DE3717488A1 - Ausschalt-entlastungsnetzwerk fuer wechselrichter mit gto-thyristoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ausschalt-Entla­ stungsnetzwerk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Ausschalt-Entlastungsnetzwerk für Wechsel­ richter mit GTO-Thyristoren ist aus der DE-OS 35 18 478 bekannt.

Ausschalt-Entlastungsnetzwerke begrenzen allgemein die Steilheit der wiederkehrenden Spannung nach dem Aus­ schalten eines GTO-Thyristors oder Leistungstransistors. Bei einer gebräuchlichen Schaltung ist dem GTO-Thyristor die Serienschaltung einer Diode und eines Kondensators parallelgeschaltet, wobei ein Widerstand parallel zur Diode liegt (RCD-Schaltung). Nach dem Sperren des GTO- Thyristors kommutiert dessen Laststrom auf den Nebenweg Diode-Kondensator und lädt den Kondensator zeitlinear auf. Auf diese Weise wird die Anstiegssteilheit der Spannung am GTO-Thyristor begrenzt. Wird der GTO-Thyri­ stor danach wieder eingeschaltet, so entlädt sich der Kondensator über den Widerstand, wobei sein Energiein­ halt vollständig in Verlustwärme umgewandelt wird. Diese Verluste sind ein wesentlicher Teil der gesamten Verlu­ ste eines GTO-Wechselrichters.

Aus der DE-OS 35 18 478 ist eine Schaltung bekannt, bei der die Energie des Kondensators in den Zwischenkreis des Umrichters, d.h. in die Gleichspannungsquelle, über einen Transformator zurückgespeist wird, um Verluste zu vermeiden. Für die Erläuterung der Funktionsweise der bekannten Schaltung wird von folgendem Ausgangszustand ausgegangen:

Beide GTO-Thyristoren sind gesperrt, der Kondensator parallel zum ersten GTO-Thyristor ist auf eine Spannung größer als die Spannung der Gleichspannungsquelle aufge­ laden, der Kondensator parallel zum zweiten GTO-Thyri­ stor ist ungeladen, der Transformator ist stromlos. Beim Einschalten des ersten GTO-Thyristors wird zunächst der zu diesem Thyristor parallele Kondensator über den Transformator und die Dioden entladen, wobei der gesamte Energieinhalt des Kondensators über den Transformator und den sekundärseitig vorgesehenen Gleichrichter in den Zwischenkreis zurückgespeist wird, mit Ausnahme eines kleinen Restes, der im Hauptfeld des Transformators ge­ speichert ist. Dieser durch das Hauptfeld des Transfor­ mators verursachte Magnetisierungsstrom wird jedoch nur sehr langsam durch parasitäre Spannungsabfälle abgebaut. In der Praxis beginnt daher häufig der nächste Rückspei­ sezyklus bereits, bevor der Transformator restlos abma­ gnetisiert ist. Das führt nach wenigen Rückspeisungen zur Sättigung des Transformators, wodurch die Funktion der Schaltung zusammenbricht. Zur schnelleren Abmagneti­ sierung des Transformators wird in der DE-OS 35 18 478 vorgeschlagen, die direkt am Transformator liegende Di­ ode durch einen GTO-Thyristor zu ersetzen. Durch Ab­ schalten dieses GTO-Thyristors wird der Magnetisierungs­ strom einfach unterbrochen. Der Transformator magneti­ siert sich dann über seine Sekundärwicklung schnell ge­ gen die Zwischenkreisspannung ab. Die Ansteuerung des GTO-Thyristors inklusive der notwendigen Leittechnik ist jedoch sehr aufwendig und schwierig zu betreiben und birgt zusätzliche Risiken bezüglich der Zuverlässigkeit. Desweiteren benötigt der zusätzliche GTO-Thyristor selbst auch eine Entlastungsschaltung, was den Aufwand ncch erhöht.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, ein praxistaugliches Ausschalt-Entlastungsnetzwerk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, das eine schnelle Abmagnetisie­ rung des zur Energierückspeisung eingesetzten Transfor­ mators ohne den Einsatz gesteuerter Bauelemente gewähr­ leistet.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß das Ausschalt-Entlastungsnetzwerk wesentlich elastischer gegenüber wechselnden Betriebsbe­ dingungen ist als andere übliche Schaltungen. Es ist auch für Stromrichter in Brückenschaltungen geeignet. Die Zwischenkreisspannung kann fest oder variabel (z.B. bei Einsatz in Dieselloks) sein. Das Ausschalt-Entla­ stungsnetzwerk ist durchzündungsfest, verlustarm, ein­ fach aufgebaut und benötigt keine zusätzlichen gesteuer­ ten Hilfselemente.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das verlustarme Ausschalt-Entlastungsnetzwerk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren,

Fig. 2 eine Variante zur Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 wichtige Strom- und Spannungsverläufe.

