WO2003005551A2 - N-punkt-stromrichterschaltung - Google Patents

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WO2003005551A2
WO2003005551A2 PCT/DE2002/002224 DE0202224W WO03005551A2 WO 2003005551 A2 WO2003005551 A2 WO 2003005551A2 DE 0202224 W DE0202224 W DE 0202224W WO 03005551 A2 WO03005551 A2 WO 03005551A2
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point
turn
converter
voltage
series
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Mark Bakran
Martin Neeser
Georg Zaiser
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels

Definitions

  • the invention relates to an N-point converter circuit with two series-connected converter valves, each having n-1 turn-off semiconductor switches, and having a n-1 electrically connected in series capacitors voltage intermediate circuit, which is electrically parallel to the DC side Connected connections of the series-connected converter valves.
  • the three-phase drive with the line-commutated direct-in-line converter and the machine-controlled converter motor are in the foreground today.
  • the limited speed range of the direct-drive drive and the limited quality of the torque (torque maturity and dynamics) of the converter motor have so far limited the further advance of the more maintenance-friendly and robust three-phase drive in many applications.
  • the principle of the U-Umrichter these limitations or disadvantages can be overcome, that problem was so far the limited power range.
  • the switchable semiconductor switches available today however, the megawatt limit has now been exceeded. Components with 4.5kV blocking voltage and 3kA maximum disconnectable current are in practical use, thus inverters with powers up to 2.5MW with only six turn-off semiconductor switches can be achieved.
  • this three-point converter circuit can be generated with 3.3kV IGBTs, an output voltage with a value of 2.3kV.
  • an output voltage with a value of 3.3kV or 4.16kV four solid state switches are used per converter valve.
  • semiconductor switches with the series number one instead of the turn-off semiconductor switches with the series number one, semiconductor switches with the series number two are used because of the high blocking voltage.
  • the center diodes have been replaced by semiconductor switches with the serial number two.
  • Three-point midpoint clamping power converter circuits are known commercially as NPC (Neutral Point Clamped).
  • the wiring of the mid-point diodes brings next difficulties with it.
  • the charge from the circuit is discharged when switching from internal valves to the free circuit, which consists of internal valves and center diodes. These freewheeling currents additionally burden these valves and make it difficult to use the circuit.
  • the commutation sequence must also be adhered to in the event of a fault.
  • Five-point converter circuit can be connected to the five potentials of the voltage intermediate circuit.
  • a special control method is required for charging internal capacitors. Many capacitors are needed.
  • the invention is based on the object of specifying a multi-point power converter circuit which is easy to implement, has an improved output voltage quality and has an emergency running feature.
  • n-2 shunt branches each having antiseries switched turn-off semiconductor switch, at least one AC-side terminal of the converter circuit is connected to n potentials of the voltage intermediate circuit
  • the availability of a multipoint converter circuit increases.
  • the series-connected converter valves are switched off and the turn-off semiconductor switches are switched on at least one shunt branch. This reduces the voltage on the series-connected converter valves.
  • the reverse voltage on the series-connected converter valves is reduced to half the DC link voltage.
  • Another advantage of the multipoint converter circuit according to the invention is the simple construction of a phase component. Since the commutation paths are the same, one can realize the structure in at least three columns arranged parallel to each other. In the first column, the turn-off semiconductor switches of the first converter valve are housed, in the second column are the turn-off semiconductor switches of a shunt branch and in the third column, the turn-off semiconductor switches of the second converter valve are housed.
  • the number of parallel columns increases by the number of other transverse branches. Thus, one can achieve a low inductance structure of a multipoint power converter circuit.
  • each shunt branch is connected between a potential of the voltage intermediate circuit and a connection point of two series-connected turn-off semiconductor switches, which always carry n-1 turn-off semiconductor switches, where n is equal to the number of potentials of the voltage intermediate circuits.
  • all shunt branches are connected between the AC-side terminal of the series-connected converter valves and a potential of the voltage intermediate circuit.
  • FIG 3 shows a first embodiment of a four-point converter circuit according to the invention, wherein in the FIG 4 shows a second embodiment of a four-point Stromricht- terscnies is illustrated according to the invention, and the 5 shows an embodiment of a five-point Stromricht- terscnies according to the invention.
  • a three-point converter circuit has two converter valves SRV1 and SRV2, each of which has two turn-off semiconductor switches Via and Vlb or V2a and V2b.
  • the two converter valves SRV1 and SRV2 are electrically connected in series, with their connection point forms a load terminal L of the three-point converter circuit.
  • the free end of the current regulator valve SRV1 forms a positive DC voltage terminal P, whereas the free end of the converter valve SRV2 forms a negative DC voltage terminal N.
  • a voltage intermediate circuit ZW is electrically connected in parallel, which has two electrically connected in series capacitors Cl and C2 in a three-point converter circuit. Its connection point forms a mid-point connection MP.
  • the AC-side load terminal L can now be connected to the mid-point terminal MP by means of a shunt branch QZ1.
  • this shunt QZ1 on two antiseries switched turn-off semiconductor switches V3 and V4. Due to the antiserial circuit of these two turn-off semiconductor switches V3 and V4, a current from the mid-point terminal MP to the load terminal L and vice versa flow.
  • either the turn-off semiconductor switch V4 or the turn-off semiconductor switch V3 is turned on.
  • insulated gate bipolar transistors Via, Vlb, V2a, V2b, V3 and V4 insulated gate bipolar transistors (IGBT) are used in the illustrated embodiment, which is an antiparasitic has inverse diode connected in parallel. Instead of IGBTs, other semiconductor switches can be used. These must be switched off and have an antiparallel diode.
