WO2007023064A1 - Stromrichterschaltung mit verteilten energiespeichern - Google Patents

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WO2007023064A1
WO2007023064A1 PCT/EP2006/064828 EP2006064828W WO2007023064A1 WO 2007023064 A1 WO2007023064 A1 WO 2007023064A1 EP 2006064828 W EP2006064828 W EP 2006064828W WO 2007023064 A1 WO2007023064 A1 WO 2007023064A1
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converter circuit
circuit according
turn
terminals
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PCT/EP2006/064828
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Marc Hiller
Rainer Sommer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters

Definitions

  • the invention relates to a converter circuit according to the preamble of claim 1.
  • Such a generic converter circuit is known from DE 101 03 031 Al and an equivalent circuit diagram of such a converter circuit is shown in detail in FIG. According to this equivalent circuit diagram, this be ⁇ known converter circuit on three phase modules, which are each ⁇ Weil designated 100. These phase modules 100 are connected on the DC side in each case with a positive and a negative DC busbar P 0 and N 0 electrically conductive. Between these two DC bus bars P 0 and N 0 is an unspecified DC voltage. Each phase module 100 has an upper and a lower converter valve Tl or T3 or T5 and T2 or T4 or T6. Each of these power converter valves Tl to T6 has a number of two-pole subsystems 10 electrically connected in series.
  • connection point ⁇ point of two converter valves Tl and T2 or T3 and T4 or T5 and T6 of a phase module 100 forms an AC voltage side terminal Ll or L2 or L3 of this phase module 100. Since in this illustration the Stromrichterschal ⁇ tion three phase modules 100th can, at their AC voltage side terminals Ll, L2 and L3, also referred to as Lastan- conclusions, a three-phase load, such as a three-phase motor, are connected.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a known embodiment of a two-pole subsystem 10 is shown in more detail.
  • the circuit of Figure 3 represents a functionally completely equivalent variant, which is also known from DE 101 03 031 Al.
  • This known simmerpo ⁇ -lige subsystem 10 has two turn-off semiconductor switch 1 and 3, two diodes 2 and 4 and a unipolar storage capacitor 9.
  • the two turn-off semiconductor switches 1 and 3 are electrically connected in series, this series circuit is electrically connected in parallel to the storage capacitor 9.
  • Each turn-off semiconductor switch 1 and 3, one of the two diodes 2 and 4 is electrically connected in parallel, that this is connected in anti-parallel to the corresponding abschaltba ⁇ ren semiconductor switch 1 or 3.
  • the unipolar storage capacitor 9 of the subsystem 10 consists of either a capacitor or a capacitor battery of a plurality of such capacitors having a resultant capacitance Co.
  • the junction between the emitter of the turn ⁇ cash semiconductor switch 1 and the anode of the diode 2 forms a terminal block Xl of the subsystem 10.
  • the connection point the two turn-off semiconductor switches 1 and 3 and the two diodes 2 and 4 form a second terminal X2 of the subsystem 10th
  • this connection point forms the first connection terminal X1.
  • the two terminals of the Speicherkondensa ⁇ tors 9 are led out from the subsystem 10 and to form two ⁇ connection terminals X3 and X4.
  • Insulated gate bipolar transistors IGBT
  • MOS field-effect transistors also referred to as MOS-FET
  • GTO thyristors gate turn-off thyristors
  • IGCT integrated gate commutated thyristors
  • the subsystems 10 of a respective phase module 100 of the converter circuit according to FIG. 1 can be controlled in a switching state I and II.
  • the switching State I is the turn-off semiconductor switch 1 is turned on ⁇ and the turn-off semiconductor switch 3 off ⁇ switches.
  • a terminal voltage U X 2i of the subsystem 10 that is present at the connection terminals X1 and X2 is equal to zero.
  • the turn-off semiconductor switch 1 are turned off and the turn-off semiconductor switch 3 is turned on.
  • the pending terminal voltage U X2 i is equal to the capacitor capacitor U 0 present at the storage capacitor 9.
  • FIG. 4 shows in more detail the equivalent circuit diagram of a further embodiment for the subsystem 10, which is known from DE 102 17 889 A1.
  • This embodiment of the subsystem 10 has the form of a full bridge circuit of a voltage converter, except that it is used here as a single two- ⁇ pol.
  • This bridge circuit consists of four switchable from ⁇ semiconductor switches 1, 3, 5 and 7, each of which a diode 2, 4, 6 and 8 are connected in anti-parallel.
  • a storage capacitor 9 is connected, which is based on a
  • the turn-off semi ⁇ conductor switches 1, 3, 5 and 7 are turned off.
  • the switching of the semiconductor switches 1, 3, 5 and 7 arise switching states with which the present at the terminals Xl and X2 of the subsystem 10 clamping voltage U x2 i inde ⁇ be gig positive direction of the current, negative or even zero.
  • Capacitor voltage U 0 Capacitor voltage U 0 . Also in this embodiment, the terminals of the storage capacitor 9 are led out and designated X3 and X4.
  • Such a short-circuit ⁇ -like conductive connection between the terminals Xl and X2 of a faulty subsystem 10 needs at least the Be ⁇ operating current of a converter valve Tl, ..., T6 of the Phasenmo ⁇ duls 100, in which the faulty subsystem is connected 10, safely and without Overheat.
  • a converter circuit be ⁇ which has per phase module comprises at least two electrically he in Rei ⁇ connected subsystems.
  • Frequency converters are used as subsystems in this known power converter circuit, each of which has an uncontrolled 6-pole diode bridge on the line side and a two-phase self-commutated pulse-controlled converter on the load side.
  • these two power converters are electrically conductively connected to one another by means of a DC voltage intermediate circuit.
  • these subsystems are each linked to a secondary winding of a power transformer.
  • the load side, the Subsys ⁇ are systems of a phase module electrically connected in series.