In Fig. 1 ist das verlustarme Ausschalt-Entlastungsnetz­ werk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren dargestellt. An dem Pluspol P einer Gleichspannungsquelle ist ein erster GTO-Thyristor T 1 (Gate-turn-off-Thyristor) mit seiner Anode angeschlossen. Eine Diode D 1 liegt antipa­ rallel zu T 1. Die Serienschaltung eines Kondensators C 1 und einer Diode D 11 ist ebenfalls parallel zu T 1 ange­ ordnet. Die Kathode von T 1, die Anode von D 1 und die Kathode von D 11 sind miteinander verbunden.

An den Minuspol N der Gleichspannungsquelle ist ein zweiter GTO-Thyristor T 2 mit seiner Kathode angeschlos­ sen. Eine Diode D 2 liegt antiparallel zu T 2. Die Serien­ schaltung eines Kondensators C 2 und einer Diode D 12 ist ebenfalls parallel zu T 2 angeordnet. Die Anode von T 2, die Kathode von D 2 und die Anode von D 12 sind miteinan­ der verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt T 2/ D 2/ D 12 ist zum gemeinsamen Verbindungspunkt T 1/ D 1/ D 11 geführt. Der Ausgang A des Wechselrichters ist an diese Verbin­ dungspunkte angeschlossen.

An den Verbindungspunkt von C 1/D 11 ist die erste Klemme der Primärwicklung eines Transformators L 3 angeschlos­ sen. Die zweite Klemme von L 3 führt über eine Parallel­ schaltung eines Kondensators C 3 mit einem Widerstand R 3 und über eine Diode D 3 zum Verbindungspunkt von C 2/D 12.

Die Sekundärwicklung von L 3 liegt einerseits am Minuspol N, andererseits über einer Diode D 4 am Pluspol P der Gleichspannungsquelle.

Die Spannungen an den Kondensatoren C 1 bzw. C 2 bzw. C 3 sind mit U _{C 1} bzw. U _{C 2} bzw. U _{C 3} bezeichnet. Der Strom durch die Primärwicklung von L 3 beträgt i _{L 3}. Die an der Primärwicklung des Transformators L 3 eingekoppelte transformatorische Gleichspannung ist mit U _{L 3} bezeich­ net.

In Fig. 2 ist eine Variante zur Schaltung gemäß Fig. 1 dargestellt. Zwischen den Verbindungspunkten T 1/ D 1/ D 11 und T 2/ D 2/ D 12 sind dabei Schutzdrosseln L 1/2 angeordnet. Der Ausgang A des Wechselrichters liegt zwischen beiden Schutzdrosseln bzw. am Mittelabgriff einer gemeinsamen Schutzdrossel.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der verlustarmen Ausschaltentlastung für Wechselrichter mit GTO-Thyristo­ ren beschrieben. Es wird dabei von einem Zustand ausge­ gangen, bei dem die Spannungen U _{C 1} und U _{C 3} Null sind, d.h. die Kondensatoren C 1 und C 3 sind entladen. Der Kon­ densator C 2 ist dagegen mindestens auf die eingangssei­ tig anliegende Gleichspannung aufgeladen. Die beiden GTO-Thyristoren T 1 und T 2 sperren.

Durch Zündung von T 2 wird der Stromkreis C 2-D 3-C 3||R 3 - Primärwicklung von L 3-D 11-T 2 geschlossen. Der zeitliche Verlauf des in diesem Abschnitt I fließenden Stromes i _{L 3} ist in Fig. 3 gezeigt. Die sich ausbildende Schwingung entlädt den Kondensator C 2, d.h. die Spannung U _{C 2} sinkt. Gleichzeitig steigt die Spannung U _{C 3}, d.h. der Kondensa­ tor C 3 wird aufgeladen.

Da die Zeitkonstante R 3×C 3 wesentlich größer ist als die Periodendauer der Schwingung, kann der Widerstand R 3 im Abschnitt I außer Betracht bleiben. Den Stromverlauf bestimmen die Reihenkapazitäten aus C 2 und C 3, die Streuinduktivität des Transformators L 3 und die trans­ formatorisch eingekoppelte Gleichspannung. Diese Gleich­ spannung muß kleiner sein als die halbe Anfangsspannung des Kondensators C 2, sonst wird dieser nicht vollständig entladen.