  • IGBTs insulated gate bipolar transistors
  • the choice of a suitable semiconductor switch depends on the one hand on the DC voltage U Z w of the voltage intermediate circuit ZW and on the other hand on the DC current i L.
  • Such a converter circuit is also referred to as a bridge branch or phase module.
  • a converter circuit is also referred to as a bridge branch or phase module.
  • three converter circuits according to FIG. 1 are then used, which are electrically connected in parallel on the DC voltage side. For this reason, the capacitance value of the voltage intermediate circuit ZW of a three-phase arrangement can be divided into three voltage intermediate circuits ZW.
  • FIG. 2 shows a mechanical structure of the three-point converter circuit according to FIG. 1.
  • the turn-off semiconductor switches Via, Vlb and V2a and V2b of the power converter valves SRV1 and SRV2 and the turn-off semiconductor switches V3 and V4 of the shunt arm QZ1 are each arranged in a clamping arrangement.
  • These three clamping assemblies SV1, SV2 and SV3 are arranged spatially parallel to one another, since the commutation paths of the individual turn-off semiconductor switches are the same. Because of the arrangement in several clamping assemblies it is close to turn off semiconductor switches in disc form to use.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a four-point converter circuit. This four-point converter circuit differs from the three-point converter circuit according to FIG.
  • the strobe valves SRV1 and SRV2 each have a third semiconductor switch Vlc or V2c which can be switched off.
  • a second shunt QZ2 is provided, wherein the two shunt branches QZ1 and QZ2 each include three turn-off semiconductor switches V3, V4, V5 and V6, V7, V8.
  • the voltage intermediate circuit has a third capacitor C3. As a result, the DC voltage U Z w of the voltage intermediate circuit ZW is divided into four potential levels.
  • connection points PP1 and PP2 can each be connected to a shunt branch QZ1 and QZ2 to the load terminal L of the four-point converter circuit.
  • the turn-off semiconductor switches V3, V4, V5 and V6, V7, V8 of the two shunt branches QZ1 and QZ2 are each electrically connected in series such that a current can flow in both directions in the shunt QZ1 and QZ2.
  • the number of turn-off semiconductor switches per converter valve SRV would increase by one.
  • the number of shunt arms QZ and the number of their turn-off semiconductor switch would also increase by one, as well as the number of capacitors C of the voltage intermediate circuit ZW. That is, with the increase in the number of points of a multi-point converter circuit increases not only the number of turn-off semiconductor switches in the clamping assemblies SV1, SV2, SV3, ..., but also the number of shunt branches QZ1, QZ2, QZ3, ... Thus, a new clamping bandage comes to the existing arrangement added.
  • the advantage of this circuit variant of a multi-point converter circuit is that the voltage load of all turn-off semiconductor switch of the converter valves SRVl, SRV2, ..., and the shunt arms QZ1, QZ2, ..., is the same.
  • Another advantage of this embodiment of a multi-point converter circuit is the improved availability of the converter circuit or the converter constructed thereon.
  • This improved availability of the converter circuit arises from the fact that in case of failure of a turn-off semiconductor switch V of a converter valve SRV in a three-point converter arrangement, the semiconductor switches V3 and V4 of the shunt QZ1 turned on and the valves V of the failed converter valve SRV are turned off.
  • the load terminal L is connected to the mid-point terminal MP of the three-point converter circuit and on the semiconductor switches V of the converter valves SRV half of the intermediate circuit voltage U Z w drops, which without further res from the turn-off semiconductor switches Via, Vlb, V2a and V2b can be kept.
  • the damaged turn-off semiconductor valve V can continue to switch the power with an intact turn-off semiconductor switch. If e.g. the semiconductor switch Via of the converter valve SRVl is broken, then the converter valve SRV2 must not be turned on after the fault detection, because otherwise the intact semiconductor switch Vlb in the converter valve SRVl must lock too high a voltage.
  • the semiconductor valve Vlb can be connected to the turn-off semiconductor switch V3 of the shunt branch QZ1.
  • the increased number of turn-off semiconductor switches could have a disturbing effect compared to a conventional NPC power converter circuit with center-point diodes. This is remedied by a further embodiment of the N-point converter circuit according to the invention.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a four-point converter circuit according to the invention is shown schematically.
  • This embodiment differs from the embodiment according to FIG. 3 in that the existing cross branches QZ1, QZ2 each have only two turn-off semiconductor switches V3, V4 and V6, V7.
  • these shunt branches QZ1 and QZ2 no longer connect the potentials of the connection points PP1 and PP2 of the voltage intermediate circuit ZW to the load terminal L of the converter circuit but to two points SP1 and SP2.
  • the point SP1 is a connection point of the two turn-off semiconductor switches Vlb, Vlc of the converter valve SRVl
  • the point SP2 is a connection point of the two turn-off semiconductor switches V2a and V2b of the converter valve SRV2.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a five-point converter circuit according to the invention.
  • the power converter valves SRV1 and SRV2 each have four turn-off semiconductor switches Via to Vld and V2a to V2d.
  • a five-point converter circuit has three shunt arms QZ1, QZ2 and QZ3 which connect the potentials of the connection points PP1, PP2 and PP3 of the voltage intermediate circuit ZW to the points SP3 and SP4 and the load terminal L.
  • the point SP3 is a connection point of the two switchable semiconductor switches Vlb and Vlc of the converter valve SRVl
  • the point SP4 is a connection point of the two turn-off semiconductor switches V2b and V2c of the converter valve SRV2.