  • From DE 103 23 220 Al is also a power converter circuit ⁇ known whose phase modules comprise at least two series-connected elekt ⁇ driven subsystems.
  • Each sub ⁇ system of this known converter circuit has the form of a full bridge circuit of a voltage converter, only that it is used as a single dipole.
  • the bridge ⁇ circuit consists of four turn-off semiconductor switches with antiparallel connected diodes.
  • a storage capacitor is connected to the DC-side connections.
  • each subsystem on a protective device which is electrically pa ⁇ rallel connected to the storage capacitor.
  • the protective components used are a flyback diode or a short-circuit thyristor. If a short-circuit thyristor is used which is connected to the storage capacitor in a low-inductance manner, a sensor circuit and an ignition circuit are also required.
  • a disadvantage of this protection circuit is that the subsystems must be modified in their construction.
  • a sensor Needed circuit and an ignition circuit which einle ⁇ th the ignition of the short-circuit thyristor in a few milliseconds.
  • the short-circuit thyristor must be connected to the low-inductance storage capacitor.
  • the invention is based on the object, the known converter circuit with distributed energy storage in such a way that the disadvantages mentioned above no longer occur.
  • a protective device is connected, be ⁇ is the ability to ⁇ close this subsystem on failure shortly. Since this protection device is connected to the An ⁇ terminal terminals of the subsystem, the structure of the subsystem remains unaffected. As a result, subsystems that do not yet have a protective component can be subsequently provided with such.
  • the protective components are such that they go into a short circuit-like state after absorption of a certain overvoltage energy. That is, these protection devices alloy in case of failure of a corresponding subsystem, causing this protection system is shorted.
  • Subsystems is disturbed.
  • a faulty subsystem loka ⁇ is larra
  • Phase modules of the power converter circuit in each case at least additionally controlled a subsystem for a predetermined period of time in a switching state II.
  • Switching state I to be controlled.
  • a maximum adjustable overvoltage is applied to the faulty subsystem, so that it drives a current through the input-side protection component, which leads to this protective component being alloyed.
  • the switching duration is set accordingly.
  • the number of subsystems, which are controlled to ⁇ additionally in a switching state I and II the pending on the faulty subsystem overvoltage can be adjusted in stages.
  • Figure 1 shows an equivalent circuit diagram of a known power converter circuit with distributed energy storage, in the
  • Figure 2 is an equivalent circuit diagram of a first execution ⁇ form of a known subsystem shown
  • the figure 3 shows an equivalent circuit diagram of a second embodiment of a known subsystem that
  • Figure 4 shows an equivalent circuit diagram of a third embodiment of a known subsystem and in the Figures 5 to 10 are various embodiments of a
  • FIG. 5 shows a first protective component 12 for a subsystem 10 according to FIG. 2 or 3.
  • a diode 14 is provided as a protective device 12.
  • a series connection of a plurality of diodes may be provided.
  • FIG. 6 illustrates a second embodiment of a protective component 12 according to the invention.
  • a thyristor 20 which has a so-called active clamping circuit 22.
  • the ⁇ se active clamping circuit 22 has at least one Zener diode 24, which is the cathode side connected to an anode terminal 26 of the thyristor 20 and the anode side by means of a gate resistor 28 to a gate terminal 30 of the thyristor 20.
  • the Zener diode 24 is also electrically connected by means of a resistor 32 to a cathode terminal 34 of the thyristor 20.
  • the thyristor 20 As soon as a voltage applied to the anode 26 of the thyristor 20 exceeds the Zener value of the Zener diodes 24, they become conductive and switch on the thyristor 20. The current, which now flows through the thyristor 20, ensures that this alloyed through. The thyristor 20 is dimensioned so that this current leads safely to alloying out.
  • the embodiment of FIG. 7 additionally has an RC circuit 36 which is electrically parallel to the anode-cathode path of this thyristor 20.
  • the embodiment of FIG ⁇ is switched.
  • This RC circuit 36 has a capacitor 38 and a resistor 40, which are electrically connected in series. are switched.
  • the switching edges of the switching operations of the turn-off semiconductor switches 1 and 3 of an associated subsystem 10 are attenuated. This prevents that the protective device 12 is not driven by a switching edge of a subsystem 10.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the protective component 12 in greater detail.
  • This protective component 12 has two diodes 14 and 42, which are electrically connected in an antistatic manner.
  • this protective component is to be able to take a positive and a ne ⁇ gative Product 12. That is, in the undisturbed case of a subsystem, this should not be shorted on the input side.
  • the protective component in the undisturbed case of a subsystem can accommodate 2 i sure 12 the upcoming A clamping voltage ⁇ U ⁇ .
  • the terminal voltage U x2 i can also be negative relative to the terminal voltage U X 2i of the subsystem 10 of FIG. 2 or 3, a protective component 12 is required which has a voltage in both directions can record.
  • a plurality of diodes can also be used here in each case.
  • the embodiment of the protective component 12 according to FIG. 9 largely corresponds to the embodiment according to FIG. 6.
  • the difference lies in the fact that at least one depletion diode 44 is connected between the Zener diodes 24 on the anode side and the gate resistor 28.
  • this Entkopp ⁇ is lung diode 44 the cathode side to the gate resistor 28 and the anode side electrically lei ⁇ tend connected to the anode of the Zener diode 24th
  • this protective component 12 can absorb voltage in both directions.
  • this protective component 12 with its connection terminals 16 and 18 can be connected electrically in parallel with the connection terminals X1 and X2, in particular X1a and X2a, of a subsystem 10 according to FIG.
  • the embodiment of the protective device 12 according to FIG. 10 corresponds to the embodiment according to FIG. 9, wherein in addition an RC circuit 36 is electrically connected in parallel to the anode-cathode path of the thyristor 20.
