DE4324184A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Generierung eines Zündimpulses für ein Stromrichterventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung eines Zündimpulses für ein Stromrichterventil sowie eine Schal­ tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Um ein Stromrichterventil zuverlässig betreiben zu können, müssen Steuerstrom und Steuerspannung beim Ein- und Ab­ schalten in vorgegebenen Grenzen verlaufen. Daher ist die Ansteuerung beim Betrieb eines Stromrichterventils von gro­ ßer Bedeutung. Erst mit einer optimalen Ansteuerung ist es möglich, ein Stromrichterventil voll zu nutzen und sichere Betriebsbedingungen zu schaffen.

Anforderungen und resul­ tierende Probleme sind dem Aufsatz "Praxis mit dem GTO" in der Zeitschrift Elektrotechnik, Heft 4, 1983, Seiten 14-17 zu entnehmen.

Der grundsätzliche Aufbau einer solchen, auch als Gate-Unit bezeichneten, Ansteuerung, wie er in Fig. 1 stark verein­ facht wiedergegeben ist, ist in dem Aufsatz "Hochfrequente Ansteuerschaltungen für GTO-Thyristoren" in der Zeitschrift etz, Heft 12, 1987, Seiten 544-547 erläutert. Eine über­ geordnete Regelung 1 wirkt auf einen, einer Gate-Unit ent­ sprechenden, Steuergenerator 2, der mit einem GATE-TURN-OFF (GTO)-Thyristor 3 verbunden ist.

Um ein einwandfreies Ein- und Abschalten des GTO-Thyristors 3 zu gewährleisten, muß der Steuergenerator 2 das Gate des GTO-Thyristors 3 mit einem Steuerstrom speisen, dessen idealisierter Verlauf in Fig. 2 dargestellt ist.

Der Einschaltvorgang beginnt zu einem Zeitpunkt t₀ mit einem möglichst idealen Rechteckimpuls. Sobald der GTO- Thyristor 3 gezündet hat, genügt ein Haltestrom wesentlich geringerer Amplitude, um den Zustand leitend, aufrecht zu erhalten. Der Haltestrom fließt in der Zeit t₁ < t < t₂. In der Zeit t < t₂ wird der GTO-Thyristor 3 durch einen negativen Steuerstromimpuls gelöscht.

Der Steuergenerator besteht im wesentlichen aus einer Zünd­ schaltung und einer Löschschaltung. Eine handelsübliche Zündschaltung, wie sie auch in beiden genannten Aufsätzen erläutert wird, zeigt Fig. 3. Ihre Aufgabe ist es, einen möglichst idealen Rechteckimpuls zu erzeugen. Diese Aufgabe wird durch ein aus einer Parallelschaltung von einem Widerstand mit einem Kondensator bestehendes RC-Glied 4 gelöst, das über einen Transistor 5 auf einen GTO-Thyristor 3 wirkt. Sobald der Transistor 5 einschaltet, wird ein Stromkreis geschlossen. Eine Spannungsquelle 6 lädt den Kondensator des RC-Gliedes 4. Der Kondensator entlädt sich über den Widerstand des RC-Gliedes 4.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen den idealisierten Verlauf der Ströme und Fig. 6 den sich aus der Überlagerung der Ströme ergebenden Zündimpulsverlauf. Die genaue Erzeugung des Zündimpulses ist ebenfalls den beiden genannten Aufsätzen zu entnehmen.

Nachteilig bei einer derartigen Zündschaltung ist, daß es zur Erzeugung des beim Einschaltbeginn notwendigen steilen Steuerstromimpulses erforderlich ist, einen entsprechend dimensionierten Kondensator zu verwenden. Die im Kondensator gespeicherte Energie wird anschließend in dem parallelen Entladewiderstand in abzuführende Verlustwärme umgesetzt. Die Zündschaltung ist damit stark verlust­ behaftet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Zündimpuls­ bildung sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die verlustarm arbeiten.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe gelingt durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren. Da­ durch, daß das Verfahren zur Generierung eines Zündimpulses zwei parallel verlaufende Verfahrensschritte aufweist, kön­ nen die verwendeten Bauteile ihrer genau spezifizierten Aufgabe entsprechend dimensioniert und damit die Verlust­ energien reduziert werden. Hierdurch wird auch die aufzu­ wendende Kühlleistung verkleinert.

