DE4342414A1

DE4342414A1 - Schaltungsanordnung zur Energieübertragung zwischen einem Gleichstrom- und einem Gleichspannungskreis und Verfahren zur Steuerung der Schaltung

Info

Publication number: DE4342414A1
Application number: DE19934342414
Authority: DE
Inventors: Juergen Petzoldt; Uwe Gehlert; Soen Szeponik; Tobias Reimann
Original assignee: PETZOLDT JUERGEN DR
Current assignee: PETZOLDT JUERGEN DR
Priority date: 1993-12-13
Filing date: 1993-12-13
Publication date: 1995-06-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Energieüber tragung zwischen einem Gleichstromkreis und einem Gleichspannungs kreis mit unterschiedlichen Spannungsebenen sowie ein Verfahren zu deren Steuerung.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art besteht grund sätzlich aus einem induktiven Übertrager,an dessen Wechselspan nungsanschlüssen jeweils Stromrichterschaltungen angeschlossen sind, an deren Gleichspannungsanschlüssen einerseits eingeprägte Gleichspannung und andererseits eingeprägter Gleichstrom vorliegt.

In einer ersten bekannten Schaltungsanordnung, die für technolo gische Stromversorgungen Anwendung findet, besteht die Stromrich terschaltung mit eingeprägtem Gleichstrom aus einer Dioden-, Mittelpunkt- oder Brückenschaltung. Aus diesem Grund ist die Energieübertragung nur von der Gleichspannungs- zur Gleichstrom seite möglich.

In einer zweiten, bekannten Schaltungsanordnung, EPE ′91, Floren ce, proceedings volume 1 (568-573), mit bidirektionaler Energie flußrichtung arbeiten beide Stromrichterschaltungen mit eingepräg ten Gleichspannungen. Sie enthalten aktiv ein- und ausschaltbare Leistungshalbleiter mit antiparallelen Dioden. Bei dieser Schal tungsanordnung werden dem Übertrager primär- und sekundärseitig Spannungen eingeprägt, d. h. in den Phasen der Energieübertragung müssen beide Gleichspannungen annähernd entsprechend des Überset zungsverhältnisses des Übertragers gleich sein. Spannungsdifferen zen fallen über der möglichst geringen Gesamtstreuinduktivität des Übertragers ab und führen somit zu unerwünscht hohen Stromspitzen. Des weiteren ist nachteilig, daß die Stromkommutierung aktiv durch die Steuerung beendet werden muß, was eine genaue Erkennung und Vorausbestimmung der Schaltzeitpunkte voraussetzt.

Eine weitere Schaltungsvariante, Archiv für Elektrotechnik 75 (1992) 327-340, benötigt in der Stromrichterschaltung mit eingeprägtem Gleichstrom aktiv einschaltbare sperrfähige Leistungshalbleiter bzw. nichtsperrfähige Leistungshalbleiter mit Reihendiode. Im ersten Fall (Thyristoren) ist aufgrund der Freiwerdezeit der Frequenzbereich eingeschränkt. Im zweiten Fall (Reihendiode) sind die erhöhten Durchlaßverluste nachteilig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs anordnung sowie ein Verfahren zu deren Steuerung der eingangs genannten Art zu schaffen, wodurch eine bidirektionale Energie übertragung bei minimalen Durchlaßverlusten, eine Vermeidung von Stromspitzen auch bei unterschiedlichen Spannungsebenen mit geringem Steuerungsaufwand und eine maximale Bauelementeausnutzung ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung zur Energie übertragung zwischen einem Gleichstrom- und einem Gleich spannungskreis durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, sowie bei einem Verfahren zur Steuerung dieser Schaltungsanordnung gemäß den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 2 und 3 gelöst.

Sowohl durch die Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und den Steuerverfahren der Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 und 3 wird die Möglichkeit eröffnet, bidirektionale Energieübertragung zwischen einem Gleichstrom- und einem Gleichspannungskreis bei minimalen Durchlaßverlusten, Vermeidung von Stromspitzen und maximaler Bauelementeausnutzung zu realisieren. Die an den Übertrager angeschlossene Stromrichterschaltung mit eingeprägtem Gleichstrom weist die gleiche Schaltungstopologie auf wie die Stromrichterschaltung mit eingeprägter Gleichspannung, d. h. beide Schaltungen sind mit nichtsperrfähigen aktiven Leistungs halbleitern und antiparallelen Dioden ausgestattet. Daraus resultieren geringe Durchlaßverluste und hohe Betriebsfrequenzen. Die nicht selbständig kommutierungsfähige Stromrichterschaltung auf der Gleichstromseite kann nur durch die steuerungstechnische Verknüpfung beider Stromrichterschaltungen arbeiten. Dies wird dadurch erreicht, daß ein am Übertrager spannungsloser Zeitabschnitt durch Ausschalten aller aktiven Leistungshalbleiter des gleichspannungsseitigen Stromrichters und zeitlich verzögerten Einschalten aller aktiven Leistungshalbleiter des gleichstrom seitigen Stromrichters eingeleitet wird. Das Ende des spannungs losen Zeitabschnitts wird durch Einschalten der aktiven Leistungs halbleiter des gleichspannungsseitigen Stromrichters eingeleitet, die den Strom in die jeweilige gewünschte Richtung kommutieren lassen. Ist die Kommutierung des Stromes beendet, werden die aktiven Leistungshalbleiter des gleichspannungsseitigen Strom richters wieder ausgeschaltet. Bei umgekehrter Energieflußrichtung werden am Ende der Kommutierung die zu den jetzt Sperrspannung übernehmenden Dioden antiparallel geschalteten aktiven Leistungs halbleiter des gleichstromseitigen Stromrichters ausgeschaltet.