  • phase modules 100 of this three-phase converter circuit according to FIG. 1 additional impedances Z are inserted, which in summary represent the existing inductances (stray inductances) and ohmic resistances in the bridge halves. In addition to these parasitic impedances, discrete components may also be arranged in the phase modules 100.
  • the malfunction of a subsystem 10 is determined by means of a voltage detection with subsequent comparison with a predetermined tolerance band.
  • other Feh ⁇ ler can lead to a failure of the subsystem: eg the electronics fail, failure of communication. These errors are detected by the controller and also necessarily short circuit a subsystem.
  • Switching state I to be controlled.
  • the voltage applied to the subsystem 10 clamping voltage U x2 i equal to the capacitor capacitor 9 pending capacitor voltage U c .
  • the Switching state I is the voltage applied to the subsystem 10 terminal ⁇ voltage Ux 2 I equal to zero.
  • currents i K i, i ⁇ 2 and i K 3 •
  • To limit the peak value of these currents i K i, i ⁇ 2 and i K 3 to values that are intact can be switched off semiconductor switches 1, 3, 5 and 7 of the subsystems 10 are allowed, respectively, a time period for these switching states II and I to regulate accordingly.
  • this described control method is modified.
  • the modified control method is in the faulty phase module 100, according to the equivalent circuit diagram of Figure 1, the two converter valves Tl and T2, compared to the normal operation, only one subsystem 10 in addition to the switching state I and in the undisturbed phase modules 100 only one subsystem 10 in addition controlled in the switching state II.
  • the resulting voltage on the faulty subsystem 10 voltage is sufficient to let the associated protection device 12 Maschinenle ⁇ yell ⁇ .
  • phase module 100 The choice and respective number of subsystems 10 used per phase module 100 must ensure that with the undisturbed phase modules 100 both the adjustment of the current directions shown in FIG. 1 by currents i K 2 and i K 3 and the opposite current direction of the current i K i are possible.
  • the amount of the resulting current pulse can, as already mentioned, be calculated in advance.
  • a measurement of the current pulse can be performed also if measurement ⁇ Cheap versions of the branch streams are available. In this way, it is also possible to work with a variable time duration, which is adapted so that a predetermined maximum current is achieved.
  • the switching states of the time period mentioned can also be multi-controlled repeated several times, the number of said controlled switching states and a pause time between the ⁇ sen repeats are selected so that a fully depleted in the limit storage capacitor 9 of a faulty subsystem 10 is loaded as quickly as possible.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichterschaltung mit wenigstens einem ein oberes und ein unteres Stromrichterventil (T1,...,T6) aufweisenden Phasenmodul (100), wobei diese Phasenmodule (100) gleichspannungsseitig mit einer positiven und negativen Gleichspannungs-Sammelschiene (P0, N0) elektrisch leitend verbunden sind, und wobei jedes Stromrichterventil (T1,...,T6) wenigstens zwei zweipolige Subsysteme (10) aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Erfindungsgemäß ist elektrisch parallel zu den Anschlussklemmen (X1, X2) eines jeden Subsystems (10) ein Schutz-Bauelement (12) geschaltet. Somit erhält man eine Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern, die in einem Störungsfall redundant weiterbetrieben werden kann.

Description

Beschreibung
Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichterschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige gattungsgemäße Stromrichterschaltung ist aus der DE 101 03 031 Al bekannt und ein Ersatzschaltbild einer derartigen Stromrichterschaltung ist in der Figur 1 näher dargestellt. Gemäß diesem Ersatzschaltbild weist diese be¬ kannte Stromrichterschaltung drei Phasenmodule auf, die je¬ weils mit 100 bezeichnet sind. Diese Phasenmodule 100 sind gleichspannungsseitig jeweils mit einer positiven und einer negativen Gleichspannungs-Sammelschiene P0 und N0 elektrisch leitend verbunden. Zwischen diesen beiden Gleichspannungs- Sammelschienen P0 und N0 steht eine nicht näher bezeichnete Gleichspannung an. Jedes Phasenmodul 100 weist ein oberes und ein unteres Stromrichterventil Tl bzw. T3 bzw. T5 und T2 bzw. T4 bzw. T6 auf. Jedes dieser Stromrichterventile Tl bis T6 weist eine Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen 10 auf. In diesem Ersatzschaltbild sind vier dieser Subsysteme 10 dargestellt. Jeder Verknüpfungs¬ punkt zweier Stromrichterventile Tl und T2 bzw. T3 und T4 bzw. T5 und T6 eines Phasenmoduls 100 bildet einen wechsel- spannungsseitigen Anschluss Ll bzw. L2 bzw. L3 dieses Phasenmoduls 100. Da in dieser Darstellung die Stromrichterschal¬ tung drei Phasenmodule 100 aufweist, kann an deren wechsel- spannungsseitigen Anschlüssen Ll, L2 und L3, auch als Lastan- Schlüsse bezeichnet, eine dreiphasige Last, beispielsweise ein Drehstrommotor, angeschlossen werden.
In der Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild einer bekannten Ausführungsform eines zweipoligen Subsystems 10 näher darge- stellt. Die Schaltungsanordnung nach Figur 3 stellt eine funktional völlig gleichwertige Variante dar, die ebenfalls aus der DE 101 03 031 Al bekannt ist. Dieses bekannte zweipo¬ lige Subsystem 10 weist zwei abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3, zwei Dioden 2 und 4 und einen unipolaren Speicherkondensator 9 auf. Die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung elektrisch parallel zum Speicherkondensator 9 geschaltet ist. Jedem abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 ist eine der beiden Dioden 2 und 4 derart elektrisch parallel geschaltet, dass diese zum korrespondierenden abschaltba¬ ren Halbleiterschalter 1 oder 3 antiparallel geschaltet ist. Der unipolare Speicherkondensator 9 des Subsystems 10 besteht entweder aus einem Kondensator oder einer Kondensatorbatterie aus mehreren solchen Kondensatoren mit einer resultierenden Kapazität Co. Der Verbindungspunkt von Emitter des abschalt¬ baren Halbleiterschalters 1 und Anode der Diode 2 bildet eine Anschlussklemme Xl des Subsystems 10. Der Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 und der beiden Dioden 2 und 4 bilden eine zweite Anschlussklemme X2 des Subsystems 10.
