DE3937111A1 - Schaltungsanordnung fuer einen zweipunkt-wechselrichterschaltpol - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer einen zweipunkt-wechselrichterschaltpol

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Zweipunkt-Wechselrichterschaltpol, welcher aus zwei in Serie geschalteten an einer Gleichspannung, vorzugsweise einer Zwischenkreisspannung, liegenden Thyristoren, insbesondere GTO-Thyristoren, besteht, wobei zwischen den beiden Thyristoren eine Stromanstiegsbegrenzungsdrossel mit vorzugsweise einer Mittelanzapfung, an der eine Last angeschlossen ist, vorgesehen ist und zu jedem Thyristor eine Freilaufdiode antiparallel, sowie eine Serienschal­ tung aus einer Entlastungsdiode und einem Entlastungs­ kondensator parallel geschaltet ist, wobei jeweils ein Anschluß des Entlastungskondensators an einem Pol der Gleichspannung, und an den jeweiligen Thyristor der gleichartige Pol der Entlastungsdiode angeschlossen ist.
Thyristoren für große Leistungen, vor allem GTO-Thyristoren müssen gegen zu raschen Stromanstieg (di/dt), sowie zu raschen Spannungsanstieg (du/dt) geschützt werden. Dazu gibt es bereits eine große Anzahl von bekannten Möglichkeiten. Eine diesbezügliche Schal­ tung zum Schutz der steuerbaren Halbleiter eines stromkommutierten Wechselrichters stellt die Fig. 8 in der AT-PS 3 00 959 dar. Dieses zeigt, wie bereits oben erläutert, zwei an einer Gleichspannung liegende Thyri­ storen mit einer zwischengeschalteten Drossel, deren Mittenanzapfung den Ausgang des Wechselrichters dar­ stellt. Den Thyristoren ist je eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet. Weiters liegt jedem Thyristor über je eine zusätzliche Diode ein Kondensator parallel. Die beiden Kondensatoren sind hier über einen Widerstand miteinander verbunden. Nachteilig bei dieser Schaltung ist die relativ hohe periodische Umschwingleistung, die im Widerstand, auch Dämpfungswiderstand genannt, verheizt wird. Bei hohen Frequenzen nimmt diese Leistung propor­ tional zu, gleichzeitig ist die zu lange Abmagnetisierungszeit der Drossel mit Rücksicht auf die minimale Einschaltzeit bzw. die minimale Lücke störend. Außerdem ist diese Anordnung für hohe Schaltleistungen und kritische Anwendungpraktisch ungeeignet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine neuartige Schaltung zu schaffen, die die obigen Nachteile bei einem Zweipunkt-Wechselrichterschaltpol vermeidet und die die Thyristoren sicher gegen zu raschen Stromanstieg und zu raschen Spannungsanstieg schützen.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stromanstiegsbegren­ zungsdrossel über die Entlastungsdioden die Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers antiparallel geschaltet ist und daß der Ausgang des DC/DC-Wandlers an einer Gleichspannung, vorzugsweise der Zwischenkreisspannung liegt. Durch den DC/DC-Wandler ist die Schaltung aktiv und verlustfrei. Die im Entlastungsteil anfallende Energie kann nun auch rückgespeist werden. Weiters ist die minimale Pulsdauer und Pulslücke genau definiert.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der DC/DC-Wandler aus einem Transformator mit zwei Primär- und einer Sekundärwicklung, wobei die zwei gleichsinnigen Anschlüsse der Primärentwicklung über je eine mit der Entlastungsdiode gleichsinnig gepolte Rückspeisediode mit je einer Eingangsklemme des DC/DC-Wandlers verbunden sind und daß die eine Primär­ wicklung am positiven Gleichspannungspotential und über eine Rückspeisediode und eine Entlastungsdiode an jenem Thyristor der mit dem negativen Gleichspannungspotential verbunden ist, angeschlossen ist und daß die andere Primärwicklung am negativen Gleichspannungspotential und über eine Rückspeisediode und eine Entlastungsdiode an jenem Thyristor der mit dem positiven Gleichspannungs­ potential verbunden ist, angeschlossen ist und daß die Sekundärwicklung des Dreiwicklungstransformators mit der Wechselspannungsseite eines Vollweggleichrichters verbunden ist, dessen Gleichspannungsanschlüsse die Aus­ gangsseite des DC/DC-Wandlers darstellen und daß am Eingang des DC/DC-Wandlers ein Koppelkondensator und ein Widerstand parallel geschaltet ist. Mit diesem Aufbau wird ein passiver, verlustarmer DC/DC-Wandler realisiert, der nur eine geringe Anzahl von Bauteilen benötigt. Die anfallende rückspeisefähige Verlustleitung wird in dem am Eingang des DC/DC-Wandlers parallel geschaltetem hochohmigen Widerstand verheizt.
