WO2009043186A2 - Anordnung zum schutz von wechselrichtern mit spannungszwischenkreis gegen brückenkurzschluss - Google Patents

Anordnung zum schutz von wechselrichtern mit spannungszwischenkreis gegen brückenkurzschluss Download PDF

Info

Publication number
WO2009043186A2
WO2009043186A2 PCT/CH2008/000031 CH2008000031W WO2009043186A2 WO 2009043186 A2 WO2009043186 A2 WO 2009043186A2 CH 2008000031 W CH2008000031 W CH 2008000031W WO 2009043186 A2 WO2009043186 A2 WO 2009043186A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
inverter
udc
voltage
switches
diode
Prior art date
Application number
PCT/CH2008/000031
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009043186A3 (de
WO2009043186A4 (de
Inventor
Alexander Stoev
Original Assignee
Ids Holding Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ids Holding Ag filed Critical Ids Holding Ag
Priority to DE112008002641T priority Critical patent/DE112008002641A5/de
Priority to CN200880110406A priority patent/CN101816120A/zh
Publication of WO2009043186A2 publication Critical patent/WO2009043186A2/de
Publication of WO2009043186A3 publication Critical patent/WO2009043186A3/de
Publication of WO2009043186A4 publication Critical patent/WO2009043186A4/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters
    • H02H7/1225—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters responsive to internal faults, e.g. shoot-through