  • the number of turn-off semiconductor switch V is always the same, have the shunt QZl and QZ3 two turn-off semiconductor switches V3, V4 and V6, V7 and the transverse branch QZ2 four turn-off semiconductor switches V9, ..., V12 on.
  • the shunt branches QZ1, QZ2 and QZ3 would each have four turn-off semiconductor switches V.
  • the number of turn-off semiconductor switch V reduced by four turn-off semiconductor switch V.
  • the load difference of the turn-off semiconductor switch V is compared to known multipoint converter circuits still smaller.
  • the load of the internal semiconductor switches Vlc and V2a or Vlc, Vlb, V2a, V2b is the same as in a three-point converter circuit with an NCP topology.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Ac-Ac Conversion (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine N-Punkt-Stromrichterschaltung mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten Stromrichterventilen (SRV1,SRV2), die jeweils n-1 abschaltbare Halbleiterschalter (V1a,...,V1d; V2a,...,V2d) aufweisen, und mit einem n-1 elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren (C1,C2,C3) aufweisenden Spannungszwischenkreis (ZW), der elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen (P,N) der reihengeschalteten Stromrichterventilen (SRV1,SRV2) geschaltet ist. Erfindungsgemäss ist wenigstens ein wechselspannungsseitiger Anschluss (L,SP1,SP2,SP3,SP4) mittels n-2 Querzweigen (QZ1,QZ2,QZ3), die jeweils wenigstens n-3 abschaltbare Halbleiterschalter (V3,...,V12) aufweisen, mit jedem der n Potentiale des Spannungszwischenkreises (ZW) verbindbar. Somit erhält man eine Mehrpunkt-Stromrichterschaltung, die einfachz u realisieren ist, eine verbesserte Ausgangsspannungsqualität aufweist und über eine Notlaufeigenschaft verfügt.

Description

Beschreibung
N-Punkt-StromrichterSchaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine N-Punkt-Stromrichter- schaltung mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten Stromrichterventilen, die jeweils n-1 abschaltbare Halbleiterschalter aufweisen, und mit einem n-1 elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren aufweisenden Spannungszwischenkreis, der elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen der reihengeschalteten Stromrichterventile geschaltet ist.
Für drehzahlveränderbare Antriebe im Hochleistungsbereich stehen heute neben dem Gleichstromantrieb der Drehstromantrieb mit dem netzgeführten Direktumrichter und dem maschinengeführten Stromrichtermotor im Vordergrund. Der eingeschränkte Drehzahlbereich des Direktumrichterantriebs sowie die eingeschränkte Qualität des Drehstro moments (Drehmoment- fälligkeit und Dynamik) beim Stromrichtermotor begrenzten bisher bei vielen Anwendungen das weitere Vordringen des wartungsfreundlicheren und robusteren Drehstromantriebs. Mit dem Prinzip des U-Umrichters können diese Einschränkungen bzw. Nachteile überwunden werden, dass Problem dabei war bisher der eingeschränkte Leistungsbereich. Mit den heute verfügbaren abschaltbaren Halbleiterschaltern ist jedoch inzwischen die Megawattgrenze überschritten. Bauelemente mit 4,5kV Sperrspannung und 3kA maximal abschaltbaren Strom sind im praktischen Einsatz, damit sind Wechselrichter mit Leistungen bis zu 2,5MW mit nur sechs abschaltbaren Halbleiterschaltern erreichbar .
Für eine weitere Erhöhung der Leistungsgrenzen wäre in der konventionellen Schaltung des U-Umrichters der Übergang auf die Reihen- und/oder Parallelschaltung von abschaltbaren Halbleiterschaltern erforderlich. Dies würde vor allem bei den Beschalt ngsnetzwerken für Symmetrierung der Spannung und Ströme zu zusätzlichen technischen Problemen, erheblich mehr Aufwand und erhöhten Verlusten führen.
Als Alternative hierzu bietet sich zunächst die entkoppelte Reihenschaltung zweier Stromrichterventile nach dem Konzept des Dreipunkt-Wechselrichters an. Man verdoppelt dadurch den erreichbaren Leistungsbereich, wobei durch zwei zusätzliche Dioden jeder abschaltbare Halbleiterschalter voll ausgenutzt werden kann. Darüber hinaus erreicht man selbst bei reduzier- ter Pulsfrequenz eine deutlich bessere Kurvenform der Ausgangsspannung, was den Wirkungsgrad verbessert sowie Stromoberschwingungen und damit Oberwellenmomente verringert.
Aus der Veröffentlichung "Medium Voltage Inverter using High- Voltage IGBTs" von A. Mertens, M. Bruckmann, R. Sommer, abgedruckt in EPE '99 - Lausanne, ist eine Dreipunkt-Stromrichterschaltung bekannt, die zwei reihengeschaltete Stromrichterventile mit jeweils zwei abschaltbaren Halbleiterschaltern und einem mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten Kondensa- toren aufweisenden Spannungszwischenkreis aufweist. Die Verbindungspunkte zweier abschaltbarer Halbleiterschalter jeweils eines Stromrichterventils ist mittels einer Mittelpunktdiode mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren des Spannungszwischenkreises elektrisch leitend verbunden. Dieser Verbindungspunkt bildet den Mittelpunkt dieser Dreipunkt-Stromrichterschaltung. Als abschaltbarer Halbleiterschalter sind Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) vorgesehen. Mit dieser Dreipunkt-Stromrichterschaltung kann mit 3,3kV IGBTs eine Ausgangsspannung mit einem Wert von 2,3kV erzeugt werden. Für die Generierung einer Ausgangsspannung mit einem Wert von 3,3kV oder 4,16kV werden pro Stromrichterventil vier Halbleiterschalter verwendet. Man könnte auch sagen, dass anstelle der abschaltbaren Halbleiterschalter mit der Reihenschaltzahl Eins nun wegen der hohen Sperrspannung Halbleiterschalter mit der Reihenschaltzahl Zwei verwendet werden. Ebenfalls sind die Mittelpunktsdioden durch Halbleiterschalter mit der Reihenschaltzahl Zwei ersetzt worden. Dreipunkt- Stromrichterschaltungen mit einer Mittelpunktsklemmung sind im Handel als NPC (Neutral Point Clamped) bekannt.