In der Ausführungsform des Subsystems 10 gemäß Figur 3 bildet dieser Verbindungspunkt die erste Anschlussklemme Xl. Der
Verbindungspunkt von Kollektor des abschaltbaren Halbleiterschalters 1 und Kathode der Diode 2 bildet die zweite An¬ schlussklemme X2 des Subsystems 10.
In beiden Darstellungen der zwei Ausführungsformen des Subsystems 10 sind die beiden Anschlüsse des Speicherkondensa¬ tors 9 aus dem Subsystem 10 herausgeführt und bilden zwei An¬ schlussklemmen X3 und X4. Als abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3 werden wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt Insula- ted-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet. Ebenfalls können MOS-Feldeffekttransistoren, auch als MOS-FET bezeichnet, verwendet werden. Außerdem können Gate-Turn-Off- Thyristoren, auch als GTO-Thyristoren bezeichnet, oder In- tegrated-Gate-Commutated-Thyristoren (IGCT) verwendet werden.
Gemäß der DE 101 03 031 Al können die Subsysteme 10 eines je¬ den Phasenmoduls 100 der Stromrichterschaltung nach Figur 1 in einem Schaltzustand I und II gesteuert werden. Im Schalt- zustand I ist der abschaltbare Halbleiterschalter 1 einge¬ schaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 3 ausge¬ schaltet. Dadurch ist eine an den Anschlussklemmen Xl und X2 anstehende Klemmenspannung UX2i des Subsystems 10 gleich Null. Im Schaltzustand II sind der abschaltbare Halbleiterschalter 1 ausgeschaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 3 eingeschaltet. In diesem Schaltzustand II ist die anstehende Klemmenspannung UX2i gleich der am Speicherkondensator 9 anstehenden Kondensatorspannung U0.
In der Figur 4 ist das Ersatzschaltbild einer weiteren Aus¬ führungsform für das Subsystem 10 näher dargestellt, das aus der DE 102 17 889 Al bekannt ist. Diese Ausführungsform des Subsystems 10 hat die Form einer Vollbrückenschaltung eines Spannungsumrichters, nur dass diese hier als einzelner Zwei¬ pol genutzt wird. Diese Brückenschaltung besteht aus vier ab¬ schaltbaren Halbleiterschaltern 1, 3, 5 und 7, denen jeweils eine Diode 2, 4, 6 und 8 antiparallel geschaltet sind. An den gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieser Brückenschaltung ist ein Speicherkondensator 9 geschaltet, der sich auf eine
Spannung U0 aufladen lässt. Dazu sind die abschaltbaren Halb¬ leiterschalter 1, 3, 5 und 7 ausgeschaltet. Mit dem Schalten der abschaltbaren Halbleiterschalter 1, 3, 5 und 7 entstehen Schaltzustände, mit denen die an den Anschlussklemmen Xl und X2 des Subsystems 10 anstehende Klemmenspannung Ux2i unabhän¬ gig von der Stromrichtung positiv, negativ oder auch Null sein kann. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Figur 2 oder 3 existiert bei dieser Ausführungsform ein weiterer Schaltzustand III, bei dem die Klemmenspannung Ux2i des Subsystems 10 gleich der negativen am Speicherkondensator 9 anstehenden
Kondensatorspannung U0 ist. Auch bei dieser Ausführungsform sind die Anschlüsse des Speicherkondensators 9 herausgeführt und mit X3 und X4 bezeichnet.
Damit der Stromrichter gemäß Figur 1 redundant arbeiten kann, muss sichergestellt werden, dass ein fehlerhaftes Subsystem 10 an seinen Klemmen Xl und X2 dauerhaft kurzgeschlossen ist. Das heißt, dass die Klemmenspannung Ux2i des gestörten Subsys¬ tems 10 Null ist.
Durch Ausfall eines der im Subsystem 10 vorhandenen abschalt- baren Halbleiterschalter 1, 3, 5 oder 7 oder einer zugehörigen Ansteuerschaltung ist dieses Subsystem 10 in seiner ordnungsgemäßen Funktion gestört. Das heißt, das Subsystem 10 kann nicht mehr in einem der möglichen Schaltzustände I, II oder III gesteuert werden. Durch das Kurzschließen des Sub- Systems 10 an seinen Anschlüssen Xl und X2 wird diesem Subsystem 10 keine Energie mehr zugeführt. Dadurch werden Folge¬ schäden wie Überhitzung und Brand beim weiteren Betrieb des Umrichters sicher ausgeschlossen. Eine derartige kurzschluss¬ artige leitende Verbindung zwischen den Anschlussklemmen Xl und X2 eines gestörten Subsystems 10 muss zumindest den Be¬ triebsstrom eines Stromrichterventils Tl,..., T6 des Phasenmo¬ duls 100, in dem das gestörte Subsystems 10 verschaltet ist, sicher und ohne Überhitzung führen.