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the protection of inverters with voltage intermediate circuit against bridge short circuit according to claim 1, uses thereof according to the claims 9 and 10, and a method according to claim 11.
  • Fig. 1 shows a three-phase inverter of a known type with voltage intermediate circuit.
  • Inverters 1 are electronic energy converters that convert electrical energy from one amplitude and frequency to another amplitude and frequency.
  • An inverter with a voltage intermediate circuit is equipped with at least one capacitor 2, in which the converted energy is temporarily stored.
  • the voltage source inverters find wide industrial application. These inverters are powered by a DC voltage source and convert the DC energy bidirectionally into a mostly three-phase AC voltage.
  • the output of the inverter can be single-phase or multi-phase.
  • the DC voltage storage, or the DC energy storage is constructed by a DC capacitor 2, which has the task to store the DC energy. This can take on considerable value as a buffer (some 10 mF). It has the property to deliver very large currents (a few 100 kA) in the shortest time in a short time (a few ⁇ s).
  • the inverter consists of at least two series-connected electronic switches 1.10 and 1.20, which form a bridge 1.1.
  • the bridge feeds a starting phase 1.31.
  • a three-phase inverter consists of three bridges 1.1, 1.2, 1.3 with six switches 1.10, 1.20, ... and has three phase outputs 1.31, 1.32, 1.33.
  • the switches 1.10, 1.20,... are preferably modules with turn-off transistors (IGBTs) and freewheeling diodes, each transistor being driven by a respective gate driver 1.11, 1.21,.
  • the gate drivers are electronic groups, which control the control input (gate) of the switches. At high powers, power transistors are used, which saturate in the case of a bridge short-circuit, ie, limit the short-circuit current and build up high collector-emitter saturation voltages (Vces).
  • the inverter 1 is low-inductively connected to the DC capacitor 2 to reduce the voltage spikes across the switches when switching off the currents.
  • the voltage on the DC capacitor 2 is called the intermediate circuit voltage Udc.
  • the aim is for the inverter voltage Uwr to be equal to Udc.
  • small filter capacitors are connected directly to the switch to reduce the effect of unwanted stray inductance on power off. If the voltage spikes are too high when switching off, then the switches will be destroyed by the overvoltage.
  • These connections are often designed as rails and are available for the parallel connection of further inverters.
  • Such a design, which allows the connection of multiple inverters on the common DC capacitor is called DC bus.
  • several inverters which are usually identically constructed, are connected in parallel with each other.
  • the inverters are connected in parallel via the DC connections, by means of DC rails, and form modular DC bus systems.
  • FIG. 2 shows several inverters via two parallel-connected inverters of a known type.
  • the inverters 1a, 1b, 1c are connected in parallel via the DC rails 5.1, 5.2, the voltages -Udc and + Udc being applied to the rails.
  • Each inverter is connected to a DC capacitor 2a, 2b, 2c.
  • the supply of energy, or the decrease of the energy takes place via the two connections of the DOBusses.
  • each gate driver 1.11, 1.21 switches the switches on or off.
  • the forward voltage of the transistor saturated voltage or collector-emitter voltage Vces
  • Vces collector-emitter voltage
  • the gate driver generates a fault, because in this case the losses and / or the current in the transistor are too large.
  • the monitoring takes place with a delay, ie a few ⁇ s after switching on the switch (masking time tm), when the transient processes at the switch have subsided.
  • the two switches 1.10, 1.20 must never be switched on at the same time. If it comes to simultaneous ignition (igniting), then discharges the capacitor 2 with a very large current (some 100 kA).
  • the short circuit current increases very fast (1 - 10 ⁇ s).
  • the gate driver detects that the switch is in saturation, ie, the saturation voltage Vcsat is too high.
  • the gate driver responds to this fault with the shutdown of the relevant switch, which can be done only after a turn-off delay time.
  • the time delay tm + ts is usually too high.
  • the short-circuit current flows too long. There are too many thermal losses in the switch, causing it to explode.
  • a solution experiment is described by W. Teppan et al. (Power Electronics Europe, lssue 8, 2005, pp. 12-17: Optimum Use of Current Sensors in Motor Drives). He intends to detect a fault current to short the output before protect.
  • a passive protection device consisting of an inductance, a diode and a resistor, ensures that the switches of the bridge are switched simultaneously and, under certain circumstances, a current path to ground is made possible.
  • An active protection device is given by a measuring element (current transformer) in the intermediate circuit. Connected between an inverter and a capacitor are transducers that detect the short-circuit current and cause the inverter to switch off. A diode and a resistor ensure that the voltage of the inverter does not exceed the voltage of the capacitor.
  • this solution includes external converters.
  • the installation of these converters is problematic because they increase the dispersion of the DC coupling.
  • Another significant disadvantage is that in the case of short circuits in large inverters, i. at nominal voltages Udc above 500 V and nominal currents Idc above 100 A, in case of a short circuit up to several 100'0OO A flow. These very high currents typically destroy the current transformers which protect the inverter, i. Unfortunately, this solution is not destructive or not reusable.
  • DC bus systems i. for high performance: The connection and protection of DC bus systems is not defined. Also the entry point is not defined.
  • the DC source can be connected to the capacitor, or to the inverter. If the DC power supply is connected to the inverter and generates high short-circuit currents, then the inverter can not be protected from destruction.
  • DC bus systems can also contain other components such as low or high setters, brake choppers, uninterruptible power supplies (UPS Sources) etc. It is not clear how these components can be connected to the DC bus.
  • the object of the invention is: a) to provide a robust protection of the individual inverter, i. to ensure largely non-destructive short-circuit protection by protecting the switches from destruction; b) provide a solution for several connected to a DC bus inverter, which ensures protection against ignition of the individual inverter; c) define the connection BEFORE other components on the DC bus, so that the short-circuit protection is ensured; d) specify the protection of a multilevel inverter.
  • Fig. 1 three-phase inverter with voltage intermediate circuit of known type
  • Fig. 6 Inventive arrangement with DC bus, brake chopper and separate protection device
  • Fig. 3 shows an inventive protection of an inverter with choke and diode.
  • An inductance, or a choke 3 which is connected between the DC capacitor 2 at the + Udc connection 5.2 and the inverter 1 at the inverter R connection 5.3, limits the current increase in the inverter during a short circuit.
  • Gate driver 1.11, 1.21, ... which drive the gates of the switches 1.10, 1.20, ..., detect in the switched-on state of the switch too high a saturation voltage Vces, which takes place after a masking time tm.
  • the choke 3, the switch-off time ts and the masking time tm of the switches 1.10, 1.20, ... are chosen so that the current of the switch, which will build up in the event of a short circuit, can be disconnected without destruction by the switch with a delay of ts + tm , It is important that the discharge current from the capacitor can only flow through the reactor 3 in the inverter 1.
  • the reactor 3 generates impermissible voltage spikes when the power is turned off, which dynamically increase the inverter voltage Uwr and lead to the destruction of the switch.
  • the voltage peaks which occur when the inverter currents are switched off are limited by a diode 4 at the level of the intermediate circuit voltage Udc.
  • the diode 4 is connected in parallel with the choke 3 such that the inverter voltage Uwr can not be higher than the intermediate circuit voltage Udc.
  • the diode 4 acts as a freewheeling diode via the choke 3. This diode is low inductively connected to the inverter and the capacitor. The freewheeling current thermally loaded the diode and the throttle and should be kept small. In addition, the throttling effect should start very quickly (a few ⁇ s). For these reasons, an air throttle is preferably used, which does not saturate and react very quickly.