Diese NPC-Umrichterkonfiguration weist folgende Nachteile auf:
- Anschluss an den Mittelpunkt erfolgt über die Mittel- punktsdioden. Für eine weitere Spannungserhöhung wird die Reihenschaltung der Bauelemente angefordert. Die Reihenschaltung der Dioden ist nicht unproblematisch. Solange parallel zur Diode ein IGBT zugeschaltet ist, wird die Spannung an der Diode durch die aktive Maßnahme des IGBTs begrenzt. Die Mittelpunktsdioden müssen zusätzlich beschaltet werden.
Die Beschaltung der Mittelpunktsdioden bringt nächste Schwierigkeiten mit sich. Die Ladung aus der Beschaltung wird beim Einschalten von inneren Ventilen in den Frei- laufkreis entladen, der aus inneren Ventilen und Mittelpunktsdioden besteht. Diese Freilaufströme belasten zusätzlich diese Ventile und erschweren den Einsatz der Beschaltung.
- Die Realisierung von Fünfpunkt-Umrichtern erfordert wie- derum die Reihenschaltung der Dioden und deren Beschaltung.
Die Kommutierungsfolge muss auch im Fehlerfall eingehalten werden.
Neben dieser NPC-Umrichterkonfiguration gibt es noch eine Umrichterkonfiguration, deren Mittelpunkt nicht geklemmt ist. Eine derartige Konfiguration wird als Floating Point bezeichnet. Bei dieser FP-Umrichterkonfiguration sind immer zu zwei elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern wenigs- tens ein Kondensator elektrisch parallel geschaltet. Mit Erhöhung der Anzahl der elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschalter erhöht sich die Anzahl der Kondensatoren um Eins. D.h., bei einer Fünfpunkt-Stromrichterschaltung werden zehn Kondensatoren im Spannungszwischenkreis verwendet. Die Schaltung einer derartigen Fünfpunkt-Stromrichterschaltung ist aus der Veröffentlichung "The Universal Medium Voltage Adjustable Speed Drive" von Y. Shakweh & E. A. Lewis, abgedruckt in EPE '99 - Lausanne, bekannt. In der dortigen FIG 4 ist auch eine Fünfpunkt-Stromrichterschaltung in der Topolo- gie NPC dargestellt. Dieser Darstellung kann entnommen werden, dass 3 x 4 Klemmdioden benutzt werden. Mittels dieser Dioden kann der wechselspannungsseitiger Anschluss dieser
Fünfpunkt-Stromrichterschaltung mit den fünf Potentialen des Spannungszwischenkreises verbunden werden.
Auch die FP-Umrichterkonfiguration weist Nachteile auf:
Es ist ein spezielles Steuerverfahren zum Aufladen von internen Kondensatoren notwendig. Es werden viele Kondensatoren benötigt.
Aus der Veröffentlichung "The Universal Medium Voltage Adjustable Speed Drive" von Y. Shakweh & E. A. Lewis, abgedruckt in EPE '99 - Lausanne, ist eine weitere Möglichkeit für einen Mittelspannungs-Umrichter veranschaulicht. Bei dieser weiteren Möglichkeit werden mehrere sogenannter H-Strom- richterbrücken elektrisch in Reihe geschaltet. Eine derartige Schaltung ist auch als Multilevelkaskade bekannt, die folgende Nachteile aufweist:
Für jede H-Brücke muss eine potential getrennte Einspei- sung vorgesehen werden. Dazu werden komplizierte Transformatoren mit mehreren Wicklungen benötigt.