Aus der US 5,986,909 A ist eine Stromrichterschaltung be¬ kannt, die pro Phasenmodul wenigstens zwei elektrisch in Rei¬ he geschaltete Subsysteme aufweist. Als Subsysteme werden bei dieser bekannten Stromrichterschaltung Frequenzumrichter verwendet, die jeweils netzseitig eine ungesteuerte 6-polige Di- odenbrücke und lastseitig einen zweiphasigen selbstgeführten Pulsstromrichter aufweisen. Gleichspannungsseitig sind diese beiden Stromrichter mittels eines Gleichspannungszwischenkreises miteinander elektrisch leitend verbunden. Netzseitig sind diese Subsysteme jeweils mit einer Sekundärwicklung ei- nes Netztransformators verknüpft. Lastseitig sind die Subsys¬ teme eines Phasenmoduls elektrisch in Reihe geschaltet. Bei dieser bekannten Stromrichterschaltung werden gestörte Subsysteme kurzgeschlossen, wobei ein Magnetschalter, ein Federspeicherkontakt, antiparallele Thyristoren oder zwei antise- riell geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter als Bypass- Schaltung für die lastseitigen Anschlüsse eines jeden Subsystems verwendet werden. Die mechanischen Kurzschließer müssen aufgrund ihrer Mechanik häufiger gewartet werden. Die elekt- rischen Kurzschließer benötigen jeweils eine auf hohem Potential liegende Stromversorgung und eine Ansteuereinrichtung, die steuerungsseitig mit einer Stromrichtersteuerung signal¬ technisch verbunden sein müssen.
Aus der DE 103 23 220 Al ist ebenfalls eine Stromrichter¬ schaltung bekannt, deren Phasenmodule wenigstens zwei elekt¬ risch in Reihe geschaltete Subsysteme aufweisen. Jedes Sub¬ system dieser bekannten Stromrichterschaltung hat die Form einer Vollbrückenschaltung eines Spannungsumrichters, nur dass diese als einzelner Zweipol genutzt wird. Die Brücken¬ schaltung besteht aus vier abschaltbaren Halbleiterschaltern mit antiparallel geschalteten Dioden. An den gleichspannungs- seitigen Anschlüssen ist ein Speicherkondensator geschaltet. Um ein gestörtes Subsystem kurzschließen zu können, weist jedes Subsystem ein Schutz-Bauelement auf, das elektrisch pa¬ rallel zum Speicherkondensator geschaltet ist. Als Schutz- Bauelemente werden eine Rückschwingdiode oder ein Kurz- schluss-Thyristor verwendet. Wird ein Kurzschluss-Thyristor verwendet, der niederinduktiv am Speicherkondensator angeschlossen ist, werden ebenfalls eine Sensorschaltung und eine Zündschaltung benötigt.
Im Fehlerfall eines abschaltbaren Halbleiterschalters eines Subsystems fließt ein hoher Kurzschlussstrom, der zu einem Lichtbogen bis zur Explosion des Halbleitermoduls führen kann. Durch diesen Kurzschlussstrom wird der Speicherkondensator entladen. Durch die parallel zum Speicherkondensator geschaltete Rückschwingdiode kommutiert der Kurzschlussstrom vom defekten Halbleitermodul auf diese Rückschwingdiode, die derart bemessen ist, dass diese im Fehlerfall des Subsystems durchlegiert. Bei der Ausführungsform mit dem Kurzschluss- Thyristor wird der gleichspannungsseitige Kurzschluss mittels der Sensorschaltung erkannt, die die Zündschaltung aktiviert, damit der Kurzschluss-Thyristor gezündet und infolge des auf ihn kommutierten Kurzschlussstromes durchlegiert. Nachteilig bei dieser Schutzschaltung ist, dass die Subsysteme in ihrem Aufbau abgeändert werden müssen. Zusätzlich wird eine Sensor- Schaltung und eine Zündschaltung benötigt, die in wenigen Millisekunden die Zündung des Kurzschluss-Thyristors einlei¬ ten. Außerdem muss der Kurzschluss-Thyristor niederinduktiv am Speicherkondensator angeschlossen sein.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern derart weiterzubilden, dass die zuvor genannten Nachteile nicht mehr auftreten .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass elektrisch parallel zu den Anschlussklemmen ei- nes jeden Systems ein Schutz-Bauelement geschaltet ist, be¬ steht die Möglichkeit, dieses Subsystem im Fehlerfall kurz¬ schließen zu können. Da dieses Schutz-Bauelement an den An¬ schlussklemmen des Subsystems angeschlossen wird, bleibt der Aufbau des Subsystems unberührt. Dadurch können Subsysteme, die noch kein Schutz-Bauelement aufweisen, nachträglich mit einem solchen versehen werden. Die Schutz-Bauelemente sind derart beschaffen, dass diese nach Absorbtion einer bestimmten Überspannungsenergie in einen kurzschlussartigen Zustand übergehen. Das heißt, diese Schutz-Bauelemente legieren im Fehlerfall eines korrespondierenden Subsystems durch, wodurch dieses Schutzsystem kurzgeschlossen ist.
Damit ein Schutz-Bauelement eines gestörten Subsystems durch¬ legieren kann, muss zunächst ermittelt werden, welche von den in den Phasenmodulen der Stromrichterschaltung vorhandenen
Subsysteme gestört ist. Sobald ein gestörtes Subsystem loka¬ lisiert ist, wird durch gezielte Ansteuerung eines oder meh¬ rerer ungestörter Subsysteme eine definierte Überspannungs¬ energie auf das gestörte Subsystem gegeben. Zu diesem Zweck ist es möglich, wenigstens ein Subsystem eines Phasenmoduls der Stromrichterschaltung, in dem das gestörte Subsystem angeordnet ist, für eine vorbestimmte Zeitspanne in einen Schaltzustand I zu steuern. Außerdem wird in den ungestörten Phasenmodulen der Stromrichterschaltung jeweils wenigstens zusätzlich ein Subsystem für eine vorbestimmte Zeitdauer in einen Schaltzustand II gesteuert.
Anstelle eines zusätzlichen Subsystems in einem gestörten Phasenmodul in den Schaltzustand I und eines zusätzlichen Subsystems jeweils in den ungestörten Phasenmodulen in den Schaltzustand II zu steuern, können alle Subsysteme der unge¬ störten Phasenmodule jeweils in den Schaltzustand II und alle ungestörten Subsysteme des gestörten Phasenmoduls in den
Schaltzustand I gesteuert werden. Dadurch wird eine maximale einstellbare Überspannung an dem gestörten Subsystem angelegt, so dass diese durch das eingangsseitige Schutz- Bauelement einen Strom treibt, der dazu führt, dass dieses Schutz-Bauelement durchlegiert.