  • a control unit 5 generates control pulses, which turn on or off the switches 1.10, 1.20,... This breaks a bridge short circuit.
  • the detection of the short circuit occurs via the detection of the saturation voltage (Vces) of the switch. Furthermore, it is done via:
  • the electrical discharge (e.g., by a lightning detector) which occurs when a switch is destroyed;
  • the detection of a pressure wave which occurs when destroying a switch.
  • the two latter detection options are optional for capturing the Saturation voltage and form in terms of a second level of security options for extended protection.
  • Each switch 1.1 O 1 -1.20, ... is assigned a gate driver 1.1 1, 1.21 ..., which receives the control signal from the control unit 5 and switches the switch on or off accordingly.
  • the forward voltage of the transistor (saturation voltage Vces) is monitored. The comparison takes place only a few ⁇ s after switching on, ie after the masking time tm, when the transitional operations at the switch have subsided.
  • the expediskieruhgszeit and Dimesiontechnik the throttle 3 chosen so that its victims n NEN switch survive thermal short circuit without damage. If the saturation voltage Vces exceeds a predetermined maximum value:
  • the gate driver generates an error message to the controller 5;
  • the control unit 5 switches off all the switches of the corresponding bridge.
  • the inverters 1a, 1b, 1c are connected in parallel on the one hand to the inverter terminal 5.3 and on the other hand to the -Udc terminal 5.1.
  • Each inverter is assigned a DC capacitor 2a, 2b, 2c, which are located at the -Udc connection 5.1 and the + Udc connection 5.2.
  • a DC source 6 feeds the device via the terminals - Udc, + UdC.
  • the reactor 3 and the diode 4 are connected between the inverter terminal 5.3 and the + Udc terminal. Throttle and diode form a common protection device for the entire arrangement here.
  • the current at astung the inductor 3 and the diode 4 can be reduced by the connection of the DC source takes place at the terminals 5.1 and 5.2.
  • the DC component of the inverter current flows from the DC source into the load, the DC component being up to 80% of the total current.
  • Only the AC component of the current - ie approx. 20% of the total current - is exchanged between the inverter and the condenser and must overflow the choke 3 and the diode 4.
  • both the AC and the DC-Anteii of the current over the Throttle and the diode flow, ie up to 5 times more current. This leads to the proportional increase and increase in cost of these components and a quadratic increase in losses, ie up to 25 times more losses in the inductor and about 10 times more losses in the diode.
  • the power is supplied via the inverter rail 5.3 and the common rail 5.1.
  • the current in the diode 4 and in the reactor 3 is half as large as when the feed point to the condenser rail is 5.2.
  • the current from the DC source is taken directly from the inverter according to the invention.
  • the main current does not go to the capacitor, i. E. the throttle 3 and the diode 4 are relieved. They can therefore be designed smaller and cheaper.
  • the inverters 1 a, 1 b, 1 c with the DC capacitors 2 a, 2 b, 2 c, the reactor 3 and the diode 4 correspond to FIG. 4.
  • the inverter rail 5.3 and the condenser rail 5.2 are via the throttle 3 and connected to each other via the diode 4.
  • the inductances Ls are bridged and the voltage peaks of the individual inverters 1 a, 1 b, 1 c lower.
  • the arrangement of the diodes 4a, 4b, 4 form here a so-called separate protection device for the individual inverters.
  • the number of throttles can also vary. Preferably, a single throttle 3 forms the optimum cost.
  • the choke can connect the DC rails 5.3 and 5.2 at any point.
  • the type of inverter connected to the DC bus may vary. These can be single-phase or multi-phase inverters, DC controllers, battery chargers, high-low controllers, uninterruptible power supplies (UPS), etc. Each of these participants can include a capacitor. Essential to the invention is that Each participant with a capacitor should be connected to the -Udc rail 5.1 and to the inverter rail 5.3.
  • Fig. 6 shows an inventive arrangement with DC bus, brake chopper and separate protection device. This arrangement essentially corresponds to that of FIG. 5.
  • a common type of converter converts electrical energy unidirectionally from the three-phase network or generator 7.1 to the Z.ischennikkondensator2a and from there to an AC motor 7.2, which operate in motor or generator operation can. These types of converters are called two-quadrant inverters (2Q).
  • a first inverter 1a is designed as a rectifier and feeds the energy to the inverter rail 5.3 and the common rail 5.1.
  • a second alternate oil r 1 b takes the energy from the inverter rail 5.3 and from the common rail 5.1 and feeds the load 7.2, e.g. an engine.
  • the capacitors 2a, 2b, 2c ' serve as energy storage. The excess energy, if the motor 7.2 feeds back, is destroyed via a brake disc 1c in a resistor 7.3.
  • This system can be extended modularly. If two motors are connected, two inverters can be connected to DC bus 5.3 and 5.1, each with one freewheeling diode. If several resistors are required, several brake plates 1c can also be connected to the DC bus 5.3 and 5.1, each with a freewheeling diode.
  • Air throttle 3 10 ⁇ H
  • Choke current 2 kA in normal operation; 100 kA in short-circuit current
  • Braking chopper power 4 MW 7 shows a four-quadrant arrangement (4Q) with protection device.
  • the inverter 1 a feeds the energy from the grid 7.1 in a DC link capacitor 2a.
  • the inverter 1b draws energy from the DC link capacitor 2b and drives a motor 7.2.
  • the energy direction reverses (so-called 4Q), ie the energy is supplied by the engine to the DC link capacitor 2b and fed back from this to the grid.
  • This common type of converters converts electrical energy bidirectionally from an AC source or the power transformer 7.1 to the intermediate circuit and from there to another AC sink or the motor 7.2.
  • These types of converters are called four-quadrant inverters (4Q): A first inverter feeds the energy to the DC link 5.3 and 5.1; the second inverter draws the energy from the intermediate circuit 5.3 and 5.1.
  • the capacitors 2a, 2b serve as energy storage.
  • FIG. 8 shows a multilevel inverter with protection device.
  • a multilevel inverter 1, or a multilevel converter consists of a plurality of serially connected switches 1.10, 1.11, 1.12, 1.13, the capacitors 2.1, 2.2, the capacitor terminals 5.1, 5.2 and the output 1.31, as here as a three-level converter shown.
  • All four serially connected switches 1.10 - 1.13 are protected by the choke 3 and the diode 4.
  • Each of the gate drivers of the switches detects the short-circuit current and protects the bridge from destruction.
  • Such arrangements are also used for the drives of oil rigs and ships.
  • the individual inverters that feed the motors have a common DC link with the corresponding fuses and will powered by one or more diesel generators via rectifier.
  • the gate drivers detect the saturation voltage and, if a limit value is exceeded, avoid a fault in a control unit 5 if too high a current flows over the bridges. In the event of a short circuit in the bridges, the current flows through the choke 3 and therefore increases more slowly. Thus, the gate drivers have enough time to detect the short circuit, turn off the switches and thus protect the bridge from destruction. At the same time, the diode 4 ensures that the inverter voltage is mimicked to the value of the capacitor voltage [i.e. the switches do not fail with the overvoltage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Ein Wechselrichter (1) mit Brückenschaltung (1.1, 1.2, 1.3) mit abschaltbaren Schaltern (1.10, 1.20), ausgestattet mit Gate-Drivern (1.11, 1.21 ) und mit einem Kondensator (2) mit zwei DC-Anschlüssen (5.1, 5.2), verfügt über einen zusätzlichen DC-Anschluss (5.3). Eine Drossel (3) und eine Diode (4) verbinden den positiven Kondensator- Anschluss (5.2) und den Wechselrichter-Anschluss (5.3). Die Gate-Driver erfassen die Sättigungsspannung und melden Fehler an ein Steuergerät (5), wenn ein zu hoher Strom über die Brückenschaltungen fließt. Im Falle eines Kurzschlusses in einer Brückenschaltung, fließt dieser Strom über die Drossel (3) und steigt deswegen langsamer an, womit die Gate-Driver über genug Zeit verfügen, den Kurzschluss zu erfassen, die Schalter auszuschalten und damit die Brücke vor einer Zerstörung zu schützen. Die Anode der Diode (4) ist mit dem Wechselrichteranschluss verbunden, so dass die Wechselrichterspannung auf die Kondensatorspannung begrenzt ist. Erfindungsgemäß kann diese Lösung auch bei Wechselrichter-Systemen mit einem gemeinsamen Zwischenkreis angewendet werden. Es werden Möglichkeiten für den Anschluss von Hoch- und Tief Setzern sowie Bremschoppern beschrieben. Diese Lösung wird auch bei Dreipunkt- und Multilevel-Wechselrichtern angewendet.