An Hand von zwei Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert. Fig. 1 stellt die erfindungsgemäße Schaltung dar und Fig. 2 zeigt Strom- und Spannungs­ verläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung die zur Erläuterung deren Funktionsweise dienen.
Bei Fig. 1 ist an eine Gleichspannung, z. B. die ZwischenkreisspannungU ZRK eines Umrichters ist, eine Serienschaltung aus zwei Thyristoren TP 1, TN 1 mit zwi­ schengestalteter Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L gelegt. Als Thyristoren TP 1, TN 1 werden am besten schnelle GTO-Thyristoren verwendet. In dieser Schal-­ tungsvariante ist der Ausgang A des Zweipunkt- Wechselrichterschaltpoles die Mittelanzapfung der Strom­ anstiegsbegrenzungsdrossel L, an der eine Last ange­ schlossen wird. Der Ausgang A könnte auch eines der beiden Enden der Stomanstiegsbegrenzungsdrossel L, wie dies strichliert angedeutet ist, sein. Jedem Thyristor TP 1, TN 1 ist eine Freilaufdiode DP 1, DN 1 antiparallel angeordnet. Weiters ist jedem Thyristor TP 1, TN 1 eine Serienschaltung bestehend aus einem Entlastungs­ kondensator CP 1, CN 1 und einer Entlastungsdiode dP 1, dN 1 parallel geschaltet. Dabei ist jeweils ein Anschluß des Entlastungskondensators CP 1, CN 1 mit einem Pol der Zwischenkreisspannung U ZRK verbunden. Die jeweilige Entlastungsdiode dP 1, dN 1 ist an die Verbindung von Thyristor TP 1, TN 1 und Stromanstiegsbegrenzungsdrossel L gelegt, wobei die gleichartigen Anschlüsse von Thyristor TP 1, TN 1 und Entlastungsdiode dP 1, dN 1 miteinander verbunden sind. An die Verbindungen von Entla­ stungsdiode dP 1, dN 1 und Entlastungskonden­ sator CP 1, CN 1 ist der Eingang des DC/DC-Wandlers W­ gelegt. Dieser weist zwei Rückspeisedioden dP 1/1, dN 1/1 auf, von denen je eine in Serie mit einer Entlastungs­ diode dP 1, dN 1 angeordnet ist. Die freie Anode der einen Rückspeisediode dP 1/1 ist über die eine Primär­ wicklung N 1.2 des Dreiwicklungstransformators Tr mit dem negativen Zwischenkreispotential 0 und die freie Katode der anderen Rückspeisediode dN 1/1 ist über die andere Primärwicklung N 1.1 des Transformators Tr mit dem­ positiven Twischenkreispotential +U verbunden. Die Sekundärwicklung N 2 des Transformators Tr ist an einen Diodengleichrichter Gr angeschlossen, der gleichspan­ nungsseitig an der Zwischenkreisspannung U ZRK hängt. Am­ Eingang des DC/DC-Wandlers W ist ein Koppelkondensator C s und ein Widerstand R v parallel geschaltet. Die Punkte bei den beiden Primärwicklungen N 1.1, N 1.2 des Transfor­ mators Tr bedeuten den Wicklungssinn.
Mit dieser Schaltungsanordnung wird eine Stromanstiegs­ begrenzung (di/dt) und eine Spannungsanstiegsbegrenzung (du/dt) für die GTO-Thyristoren TP 1, TN 1 in geforderter Weise erreicht. Außerdem wird bei der Abkommutierung die Stromsteilheit an der jeweiligen Freilaufdiode DP 1, DN 1 begrenzt. Die Schaltung ist auch leerlauffest und sehr zuverlässig. Ihre Funktion ist leicht überprüfbar. Jedem GTO-Thyristor TP 1, TN 1 ist spezifisch eine du/dt Begren­ zung in Form einer Entlastungsdiode dP 1, dN 1 und eines Entlastungskondensators CP 1, CN 1 zugeordnet.
Das Zeitdiagramm in Fig. 2a stellt die Spannungsverläufe an verschiedenen in Fig. 1 bezeichneten Meßpunkten der Schaltung dar. In den Zeitdiagrammen in Fig. 2b und 2c ist der Stromverlauf durch den Thyristor TN 1 und die Freilaufdiode DP 1, sowie an den Meßpunkten 1+ und 1- dargestellt. Die Fig. 2d zeigt den addierten Stromverlauf durch die beiden Entlastungskondensatoren CP 1, CN 1, der sich auf diese gleichmäßig aufteilt. Letztlich ist aus Fig. 2e der Verlauf des Stromes durch den Koppel­ kondensator C s ersichtlich, wobei die, außer der schraf­ fierten, unter der Kurve befindliche Fläche der in den Zwischenkreis rücktransformierbaren Energie entspricht.