Um den Spitzenwert des Stromes durch das Schutz-Bauelement auf Werte zu begrenzen, die für die intakten abschaltbaren Halbleiterschalter zulässig sind, wird die Schaltdauer ent- sprechend eingestellt. Mit der Anzahl der Subsysteme, die zu¬ sätzlich in einen Schaltzustand I und II gesteuert werden, kann die am gestörten Subsystem anstehende Überspannung stufenweise eingestellt werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Schutz-Bauelementes schematisch veranschaulicht sind.
Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer bekannten Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern, in der
Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungs¬ form eines bekannten Subsystems dargestellt, die Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines bekannten Subsystems, die
Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform eines bekannten Subsystems und in den Figuren 5 bis 10 sind verschiedene Ausführungsformen eines
Schutz-Bauelementes nach der Erfindung näher darge¬ stellt.
In Figur 5 ist ein erstes Schutz-Bauelement 12 für ein Sub¬ system 10 gemäß Figur 2 oder 3 dargestellt. Als Schutz- Bauelement 12 ist eine Diode 14 vorgesehen. Anstelle dieser einen Diode 14 kann auch eine Reihenschaltung mehrerer Dioden vorgesehen sein. Mit ihren Anschlussklemmen 16 und 18 wird dieses Schutz-Bauelement 12 an den Anschlussklemmen Xl und
X2, insbesondere an den Klemmen XIa und X2a, eines Subsystems 10 nach der Figur 2 oder 3 angeschlossen.
In der Figur 6 ist eine zweite Ausführungsform eines Schutz- Bauelementes 12 nach der Erfindung veranschaulicht. Als
Schutz-Bauelement 12 ist hier ein Thyristor 20 vorgesehen, der eine sogenannte aktive Klemmbeschaltung 22 aufweist. Die¬ se aktive Klemmbeschaltung 22 weist wenigstens eine Zener- Diode 24 auf, die kathodenseitig mit einem Anoden-Anschluss 26 des Thyristors 20 und anodenseitig mittels eines Gate- Widerstandes 28 mit einem Gate-Anschluss 30 des Thyristors 20 verknüpft ist. Anodenseitig ist die Zener-Diode 24 ebenfalls mittels eines Widerstands 32 mit einem Kathodenanschluss 34 des Thyristor 20 elektrisch leitend verbunden. Sobald eine an der Anode 26 des Thyristor 20 anstehende Spannung den Zener- Wert der Zener-Dioden 24 übersteigt, werden diese leitend und schalten den Thyristor 20 ein. Der Strom, der nun durch den Thyristor 20 fließt, sorgt dafür, dass dieser sicher durchlegiert. Der Thyristor 20 ist so bemessen, dass dieser Strom sicher zum Durchlegieren führt.
Die Ausführungsform des Schutz-Bauelementes 12 gemäß Figur 7 entspricht weitgehend der Ausführungsform gemäß Figur 6. Der Unterschied liegt darin, dass die Ausführungsform gemäß Figur 7 zusätzlich eine RC-Beschaltung 36 aufweist, die elektrisch parallel zur Anoden-Kathoden-Strecke dieses Thyristors 20 ge¬ schaltet ist. Diese RC-Beschaltung 36 weist einen Kondensator 38 und einen Widerstand 40 auf, die elektrisch in Reihe ge- schaltet sind. Mittels dieser RC-Beschaltung 36 werden die Schaltflanken der Schaltvorgänge der abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 eines zugehörigen Subsystems 10 gedämpft. Dadurch wird verhindert, dass das Schutz-Bauelement 12 nicht durch eine Schaltflanke eines Subsystems 10 angesteuert wird.
In der Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform des Schutz- Bauelementes 12 näher dargestellt. Dieses Schutz-Bauelement 12 weist zwei Dioden 14 und 42 auf, die elektrisch antise- riell geschaltet sind. Durch diese Ausgestaltung ist dieses Schutz-Bauelement 12 in der Lage, eine positive und eine ne¬ gative Spannung aufnehmen zu können. Das heißt, im ungestörten Fall eines Subsystems soll dieses eingangsseitig nicht kurzgeschlossen sein. Somit muss das Schutz-Bauelement 12 im ungestörten Fall eines Subsystems die anstehende Klemmspan¬ nung Uχ2i sicher aufnehmen können. Da bei der Ausführungsform des Subsystems 10 nach Figur 4 die Klemmenspannung Ux2i gegen¬ über der Klemmenspannung UX2i des Subsystems 10 nach Figur 2 oder 3 auch negativ sein kann, wird ein Schutz-Bauelement 12 benötigt, das in beiden Richtungen eine Spannung aufnehmen kann. Anstelle jeweils einer Diode 14 bzw. 42 können auch hier jeweils mehrere Dioden verwendet werden.
Die Ausführungsform des Schutz-Bauelementes 12 gemäß Figur 9 entspricht weitgehend der Ausführungsform gemäß Figur 6. Der Unterschied liegt darin, dass zwischen den Zener-Dioden 24 anodenseitig und dem Gate-Widerstand 28 wenigstens eine Ent¬ kopplungsdiode 44 geschaltet ist. Dazu ist diese Entkopp¬ lungsdiode 44 kathodenseitig mit dem Gate-Widerstand 28 und anodenseitig mit der Anode der Zener-Diode 24 elektrisch lei¬ tend verbunden. Durch diese zusätzliche Entkopplungsdiode 44 kann dieses Schutz-Bauelement 12 in beiden Richtungen Spannung aufnehmen. Dadurch kann dieses Schutz-Bauelement 12 mit seinen Anschlussklemmen 16 und 18 elektrisch parallel zu den Anschlussklemmen Xl und X2, insbesondere XIa und X2a, eines Subsystems 10 gemäß Figur 4 geschaltet werden. Die Ausführungsform des Schutz-Bauelementes 12 nach Figur 10 entspricht der Ausführungsform gemäß Figur 9, wobei zusätzlich eine RC-Beschaltung 36 elektrisch parallel zur Anoden- Kathoden-Strecke des Thyristors 20 geschaltet ist.