Description

Anordnung zum Schutz von Wechselrichtern mit Spannungszwischenkreϊs gegen Brückenkurzschluss
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz von Wechselrichtern mit Spannungs- zwischenkreis gegen Brückenkurzschluss gemäss Patentanspruch 1 , Verwendungen derselben gemäss den Patentansprüchen 9 und 10, sowie ein Verfahren dazu gemäss Patentanspruch 11.
Fig. 1 zeigt einen dreiphasigen Wechselrichter bekannter Art mit Spannungszwischenkreis.
Wechselrichter 1 sind elektronische Energiewandler, welche elektrische Energie von einer Amplitude und Frequenz in eine andere Amplitude und Frequenz umwandeln. Ein Wechselrichter mit Spannung-Zwischenkreis ist mit mindestens einem Kondensator 2 ausgestattet, in weichem die gewandelte Energie zwischengespeichert wird. Die Spannungszwischenkreis-Wechselrichter finden breite industrielle Anwendung. Diese Wechselrichter werden von einer Gleichspannungsquelle (DC-Quelle) gespeist und wandeln die DC-Energie bidirektional in eine meist dreiphasige Wechselspannung. Der Ausgang des Wechselrichters kann einphasig oder mehrphasig sein. Der Gleichspannungsspeicher, bzw. der DC-Energiespeicher wird durch einen DC-Kon- densator 2 aufgebaut, welcher die Aufgabe hat, die DC-Energie zu speichern. Dieser kann als Zwischenspeicher beträchtliche Werte annehmen (einige 10 mF). Er hat die Eigenschaft, beim Kurzschluss sehr grosse Ströme (einige 100 kA) in kürzester Zeit (einige μs) zu liefern.
Der Wechselrichter besteht aus mindestens zwei seriell geschalteten elektronischen Schaltern 1.10 und 1.20, welche eine Brücke 1.1 bilden. Die Brücke speist eine Ausgangsphase 1.31. Ein dreiphasiger Wechselrichter besteht aus drei Brücken 1.1 , 1.2, 1.3 mit sechs Schaltern 1.10, 1.20, ... und hat drei Phasenausgänge 1.31 , 1.32, 1.33. Die Schalter 1.10, 1.20, ... sind vorzugsweise Module mit abschaltbaren Transistoren (IGBTs) und mit Freilaufdioden, wobei jeder Transistor von je einem Gate-Driver 1.11 , 1.21 , ... angesteuert wird. Die Gate-Driver sind elektronische Bau- gruppen, welche den Steuereingang (Gate) der Schalter ansteuern. Bei grossen Leistungen werden Leistungstransistoren eingesetzt, welche im Falle eines Brückenkurzschlusses sättigen, d.h. den Kurzschlussstrom limitieren und hohe Kollektor-Emitter Sättigungsspannungen (Vces) aufbauen.
Der Wechselrichter 1 ist niederinduktiv am DC-Kondensator 2 angeschlossen, um die Spannungsspitzen über die Schalter beim Abschalten der Ströme zu reduzieren. Die Spannung am DC-Kondensator 2 wird Zwischenkreisspannung Udc genannt. Im Allgemeinen wird angestrebt, dass die Wechselrichterspannung Uwr gleich Udc ist. Manchmal werden kleine Filterkondensatoren direkt an den Schalter angeschlossen, um die Wirkung der unerwünschten Streuinduktivität beim Stromabschalten zu verringern. Wenn die Spannungsspitzen beim Abschalten zu hoch werden, dann werden die Schalter durch die Überspannung zerstört.
Die Verbindung zwischen dem Wechselrichter 1 und dem DC-Kondensator 2 erfolgt über die beiden DC-Anschlüsse 5.1 , 5.2. Diese Anschlüsse werden oft als Schienen ausgeführt und stehen zur Verfügung für die parallele Anbindung weiterer Wechselrichter. Eine solche Ausführung, welche den Anschluss mehrerer Wechselrichter am gemeinsamen DC-Kondensator ermöglicht, wird DC-Bus genannt. Bei grossen Leistungen werden mehrere in der Regel identisch aufgebaute Wechselrichter miteinander parallel geschaltet. Die Parallelschaltung der Wechselrichter erfolgt über die DC-Anschlüsse, mittels DC-Schienen und bilden modulare DC-Bus-Systeme.
Fig. 2 zeigt mehrere Wechselrichter über zwei DC-Schienen parallel angeschlossene Wechselrichter bekannter Art. Die Wechselrichter 1a, 1b, 1c sind über die DC- Schienen 5.1 , 5.2 parallel angeschlossen, wobei an den Schienen die Spannungen -Udc und +Udc anliegen. Jeder Wechselrichter ist mit einem DC-Kondensator 2a, 2b, 2c verbunden.
Die Einspeisung der Energie, bzw. die Abnahme der Energie erfolgt über die beiden Anschlüsse des DOBusses.
Brücken-Kurzschluss und Kurzschlusserfassung:
Die Modulation der Ausgangsenergie erfolgt, indem jeder Gate-Driver 1.11 , 1.21 die Schalter ein- oder ausschaltet. Im eingeschalteten Zustand wird die Flussspannung des Transistors (Sättigungsspannung bzw. Kollektor-Emitter Spannung Vces) überwacht. Falls diese Spannung einen Maximalwert überschreitet, generiert der Gate-Drivereinen Fehler, denn in diesem Fall sind die Verluste und/oder der Strom im Transistor zu gross. Die Überwachung erfolgt verzögert, d.h. einige μs nach dem Einschalten des Schalters (Maskierungszeit tm), wenn die Übergangsvorgänge am Schalter abgeklungen sind. Die beiden Schalter 1.10, 1.20 dürfen niemals gleichzeitig zugeschaltet werden. Wenn es doch zum gleichzeitigen Zünden kommt (Durchzünden), dann entlädt sich der Kondensator 2 mit einem sehr grossen Strom (einige 100 kA). Der Kurzschlussstrom steigt dabei sehr schnell an (1 - 10 μs). In diesem Fall erkennt der Gate- Driver nach dem Ablauf der Maskierungszeit tm, dass der Schalter in der Sättigung ist, d.h. die Sättigungsspannung Vcsat zu hoch ist. Der Gate-Driver reagiert auf diesen Fehler mit der Abschaltung des betreffenden Schalters, wobei dies erst nach einer Abschalt-Verzögerungszeitts erfolgen kann. Bei Hochleistungs-Wechselrichter, d.h. bei Wechselrichter mit Udc-Spannungen über 1 kV und Nennströmen über 100 A, ist die zeitliche Verzögerung tm+ts in der Regel zu gross. Dabei fliesst der Kurzschluss-Strom zu lang. Es entstehen zu viele thermische Verluste im Schalter, so dass dieser explodiert.
Die Ursachen für einen Kurzschluss sind vielfältig: Eine Durchzündung kann bei Fehler der Steuerung, bei EMV-Problemen, bei Defekten der Gate-Driver Elektronik, beim Ausfall einer Halbleiterkomponente etc. auftreten. Ein Kurzschluss ist also in der Lebenszeit eines Wandlers sehr wahrscheinlich. Damit wird ein Kurzschluss-Schutz unumgänglich.
Die Grenzen des Stands der Technik beim Kurzschluss-Schutz: Die meisten Schalter auf Halbleiterbasis werden durch den grossen Kurzschluss-Strom thermisch zerstört, bevor die Gate-Driver die Schalter abgeschaltet und den Stromfluss unterbrochen haben. Es entsteht dabei eine Explosion, welche zu grossen Zerstörungen und Schäden führt. Je höher die Spannung Udc des Zwischenkreiskondensators ist, desto ausgeprägter ist dieses Verhalten und desto schwerer gestaltet sich der Schutz der Halbleiterschalter.
Ein Lösungsversuch wird von W. Teppan et al. (Power Electronics Europe, lssue 8, 2005, S. 12-17: Optimum Use of Current Sensors in Motor Drives) beschrieben. Er beabsichtigt einen Fehlerstrom zu erfassen, um den Ausgang vor Kurzschluss zu schützen. Eine passive Schutzvorrichtung, bestehend aus einer Induktivität, einer Diode und einem Widerstand, sorgt dafür, dass die Schalter der Brücke gleichzeitig geschaltet werden und unter Umständen ein Strompfad zu Masse ermöglicht wird. Eine aktive Schutzvorrichtung ist gegeben durch ein Messglied (Stromwandler) im Zwischenkreis. Zwischen einem Wechselrichter und einem Kondensator liegen Wandler angeschlossen vor, welche den Kurzschlussstrom erfassen und zum Abschalten des Wechselrichters führen. Eine Diode und ein Widerstand sorgen dafür, dass die Spannung des Wechselrichters die Spannung des Kondensators nicht überschreitet. Dieser Lösungsversuch hat folgende Nachteile:
