichter, der an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und durch eine Steuerschaltung in Pulsbreitenmodulation gesteuert wird, wobei besagter Wechselrichter mehrere Zweige (B1 - B3) aufweist, die jeweils mit zwei statischen Schaltern (T1, T2; T3, T&4; T5, T6) mit entsprechenden Rückgewinnungsdioden (D1 - D6) versehen sind und der Mittelpunkt zwischen zwei Schaltern an die induktive Last angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist:

- in einem der Leiter (17,18), welche die Gleichspannungsquelle (12) mit dem Wechselrichter (15) verbinden, eine Induktivität (L), die mitwirkt, die Gesamtheit der statischen Schalter (T1 - T6) leitfähig zu machen,

- parallel zu den Zweigen (B1 - B3) des Wechselrichters, einen in Reihe mit einer Übertragungsdiode (DL) angeschlossenen Übertragungskondensator (CL), welcher den Induktivitätsstrom aufnimmt, wenn die statischen Schalter blockiert sind,

- einen Widerstand (RL) zum Entladen des Übertragungskondensators, der an den Leiter (17,18) angeschlossen ist, welcher die Gleichspannungsquelle (12) mit dem Wechselrichter (15) verbindet.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (RL) zum Entladen des Übertragungskon densators (CL) oberhalb der Induktivität (L), die bei der Leitfähigmachung mitwirkt, an den Leiter (17,18) angeschlossen ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskondensator (CL) eine niedrige Kapazität besitzt und ein Begrenzungskondensator (CS) mit hoher Kapazität parallel zum Kondensator (CL) angeordnet ist, um im Falle eines Kurzschlusses mittels einer Diode (DS) auf geladen zu werden.

4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennversorgung (21) an die Klemmen des Übertragungskondensators (CL) oder des Begrenzungskondensators (CS) angeschlossen zu sein.