Anhand des Ersatzschaltbildes gemäß Figur 1 soll nun das er¬ findungsgemäße Steuerverfahren näher beschrieben werden:
Im Ersatzschaltbild gemäß Figur 1 ist ein Subsystem 10 des Stromrichterventils T2 gestört. Dies ist durch eine Schraffur kenntlich gemacht. In den Phasenmodulen 100 dieser dreiphasigen Stromrichterschaltung nach Figur 1 sind zusätzliche Impedanzen Z eingefügt, die summarisch die vorhandenen Induktivitäten (Streuinduktivitäten) und Ohmschen Widerstände in den Brückenhälften repräsentieren. Zusätzlich zu diesen parasitären Impedanzen können auch diskrete Bauelemente in den Phasenmodulen 100 angeordnet sein.
Die Störung eines Subsystems 10 wird mittels einer Spannungs- erfassung mit anschließendem Vergleich mit einem vorbestimmten Toleranzband ermittelt . Außerdem können auch andere Feh¬ ler zu einem Ausfall des Subsystems führen: z.B. Ausfall der Elektronik, Störung der Kommunikation. Diese Fehler werden über die Steuerung erkannt und führen auch notwendigerweise zum Kurzschließen eines Subsystems. Fällt nun das schraffierte Subsystem 10 des Stromrichterventils T2 aus, so steht ma¬ ximal der Energieinhalt aller Subsysteme 10 des Phasenmoduls 100 mit den Stromrichterventilen T3 und T4 und des Phasenmo¬ duls 100 mit den Stromrichterventilen T5 und T6 zur Verfü- gung, um eine definierte Überspannungsenergie zum Durchlegie¬ ren des Schutz-Bauelements 12 des schraffierten Subsystems 10 des Thyristorventils T2 zu erzeugen. Zu diesem Zweck könnten alle Subsysteme 10 dieser beiden ungestörten Phasenmodule 100 in den Schaltzustand II gesteuert werden, wobei alle unge- störten Subsysteme 10 des gestörten Phasenmoduls 100 in den
Schaltzustand I gesteuert werden. Im Schaltzustand II ist die am Subsystem 10 anstehende Klemmspannung Ux2i gleich der am Speicherkondensator 9 anstehenden Kondensatorspannung Uc . Im Schaltzustand I ist die am Subsystem 10 anstehende Klemmen¬ spannung Ux2I gleich Null. Infolge dieser Steuerung der Sub¬ systeme 10 fließen die in der Figur 1 mit Pfeilen gekennzeichneten Ströme iKi, iκ2 und iK3 • Um den Spitzenwert dieser Ströme iKi, iκ2 und iK3 auf Werte zu begrenzen, die für intakte abschaltbare Halbleiterschalter 1, 3, 5 und 7 der Subsysteme 10 zulässig sind, ist jeweils eine Zeitdauer für diese Schaltzustände II und I entsprechend zu regeln. Die Bestim¬ mung dieser Zeitdauer ist bei Kenntnis der Impedanzen Z vorab möglich. Durch diese Steuerung der Subsysteme 10 steht am ge¬ störten Subsystem 10 eine Überspannung an, deren Energie vom korrespondierenden Schutz-Bauelement 12 absorbiert wird. Da¬ durch geht dieses Schutz-Bauelement 12 in einen kurzschluss¬ artigen Zustand über, d.h., das Schutz-Bauelement 12 legiert durch.
Da die maximale verfügbare Energie bei weitem ausreichend ist, wird dieses beschriebene Steuerverfahren modifiziert. Beim modifizierten Steuerverfahren wird im gestörten Phasen- modul 100, das gemäß dem Ersatzschaltbild nach Figur 1 die beiden Stromrichterventile Tl und T2 umfasst, gegenüber dem Normalbetrieb nur ein Subsystem 10 zusätzlich in den Schaltzustand I und in den ungestörten Phasenmodulen 100 nur je ein Subsystem 10 zusätzlich in den Schaltzustand II gesteuert. Die dadurch am gestörten Subsystem 10 anstehende Spannung reicht aus, um das zugehörige Schutz-Bauelement 12 durchle¬ gieren zu lassen.
Durch die Wahl und jeweilige Anzahl der eingesetzten Subsys- teme 10 pro Phasenmodul 100 muss sichergestellt werden, dass mit den ungestörten Phasenmodulen 100 sowohl die Einstellung der in Figur 1 eingezeichneten Stromrichtungen durch Ströme iK2 und iK3 als auch der entgegengesetzten Stromrichtung des Stromes iKi möglich sind.
Durch diese Steuerung der Subsysteme 10 der Phasenmodule 100 einer mehrphasigen Stromrichterschaltung werden die Gleichspannung an den Gleichspannungs-Sammelschienen P0 und N0 und die Wechselspannung an den Lastanschlüssen Ll, L2 und L3 gegenüber einem Normalbetrieb nur geringfügig und nur für die Zeitdauer beeinflusst.
Eine für intakte abschaltbare Halbleiterschalter zulässige
Höhe des resultierenden Stromimpulses lässt sich, wie bereits erwähnt, rechnerisch vorab bestimmen. Eine Messung des Stromimpulses lässt sich ebenfalls durchführen, falls Messwerter¬ fassungen der Zweigströme vorhanden sind. Auf diese Weise kann auch mit einer variablen Zeitdauer gearbeitet werden, die so angepasst wird, dass ein vorbestimmter Maximalstrom erreicht wird.