a) Er ist nicht zerstörungsfrei bei Wechselrichtern grosserer Leistung: Diese Lösung beinhaltet externe Wandler. Der Einbau dieser Wandler ist problematisch, denn diese erhöhen die Streuung der DC-Kopplung. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, dass im Kurzschlussfall bei grossen Wechselrichtern, d.h. bei nominalen Spannungen Udc über 500 V und nominalen Strömen Idc über 100 A, im Falle eines Kurzschlusses bis zu einigen 100'0OO A fliessen. Diese sehr hohen Ströme zerstören in der Regel die Stromwandler, welche den Wechselrichter schützen, d.h. diese Lösung ist leider nicht zerstörungsfrei bzw. nicht wieder verwendbar.
b) Er ist ungeeignet für DC-Bus-Systeme, d.h. für grosse Leistungen: Die Anbindung und der Schutz von DC-Bus-Systemen ist nicht definiert. Auch der Einspeisepunkt ist nicht definiert. Prinzipiell kann die DC-Quelle am Kondensator angeschlossen werden, oder am Wechselrichter. Wenn die DC-Speisung am Wechselrichter angeschlossen ist und hohe Kurzschlussströme erzeugt, dann kann der Wechselrichter nicht von Zerstörung geschützt werden.
c) Der Anschluss weiterer DC-BuS-Komponenten (Tiefsetzer, Bremschopper etc.) ist nicht geklärt: DC-Bus-Systeme-können neben Wechselrichter auch weitere Komponenten beinhalten wie etwa Tief- bzw. Hoch-Setzer, Bremschopper, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV-Quellen) etc. Es ist nicht klar, wie diese Komponenten am DC-Bus angeschlossen werden können.
d) Der Schutz von Multilevel-Konverter, bzw. Multilevel-Wechselrichter für hohe Spannungen ist nicht geklärt: Der Schutz von Multilevel-Brücken, welche über mehrere seriefi geschaltete Schalter verfügen, ist nicht angedeutet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin: a) Einen robusten Schutz des einzelnen Wechselrichters anzugeben, d.h. einen weitgehend zerstörungsfreien Kurzschluss-Schutzzu gewährleisten, indem die Schalter vor Zerstörung schützt werden; b) eine Lösung für mehrere an einem DC-Bus angeschlossene Wechselrichter anzugeben, welche den Schutz vor Durchzündung der einzelnen Wechselrichter gewährleistet; c) den Anschluss VOR weiteren Komponenten am DC-Bus zu definieren, so dass der Kurzschluss-Schutz gewährleistet ist; d) den Schutz eines Multilevel-Wechselrichters anzugeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Dreiphasiger Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis bekannter Art
Fig. 2 Mehrere über zwei DC-Schienen parallel angeschlossene Wechselrichter bekannter Art
Fig. 3 Erfindungsgemässer Schutz eines Wechselrichters mit Drossel und Diode
Fig. 4 Erfindungsgemässer Schutz von Wechselrichtern mit DC-Bus und gemeinsamer Schutzvorrichtung
Fig. 5 Erfindungsgemässer Schutz von Wechselrichtern mit separater Schutzvorrichtung
Fig. 6 Erfindungsgemässe Anordnung mit DC-Bus, Bremschopper und separater Schutzvorrichtung
Fig. 7 Vierquadranten-Anordnung (4Q) mit Schutzvorrichtung
Fig. 8 Multilevel-Wechselrichter mit Schutzvorrichtung
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen Schutz eines Wechselrichters mit Drossel und Diode. Der Wechselrichter 1 mit den Brücken 1.1 , 1.2, 1 .3, den seriell geschalteten elektronischen Schaltern 1.10, 1.20, ..., den Gate-Drivern 1.11. 1.21 , ..., den Ausgangsphasen 1.31, 1.32, 1.33, dem Steuergerät 5 und dem DC-Kondensator 2 ent- sprechen der Fig. 1. Eine Induktivität, bzw. eine Drossel 3, welche zwischen dem DC- Kondensator 2 am +Udc-Anschluss 5.2 und dem Wechselrichter 1 am Wechselrichte r-Ansch I uss 5.3 angeschlossen ist, limitiert den Stromanstieg im Wechselrichter während eines Kurzschlusses.
Gate-Driver 1.11 , 1.21 , ..., welche die Gates der Schalter 1.10, 1.20, ... ansteuern, detektieren im eingeschalteten Zustand der Schalter eine zu hohe Sättigungsspannung Vces, was nach Ablauf einer Maskierungszeit tm erfolgt.
Die Drossel 3, die Abschaltzeit ts und die Maskierungszeit tm der Schalter 1.10, 1.20, ... werden so gewählt, dass der Strom der Schalter, welcher sich beim Kurzschluss aufbauen wird, zerstörungsfrei vom Schalter abgeschaltet werden kann mit einer Verzögerung von ts+tm. Wichtig dabei ist, dass der Entladestrom vom Kondensator nur über die Drossel 3 im Wechselrichter 1 fliessen kann.
Die Drossel 3 erzeugt unzulässige Spannungsspitzen, wenn der Strom abgeschaltet wird, welche die Wechselrichter-Spannung Uwr dynamisch vergrössern und zur Zerstörung der Schalter führen. Erfindungsgemäss werden die Spannungsspitzen, welche beim Abschalten der Wechselrichter-Ströme auftreten, durch eine Diode 4 auf dem Niveau der Zwischenkreisspannung Udc limitiert. Die Diode 4 ist erfindungsgemäss parallel zur Drossel 3 so angeschlossen, dass die Wechselrichter-Spannung Uwr nicht höher als die Zwischenkreisspannung Udc sein kann.
Die Diode 4 wirkt als eine Freilaufdiode über die Drossel 3. Diese Diode ist niederinduktiv am Wechselrichter und am Kondensator angeschlossen. Der Freilaufstrom belastet thermisch die Diode und die Drossel und soll klein gehalten werden. Darüber hinaus soll die Drosselwirkung sehr schnell einsetzten (einige μs). Aus diesen Gründen wird vorzugsweise eine Luftdrossel eingesetzt, welche nicht in die Sättigung geht und sehr schnell reagiert.
Die Kurzschlusserfassung erfolgt folgendermassen: Ein Steuergerät 5 erzeugt Steuerimpulse, welche die Schalter 1.10, 1.20, ... ein- bzw. ausschalten. Damit wird ein Brückenkurzschluss unterbrochen. Die Erkennung des Kurzschlusses erfolgt über die Erfassung der Sättigungsspannung (Vces) des Schalters. Im weiteren erfolgt sie über:
- Die elektrische Entladung (z.B. durch einen Blitzdetektor), welche beim Zerstören eines Schalters auftritt;
- die Erfassung einer Druckwelle, welche beim Zerstören eines Schalters auftritt. Die beiden letzteren Erfassungsmöglichkeiten sind optional zur Erfassung der Sättigungsspannung und bilden im Sinne einer zweiten Sicherheitsebene Möglichkeiten für einen erweiterten Schutz.
Kurzschlusserfassung im Gate-Driver: Jedem Schalter 1.1 O1 -1.20,... ist ein Gate-Driver 1.1 1 , 1.21 ... zugeordnet, welcher das Steuersignal vom Steuergerät 5 empfängt und den Schalter entsprechend ein- oder ausschaltet. Im eingeschalteten Zustand wird die Flussspannung des Transistors (Sättigungsspannung Vces) überwacht. Der Vergleich erfolgt erst einige μs nach dem Einschalten, d.h. nach der Maskierungszeit tm, wenn die Übergangsvorgänge am Schalter abgeklungen sind. Erfindungsgemäss wird die Mäskieruhgszeit und die Dimesionierung der Drossel 3 so gewählt, dass die betroffen nen Schalter thermisch den Kurzschluss schadenfrei überleben. Falls die Sättigungsspannung Vces einen vorgegebenen Maximaiwert überschreitet:
- Schaltet der Gate-Driver den jeweiligen Schalter aus;
- generiert der Gate-Driver eine Fehlermeldung zum Steuergerät 5;
- schaltet das Steuergerät 5 alle Schalter der entsprechenden Brücke aus.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemässen Schutz von Wechselrichtern mit DC-Bus und gemeinsamer Schutzvorrichtung.