Allgemeine Bemerkungen zur Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung:
  • a) Die Schaltungen für den Zweipunkt-Wechselrichter­ schaltpol ist in ihrer Funktion weitgehend symmetrisch, daher haben auch die Entsprechungen TN 1 ⇄ TP 1, DP 1 ⇄ DN 1, sowie invertierte Ausgangsspannung Gültigkeit. b) Folgende Annahme liegt der Funktionsbeschreibung zugrunde: Jeder Kondensator CP 1, CP 1 weist die Kapazität C/2 auf; Stromanstiegsbegrenzungs­ drossel L besitzt die Induktivität L.
  • c) Zwecks einfacher Beschreibung ist der Ausgangs­ anschluß A in die Mitte der Stromanstiegsbe­ grenzungsdrossel L gelegt. Punkt A nimmt somit Mittelpotential der an den Drosselenden (Punkte 1+, 1-) liegenden Potentiale an. Im Normalfall ist bei praktischen Anwendungen der Anschluß A mit einem Drosselende 1+ oder 1- ident. An der Funktion der Schaltung ändert sich dabei nichts.
  • d) Bei den in Fig. 2a bis 2e gezeichneten Strom- und Spannungsverläufen wird die mit E bezeichnete Spannungsquelle als ideal angenommen. Diese Annahme ist auch bei Verwendung eines Transformators Tr, wie in Fig. 1 ersichtlich, voll gültig, wenn die Spannungsschwankungen am Koppelkondensator C s - infolge nicht rücktransformierbarer Energie, verheizt in R v - vernachlässigbar klein gegenüber der Spannung E sind.
  • e) Schwellungswertunterschiede werden vernachlässigt.
Beschreibung der Funktion der Schaltung bei einem vollen Schaltzyklus
Annahme I < 0, d. h. der Ausgangsstrom fließt in den zweipunkt-Wechselrichterschaltpol hinein.
Ausgangszustand TN 1 ein
Der Ausgang A ist an die Nullschiene gebunden. Die Punkte A, 1+,1- und 2-liegen auf Nullpotential. Der Punkt 2+ auf -E.
1. Schritt TN 1 aus
Der ThyristorTN 1 schaltet "spannungslos" ab.
Teilvorgang 1)
Spannungsanstieg an TN 1 mit zuläs­ sigem du/dt. Der eingeprägte Laststrom (-I) fließt als i 1- in die Entlastungskondensatoren CP 1, CN 1. Die Punkte A, 1+, 1-, 2+ und 2- bewegen sich mit konstantem du/dt = I/C gegen die Spannung +U. Der Vorgang endet, wenn der Punkt 1+ die Span­ nung +U erreicht und die Freilaufdiode DP 1 ein­ greift.
Teilvorgang 2)
i₁+ beginnt über die Freilauf­ diode DP 1 anzusteigen. Die Punkte A, 1-, 2+ und 2- bewegen sich gebremst (nach einer "aufgesetzten" Sinusschwingung
weiter, bis der Punkt 2+ die Spannung +U erreicht. Die Entlastungsdiode dP 1 greift ein und verhindert den weiteren Spannungs­ anstieg der Punkte 1- und 2- über (U+E), d. h. keine weitere Ladung der Entlastungskondensa­ toren CP1, CN1. Teilvorgang 3) Laststromübernahme durch die Frei­ laufdiode DP1 entsprechend der Beziehung di/dt=E/L. Der Strom i₁- fließt vollständig gegen die Spannung E (E, dP1, +U, Last) und wird mit di/dt=E/L abgebaut. i₁+ nimmt entsprechend zu. Der Vorgang endet, wenn i 1-=0 und i₁+=I. Die Punkte A und 1- gehen auf das Potential +U. Der Punkt 2- bleibt gehalten von den Entlassungs­ kondensatoren CP1, CN1 auf (U+E). der Laststrom wird vollständig von der Freilaufdiode DP1 geführt. 2. Schritt TP 1 ein Da der Laststrom über die Freilaufdiode DP 1 fließt, schaltet der Thyristor TP 1 "funktionslos" ein. Es erfolgen keine Änderungen in der Schaltung. 3. Schritt TP 1 aus Der Laststrom fließt weiter über die Frei­ laufdiode DP 1, wodurch der Thyristor TP 1 "funktionslos" ausschalten kann. Es treten keine Änderungen in der Schaltung auf. 4. Schritt TN 1 ein Der Thyristor TN1 schaltet "strom- und spannungslos" ein. Teilvorgang 1): Laststromübernahme durch den Thyristor TN1 mit di/dt=U/L. Der Punkt 1- springt auf Potential 0. An der Stromanstiegsbegrenzungs­ drossel L liegt die volle Zwischenkreisspannung. Der Strom i 1- nimmt mit di/dt = U/L zu, i₁+ nimmt entsprechend ab. Der Vorgang endet, wenn der Last­ strom vollständig durch den Thyristor TN1 übernommen d. h. i 1- = I, i 1+ = 0 ist.
