DE4111816A1

DE4111816A1 - Stromrichterschaltung

Info

Publication number: DE4111816A1
Application number: DE19914111816
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Brennwald; Grzegorz Dr Skarpetowski
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1991-04-11
Filing date: 1991-04-11
Publication date: 1992-10-15

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Stromrichterschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-A1-39 26 628 bekannt ist. Dort sind 2 endseitige Abgriffe und ein Mittelabgriff der Sekundärwicklung eines Stromrichtertransformators jeweils mit einem Wechselspannungseingang eines als Gleichrichter wirkenden Stromrichters verbunden. Jeder Wechselspannungseingang ist an den Ventil-Verbindungspunkt einer separaten Ventilkette mit 2 gleichgepolten Thyristoren geführt. Der Stromrichter ist gleichspannungsseitig über eine Drossel mit einem Gleichstrommotor verbunden. Im Falle einer Fehlfunktion der stromrichternahen Elektronik wird ein Kurzschluß innerhalb des Stromrichters durch diese gleichstromseitige Drossel hoher Induktivität begrenzt.

Bei einem Einsatz eines derartigen Stromrichters in einem Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis wäre, ohne spezielle Vorkehrungen, mangels der Zwischenkreisdrossel, keine Begrenzung eines Kurzschlußstromes gegeben. Ein einmal entstandener Kurzschluß kann wegen zu großer Stromsteilheit, beschränkter Reaktionszeit und begrenztem Abschaltvermögen der Halbleiterschalter nicht mehr verhindert werden. Seine schädlichen Auswirkungen auf den Umrichter und die daran angeschlossenen Quellen und Lasten können bestenfalls mit verschiedenen Maßnahmen reduziert werden.

Durch Peter Appun et al., Die elektrische Auslegung der Stromrichterausrüstung der Lokomotive 120 der Deutschen Bundesbahn, Elektrische Bahnen 80 (1982), H. 10, S. 290-294 und H. 11, S. 314-317, ist ein Umrichter mit 2 Stromrichtern bekannt, die über einen Gleichspannungszwischenkreis miteinander verbunden sind. Ein Stromrichter ist als 4 Quadrantensteller und der andere als Wechselrichter zur Speisung einer 3phasigen Asynchronmaschine ausgebildet. Im Falle von fehlerhaften Kurzschlüssen innerhalb eines Stromrichters können die bei der Entladung der Zwischenkreiskondensatoren entstehenden Entladungsströme den Stromrichter zerstören.

Da die Kurzschlüsse die Entladung der Zwischenkreiskondensatoren bewirken, können unerwünschte Drehmomentstöße an der Last, d. h. an dem mit der Maschine verbunden Getriebe auftreten. Kurzschlußfälle benötigen eine relativ aufwendige Überwachung infolge der geringen verfügbaren Abschaltzeit. Zwischen dem Abschalten des einen und dem Einschalten eines anderen Thyristors muß eine Schutzzeit von ca. 100 µs eingehalten werden.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Stromrichterschaltung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sie auch bei Verwendung in einem Umrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis durchzündfrei ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Durchzündungen über 2 oder mehrere Halbleiterschalter, ausgenommen bei Halbleiterdefekten, prinzipiell ausgeschlossen sind. Nur die Kommutierungen zwischen Halbleiterschalter und Diode oder umgekehrt laufen mit der durch die Kommutierungsdrossel begrenzten Stromsteilheit ab. Alle Schaltzustände bewirken einen Stromfluß, der mindestens durch eine der angeschlossenen Lasten oder Quellen führt. Durch die darin eingebaute Streuinduktivität oder durch externe Schutzdrosseln ist die Stromsteilheit stark verringert. Nun bleibt genügend Zeit, um einen allenfalls entstehenden zu hohen Laststromscheitelwert mit einfachen Mitteln zu begrenzen. Zündimpulse können ohne das Einhalten einer sonst vorgeschriebenen Schutzzeit steuerbaren Ventilen zugeführt werden. Dadurch vereinfacht sich die Steuerelektronik des Stromrichters.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen an 2 Sekundärwicklungen eines Stromrichtertransformators angeschlossenen Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis,

Fig. 2 einen an eine Sekundärwicklung mit Mittelabgriff angeschlossenen Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis,

Fig. 3 einen Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, dessen beide Stromrichter wechselspannungsseitig jeweils an Sekundärwicklungen mit Mittelabgriff von Stromrichtertransformatoren angeschlossen sind, und

Fig. 4 einen an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter, an den wechselspannungsseitig eine 3phasige Asynchronmaschine angeschlossen ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Stromrichter (SR) mit 4 Ventil-Reihenschaltungen bzw. Ventilpaaren (T1, D1; T2, D2; T3, D3; T4, D4) aus je einem abschaltbaren GTO-Thyristor (T1-T4) und einer dazu in Reihe geschalteten Diode (D1-D4). Der Stromrichter (SR) ist gleichspannungsseitig mit seiner positiven Stromrichter-Potentialseite (3) und seiner negativen Stromrichter-Potentialseite (4) an einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator (C) angeschlossen. Wechselspannungsseitig ist der Stromrichter (SR) an 2 separate, aber magnetisch miteinander gekoppelte 1. und 2. Sekundärwicklungen (W1, W2) eines Stromrichtertransformators (Tr) angeschlossen.