Dadurch, daß wenigstens ein Teil der zur Erzeugung der Stromamplitude benötigten Energie innerhalb wenigstens eines Schwingkreises gespeichert wird, ergibt sich eine zusätzliche Energieersparnis.

Im Anspruch 3 ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Die einzelnen entkoppelten Zweige der Parallelschaltung können ihrer Funktion nach jeweils entweder dem einen oder dem anderen Verfahrens­ schritt zugeordnet werden. Wenigstens ein mit einem LC- Reihenschwingkreis versehener Zweig trägt zur Erzeugung der benötigten Stromamplitude bei. Wenigstens ein kapazitiv beschalteter Zweig dient der Erzeugung einer Strom­ anstiegsflanke mit ausreichender Steilheit.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 sind in der Parallelschaltung mehrere entkoppelte Zweige mit LC-Reihenschwingkreisen angeordnet. Hierdurch ist es möglich, sich einer gewünschten Rechteckform des Strom­ verlaufes proportional mit der Anzahl der verwendeten Reihenschwingkreise besser anzunähern.

Dadurch, daß jeder der Zweige eine Entkopplungsdiode ent­ hält, deren Kathode jeweils mit dem steuerbaren Schalt­ element verbunden ist, ist eine wirksame Entkopplung der einzelnen Zweige der Parallelschaltung gegeben. Ein weite­ rer Vorteil dieser entkoppelten Parallelschaltung ist darin zu sehen, daß das an die Parallelschaltung angeschlossene Schaltelement phasenweise stromlos wird und das Schalt­ element in diesen Strompausen stromlos von einer überge­ ordneten Regelung ausgeschaltet werden kann. Damit ist auch die zum Ausschalten des Schaltelementes benötigte Schalt­ energie reduziert.

Gemäß Anspruch 6 wird der Freilauf für die mit einem Reihenschwingkreis versehenen LC-Zweige der Parallelschal­ tung durch den Einbau entsprechender Freilaufdioden sicher­ gestellt.

Wenigstens eine der in den kapazitiv beschalteten Zweigen der Parallelschaltung angeordneten Kapazitäten wird nach Anspruch 7 über einen parallelen Entladewiderstand ent­ laden. Dadurch, daß eine Kapazität ausschließlich zur Erzeugung einer Stromanstiegsflanke ausreichender Steilheit kleiner dimensioniert werden kann, als eine Kapazität, die zusätzlich eine Stromamplitude ausreichender Höhe bereit­ stellen muß, ist auch die in der Kapazität gespeicherte und bis zum Beginn eines neuerlichen Zündimpulses für das Stromrichterventil zu vernichtende Energie reduziert. In vorteilhafter Weiterbildung kann daher auch der der Kapa­ zität zugeordnete Entladewiderstand hochohmiger dimensio­ niert werden. Hierdurch wird die beim Entladevorgang ent­ stehende Verlustleistung weiter vermindert, sowie die abzu­ führende Verlustwärme reduziert.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein dem Stand der Technik entsprechendes Blockschaltbild zur Ansteuerung eines GTO′s,

Fig. 2 einen idealisierten Steuerstromverlauf,

Fig. 3 eine dem Stand der Technik entsprechende Zündschaltung und die

Fig. 4 bis 6 die Stromverläufe einer solchen Zündschal­ tung,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig. 8 bis 10 die Zweigströme i₁₂, i₁₄ und i₁₆ der Schal­ tungsanordnung und

Fig. 11 den über ein Schaltelement fließenden Gesamt­ strom i_ges.