In der Veröffentlichung "A New Multilevel Inverter Topology with a Hybrid Approach", von Bum-Seok Suh, Yo-Han Lee, Dong- Seok Hyun und Thomas A. Lipo, abgedruckt in EPE '99 - Lausanne, wird eine modifizierte Multilevelkaskade offenbart. Mit der vorgestellten Modifikation ist eine gradzahlige Mehr- punkt-Topology möglich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Mehrpunkt- Stromrichterschaltung anzugeben, die einfach zu realisieren ist, eine verbesserte Ausgangsspannungsqualität aufweist und über eine Notlaufeigenschaft verfügt.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Ober- begriffs des Anspruchs 1 mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Dadurch, dass mittels n-2 Querzweigen, die jeweils antiseriell geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter aufweisen, wenigstens ein wechselspannungsseitiger Anschluss der Stromrichterschaltung mit n Potentialen des Spannungszwischenkreises verbindbar ist, erhöht sich die Verfügbarkeit einer Mehrpunkt-Stromrichterschaltung. Bei einem Fehler innerhalb der Mehrpunkt-Stromrichterschaltung werden die reihengeschalteten Stromrichterventile abgeschaltet und die abschaltbaren Halbleiterschalter wenigstens eines Querzweiges eingeschaltet. Dadurch verringert sich die Spannung an den reihengeschalteten Stromrichterventilen. Bei einer Dreipunkt-Stromrichterschaltung reduziert sich die Sperrspannung an den reihenge- schalteten Stromrichterventilen auf die halbe Zwischenkreis- spannung.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Mehrpunkt-Stromrichterschaltung ist der einfache Aufbau eines Phasenbau- steins. Da die Kommutierungspfade gleich sind, kann man den Aufbau in wenigstens drei parallel zueinander angeordneten Säulen realisieren. In der ersten Säule sind die abschaltbaren Halbleiterschalter des ersten Stromrichterventils untergebracht, in der zweiten Säule sind die abschaltbaren Halb- leiterschalter eines Querzweiges und in der dritten Säule sind die abschaltbaren Halbleiterschalter des zweiten Strom- richterventils untergebracht. Sind mehrere Querzweige einer Mehrpunkt-Stromrichterschaltung vorgesehen, so erhöht sich die Anzahl der parallel zueinander angeordneten Säulen um die Anzahl der weiteren Querzweige. Somit kann man einen induktivitätsarmen Aufbau einer Mehrpunkt-Stromrichterschaltung er- reichen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Mehrpunkt-Stromrichterschaltung ist jeder Querzweig dermaßen zwischen einem Potential des Spannungszwischenkreises und einem Verbindungs- punkt zweier reihengeschalteter abschaltbaren Halbleiterschalter geschaltet, das immer n-1 abschaltbare Halbleiterschalter einen Strom führen, wobei n gleich die Anzahl der Potentiale des Spannungszwischenkreise ist. Dadurch wird die Anzahl der verwendeten abschaltbaren Halbleiterschalter der Mehrpunkt-Stromrichterschaltung verringert, wobei jedoch ein Belastungsunterschied für einzelne abschaltbaren Halbleiterschalter in Kauf genommen werden muss.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Mehr- punkt-Stromrichterschaltung werden alle Querzweige zwischen dem wechselspannungsseitigen Anschluss der reihengeschalteten Stromrichterventile und einem Potential des Spannungszwischenkreises angeschlossen. Dadurch werden alle abschaltbaren Halbleiterschalter der Mehrpunkt-Stromrichterschaltung gleichbelastet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen N-Punkt-Stromrichterschaltung schematisch veran- schaulicht sind.
FIG 1 zeigt eine erfindungsgemäße Dreipunkt-Stromrichterschaltung, die
FIG 2 zeigt den zugehörigen mechanischen Aufbau einer Drei- punkt-Stromrichterschaltung, die
FIG 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vierpunkt-Stromrichterschaltung nach der Erfindung, wobei in der FIG 4 eine zweite Ausführungsform einer Vierpunkt-Stromrich- terschaltung nach der Erfindung veranschaulicht ist, und die FIG 5 zeigt eine Ausführungsform einer Fünfpunkt-Stromrich- terschaltung nach der Erfindung.
In der FIG 1 ist eine Dreipunkt-Stromrichterschaltung gemäß der Erfindung näher dargestellt. Eine Dreipunkt-Stromrichterschaltung weist zwei Stromrichterventile SRV1 und SRV2 auf, die jeweils zwei abschaltbaren Halbleiterschalter Via und Vlb bzw. V2a und V2b aufweisen. Die beiden Stromrichterventile SRV1 und SRV2 sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei deren Verbindungspunkt ein Last-Anschluss L der Dreipunkt- Stromrichterschaltung bildet. Das freie Ende des Stromrich- terventils SRV1 bildet einen positiven Gleichspannungs-An- schluss P, wogegen das freie Ende des Stromrichterventils SRV2 einen negativen Gleichspannungs-Anschluss N bildet. Elektrisch parallel zu den Anschlüssen P und N ist ein Spannungszwischenkreis ZW elektrisch parallel geschaltet, der bei einer Dreipunkt-Stromrichterschaltung zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren Cl und C2 aufweist. Deren Verbindungspunkt bildet einen Mittelpunkt-Anschluss MP.
Gemäß der Erfindung ist nun der wechselspannungsseitige Last- Anschluss L mittels eines Querzweiges QZ1 mit dem Mittelpunkt-Anschluss MP verbindbar. Dazu weist dieser Querzweig QZ1 zwei antiseriell geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter V3 und V4 auf. Durch die antiserielle Schaltung dieser beiden abschaltbaren Halbleiterschalter V3 und V4 kann ein Strom vom Mittelpunkt-Anschluss MP zum Last-Anschluss L und umgekehrt fließen. Dabei ist entweder der abschaltbare Halbleiterschalter V4 oder der abschaltbare Halbleiterschalter V3 aufgesteuert .
Als abschaltbare Halbleiterschalter Via, Vlb, V2a, V2b, V3 und V4 werden in der dargestellten Ausführungsform Insulated- Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet, die eine antipa- rallel geschaltete Inversdiode aufweist. Anstelle von IGBTs können auch andere Halbleiterschalter verwendet werden. Diese müssen abschaltbar sein und eine antiparallele Diode aufweisen. Die Wahl eines geeigneten Halbleiterschalters hängt ei- nerseits von der Gleichspannung UZw des Spannungszwischen- kreises ZW und andererseits vom Gleichstrom iL ab.