Ein 1. Wicklungsanschluß (W11) der Sekundärwicklung (W1) ist in einem Stromrichter-Anschlußpunkt (P1) mit der Kathode des GTO-Thyristors (T1) und der Kathode der Diode (D1) eines 1. Ventilpaares (T1, D1) verbunden. Ein 2. Wicklungsanschluß (W12) der 1. Sekundärwicklung (W1) ist über einen induktiven Schutzwiderstand bzw. eine Schutzimpedanz bzw. eine Schutzdrossel (1) in einem Stromrichter-Anschlußpunkt (P2) mit der Anode der Diode (2) und mit der Anode des GTO-Thyristors (T2) eines 2. Ventilpaares (T2, D2) verbunden. Ein 2. Wicklungsanschluß (W22) der Sekundärwicklung (W2) ist in einem Stromrichter-Anschlußpunkt (P4) mit der Kathode des GTO-Thyristors (T4) und der Kathode der Diode (D4) eines 4. Ventilpaares (T4, D4) verbunden. Ein 1. Wicklungsanschluß (W21) der 2. Sekundärwicklung (W2) ist über einen induktiven Schutzwiderstand bzw. eine Schutzimpedanz bzw. eine Schutzdrossel (2) in einem Stromrichter-Anschlußpunkt (P3) mit der Anode der Diode (3) und mit der Anode des GTO-Thyristors (T3) eines 3. Ventilpaares (T3, D3) verbunden.

Die Schutzimpedanzen (1, 2) von < 100 µH, vorzugsweise von etwa 1 mH, können Streuimpedanzen des Stromrichtertransformators (Tr) sein. Ein Strom (i1) durch die Sekundärwicklung (W1) fließt stets in der durch den Pfeil angegebenen Richtung. Ein Strom (i2) durch die Sekundärwicklung (W2) fließt stets in der durch den Pfeil angegebenen Gegenrichtung zu (i1). Wichtig ist, das jede Wicklung einer Quelle oder Last in je 2 getrennte Wicklungen (W1, W2) für den positiven und den negativen Strom (i1, i2) aufgeteilt wird. Es können auch Vielfache von 2 Wicklungen sein, die dann an entsprechende Ventilpaare anzuschließen sind. Die Halbleiterventile des Stromrichters (SR) werden so angeordnet, daß sie paarweise Anode zu Anode und Kathode zu Kathode geschaltet sind. Bereits hierdurch wird ersichtlich, daß keine Durchzündung über Kommutierungsinduktivitäten (nicht dargestellt) mehr möglich ist.

Falls z. B. fehlerhafterweise alle GTO-Thyristoren (T1-T4) gleichzeitig leitend wären und Schutzdrosseln (1, 2) bzw. Schutzimpedanzen fehlen würden, so würden sich die durch die Ströme (i1, i2) in den Sekundärwicklungen (W1, W2) erzeugten Induktivitäten gegenseitig aufheben. Der Kurzschlußstrom wäre praktisch nicht begrenzt und könnte zu einer Beschädigung der GTO-Thyristoren führen. Dies wird durch die Schutzdrosseln (1, 2) verhindert.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 entsprechende Stromrichterschaltung, bei der die beiden Sekundärwicklungen (W1, W2) eines Stromrichtertransformators (Tr1) Teilwicklungen einer einzigen Sekundärwicklung mit einem Mittelabgriff (W12) sind. Bei dieser Schaltung entfällt die Schutzdrossel (2) und das Ventilpaar (T3, D3). Ein entsprechend angepaßter Stromrichter (SR1) weist nur noch 3 Ventilpaare (T1, D1; T2, D2; T4, D4) auf.

Fig. 3 zeigt einen 1phasigen Frequenzumformer mit einem Umrichter mit 2 Stromrichtern (SR1, SR2), die über einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis miteinander verbunden sind. Der Gleichspannungszwischenkreis enthält außer dem Zwischenkreiskondensator (C) noch mindestens einen Saugkreis aus einem Kondensator in Reihe mit einer Drossel für die 2. Harmonische der Wechselspannung des Stromrichtertransformators (Tr1). Es können auch weitere Saugkreise vorhanden sein. Wechselstromseitig sind die Stromrichter (SR1, SR2) an Stromrichtertransformatoren (Tr1, Tr2) angeschlossen, entsprechend der Schaltung in Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine 3phasige Anwendung der in Fig. 2 dargestellten Stromrichterschaltung. 3 gleich aufgebaute Teilstromrichter (SR_R, SR_S, SR_T) für die Wechselstromphasen (R, S, T), die gemeinsam einen Wechselrichter bilden und gleichspannungsseitig an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, sind wechselspannungsseitig an jeweils geteilte Statorwicklungen (W_R, W_S, W_T) einer Wechselstrommaschine bzw. einer 3phasigen Asynchronmaschine (5) angeschlossen. Die Mittelabgriffe der Statorwicklungen (W_R, W_S, W_T) sind jeweils über Schutzdrosseln (1) und zusätzlich über je eine Drossel einer gleichphasigen Glättungsdrosselspule (6) an die entsprechenden Stromrichter-Anschlußpunkte angeschlossen.

