DE4420341C1 - Verfahren zum Schutz der Leistungshalbleiter eines Wechselrichters in einem Gleichstromzwischenkreisumrichter - Google Patents

Verfahren zum Schutz der Leistungshalbleiter eines Wechselrichters in einem Gleichstromzwischenkreisumrichter

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist in der DE 29 24 729 C2 angegeben.
Bei einem aus einem Netzgleichrichter, einer Zwischenkreisinduktivität und einem Wechselrichter bestehenden Gleichstromzwischenkreisumrichter, bei dem das Verfahren nach der Erfindung angewendet werden soll, ruft die Ausgangsspannung des Netzgleichrichters einen Gleichstrom hervor, der durch die Zwischenkreisinduktivität eingeprägt wird und der die Bezugsgröße für alle elektrischen Vorgänge im Stromrichter bildet. Der Wechselrichter formt den Zwischenkreisstrom üblicherweise in 120°-Stromblöcke um und führt diese der angeschlossenen Last, zum Beispiel einer Asynchronmaschine, zu. Durch die Wahl der Zündreihenfolge der Hauptthyristoren des Wechselrichters läßt sich in der Maschine ein rechts- bzw. linkslaufendes Drehfeld erzeugen. Die zum Betrieb des Wechselrichters erforderlichen Kommutierungsspannungen werden von den zwischen den Wechselspannungsanschlüssen des Wechselrichters über die Blockdioden angeschlossenen Kommutierungskondensatoren zur Phasenfolgelöschung zur Verfügung gestellt.
Die Sperrspannung an den üblicherweise als Thyristoren ausgebildeten Halbleiterschaltern des Wechselrichters wird von der Spannung der Kommutierungskondensatoren bestimmt.
An den Blockdioden addieren sich im Sperrzustand die Kondensatorspannung und die Klemmenspannung der Last. Ihre Sperrspannungsbelastung kann daher, abhängig vom Lastwinkel, bis zum doppelten Wert der Kondensator- bzw. Thyristorspannung ansteigen. Im Nennbetrieb bewegt sich die Kondensatorspannung zum Beispiel bei einer Motorspannung von 380 V im Bereich um ± 800 V, so daß im Wechselrichter und besonders an den Blockdioden betriebsmäßig schon relativ hohe Sperrspannungen auftreten, die im generatorischen Betrieb am höchsten sind. Im Störungsfall bilden sich dynamische Spannungsspitzen aus, die sich der betriebsmäßigen Spannung überlagern und unter Umständen die Sperrfähigkeit der Halbleiterventile überschreiten.
In der DE 41 26 274 A1 wird ein Zusammenhang zwischen der Thyristorbelastbarkeit und dem Lastwinkel bei einem Verfahren zur besseren Ausnutzung von Stromrichter- Thyristoren aufgezeigt. Danach ist die Ausnutzbarkeit eines GTO-Thyristors im induktiven Betrieb theoretisch um 50% höher als im kapazitiven Betrieb und der Regelbereich eines Blindstromumrichters kann um 25% vergrößert werden, sofern die thermische Thyristorbelastbarkeit dieses zuläßt.
Gemäß der eingangs genannten DE 29 24 729 C2 können die Leistungshalbleiterbauelemente des Wechselrichters vor zu hohen Spannungen an den Kommutierungskondensatoren dadurch geschützt werden, daß der Ausgang des Netzgleichrichters mittels eines Thyristors überbrückt ist und die Steuerelektrode des Thyristors mit einer Einrichtung verbunden ist, die Zündimpulse beim Auftreten unzulässig hoher Spannungen an den Kommutierungskondensatoren abgibt.
Eine Schaltungsanordnung, die eine solche Maßnahme bei einem Gleichstromzwischenkreisumrichter zeigt, ist in Fig. 2 der Zeichnung im Prinzip dargestellt. Der Umrichter ist durch einen Netzgleichrichter 1 mit den steuerbaren Thyristoren V11 bis V16, durch einen Gleichstromzwischenkreis mit den Gleichstrom einprägenden Zwischenkreisinduktivitäten 3 und durch einen Wechselrichter 2 gebildet. Der Wechselrichter 2 weist die Hauptthyristoren V21 bis V26 auf. Zur Kommutierung in Phasenfolgelöschung sind über Blockdioden V27 bis V32 Kommutierungskondensatoren C1 bis C6 zwischen die Wechselspannungsphasenausgänge des Wechselrichters 2 geschaltet. Von dem Wechselrichter 2 wird als Last 5 eine dreiphasige Asynchronmaschine gespeist, bei der neben der mit ASM allgemein angedeuteten Maschine deren Streuinduktivitäten Ls hier (aus später noch ersichtlichen Gründen) besonders herausgestellt sind. Der Netzgleichrichter 1 ist an ein dreiphasiges Netz 4 angeschlossen.