Anhand der Zeichnungen wird die Schaltungsanordnung und das Verfahren zu deren Steuerung nachstehend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung am Beispiel zweier Brückenschaltungen.

Fig. 2 zeigt die zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung am Übertrager für die Energieflußrichtung vom Gleichstrom- zum Gleichspannungskreis.

Fig. 3 zeigt die zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung am Übertrager für die Energieflußrichtung vom Gleichspannungs- zum Gleichstromkreis.

In der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung, in der beide Stromrichter als Brückenschaltung mit jeweils 4 Schaltern ausge führt sind, befindet sich im Gleichstromkreis als Energiespeicher ein Akkumulator, der sowohl vom Gleichspannungskreis geladen werden kann, als auch seine gespeicherte Energie in den Gleichspannungskreis liefern kann.

Fig. 2 zeigt den Spannungs- und Stromverlauf an den Wechsel stromanschlußpunkten des gleichspannungsseitigen Stromrichters und das Steuerregime beider Stromrichter für den Fall der Energie übertragung vom Akkumulator in den Gleichspannungskreis. Für den umgekehrten Fall der Energieübertragung sind in Fig. 3 die gleichen zeitlichen Verläufe und die entsprechenden Steuerakti vitäten dargestellt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Energieübertragung zwischen einem Gleichstrom- und einem Gleichspannungskreis unter Verwendung bekannter Stromrichterschaltungen, bestehend aus der Mittelpunkt- oder Brückenschaltung leistungselektronischer Schalter, die sich aus der Antiparallelschaltung eines aktiv schaltbaren, nichtsperrfähigen Leistungshalbleiters und einer Diode zusammensetzen, nachfolgend als Spannungswechselrichter bezeichnet, mit jeweils zwei Anschlußpunkten für die eingeprägte Gleichspannung P₊ und P_- und Anschlußpunkten für Wechselströme, gekennzeichnet durch
einen Übertrager, an dessen primär- und sekundärseitigen Anschlußpunkten sich jeweils ein Spannungswechselrichter mit seinen Wechselstromanschlußpunkten befindet, wobei einer der Spannungswechselrichter mit seinen bei den Gleichspannungs anschlüssen P₊ und P_- mit dem Gleichspannungskreis verbunden ist, während an den beiden Gleichspannungsanschlüssen des anderen Spannungswechselrichters P₊ und P_- der Gleichstromkreis angeschlossen ist.

2. Verfahren zur Steuerung der Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Übertrager bei Energiefluß von dem Gleichstromkreis zum Gleichspannungskreis in zwei gleichen Zeitbereichen der Energieübertragung mit positiver und negativer Spanung betrieben wird, denen jeweils ein spannungsloser Zeitabschnitt vorgelagert ist, der durch Einschalten aller aktiven Leistungshalbleiter des gleichstromseitigen Wechselrichters durch die Steuerung eingeleitet wird und der mit dem Verlöschen der vorher leitenden Dioden des gleichspannungsseitigen Wechselrichters beginnt,
daß die Steuerung durch Einschalten der zu den im vor angegangenen Zeitbereich der Energieübertragung leitenden Dioden antiparallel geschalteten aktiven Leistungshalbleiter des gleichspannungsseitigen Wechselrichters das Ende des spannungslosen Zeitabschnittes einleitet, wodurch der Strom durch die für den folgenden Zeitabschnitt der Energie übertragung auszuschaltenden aktiven Bauelemente des gleich stromseitigen Wechselrichters bis auf den Wert Null abnimmt,
daß ab diesem Zeitpunkt alle aktiven Bauelemente des spannungsseitigen Wechselrichters ausgeschaltet werden, wodurch der Strom auf die entsprechenden Dioden kommutiert und der Zeitabschnitt der Energieübertragung bei umgekehrter Polarität der Übertragungsspannung beginnt.

3. Verfahren zur Steuerung der Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Übertrager bei Energiefluß von dem Gleichspannungskreis auf den Gleichstromkreis in zwei gleichen Zeitbereichen der Energieübertragung mit positiver und negativer Spannung betrieben wird, denen jeweils ein spannungsloser Zeitabschnitt vorgelagert ist, der durch das von der Steuerung ausgelöste Ausschalten der aktiven Leistungshalbleiter des gleich spannungsseitigen Wechselrichters eingeleitet wird und durch zeitlich verzögertes Einschalten, der zu den im vorhergehenden Zeitabschnitt der Energieübertragung gesperrten Dioden anti parallelen aktiven Leistungshalbleiter des gleichstromseitigen Wechselrichters beginnt,
daß die Steuerung das Ende des spannungslosen Zeitabschnittes durch Einschalten der für die neue Spannungsrichtung im nachfolgenden Zeitbereich der Energieübertragung entsprechenden aktiven Leistungshalbleiter des gleichspannungsseitigen Wechselrichters einleitet und durch zeitlich verzögertes Ausschalten der zu den im nachfolgenden Zeitabschnitt der Energieübertragung sperrenden Dioden antiparallelen aktiven Leistungshalbleiter beginnt.