Eine derartige Stromrichterschaltung wird auch als Brückenzweig bzw. Phasenbaustein bezeichnet. Beim Aufbau einer drei- phasigen Dreipunkt-Stromrichterschaltung werden dann drei Stromrichterschaltungen gemäß FIG 1 gebraucht, die gleich- spannungsseitig elektrisch parallel geschaltet werden. Aus diesem Grund kann der Kapazitätswert des Spannungszwischen- kreises ZW einer dreiphasigen Anordnung auf drei Spannungs- zwischenkreise ZW aufgeteilt werden.
In der FIG 2 ist ein mechanischer Aufbau der Dreipunkt- Stromrichterschaltung nach FIG 1 näher dargestellt. Bei diesem mechanischen Aufbau sind jeweils die abschaltbaren Halb- leiterschalter Via, Vlb und V2a und V2b der Stromrichterventile SRV1 und SRV2 und die abschaltbaren Halbleiterschalter V3 und V4 des Querzweiges QZl in einem Spannverband angeordnet. Diese drei Spannverbände SV1, SV2 und SV3 sind räumlich parallel zueinander angeordnet, da die Kommutierungspfade der einzelnen abschaltbaren Halbleiterschalter gleich sind. Wegen der Anordnung in mehreren Spannverbänden liegt es nahe abschaltbare Halbleiterschalter in Scheibenform zu verwenden. Bei dieser parallelen Anordnung der Spannverbände SV1, SV2 und SV3 sind diese derart in Längsrichtung ausgerichtet, dass der Verbindungspunkt der drei Stromrichterzweige, der den Last-Anschluss L bildet, auf einer Seite der Parallelanordnung der Spannverbände SV1, SV2 und SV3 ist. Dadurch kann auf der gegenüberliegenden Seite dieser Parallelanordnung die Kondensatoren Cl und C2 des Spannungszwischenkreises ZW e- lektrisch leitend mit den Anschlüssen der drei Spannungsverbänden SV1, SV2 und SV3 verbunden werden. In der FIG 3 ist nun eine erste Ausführungsform einer Vierpunkt-Stromrichterschaltung dargestellt. Diese Vierpunkt- Stromrichterschaltung unterscheidet sich von der Dreipunkt- Stromrichterschaltung nach FIG 2 dadurch, dass die Stro rich- terventile SRVl und SRV2 jeweils einen dritten abschaltbaren Halbleiterschalter Vlc bzw. V2c aufweisen. Außerdem ist ein zweiter Querzweig QZ2 vorgesehen, wobei die beiden Querzweige QZ1 und QZ2 jeweils drei abschaltbare Halbleiterschalter V3, V4, V5 und V6, V7, V8 beinhalten. Ferner weist der Spannungs- zwischenkreis einen dritten Kondensator C3 auf. Dadurch ist die Gleichspannung UZw des Spannungszwischenkreises ZW in vier Potentialstufen unterteilt. Diese Potentialstufen sind die Potentiale des positiven und negativen Gleichspannungs- Anschlusses P und N, das Potential des Verbindungspunktes PP1 der reihengeschalteten Kondensatoren Cl und C2 und das Potential des Verbindungspunktes PP2 der reihengeschalteten Kondensatoren C2 und C3 des Spannungszwischenkreises ZW. Diese Verbindungspunkte PP1 und PP2 sind jeweils mit einem Querzweig QZ1 und QZ2 mit dem Last-Anschluss L der Vierpunkt- Stromrichterschaltung verbindbar. Dabei sind die abschaltbaren Halbleiterschalter V3, V4, V5 und V6, V7, V8 der beiden Querzweige QZ1 und QZ2 jeweils derart elektrisch in Reihe geschaltet, dass im Querzweig QZ1 und QZ2 jeweils ein Strom in beiden Richtungen fließen kann.
Würde man anstelle einer Vierpunkt-Stromrichterschaltung eine Fünfpunkt-Stromrichterschaltung benötigen, so würde sich die Anzahl der abschaltbaren Halbleiterschalter pro Stromrichterventil SRV um Eins erhöhen. Die Anzahl der Querzweige QZ und die Anzahl deren abschaltbaren Halbleiterschalter würden sich ebenfalls um Eins erhöhen, genauso wie die Anzahl der Kondensatoren C des Spannungszwischenkreises ZW. D.h., mit der Erhöhung der Anzahl der Punkte einer Mehrpunkt-Stromrichterschaltung erhöht sich nicht nur die Anzahl der abschaltbaren Halbleiterschalter in den Spannverbänden SV1, SV2, SV3,..., sondern auch die Anzahl der Querzweige QZ1, QZ2, QZ3, .... Somit kommt ein neuer Spannverband zu der bestehenden Anordnung hinzu. Der Vorteil dieser Schaltungsvariante einer Mehrpunkt- Stromrichterschaltung besteht darin, dass die Spannungsbelastung aller abschaltbaren Halbleiterschalter der Stromrichterventile SRVl, SRV2,..., und der Querzweige QZ1, QZ2,..., gleich ist.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform einer Mehrpunkt- Stromrichterschaltung besteht in der verbesserten Verfügbarkeit der Stromrichterschaltung bzw. des darauf aufgebauten Umrichters. Diese verbesserte Verfügbarkeit der Stromrichterschaltung entsteht dadurch, dass bei einem Ausfall eines abschaltbaren Halbleiterschalters V eines Stromrichterventils SRV bei einer Dreipunkt-Stromrichteranordnung die Halbleiterschalter V3 und V4 des Querzweiges QZ1 eingeschaltet und die Ventile V des gestörten Stromrichterventils SRV ausgeschaltet werden. Damit ist der Last-Anschluss L mit dem Mittelpunkt- Anschluss MP der Dreipunkt-Stromrichterschaltung verbunden und an den Halbleiterschaltern V der Stromrichterventile SRV fällt die halbe Zwischenkreisspannung UZw ab, die ohne weite- res von den abschaltbaren Halbleiterschaltern Via, Vlb, V2a und V2b gehalten werden kann.