Sobald der Kondensator C 2 entladen ist (U _{C 2}=0), wird die Diode D 12 in einem Abschnitt II leitend. Der durch die Induktivität von L 3 weiter getriebene Strom i _{L 3} fließt jetzt im geschlossenen Stromkreis Primärwicklung von L 3-D 11-D 12-D 3-C 3||R 3 (R 3 weiterhin vernachlässig­ bar). Dies ist wiederum ein Schwingkreis aus der indu­ zierten Gleichspannung U _{L 3}, der Streuinduktivität von L 3 und der Kapazität C 3. Im Abschnitt II magnetisiert sich die Streuinduktivität gegen die transformatorische Span­ nung und die Spannung des Kondensators C 3 ab, bis ihr Strom auf den Wert des Magnetisierungsstromes von L 3 gefallen ist.

Danach verschwindet in einem Abschnitt III die transfor­ matorische Spannung U _{L 3} und die Hauptinduktivität des Transformators L 3 wird für den weiteren Stromverlauf bestimmend. Der Magnetisierungsstrom i _{L 3} baut sich nun in einem relativ langsamen, durch den Widerstand 3 stark gedämpften Schwingungsvorgang gegen die Spannung U _{C 3} des Kondensators C 3 ab. Der Kondensator C 3 stellt die zur kontrollierten Abmagnetisierung des Transformators L 3 erforderliche Spannung U _{C 3} zur Verfügung. Dies ist seine eigentliche Aufgabe.

Sobald der durch die Primärwicklung des Transformators L 3 fließende Strom i _{L 3} durch Null geht, sperrt die Diode D 3 in einem Abschnitt IV. Nun entlädt sich nur noch der Kondensator C 3 über den Widerstand R 3 bis auf Null.

Während der Abschnitte I und II wird Energie aus dem Kondensator C 2 über die transformatorische Kopplung in die Gleichspannungsquelle (Zwischenkreis) zurückge­ speist. Die während des gesamten Prozesses dem RC-Glied C 3/ R 3 zugeführte Energie wird dagegen im Widerstand R 3 in Wärme umgesetzt. Damit dieser Verlustanteil klein bleibt, sollte der Kondensator C 3 eine große Kapazität aufweisen. Ein Kondensator C 3 mit zu großer Kapazität verlängert jedoch andererseits die Abmagnetisierungs­ zeit. Ein guter Kompromiß ist C 3≈10....30 C 2. R 3 muß so gewählt werden, daß die Zeitkonstante C 3×R 3 größer ist als die Zeitkonstante L 3/ R 3. Hier ist etwa ein Fak­ tor 2 sinnvoll.

Das Ausschalt-Entlastungsnetzwerk ermöglicht eine Rück­ speisung von etwa 70% der anfangs im Entlastungskondensa­ tor (C 1 bzw. C 2) enthaltenen Energie (begrenzter Rück­ speise-Wirkungsgrad), wobei die prinzipbedingten Verlu­ ste durch den Widerstand R 3 verursacht sind. Die Schal­ tung bildet einen guten Kompromiß zwischen den Forderun­ gen nach Verlustverminderung einerseits und Praxistaug­ lichkeit andererseits.

Claims (3)

1. Ausschalt-Entlastungsnetzwerk für Wechselrichter mit GTO-Thyristoren, bei dem jedem GTO-Thyristor die Serienschaltung eines Kondensators mit einer Diode pa­ rallel liegt und die gemeinsamen Verbindungspunkte von Kondensatoren und Dioden über die Primärwicklung eines Transformators und eine Diode zusammengeschlossen sind, wobei die Sekundärwicklung des Transformators über eine Diode an der versorgenden Gleichspannungsquelle liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Primärwicklung des Transformators (L 3) und der Diode (D 3) ein Konden­ sator (C 3) mit parallelgeschaltetem Widerstand (R 3) vor­ gesehen ist.

2. Ausschalt-Entlastungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensa­ tors (C 3) des RC-Gliedes (R 3, C 3) ungefähr 10 bis 30 mal so groß wie die Kapazität des parallel zu einem GTO-Thy­ ristor (T 1, T 2) angeordneten Kondensators (C 1, C 2) ist.

3. Ausschalt-Entlastungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R 3) des RC- Gliedes (R 3, C 3) so gewählt ist, daß die durch den Kon­ densator (C 3) des RC-Gliedes bestimmte Zeitkonstante (R 3×C 3) ungefähr doppelt so groß wie die durch die Haupt-Induktivität des Transformators (L 3) bestimmte Zeitkonstante (L 3/ R 3) ist.