Die in Fig. 7 dargestellte Schaltungsanordnung kann als Ele­ ment einer Gate-Unit verstanden werden. Sie umfaßt im we­ sentlichen eine Spannungsquelle 6, die über eine Parallel­ schaltung 7 mit einem Schaltelement 5 verbunden ist. Das Schaltelement 5 ist mit einem Ausgang 8 der Schaltungsan­ ordnung verbunden. Ein weiterer Anschluß 9 der Schaltungs­ anordnung ist mit einem Pol der Spannungsquelle 6 verbun­ den. An den Ausgang 8 wird üblicherweise die, mit Gate be­ zeichnete, Steuerelektrode eines in der Zeichnung nicht nä­ her dargestellten Stromrichterventils angeschlossen. Der Anschluß 9 wird mit der als Kathode bezeichneten Elektrode eines solchen Stromrichterventils elektrisch leitend ver­ bunden.

Jeder der Zweige der Parallelschaltung 7 ist mit einer Ent­ kopplungsdiode 10 versehen, wobei die Kathoden der Entkopp­ lungsdioden 10 miteinander und mit dem Schaltelement 5 ver­ bunden sind. Im einzelnen umfaßt die Parallelschaltung 7 einen ein RC-Glied 11 aufweisenden RC-Zweig 12, einen mit einem als Reihenschwingkreis wirkenden LC-Glied 13 ver­ sehenen ersten LC-Zweig 14 und einen zweiten ein weiteres LC-Glied 15 aufweisenden LC-Zweig 16.

Den in den beiden LC-Gliedern 13, 15 befindlichen Kondensatoren sind die mit 17, 18 bezeichneten Widerstände elektrisch parallel geschaltet. Die beiden LC-Zweige 14, 16 sind jeweils zwischen ihrem LC-Glied 13, 15 und der Anode ihrer Entkopplungsdiode 10 mit einer Freilaufdiode 19, 20 verbunden. Die Freilaufdioden 19, 20 sind kathodenseitig an die LC-Zweige 12, 14 angeschlossen. Die Anoden der Freilaufdioden 19, 20 sind mit der von dem Anschluß 9 der Schaltungsanordnung zu einem Pol der Spannungsquelle 6 führenden Verbindung elektrisch leitend verbunden.

Die Aufgabe der in Fig. 7 dargestellten Schaltungsanordnung ist die Erzeugung eines möglichst ideal rechteckförmigen Zündimpulses. Sobald das Schaltelement 5 zum Zeitpunkt t₀ aufgrund eines von einer übergeordneten Regelung geliefer­ ten Signales eingeschaltet wird, ist über die Spannungs­ quelle 6, die Parallelschaltung 7, das Schaltelement 5 und ein an die Anschlüsse 8, 9 der Schaltungsanordnung ange­ schlossenes Stromrichterventil ein Stromkreis geschlossen. Der im RC-Glied 11 befindliche Kondensator ist derart di­ mensioniert, daß der in Fig. 8 mit i₁₂ bezeichnete Lade­ strom unmittelbar nach dem Zeitpunkt t₀ sehr steil ansteigt und nach Erreichen eines Maximums in Form einer e-Funktion sehr schnell wieder abklingt und zum Zeitpunkt t₁ ganz zu Null wird.

Zum Zeitpunkt t₀ fließen entsprechend der sich aus der Dimensionierung der Parallelschaltung 7 ergebenden Auftei­ lung des über das Schaltelement 5 fließenden Gesamtstromes i_ges in den beiden LC-Zweigen 14, 16 die mit i₁₄ und i₁₆ bezeichneten Ströme. Der sinusförmige Verlauf dieser Ströme i₁₄, i₁₆ ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Um sich der für den Strom i_ges gewünschten Rechteckform möglichst ideal anzunähern, sind die LC-Glieder 13, 15 so dimensioniert, daß die Ströme i₁₄ und i₁₆ gemäß der entsprechenden Fourierentwicklung einer Rechteckschwingung fließen. Dem­ nach weist der Strom i₁₆ eine um den Multiplikator 2 größere Amplitude als der Strom i₁₄ auf und der Strom i₁₄ schwingt mit der dreifachen Frequenz des Stromes i₁₆.