Somit ist es nicht mehr notwendig, bei einem durchgeschlagenen Halbleiterschalter V in einem Stromrichterventil SRV die Stromrichterschaltung zu stoppen. Das beschädigte abschaltbare Halbleiterventil V kann weiter mit einem intakten abschaltbaren Halbleiterschalter den Strom schalten. Wenn z.B. der Halbleiterschalter Via des Stromrichterventils SRVl durchgeschlagen ist, dann darf nach der Fehlererkennung das Stromrichterventil SRV2 nicht mehr eingeschalten werden, weil sonst der intakte Halbleiterschalter Vlb im Stromrichterventil SRVl eine zu hohe Spannung sperren muss. Das Halbleiterventil Vlb kann mit dem abschaltbaren Halbleiterschalter V3 des Querzweiges QZ1 weitergeschaltet werden.
Um den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung eines dreiphasigen Umrichters symmetrisch zu erhalten, müssen alle Phasen- bausteine dieses dreiphasigen Umrichters in gleichen Schalt- betriebs odus gehen. D.h., in allen Phasen wird nur zwischen dem oberen Stromrichterventil SRVl und dem Halbleiterschalter V3 des Querzweiges QZ1 geschaltet. Dadurch funktioniert der dreiphasige Umrichter wie ein Zweipunkt-Umrichter mit halber Zwischenkreisspannung Uz und kann dabei den Nennstrom und die halbe Ausgangsspannung an eine angeschlossene Last weitergeben. Somit können die Anwendungen mit konstanten Moment weiterbetrieben werden.
Die erfindungsgemäße Stromrichterkonfiguration mit direkter Verbindung des Last-Anschlusses L an den Mittelpunkt- Anschluss MP und der Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleiterschaltern V bietet folgende Vorteile:
- Alle Kommutierungspfade im Umrichter sind gleich, und die Belastung der abschaltbaren Halbleiterventile bleibt auch gleich. Dieses erlaubt eine einfache Anwendung modularer Bauweise . - Man benötigt keine aufwendige Beschaltung, keine zusätzliche Steuerung und keine Nullstromerkennung. Die Ausgangsspannung ist wie bei einer herkömmlichen Dreipunkt-Stromrichterschaltung stufenförmig.
- Bei einem NPC-Umrichter mit Mittelpunktsventilen ist die Anwendung der Beschaltung äußerst schwierig. Durch die kreisförmige Verbindung der Mittelpunktsventile existiert bei zugeschaltetem Mittelpunkt ein Freilaufkreis . Führt man die Mittelpunktsventile mit Beschaltung für Ein- und Ausschaltentlastung aus, können bei Schaltvorgängen Frei- laufströme im Mittelkreis eingeprägt werden, die zur zusätzlichen Belastung der Mittelpunktsventile führen. Mit der direkten Verbindung gemäß der Erfindung existiert kein Freilaufkreis, so dass der Einsatz von Beschaltungen vereinfacht wird. - Durch die erhöhte Anzahl von in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterventilen in einem Stromrichterventil, wird bei Ausfall eines abschaltbaren Halbleiterschal- ters nicht automatisch das vollständige Stromrichterventil ausfallen, weil die Spannung von einem abschaltbaren Halbleiterschalter auf zwei andere aufgeteilt werden kann. Die Schaltvorgänge mit halber Zwischenkreisspannung sind noch weiter möglich. Die Stromrichterschaltung kann so bei reduzierter Ausgangsleistung und vollen Moment eine Last weitersteuern.
Bei dieser erfindungsgemäßen Mehrpunkt-Stromrichterschaltung könnte die erhöhte Anzahl von abschaltbaren Halbleiterschaltern im Vergleich zu einem herkömmlichen NPC-Stromrichter- schaltung mit Mittelpunktsdioden sich störend auswirken. Dies wird durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen N-Punkt-Stromrichterschaltung behoben .
In der FIG 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Vierpunkt- Stromrichterschaltung nach der Erfindung schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß FIG 3 dadurch, dass die vorhandenen Quer- zweige QZl, QZ2 jeweils nur zwei abschaltbare Halbleiterschalter V3, V4 und V6, V7 aufweisen. Außerdem verbinden diese Querzweige QZl und QZ2 die Potentiale der Verbindungspunkte PPl und PP2 des Spannungszwischenkreises ZW nicht mehr mit dem Last-Anschluss L der Stromrichterschaltung, sondern mit zwei Punkten SPl und SP2. Der Punkte SPl ist ein Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter Vlb, Vlc des Stromrichterventils SRVl, wogegen der Punkt SP2 ein Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter V2a und V2b des Stromrichterventils SRV2 ist. Durch diese Ver- Schaltung der beiden Querzweige QZl und QZ2 reduziert sich die Anzahl der abschaltbaren Halbleiterschalter V einer Mehrpunkt-Stromrichterschaltung. Ein direkter Vergleich mit der Ausführungsform gemäß FIG 3 zeigt, dass zwei abschaltbare Halbleiterschalter V5 und V8 eingespart werden. Demgegenüber werden dadurch die abschaltbaren Halbleiterschalter V wieder unterschiedlich belastet. Der Belastungsunterschied der Stromrichterventile SRVl und SRV2 ist gegenüber den bekannten Mehrpunkt-Stromrichterschaltungen gering. Der Vorteil der reduzierten Anzahl von abschaltbaren Halbleiterschaltern V macht sich erst bei einer höheren Punktzahl der Stromrichterschaltung bemerkbar.