Der Ausgang des Netzgleichrichters 1 ist durch die Reihenschaltung eines Thyristors V3 mit einem Strombegrenzungswiderstand R überbrückt, so daß für die im Umrichter gespeicherte magnetische Energie über diese beiden Schaltelemente ein Ausgleichsstrompfad gebildet ist. Der Thyristor 3 wird von einer (nicht gezeigten) Einrichtung mit Zündimpulsen beaufschlagt, sobald diese Einrichtung unzulässig hohe Spannungen an den Kommutierungskondensatoren C1 bis C6 feststellt.
Beim zuvor genannten Verfahren nach der DE 29 24 729 C2 spricht also der Schutz an, wenn ein fest einstellbarer Grenzwert einer höchstens zulässigen Spannung (im folgenden stets mit Ucmax bezeichnet) an den Kommutierungskondensatoren auftritt. Beim bekannten Verfahren wird mithin auf den Gleichstromfluß erst und nur eingewirkt, wenn die Spannung Ucmax erreicht ist. Die Spannungsverläufe im Wechselrichter und damit an den Kommutierungskondensatoren sind jedoch in der Praxis außer von der Umrichterfrequenz auch von der Höhe des Zwischenkreisstromes, der Maschinenspannung und dem Lastwinkel (Leistungsfaktor der angeschlossenen Maschine) abhängig. Die Kapazität der Kommutierungskondensatoren muß deshalb unnötig groß gewählt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das eine Verringerung der Kommutierungskapazität zuläßt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die Kommutierungskondensatorenspannung wird also lastwinkelabhängig begrenzt. Eine Beeinflussung der Begrenzung des Gleichstromes ist damit zu jedem Betriebspunkt möglich. Dementsprechend kann die zu wählende Kommutierungskapazität klein gehalten werden bzw. können im Wechselrichter Bauelemente mit geringerer Sperrspannung eingesetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Das Verfahren nach der Erfindung soll an einem Beispiel anhand der Fig. 1 und 3 der Zeichnung nachfolgend erläutert werden:
Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung und
Fig. 3 zeigt Strom- und Spannungsverläufe an weiter oben zu Fig. 2 beschriebenen Leistungshalbleiterbauelementen des Wechselrichters.
In Fig. 1 ist nochmals der zuvor zu Fig. 2 bereits in Einzelheiten beschriebene Gleichstromzwischenkreisumrichter bestehend aus einem Netzgleichrichter 1, Zwischenkreisinduktivitäten 3 und einem mit einer Last 5 in Form einer Asynchronmaschine ASM verbundenen Wechselrichter 2 schematisch dargestellt.
Zur Ermittlung einer kommutierungskondensatorspannungsabhängigen Stromgrenze für den Gleichstrom zur Begrenzung der Spannung an den Kommutierungskondensatoren zwecks Schutzes der Leistungshalbleiterbauelemente im Wechselrichter 2 wird über einen Stromwandler 8 der (Gesamt-)Zwischenkreisstrom Iges erfaßt und ebenso wie der über einen weiteren Stromwandler 9 ermittelte Motorstrom IM und die über einen Spannungswandler 10 gemessene Motorspannung UM einem (bei der Steuerung und Regelung von Asynchronmaschinen speisenden Gleichstromzwischenkreisumrichtern in der Praxis üblichen) mit 11 bezeichneten Maschinenmodell M zugeführt. Am Ausgang des Maschinenmodells 11 steht dann der Istwert xi des Motorstromes, der Betrag des Istwerts des Magnetisierungsstromes |xiµ| sowie der Betrag des Scheitelwerts der Motorspannung |ÛM| zur Verfügung. Selbstverständlich können diese für das weitere Verfahren benötigten Ausgangsgrößen auch auf anderen, dem Fachmann geläufigen Wegen ermittelt werden.
Die Istwerte xi und |xiµ| werden einem Dividierglied 12 zugeführt, an dessen Ausgang eine dem Sinus des Lastwinkels ϕ proportionale Größe ansteht. Diese wird zusammen mit dem vom Maschinenmodell 11 gelieferten Betrag des Scheitelwerts der Motorspannung |ÛM| auf die Eingänge eines Multiplizierers 13 gegeben. Die Ausgangsgröße (UM · sin ϕ) des Multiplizierers 13 wird nachfolgend in einem Vergleichspunkt 15 mit der an einem Potentiometer 15 eingestellten zulässigen maximalen Spannungshöhe Ucmax an den Kommutierungskondensatoren des Wechselrichters 2 verglichen. Der Differenzwert ist einem Verstärkungsglied 16 zugeführt, das einen Verstärkungsfaktor
aufweist. Mit Ls ist die (in Fig. 2 dargestellte) gesamte Streuinduktivität der Asynchronmaschine (Last 5) und mit Cn die Kapazität der jeweiligen (in Fig. 2 gezeigten) Kommutierungskondensatoren des Wechselrichters 2 bezeichnet. Am Ausgang des Verstärkungsgliedes 16 liegt deshalb ein Wert
an, der einer zu berücksichtigenden kommutierungsspannungsabhängigen Stromgrenze wigr entspricht.