Die Wechselrichter 1 a, 1 b, 1 c sind parallel einerseits am Wechselrichter-Anschluss 5.3 und andererseits am -Udc-Anschluss 5.1 angeschlossen. Jedem Wechselrichter ist ein DC-Kondensator 2a, 2b, 2c zugeordnet, die am -Udc-Anschluss 5.1 und am +Udc- Anschluss 5.2 liegen. Eine DC-Quelle 6 speist die Anordnung über die Anschlüsse - Udc, +UdC. Die Drossel 3 und die Diode 4 sind zwischen dem Wechselrichter-Anschluss 5.3 und dem +Udc-Anschluss geschaltet. Drossel und Diode bilden hier eine gemeinsame Schutzvorrichtung für die gesamte Anordnung.
Erfindungsgemäss kann die Strom bei astung der Drossel 3 und der Diode 4 reduziert werden, indem der Anschluss der DC-Quelle an den Anschlüssen 5.1 und 5.2 erfolgt. In diesem Fall fliesst der DC-Anteil des Wechselrichter-Stromes von der DC-Quelle in die Last, wobei der DC-Anteil bis zu 80% des Gesamtstromes beträgt. Nur der AC- Anteil des Stromes - d.h. ca. 20% des Gesamtstromes - wird zwischen Wechselrichter und dem Kondensator ausgetauscht und muss übet die Drossel 3 und die Diode 4 fliessen. Falls der Anschluss der DC-Queile über den Kondensator-Anschluss 5.2 erfolgt, dann würde sowohl der AC- als auch der DC-Anteii des Stromes über die Drossel und die Diode flieεsen, d.h. bis zu 5 mal mehr Strom. Dies führt zu der proportionalen Vergrösserung und Verteuerung dieser Komponenten und zu einer quadratischen Steigerung der Verluste, d.h. bis zu 25 mal mehr Verluste in der Drossel und ca. 10 mal mehr Verluste in der Diode.
Erfindungsgemäss erfolgt die Energiezufuhr über die Wechselrichter-Schiene 5.3 und die gemeinsame Schiene 5.1. Dadurch wird der Strom in der Diode 4 und in der Drossel 3 halb so gross, als wenn der Einspeisepunkt an der Kondensator-Schiene 5.2 ist. In diesem Fall wird erfindungsgemäss der Strom von der DC-Quelle direkt vom Wechselrichter übernommen. Dabei füesst der Hauptstrom nicht zum Kondensator, d.h. die Drossel 3 und die Diode 4 werden entlastet. Sie können demnach kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden.
Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemässen Schutz von Wechselrichtern mit separater Schutzvorrichtung.
Die Wechselrichter 1 a, 1 b, 1 c mit den DC-Kondensatoren 2a, 2b, 2c, die Drossel 3 und die Diode 4 entsprechen Fig. 4. Die Wechselrichter-Schiene 5.3 und die Kondensator- Schiene 5.2 sind über die Drossel 3 und über die Diode 4 miteinander verbunden. Die DC-Quelle 6, mit den Anschlüssen -Udc und +Udc verbunden, speist erfindungsgemäss in die Schienen 5.1 und 5.2 die Energie ein.
Wenn die gemeinsamen DC-Schienen 5.3 zu lang sind, können die Verbindungskabel beträchtliche Induktivitäten Ls aufweisen. In diesem Fall kann jeder Wechselrichter 1a, 1 b, 1c mit je einer Diode 4a, 4b, 4 niederinduktiv an den Kondensatoren 2a, 2b, 2c verbunden werden. Dadurch werden die Induktivitäten Ls überbrückt und die Spannungsspitzen der einzelnen Wechselrichter 1 a, 1 b, 1c geringer. Die Anordnung der Dioden 4a, 4b, 4 bilden hier eine sogenannte separate Schutzvorrichtung für die einzelnen Wechselrichter. Die Anzahl der Drosseln kann ebenfalls variieren. Vorzugsweise bildet eine einzige Drossel 3 das Kostenoptimum. Die Drossel kann an beliebiger Stelle die DC-Schienen 5.3 und 5.2 verbinden.
Die Art der am DC-Bus angeschlossen Wechselrichter kann variieren. Diese können einphasige oder mehrphasige Wechselrichter, DC-Steller, Batterie-Ladegeräte, Hoch- Tief-Steller, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) etc. sein. Jeder dieser Teilnehmer kann dabei einen Kondensator beinhalten. Erfindungswesentlich ist, dass jeder Teilnehmer mit Kondensator an die -Udc-Schienβ 5.1 und an die Wechselrichter- Schiene 5.3 angeschlossen werden.
Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemässe Anordnung mit DC-Bus, Bremschopper und separater Schutzvorrichtung. Diese Anordnung entspricht im Wesentlichen jener von Fig. 5. Eine verbreitete Gattung von Wandlern wandelt elektrische Energie unidirektional vom dreiphasigen Netz bzw. Generator7.1 zum Zw.ischenkreiskondensator2a und von dort zu einem AC-Motor 7.2, welcher im motorischen oder im generatorischen Betrieb arbeiten kann. Diese Art Wandler werden Zweiquadrant-Wechselrichter (2Q) genannt. Ein erster Wechselrichter 1a wird als Gleichrichter ausgeführt und speist die Energie zur Wechselrichter-Schiene 5.3 und zur gemeinsamen Schiene 5.1. Ein zweiter Wechsöl richte r 1 b entnimmt die Energie von der Wechselrichter-Schiene 5.3 und von der gemeinsamen Schiene 5.1 und speist die Last 7.2, z.B. einen Motor. Die Kondensatoren 2a, 2b, 2c 'dienen als Energiespeicher. Die überschüssige Energie, falls der Motor 7.2 zurückspeist, wird über einen Bremssteller 1c in einem Widerstand 7.3 vernichtet.
Dieses System kann modular erweitert werden. Wenn zwei Motoren angeschlossen sind, können zwei Wechselrichter am DC-Bus 5.3 und 5.1 mit je eine Freilaufdiode angeschlossen werden. Wenn mehrere Widerstände benötigt werden, können ebenfalls mehrere Bremssteller 1c am DC-Bus 5.3 und 5.1 mit je einer Freilaufdiode angeschlossen werden.
Ein Ausführungsbeispiel wird in Anlehnung an die Anordnung gemäss Fig. 6 mit den folgenden Werten beschrieben:
Zwischenkreisspannung: 2 kV
Kondensatoren 2a, 2b, 2c: 2 mF
Luftdrossel 3: 10 μH
Zwischenkreisstrom: 2 kA
Kurzschlussstrom einige 100 kA
Drosselstrom: 2 kAim Normalbetrieb; 100 kA im Kurzschfussstrom
Ausgangsleistung: 1 ,2 MW
Bremschopper-Leistung: 4 MW Fig.7 zeigt eine Vierquadranten-Anordnung (4Q) mit Schutzvorrichtung. Der Wechselrichter 1 a speist die Energie vom Netz 7.1 in einen Zwischenkreiskondensator 2a. Der Wechselrichter 1b entnimmt Energie aus dem Zwischenkreiskondensator 2b und treibt einen Motor 7.2 an. Im Bremsbetrieb kehrt die Energierichtung um (sogenannt 4Q), d.h. die Energie wird vom Motor an den Zwischenkreiskondensator 2b abgegeben und von diesem an das Netz zurückgespeist.
Diese verbreitete Gattung von Wandlern wandelt elektrische Energie bidirektional von einer AC-Quelie bzw. dem Netztransformator 7.1 zum Zwischenkreis und von dort zu einer anderen AC-Senke bzw. dem Motor 7.2. Diese Art Wandler werden Vierquadrant- Wechselrichter (4Q) genannt: Ein erster Wechselrichter speist die Energie zum Zwischenkreis 5.3 und 5.1 ; der zweite Wechselrichter entnimmt die Energie vom Zwischenkreis 5.3 und 5.1. Die Kondensatoren 2a, 2b dienen als Energiespeicher.
Fig. 8 zeigt einen Multilevel-Wechselrichter mit Schutzvorrichtung. Ein Multilevel- Wechselrichter 1 , bzw. ein Multilevel-Konverter besteht aus mehreren seriell geschalteten Schaltern 1.10, 1.11 , 1.12, 1.13, den Kondensatoren 2.1, 2.2, den Kondensator- Anschlüssen 5.1 , 5.2 und dem Ausgang 1.31 , wie hier als Dreilevel-Konverter dargestellt.
Es werden alle vier seriell geschalteten Schalter 1.10 - 1.13 durch die Drossel 3 und die Diode 4 geschützt. Jeder der Gate-Driver der Schalter erfasst den Kurzschluss- Strom und schützt die Brücke vor Zerstörung.
Wenn mehrere verteilte Multilevel-Wechselrichter an einem Zwischenkreis arbeiten, dann werden diese genau so angeschlossen wie dies erfindungsgemäss beim Zwei- Level-Wechselrichter der Fall ist.
Verwendungen finden derartige Anordnungen bei grossen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen, bei denen die Energie von einem Dieselgenerator erzeugt wird und über einen Gleichrichter in den Zwischenkreis mit den entsprechenden Schutzvorrichtungen eingespeist wird. Am Zwischenkreis sind mehrere Wechselrichter und ein Brems- chopper angeschlossen.