Die genannten Schaltzustände der Zeitdauer können auch mehr- fach wiederholt angesteuert werden, wobei die Anzahl dieser gesteuerten Schaltzustände und eine Pausenzeit zwischen die¬ sen Wiederholungen so gewählt werden, dass ein im Grenzfall vollständig entladener Speicherkondensator 9 eines gestörten Subsystems 10 möglichst schnell wieder geladen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichterschaltung mit wenigstens einem ein oberes und ein unteres Stromrichterventil (Tl,..., T6) aufweisenden Phasen- modul (100), wobei diese Phasenmodule (100) gleichspannungs- seitig mit einer positiven und negativen Gleichspannungs- Sammelschiene (P0, N0) elektrisch leitend verbunden sind, und wobei jedes Stromrichterventil (Tl,..., T6) wenigstens zwei zweipolige Subsysteme (10) aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass elektrisch parallel zu den Anschlussklemmen (Xl, X2) eines jeden Subsys¬ tems (10) ein Schutz-Bauelement (12) geschaltet ist.
2. 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 jedes zwei¬ polige Subsystem (10) zwei abschaltbare Halbleiterschalter (1, 3), zwei Dioden (2, 4) und einen unipolaren Speicherkondensator (9) aufweist, wobei die beiden abschaltbaren HaIb- leiterschalter (1, 3) elektrisch in Reihe geschaltet sind, die elektrisch parallel zum unipolaren Speicherkondensator (9) geschaltet sind, und wobei jedem abschaltbaren Halblei¬ terschalter (1, 3) eine Diode (2, 4) antiparallel geschaltet ist .
3. Stromrichterschalter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die An¬ schlussklemmen (Xl, X2) eines jeden Subsystems (10) mit den Anschlüssen des unteren abschaltbaren Halbleiterschalters (1) der elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschalter (1, 3) elektrisch leitend verbunden sind.
4. Stromrichterschaltung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die An- schlussklemmen (Xl, X2) eines jeden Subsystems (10) mit den Anschlüssen des oberen abschaltbaren Halbleiterschalters (1) der elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3) elektrisch leitend verbunden sind.
5. 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 das zweipo¬ lige Subsystem (10) vier abschaltbare Halbleiterschalter (1, 3, 5, 7) mit antiparallelen Dioden (2, 4, 6, 8) und einen Speicherkondensator (9) aufweist, wobei diese abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, 5, 7) eine Brückenschaltung bilden, an deren gleichspannungsseitigen Anschlüssen der Speicherkondensator (9) angeschlossen ist, und wobei die wechselspan- nungsseitigen Anschlüsse der Brückenschaltung die Anschlussklemmen (Xl, X2) des Subsystems (10) bilden.
6. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Schutz- Bauelement (12) eine Diode (14) vorgesehen ist.
7. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Schutz- Bauelement (12) ein Thyristor (20) vorgesehen ist, dessen A- node (26) mittels einer aktiven Klemmbeschaltung (22) mit seinem Gate (30) verknüpft ist.
8. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Schutz- Bauelement (12) zwei Dioden (14, 42) vorgesehen sind, die antiseriell geschaltet sind.
9. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 und 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Schutz- Bauelement (12) ein Thyristor (20) vorgesehen ist, dessen A- node (26) mittels Zener-Dioden (24) und Entkopplungsdioden (44) mit seinem Gate (30) verknüpft ist.
10. Stromrichterschaltung nach Anspruch 7 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Gate
(30) des Thyristors (20) mit einem Gate-Widerstand (28) ver¬ sehen ist.
11. Stromrichterschaltung nach Anspruch 7 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass elektrisch parallel zur Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors (20) eine RC-Beschaltung (36) geschaltet ist.
12. 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 abschaltbare Halbleiterschalter (1, 3, 5, 7) ein Insulated- Gate-Bipolar-Transistor vorgesehen ist.
13. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als ab¬ schaltbarer Halbleiterschalter (1, 3, 5, 7) ein MOS-FeId- effekttransistor vorgesehen ist.
14. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als ab¬ schaltbarer Halbleiterschalter (1, 3, 5, 7) ein Gate-Turn- Off-Thyristor vorgesehen ist.
15. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als ab¬ schaltbarer Halbleiterschalter (1, 3, 5, 7) ein Integrated- Gate-Communutated-Thyristor vorgesehen ist.
16. Steuerverfahren für eine Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 mit folgenden Verfahrensschritten:
a) Ermittlung eines ausgefallenen Subsystems (10) in einem Phasenmodul (100), b) ist ein Subsystem (10) in einem Phasenmodul (100) ausge¬ fallen, so wird wenigstens zusätzlich ein Subsystem (10) dieses gestörten Phasenmoduls (100) für eine vorbestimmte Zeitdauer in einen Schaltzustand I gesteuert, wobei in den ungestörten Phasenmodulen (100) jeweils wenigstens zusätzlich ein Subsystem (10) für eine vorbestimmte Zeitdauer in einem Schaltzustand II gesteuert werden.
17. Steuerverfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, dass der Verfahrensschritt b) mehr¬ mals wiederholt wird, wobei zwischen diesen Wiederholungen eine vorbestimmte Pausenzeit eingehalten wird.
18. Steuerverfahren nach Anspruch 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die an den Speicherkonden¬ satoren (a) eines jeden Subsystems (10) anstehenden Spannun¬ gen (Uc) ermittelt werden, dass diese ermittelten Spannungen (Uc) mit einem vorbestimmten Toleranzband verglichen werden, und dass ein Subsystem (10) als fehlerhaft detektiert ist, sobald seine Spannung (U0) außerhalb des vorbestimmten Tole¬ ranzbandes liegt.
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