Auf diesen Wert wigr wird in einem Begrenzungsglied 17 der für den Motorstrom vorgegebene Sollwert wi begrenzt. Dieser begrenzte Sollwert wird in üblicher Weise in einer Stromregelung für den Gleichstromzwischenkreisumrichter verwendet: Dazu ist der Ausgang des Begrenzungsgliedes 17 als Sollwertvorgabe an einen Vergleichspunkt 18 gelegt, dem außerdem der vom Maschinenmodell 11 errechnete Stromistwert xi zugeführt ist. Die im Vergleichspunkt 18 gebildete Regelabweichung wird an einen Stromregelverstärker 19 gegeben, dessen Ausgangssignal einen Zündsignalgenerator 7 für die Ansteuerung der Thyristoren des Netzgleichrichters 1 steuert. Dieser Zündsignalgenerator 7 wird mit der Spannung des Netzes 4 über einen weiteren Spannungswandler 6 synchronisiert.
In Fig. 3 sind über der Zeit t die drei am Ausgang des Wechselrichters 2 auftretenden Phasenspannungen uU, uV, uW sowie eine verkettete Spannung uV-U zwischen den Phasen U und V aufgetragen. Darunter erkennt man die blockförmig durch die in Fig. 2 im einzelnen dargestellten Thyristoren V21 bis V26 der oberen Brückenhälfte des Wechselrichters 2 fließenden Ströme iV21 bis iV26 sowie ganz unten die entsprechenden Ströme iV27 bis iV31 durch die Blockdioden V27 bis V31 dieser Brückenhälfte.
Anhand des Verlaufs der Spannung uC2 am in Fig. 2 gezeigten Kommutierungskondensator C2 ist die Einflußmöglichkeit des Verfahrens nach der Erfindung ablesbar. Die Spannung uC2 am Kommutierungskondensator C2 schwankt von einem maximalen negativen Wert -UC2 bis zu einem maximalen positiven Wert +UC2. Weiterhin ist nochmals der Verlauf der verketteten Spannung uV-W mit ihrem Scheitelwert ÛM gezeigt. Mit β ist der Steuerwinkel des Wechselrichters 3 und mit ϕ ist der Lastwinkel eingezeichnet. Die maximal zulässige Spannungsgrenze Ucmax des Kommutierungskondensators C2 (wie auch der übrigen -Kommutierungskondensatoren) ist gestrichelt angegeben. Durch das Verfahren nach der Erfindung wird über die lastwinkelabhängige Stromgrenzenbeeinflussung auf den Spannungshub ΔÛC am Kommutierungskondensator C2 bis zur maximal zulässigen Spannungsgrenze Ucmax Einfluß genommen.
Mit der kommutierungsspannungsabhängigen Stromgrenze kontrolliert man also unter Zuhilfenahme des errechneten Lastwinkels ϕ und des gemessenen Motorspannungsscheitelwertes ÛM die Spannungshöhe der Kommutierungskondensatoren. Bei Erreichen des höchstzulässigen Spannungswertes Ucmax wird die Gesamtstromgrenze so reduziert, daß die Kondensatorspannung auf den Wert von Ucmax begrenzt bleibt. Durch die beschriebene Begrenzung der Kondensatorspannung auf Ucmax werden die Leistungshalbleiterbauelemente des Wechselrichters vor einer Zerstörung mithin sicher geschützt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Schutz der Leistungshalbleiter eines steuerbaren, mit einer Last verbundenen Wechselrichters in einem Gleichstromzwischenkreisumrichter vor Überspannungen an jeweils zwischen die Wechselspannungsanschlüsse des Wechselrichters über Blockdioden angeschlossenen Kommutierungskondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom im Gleichstromzwischenkreis auf einen von der maximal zulässigen Höhe der Spannung an den Kommutierungskondensatoren sowie vom Lastwinkel und Lastspannungsscheitelwert abhängigen Wert begrenzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem dreiphasigen Motor als Last der Gleichstrom auf einen Wert begrenzt wird, wobei mit
Ucmax die maximal zulässige Spannungshöhe an den Kommutierungskondensatoren,
ÛM der Scheitelwert der Motorspannung,
ϕ der Lastwinkel,
Ls die gesamte Motorstreuinduktivität und
Cn die Kapazität eines Kommutierungskondensators ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung des Gleichstroms über die Ansteuerung des Netzstromrichters des Gleichstromzwischenkreisumrichters vorgenommen wird.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2924729C2 (de) * 1979-06-16 1985-01-10 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Schaltungsanordnung zum Schutz des Wechselrichters in einem Zwischenkreisumrichter
DE4126274A1 (de) * 1991-08-08 1993-02-11 Asea Brown Boveri Verfahren zur steigerung der ausnutzung von thyristoren bei blindleistungskompensation

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