Teilvorgang 2):
Umladung der über E bzw. C s gekop­ pelten Entlastungskondensatoren CP 1, CN 1 über dP 1, L und TN 1 mit der Umschwingperiode
Die Punkte 1+ und 2+ bewegen sichgemäß einer Sinus­ schwingung nach unten. Der Punkt 2- ist dabei um +E verschoben. Der umschwingstrom ist dem Laststrom überlagert. Der Vorgang endet, wenn der Punkt 2- die Spannung 0 erreicht und die Entlastungs­ diode dN 1 eingreift. Es erfolgt keine weitere Umladung der Kondensatoren CP 1 und CN 1 mehr. Die Punkte 1+ und 2+ werden Potential -E gehalten.
Teilvorgang 3):
Abbau des überlagerten Umschwing­ stromes mit di/dt=E/L. Der in der Stomanstiegs­ begrenzungsdrossel L dem Laststrom überlagerte Umschwingstrom fließt über dN 1 und dP 1 als Kreisstrom gegen die Spannung E und wird mit di/dt=E/L abgebaut. Der Vorgang endet, wenn der Umschwingstrom den Wert 0 erreicht hat. Die Punkte A und 1+ springen auf Potential 0. Der Punkt 2+ bleibt gehalten von CN1 und CP1 auf Potential -E. Es ist somit der Ausgangszustand wieder erreicht.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung für einen Zweipunkt-Wechsel­ richterschaltpol, welcher aus zwei in Serie geschalteten an einer Gleichspannung, vorzugsweise einer Zwischenkreisspannung, liegenden Thyristoren, insbesondere GTO-Thyristoren, bestehend, wobei zwischen den beiden Thyristoren eine Stromanstiegs­ begrenzungsdrossel mit vorzugsweise einer Mittel­ anzapfung, an der Last angeschlossen ist, vorgesehen ist und zu jedem Thyristor eine Freilauf­ diode antiparallel, sowie eine Serienschaltung aus einer Entlastungsdiode und einem Entlastungs­ kondensator parallel geschaltet ist, wobei jeweils ein Anschluß des Entlastungskondensators an einem Pol der Gleichspannung, und an den jeweiligen Thyristor der Gleichartige Pol der Entlastungs­ diode angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromanstiegsbegrenzungsdrossel (L) über die Entlastungsdioden (dP 1, dN 1) die Eingangsseite eines DC/DC-Wandlers (W) antiparallel geschaltet ist und daß der Ausgang des DC/DC-Wandlers (W) an einer Gleichspannung, vorzugsweise der Zwischenkreis­ spannung (U ZRK); liegt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der DC/DC-Wandler (W) aus einem Transformator (Tr) mit zwei Primär- (N 1.1, N 1.2) und einer Sekundär­ wicklung (N 2) besteht, wobei die zwei gleichsinnigen­ Anschlüsse der Primärwicklungen (N 1.1, N 1.2) über je eine mit der Entlastungsdiode(dP 1, dN 1) gleichsinnig gepolte Rückspeisediode (dP 1/1, dN 1/1) mit je einer Eingangsklemme(2+, 2-) des DC/DC-Wandlers (W) verbunden sind und daß die eine Primärwicklung (N 1.1) am positiven Gleichspannungspotential (+U) und über eine Rückspeisediode (dN 1/1) und eine Entlastungs­ diode (dN 1) an jenem Thyristor (TN 1) der mit dem negativen Gleichspannungspotential (0) verbunden ist, angeschlossen ist und daß die andere Primär­ wicklung (N 1.2) am negativen Gleichspannungs­ potential (0) und über eine Rückspeisediode (dP 1/1) und eine Entlastungsdiode (dP 1) an jenem Thyristor (TP 1) der mit dem positiven Gleich­ spannungspotential (+U) verbunden ist, angeschlossen ist und daß die Sekundärwicklung (N 2) des Drei­ wicklungstransformators (Tr) mit der Wechsel­ spannungsseite eines Vollweggleichrichters (Gr) verbunden ist, dessen Gleichspannungsanschlüsse die Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers (W) darstellen und daß am Eingang des DC/DC-Wandlers (W) ein Koppel­ kondensator (C s) und ein Widerstand (R v) parallel geschaltet ist.
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