In der FIG 5 ist eine zweite Ausführungsform einer Fünfpunkt- Stromrichterschaltung nach der Erfindung dargestellt. Die Stromrichterventile SRVl und SRV2 weisen jeweils vier abschaltbare Halbleiterschalter Via bis Vld und V2a bis V2d auf. Eine Fünfpunkt-Stromrichterschaltung weist drei Querzweige QZl, QZ2 und QZ3 auf, die die Potentiale der Verbindungspunkte PP1, PP2 und PP3 des Spannungszwischenkreises ZW mit den Punkten SP3 und SP4 und den Last-Anschluss L verbinden. Der Punkt SP3 ist ein Verbindungspunkt der beiden ab- schaltbaren Halbleiterschalter Vlb und Vlc des Stromrichterventils SRVl, wogegen der Punkt SP4 ein Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter V2b und V2c des Stromrichterventils SRV2 ist. Damit bei der Durchschaltung eines Potentials der Spannungszwischenkreises ZW die Anzahl der anzusteuernden abschaltbaren Halbleiterschalter V immer gleich ist, weisen die Querzweige QZl und QZ3 zwei abschaltbare Halbleiterschalter V3, V4 und V6, V7 und der Querzweig QZ2 vier abschaltbare Halbleiterschalter V9,...,V12 auf. Bei einer Fünfpunkt-Stromrichterschaltung gemäß der ersten Aus- führungsform würden die Querzweige QZl, QZ2 und QZ3 jeweils vier abschaltbare Halbleiterschalter V aufweisen. Somit reduziert sich die Anzahl der abschaltbaren Halbleiterschalter V um vier abschaltbare Halbleiterschalter V. Der Belastungsunterschied der abschaltbaren Halbleiterschalter V ist gegen- über bekannten Mehrpunkt-Stromrichterschaltungen immer noch kleiner. Bei einer Vierpunkt- oder Fünfpunkt-Stromrichterschaltung ist die Belastung der inneren Halbleiterschalter Vlc und V2a oder Vlc, Vlb, V2a, V2b genauso groß wie bei einer Dreipunkt-Stromrichterschaltung mit einer NCP-Topologie.
Mit der erfindungsgemäßen direkten Verbindung verschiedener Potentialstufen mit dem Last-Anschluss L bzw. mit unter- schiedlichen wechselspannungsseitigen Anschlüssen SPl, SP2 bzw. SP3, SP4 lässt sich ein System mit höherer Anzahl von Spannungsstufen realisieren. Somit lässt sich eine Mehrpunkt- Stromrichterschaltung einfach aufbauen. Mit dem Anstieg der Anzahl der Spannungsstufen erhöht sich auch die Verfügbarkeit der Stromrichterschaltung. Weiterhin verfügt die Mehrpunkt- Stromrichterschaltung über eine Notlaufeigenschaft, die ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand realisiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. N-Punkt-Stromrichterschaltung mit zwei elektrisch in Reihe geschalteter Stromrichterventile (SRV1,SRV2), die jeweils n-1 abschaltbare Halbleiterschalter (Via, Vlb, ... ,Vld;V2a, ... ,V2d) aufweist und mit einem n-1 elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren (C1,C2,C3) aufweisenden Spannungszwischenkreis (ZW), der elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüs- sen (P,N) der reihengeschalteten Stromrichterventile
(SRV1,SRV2) geschaltet ist, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , dass wenigstens ein wechselspannungsseitiger Anschluss (L, SPl, SP2, SP3, SP4) mittels n-2 Querzweigen (QZl, QZ2, QZ3) , die jeweils wenigstens n-3 antiseriell ge- schalteter abschaltbare Halbleiterschalter (V3,V4) aufweisen, mit jedem der n Potentiale des Spannungszwischenkreises (ZW) verbindbar ist.
2. N-Punkt-Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die abschaltbaren Halbleiterschalter (Via, Vlb,V2a, V2b) jedes Stromrichterventils (SRV1,SRV2) und jedes Querzweigs (QZl, QZ2, QZ3) jeweils in einem Spannverband (SV1 , SV2, SV3) angeordnet sind, die derart nebeneinander angeordnet sind, dass deren wechsel- spannungsseitigen Anschlüsse (L) und deren gleichspannungsseitigen Anschlüsse (P,N) auf jeweils einer Seite liegen.
3. N-Punkt-Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jeweils ein Querzweig (QZ1,QZ2,QZ3) ein Potential des Spannungszwischenkreises (ZW) mit einem wechselspannungsseitigen Anschluss (SP1,SP2;SP3,L,SP4) der reihengeschalteten Stromrichterventile (SRV1,SRV2) verbindet.
4. N-Punkt-Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jeder Querzweig (QZl, QZ2, QZ3) ein Potential des Spannungszwischen- kreises (ZW) mit dem wechselspannungsseitigen Last-Anschluss (L) der reihengeschalteten Stromrichterventile (SRV1,SRV2) verbindet.
5. N-Punkt-Stromrichterschaltung nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als abschaltbarer Halbleiterschalter Insulated-Gate- Bipolar-Transistoren vorgesehen sind.
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