Bei den Anwendungsbeispielen der Fig. 3 und 4 könnte statt der in Fig. 2 angegebenen Schaltung auch eine Schaltung gemäß Fig. 1 verwendet werden. Die Ventilpaare (T1, D1; . . .) könnten auch mehr als 2 in Reihe geschaltete Halbleiterventile aufweisen, z. B. bei sehr hohen Spannungen. Statt GTO-Thyristoren (T1, . . .) könnten als steuerbare Ventile auch einfache Thyristoren mit zugehörigen Löschkreisen oder Transistoren verwendet werden. Die beiden Wicklungen (W1, W2, W_R, W_S W_T) müssen nicht notwendigerweise magnetisch gekoppelt sein.

Wichtig ist, daß der Umrichter aus strukturell nicht durchzündbaren Ventilpaaren zusammengestellt ist. Durch eine Maschinen- oder Transformatorwicklung mit einem Mittelabgriff kann der Aufwand für Halbleiter reduziert werden. Die Streuinduktivität in den Wicklungen der Last oder Quelle kann externe Schutzdrosseln (1) ersetzen. Die Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 2 sind auch für 4 Quadrantensteller einsetzbar, für ein- und mehrphasige Lasten.

Claims

1. Stromrichterschaltung

a) mit mindestens einem Stromrichter (SR, SR1, SR2, SR_R, SR_S, SR_T), der gleichspannungsseitig an einen Gleichspannungskreis mit einer positiven Stromrichter-Potentialseite (3) und einer negativen Stromrichter-Potentialseite (4) angeschlossen ist und
b) der wechselspannungsseitig je Wechselstromphase mit mindestens einer 1. und 2. Wicklung (W1, W2, W_R, W_S, W_T) bzw. mit mindestens einer 1. und 2. Impedanz in Wirkverbindung steht,

dadurch gekennzeichnet,

c) daß jede 1. und 2. Wicklung über mindestens einen induktiven Schutzwiderstand (1, 2) oder über mindestens eine Schutzimpedanz mit dem Stromrichter (SR, SR1, SR2, SR_R, SR_S, SR_T) in Wirkverbindung steht.

2. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der Stromrichter (SR, SR1, SR2, SR_R, SR_S, SR_T) je Wechselstromphase (R, S, T) zwischen seiner positiven Stromrichter-Potentialseite (3) und seiner negativen Stromrichter-Potentialseite (4) mindestens 3 Ventilpaare bzw. 3 Ventil-Reihenschaltungen (T1, D1; T2, D2; T3, D3; T4, D4) mit mindestens jeweils einem steuerbaren Ventil (T1-T4) und mit mindestens einem nicht steuerbaren Ventil (D1-D4) aufweist, je eine Ventilreihenschaltung für einen wechselstromseitigen Anschluß (W11, W12, W21, W22),
b) daß bei mindestens einer Ventil-Reihenschaltung (T2, D2; T3, D3) die positiven Potentialseiten der in Reihe geschalteten Ventile miteinander in Wirkverbindung stehen und einen wechselstromseitigen Anschluß bilden und
c) daß bei mindestens einer Ventil-Reihenschaltung (T1, D1; T4, D4) die negativen Potentialseiten der in Reihe geschalteten Ventile miteinander in Wirkverbindung stehen und einen wechselstromseitigen Anschluß bilden.

3. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die 1. und 2. Wicklung (W1, W2, W_R, W_S, W_T) mit jeweils einem 1. Wicklungsanschluß (W11, W22) mit je einem Wechselstromanschluß (P1, P4) einer Ventil-Reihenschaltung (T1, D1; T4, D4) in Wirkverbindung steht, bei der die negativen Potentialseiten der in Reihe geschalteten Ventile miteinander in Wirkverbindung stehen, und
b) daß der jeweils 2. Wicklungsanschluß (W12, W21) mit je einem Wechselstromanschluß einer Ventil- Reihenschaltung (T2, D2; T3, D3) in Wirkverbindung steht, bei der die positiven Potentialseiten der in Reihe geschalteten Ventile miteinander in Wirkverbindung stehen.

4. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. und 2. Wicklung (W1, W2, W_R, W_S, W_T) Teilwicklungen einer einzigen Wicklung mit einem gemeinsamen Mittelabgriff sind.

5. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. und 2. Wicklung (W1, W2) Transformatorwicklungen sind.

6. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. und 2. Wicklung Wicklungen (W_R, W_S, W_T) einer Wechselstrommaschine (5) sind.

7. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Ventile des Stromrichters (SR, SR1, SR2, SR_R, SR_S, SR_T) abschaltbare GTO-Thyristoren (T1-T4) sind.

8. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die 1. und 2. Wicklung (W1, W2, W_R, W_S, W_T) magnetisch zumindest teilweise gekoppelt sind.