Derartige Anordnungen werden auch für die Antriebe von Ölplattformen und Schiffen verwendet. Die einzelnen Wechselrichter, die die Motoren speisen, haben einen gemeinsamen Zwischenkreis mit den entsprechenden Schutzvorrichtungen und werden von einem oder mehreren Dieselgeneratoren über Gleichrichter gespeist.
Im Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemässen Anordnung beschrieben:
Die Gate-Driver erfassen die Sättigungsspannung und meiden bei Überschreiten eines Grenzwertes einen Fehler einem Steuergerät 5, wenn ein zu hoher Strom über die Brücken fliesst. Im Falle eines Kurzschlusses in den Brücken, fliesst der Strom über die Drossel 3 und steigt deswegen langsamer an. Damit verfügen die Gate-Driver über genug Zeit, den Kurzschluss zu erfassen, die Schalter auszuschalten und damit die Brücke vor einer Zerstörung zu schützen. Gleichzeitig sorgt die Diode 4 dafür, dass die Wechselrichter-Spannung auf den Wert der Kondensatorspannung [imitiert ist, d.h. die Schalter fallen nicht mit der Überspannung aus.
Überraschend ist die Tatsache, dass eine grosse Induktivität (Drossel) und eine Diode zwischen +Udc und Uwr einen zuverlässigen Schutz bringt, wo bekannter Weise zwischen +Udc und Uwr möglichst keine Streuinduktivitäten angesiedelt wurden, um Überspannungen zu vermeiden. Es ist sogar ein Hauptziel des Designs von Wechselrichtern dank spezieller Vorrichtungen diese Streuinduktivitäten zu eliminieren. Durch die Diode, welche parallel zu der Drossel vorliegt, können die unerwünschten, durch ie Drossel verursachten Spannungsspitzen vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Schutz von einem Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis mit einem Wechselrichter (1 ), bestehend aus mindestens einer Brückenschaltung (1.1 , 1.2, 1.3), wobei jede. Brücke aus je zwei Schaltern (1.10, 1.20) besteht, welche je einen Ausgang (1.31 , 1.32, 1.33) speisen, und mindestens einem Zwischenkreis-Kondensator (2) als Ehergiespeicher, gekennzeichnet dadurch, dass die Anordnung drei Anschlüsse äufweisMiämlrch einen -Udc-Anschluss (5.1 ), einen +Udc-Anschluss (5.2) und einen Wechselrichter-Anschluss (5.3), dass mindestens eine Induktivität, bzw. eine Drossel (3) zwischen dem Wechselrichter-Anschluss (5.3) und dem +Udc-Anschluss
(5.2) angeordnet ist, dass mindestens eine Diode (4) parallel zur Drossel (3) so geschaltet ist, dass der Entladestrom des Kondensators (2) nur über die Drossel (3) und nicht über die Diode (4.) flϊesst, dass jedem Schalter (1.10, 1.20) ein Gate-Driver (1.11 , 1.21) zu. dessen Ansteueruηg zugeordnet ist, dass die Gate-Driver (1.11 , 1.21 ) der Schälter zur Erfassung eines Kurzschlusses vorgesehen sind, indem die Gate- Driver ein Fehlersignal für ein Steuergerät (5) generieren und dass das Steuergerät (5) die Schalter (1.10, 1.20) des Wechselrichters (1 ) sperrt, um diese Schalter im Kurzschlussfall vor Zerstörung zu schützen.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass zur Energie-Ein- speisung einer DC-Qüelle (6) zum Wechselrichter (1 ) der Wechselrichter-Anschluss
(5.3) bzw. die Wechselrichter-Schiene und der -Udc-Anschluss (5.1 ) bzw. die -Udc- Schiene vorgesehen sind, so dass der Strom in der Drossel (3) und in die Diode (4) minimiert wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 ■ öder 2, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Wechselrichter (1a, 1 b, 1c) mit einem oder mehreren Kondensatoren (2a, 2b, 2c) ein modulares Wechsel richte rsystem bilden, dass der Wechselrichter-Anschluss (5.3) bzw. die Wechselrichter-Schiene die Wechselrichter zueinander verbindet und eine Spannung Uwr aufweist, dass der +Udc-Anschluss (5.2) bzw. die +Udc-Schiene die positiven Anschlüsse der einzelnen Kondensatoren mit einer Spannung +Udc miteinander verbindet und dass der -Udc-Anschluss (5.1 ) bzw. die -Udc-Schiene die negativen Anschlüsse der einzelnen Kondensatoren und die negativen Wechsel richter- Anschlüsse-mit -einer Spannung -Udc miteinander verbindet.
4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die DC-Quelle (6) die -Udc-Schiene (5.1 ) und die +.Udc-Schiene (5.2) mit Energie versorgt.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass jedem Wechselrichter (1 a, I b, 1c) ein Kondensator (2a, 2b, 2c) und eine Diode (4a, 4b, 4) zugeordnet sind, wobei die Dioden dafür sorgen, dass die Wechselrichter-Spannung Uwr auf den Wert der Kondensatorspannung Udc limitiert wird, hingegegn die Drossel (3) für alle Wechselrichter gemeinsam ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche- 1 - 5, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere seriell geschaltete Schalter (1.10, 1.1 t, 1.12, 1.13) einen mehrstufigen Wechselrichter biiden, dass alle seriell geschalteten Schalter (1.10, 1.11 , 1.12, 1.13) und die parallelen Dioden einer Brücke durch die mindestens eine Drossel (3) und durch die mindestens eine Diode (4) geschützt werden und dass die Gate-Driver der Schalter zur Erfassung eines Kurzschlusses vorgesehen sind, indem die Gäte-Driver (1.11 , 1.21 ) ein Fehlersignal für ein Steuergerät (5) generieren, mittels weichem im Fehlerfall die Sperrung aller Schalter der betroffenen Brücke erfoigt.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet dadurch, dass im Wechselrichter (1 ) mindestens ein Drucksensor angeordnet ist, der über die Erfassung der Druckwelle, welche bei Explosion des Schalters auftritt und dass der Drucksensor in Verbindung mit dem Steuergerät (5) zur Abschaltung des Wechselrichters vorgesehen ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet dadurch, dass im Wechselrichter (1 ) mindestens ein „Blitzsensor angeordnet ist, der über die über die Erkennung des Lichtbogens, weicher bei der Explosion des Schalters auftritt, in Verbindung rηit dem Steuergerät (5) zur Abschaltung des Wechselrichters vorgesehen ist.
9. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 8 in grossen Fahrzeugen und hiybridfahrzeugen.
10. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 8 in Antrieben von Ölplattformen und Schiffen.
1 1. Verfahren zürn Setrieb einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 8, gekennzeichnet dadurch, dass im Fall eines Kurzschlusses der Entladestrom über die Drossel (3) fliesst und deswegen langsamer ansteigt, dass die Gate-Driver (1.11, 1.21) die Sättigungsspannung (Vces) erfassen und beim Überschreiten eines Grenzwertes eine Fehlermeldung dem Steuergerät (5) zuführen, wenn ein zu hoher Entladestrom über die Brücken fliesst, dass das Steuergerät die-Schalier (1.10, 1.20) ausschaltet und dadurch die Brücke vor einerJZerstörung schützt und dass gleichzeitig die Diode (4) dafür sorgt, dass die Wechselrichter-Spannung auf den Wert der Kondensator- Spannung limitiert ist.
PCT/CH2008/000031 2007-10-02 2008-01-30 Anordnung zum schutz von wechselrichtern mit spannungszwischenkreis gegen brückenkurzschluss WO2009043186A2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112008002641T DE112008002641A5 (de) 2007-10-02 2008-01-30 Anordnung zum Schutz von Wechselrichtern mit Spannungszwischenkreis gegen Brückenkurzschluss
CN200880110406A CN101816120A (zh) 2007-10-02 2008-01-30 保护具有电压中间电路的变换器以防止电桥短路的装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH15242007A CH708168B1 (de) 2007-10-02 2007-10-02 Wechselrichteranordnung
CH1524/07 2007-10-02