Der Strom i₁₄ hat zum Zeitpunkt t₂ einen Null-Durchgang. Der in der Zeit t₀ < t < t₂ von der Entkopplungsdiode 10 geführte Strom i₁₄ fließt dann in der Zeit t₂ < t < t₃ über die an diesen LC-Zweig 14 angeschlossene Freilaufdiode 19. Zum Zeitpunkt t₃ wird die Entkopplungsdiode 10 wieder leitend und führt den Strom i₁₄ während seiner folgenden positiven Halbwelle t₃ < t < t₄, bis er erneut in der Zeit t₄ < t < t₅ über die Freilaufdiode 19 abfließt.

Der in Fig. 10 eingetragene Strom i₁₆ hat eine positive Halbwelle in der Zeit t₀ < t < t₄. Vom Zeitpunkt t₄ an fließt der Strom i₁₆ über die an den zweiten LC-Zweig 16 angeschlossene Freilaufdiode 20.

Die Ströme i₁₂, i₁₄ und i₁₆ der einzelnen Zweige 12, 14 und 16 der Parallelschaltung 7 überlagern sich zu einem Strom ges′ der über das Schaltelement 5 fließt. Der Verlauf die­ ses Stromes i_ges ist in Fig. 11 dargestellt. Die Überlage­ rung der Ströme i₁₂, i₁₄ und i₁₆ nähert sich in der Zeit t₀ < t < t₄ einer Rechteckform sehr gut an. Zum Zeitpunkt t₄ haben sowohl der Strom i₁₄ als auch der Strom i₁₆ einen Nulldurchgang und werden von diesem Zeitpunkt an von den Freilaufdioden 19, 20 geführt. Der Ladestrom i₁₂ ist schon zum Zeitpunkt t₁ zu Null geworden. Zu diesem Zeitpunkt t₄ wird damit auch der Strom i_ges zu Null. Über das Schalt­ element 5 fließt demnach in der Zeitspanne t₄ < t < t₅ kein Strom. Das Schaltelement 5 kann in dieser Zeit stromlos von einer übergeordneten Regelung ausgeschaltet werden.

Den Stromverläufen ist sowohl die vorteilhafte unterschied­ liche Dimensionierung der verwendeten Bauelemente als auch die vorzügliche Güte des erzeugten Zündimpulses zu entnehmen. Auch der Vorteil einer stromlosen Ausschaltung des Schaltelements 5 ist durch die Strompause in der Zeit t₄ < t < t₅ gegeben.

Claims (7)

1. Verfahren zur Generierung eines Zündimpulses für ein Stromrichterventil, wobei das Verfahren zwei zeitsynchron ablaufende Verfahrensschritte aufweist, wobei in dem einen Verfahrensschritt eine Stromanstiegsflanke ausreichender Steilheit erzeugt wird, während in dem anderen zeit parallel verlaufenden Verfahrensschritt eine Stromamplitude ausreichender Höhe bereitgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Teil der zur Erzeugung der Stromamplitude benötigten Energie mittels wenigstens eines Schwingkreises gespeichert wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem eine Spannungsquelle (6) über eine Parallelschaltung (7) entkoppelter Zweige mit einem an das zu zündende Stromrichterventil angeschlossenen steuerbaren Schaltelement (5) verbunden ist, wobei wenigstens ein Zweig kapazitiv beschaltet ist und wenigstens ein weiterer Zweig einen LC-Reihenschwingkreis umfaßt und dieser Zweig mit einem Freilauf versehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der die in den Zweigen der Parallelschaltung (7) angeordneten LC- Reihenschwingkreise derart dimensioniert sind, daß die Überlagerung der zeitlichen Verläufe der in den LC- Reihenschwingkreisen fließenden sinusförmigen Ströme sich entsprechend einer Fourierentwicklung einer Rechteckform annähern.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, bei der jeder der Zweige eine Entkopplungsdiode (10) aufweist, deren Kathode jeweils mit dem steuerbaren Schaltelement (5) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 3 bis 5, bei der die einen Reihenschwingkreis auf­ weisenden Zweige jeweils mit einer Freilaufdiode (19) verbunden sind, wobei die Freilaufdiode (19) kathodenseitig zwischen dem jeweiligen LC-Reihenschwingkreis und der Anode der Entkopplungsdiode (10) angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, bei der wenigstens einer der in den kapazitiv beschalteten Zweigen liegenden Kapazitäten ein Entladewiderstand zugeordnet ist.