Publications (3)

Publication Number Publication Date
WO2009043186A2 true WO2009043186A2 (de) 2009-04-09
WO2009043186A3 WO2009043186A3 (de) 2009-07-30
WO2009043186A4 WO2009043186A4 (de) 2009-09-24

Family

ID=39569425

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CH2008/000031 WO2009043186A2 (de) 2007-10-02 2008-01-30 Anordnung zum schutz von wechselrichtern mit spannungszwischenkreis gegen brückenkurzschluss

Country Status (4)

Country Link
CN (1) CN101816120A (de)
CH (1) CH708168B1 (de)
DE (1) DE112008002641A5 (de)
WO (1) WO2009043186A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3093970A4 (de) * 2014-01-10 2017-08-30 Hitachi Industrial Equipment Systems Co., Ltd. Stromwandler

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2608344A1 (de) 2011-12-19 2013-06-26 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Schützen eines Zwischenkreiskondensators in einer Stromrichterschaltung
DE102013224756A1 (de) * 2013-12-03 2015-06-03 Robert Bosch Gmbh Erkennung eines Defekts in einer Funktion wenigstens eines aktiven Schaltelements eines aktiven Brückengleichrichters eines Kraftfahrzeugbordnetzes
JP6747046B2 (ja) * 2016-05-12 2020-08-26 富士電機株式会社 昇圧チョッパ回路
DE102018202661A1 (de) * 2018-02-22 2019-08-22 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren und Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators
CN110247558B (zh) * 2018-03-09 2021-01-15 深圳市禾望电气股份有限公司 一种变流器故障处理方法、可读存储介质和变流器
CN112787314B (zh) * 2019-11-08 2023-01-20 上海中车汉格船舶与海洋工程有限公司 一种船舶直流电网短路保护装置
CN112787304B (zh) * 2019-11-08 2022-06-03 株洲中车时代电气股份有限公司 一种船舶直流电网纯固态短路保护装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2807009A (en) * 1956-05-08 1957-09-17 Scully Signal Co Fail-safe system and technique
DE1183171B (de) * 1962-09-18 1964-12-10 Vnii Shelesnodoroshnogo Transp Einrichtung zum Schutz von Halbleiter-Gleichrichteranlagen
DE19952507A1 (de) * 1999-10-29 2001-06-07 Siemens Ag Elektrische Kurzschließvorrichtung, Verwendung einer solchen Kurzschließvorrichtung und zugehörige Anlage

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2766436Y (zh) * 2004-11-23 2006-03-22 上海长江斯迈普电梯有限公司 多台电梯共用直流母线的节能装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2807009A (en) * 1956-05-08 1957-09-17 Scully Signal Co Fail-safe system and technique
DE1183171B (de) * 1962-09-18 1964-12-10 Vnii Shelesnodoroshnogo Transp Einrichtung zum Schutz von Halbleiter-Gleichrichteranlagen
DE19952507A1 (de) * 1999-10-29 2001-06-07 Siemens Ag Elektrische Kurzschließvorrichtung, Verwendung einer solchen Kurzschließvorrichtung und zugehörige Anlage

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NED MOHAN, TORE UNDELAND, WILLIAM ROBBINS: "Power Electronics: Converters, Applications, and Design" 1989, JONH WILEY & SONS , NEW YORK , XP002489053 ISBN: 0-471-50537-4 Seite 508, Absatz 20-10-3 *
QUINTAS A R ET AL: "OVERCURRENT PROTECTION AND SWITCHING AID FOR POWER DARLINGTONS: AN UNIQUE APPROACH" PROCEEDINGS OF THE EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS. (EPE). AACHEN, 9 - 12 OCTOBER, 1989, DUSSELDORF, EPE SECRETARIAT, DE, Bd. 2, 9. Oktober 1989 (1989-10-09), Seiten 737-741, XP000143475 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3093970A4 (de) * 2014-01-10 2017-08-30 Hitachi Industrial Equipment Systems Co., Ltd. Stromwandler

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009043186A3 (de) 2009-07-30
DE112008002641A5 (de) 2010-07-29
CH708168B1 (de) 2014-12-31
CN101816120A (zh) 2010-08-25
WO2009043186A4 (de) 2009-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1917706B1 (de) Stromrichterschaltung mit verteilten energiespeichern
DE112017007140T5 (de) Halbleitervorrichtung und Leistungsumwandlungssystem
EP2118993B1 (de) Verfahren zur schadenbegrenzung eines leistungshalbleiter aufweisenden stromrichters bei einem kurzschluss im gleichspannungszwischenkreis
WO2009043186A2 (de) Anordnung zum schutz von wechselrichtern mit spannungszwischenkreis gegen brückenkurzschluss
EP2596980B1 (de) Mehrpunkt-Stromrichter mit Bremschopper
EP2764595B1 (de) Verfahren zum schützen eines zwischenkreiskondensators in einer stromrichterschaltung
WO2010025758A1 (de) Vorrichtung mit einem umrichter
EP2639916A2 (de) Schaltungsanordnung für Stromrichter mit Zwischenkreis, sowie Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters
WO2013092054A1 (de) Modularer mehrstufiger wechselrichter mit einer vielzahl seriell geschalteter wechselrichtermodule und zentraler entladeschaltung
DE102018001032A1 (de) Motorantriebsvorrichtung
DE102013225603B4 (de) Stromrichtervorrichtung für eine Ein- oder Mehrachsanordnung und Betriebsverfahren
DE10333798B4 (de) Verfahren zum Kurzschliessen eines fehlerhaften Teilumrichters
EP3251194B1 (de) Energiespeicheranordnung
EP0867063B1 (de) Batterieankoppelvorrichtung
DE102015013875B4 (de) Wechselrichter für eine elektrische Maschine, elektrische Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters
EP3783783A1 (de) Anordnung zum regeln eines leistungsflusses in einem wechselspannungsnetz und verfahren zum schutz der anordnung
DE212015000322U1 (de) Multilevelumrichter mit Redundanzmodul
DE4435255A1 (de) Verfahren zur Fehlerbehebung in einer Stromrichterschaltungsanordnung
WO2015161893A1 (de) Verfahren zur erkennung eines zusammenbruchs einer spannung
DE102008020030B4 (de) Schaltungsanordnung mit einem Gleichrichter und einer Schaltung zum Schutz zumindest eines an die Schaltungsanordnung anschließbaren Gleichstromnetzes mit Gleichstromverbrauchern gegen Überspannung
DE10031778A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Stromanstiegsgeschwindigkeit
EP1299936B1 (de) Schutzschaltung für eine netzgeführte thyristorbrücke
WO2018138017A1 (de) Halbleitermodul
DE102013218799A1 (de) Modularer Stromrichter
DE102022211580A1 (de) Verfahren zur Ansteuerung von topologischen Schaltern einer Halbbrücke in einem Leistungsmodul eines Inverters

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200880110406.8

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08700536

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120080026416

Country of ref document: DE

REF Corresponds to

Ref document number: 112008002641

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20100729

Kind code of ref document: P

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08700536

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2