DE4042378C2

DE4042378C2 -

Info

Publication number: DE4042378C2
Application number: DE4042378A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr.-Ing. Eggert; Matthias Dr.-Ing. 1000 Berlin De Jung
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Alstom Anlagen und Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 1990-06-23
Filing date: 1990-06-23
Publication date: 1993-04-22
Also published as: DE4042378A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine symmetrische Schaltentlastungsanordnung für ein aus gategesteuerten Halbleiterschaltern gebildetes Wechselrichterpaar. Bekannt ist durch die EP 03 35 169 A1 eine solche Schaltungsanordnung mit gategesteuerten Halbleiterschaltern,

- die jeweils über eine Drosselspule mit einem der Pole einer Gleichspannungsquelle verbunden sind,
- deren unmittelbare Verbindung den Wechselspannungsanschluß darstellt,
- denen jeweils eine Freilaufdiode antiparallelgeschaltet ist
- und denen jeweils eine Reihenschaltung aus einem gemeinsamen, mit seinem einen Anschluß direkt an die unmittelbare Verbindung der Halbleiterschalter geschalteten Abschaltentlastungskondensator, eine Abschaltentlastungsdiode und einem Speicherkondensator parallelgeschaltet ist, wobei ein Anschluß jedes Speicherkondensators über einen ohmschen Widerstand mit einem der Pole der Gleichspannungsquelle in Verbindung steht.

Unter gategesteuerten (Leistungs-)Halbleiterschaltern sind hierbei GTO-Thyristoren, aber auch alle sonstigen über ihren Steueranschluß ein- und abschaltbare Halbleiterschaltelemente zu verstehen.

Bei der Schaltungsanordnung nach der zuvor erwähnten EP 03 35 169 A1 ist der aus den gategesteuerten Halbleiterschaltern und den ihnen antiparallelliegenden Freilaufdioden bestehende Wechselrichterleistungsteil über je eine als sättigbare Stufendrossel ausgebildete Drosselspule mit dem positiven bzw. negativen Pol der speisenden Gleichspannungsquelle verbunden. Zur Schaltentlastung der Halbleiterschalter dient ein Beschaltungsnetzwerk. In diesem bewirkt ein aus dem gemeinsamen Abschaltentlastungskondensator, den zwei Speicherkondensatoren und den zwei Abschaltentlastungsdioden bestehender Teil eine gleichmäßige Abschaltentlastung und ein aus zwei weiteren linearen Stromanstiegsbegrenzungsdrosseln und vier Rückspeisedioden bestehender Teil eine gleichmäßige Einschaltentlastung des jeweiligen Halbleiterschalters. Mit Hilfe der Stufendrosseln wird der Leistungsteil und das Beschaltungsnetzwerk insbesondere während des Einschaltvorganges einer der Halbleiterschalter vorübergehend so von der Gleichspannungsquelle abgekoppelt, daß die zwischengespeicherten Beschaltungs energien teilweise in die Last eingespeist bzw. in die Gleichspannungsquelle zurückgespeist werden.

Der Einsatz der sättigbaren Stufendrosseln macht die Dimensionierung der Schaltelemente wegen der variablen Arbeitspunkte problematisch. Auch ist das Kurzschlußverhalten ungünstig, da insbesondere im Sättigungsfall der Stu fendrossel der Strom bei einem Zweigkurzschluß zusätzlich zu begrenzen ist. Die nur teilweise Energierückspeisung ist darüber hinaus wenig effektiv. Da gegen ist der Aufwand für diese bekannte Schaltentlastung wegen der vielen Bauelemente recht hoch.

Mit erheblich weniger Aufwand arbeiten Schaltentlastungsschaltungen mit un symmetrischem Aufbau. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die DE 32 44 623 A1 bekannt. Bei dieser ist nur einer der beiden Leistungshalb leiterschalter mit einem Abschaltentlastungskondensator beschaltet, und der Speicherkondensator liegt zu den beiden Halbleiterschaltern parallel. Der Ab schaltentlastungskondensator begrenzt beim Aufladen den Spannungsanstieg am ihm parallelliegenden Halbleiterschalter und beim Entladen am zweiten Halb leiterschalter. Diese Entladung ist jedoch problematisch, da der Abschaltstrom des zweiten Halbleiterschalters über die beiden Kondensatoren nach dem Minus potential der Gleichspannungsquelle fließt. Die Induktivität dieses Kreises muß sehr klein sein, damit die geringe, maximal zulässige erste Spannungsspitze beim Ansteigen der Spannung (d. h. die sogenannte Vorwärts-Nadelspannung) nicht überschritten wird. Das führt zu relativ komplizierten und damit teueren Verbindungen des Speicherkondensators in der Schaltung. Die Serieninduktivität des Speicherkondensators muß darüber hinaus ebenfalls gering sein. Dieses Problem verstärkt sich mit zunehmenden Werten von Strom und Spannung, so daß unter anderem der enge Einbau der Konstruktion einer Luftkühlung erschwert sowie Montage und Service behindert werden.

Insbesondere bei Wechselrichtern höherer Leistung (d. h. höherer Zwischenkreis spannung als Gleichspannungsquelle eines einen derartigen Wechselrichter auf weisenden Umrichters) wird die Strombelastung des Abschaltentlastungskonden sators sehr hoch und es tritt zudem eine hohe erste Spannungsspitze am zweiten Halbleiterschalter auf.

Um dieses zu verhindern, eignen sich symmetrische Schaltungsanordnungen, wie sie aus der eingangs genannten EP 03 35 169 A1 bekannt sind oder wie sie in der älteren DE-Patentanmeldung 39 15 310.2 (vgl. DE 39 15 310 A1) vorgeschlagen sind, bei denen jedem der Halbleiterschalter ein Abschaltentlastungskreis aus Abschaltent lastungskondensator und Abschaltentlastungsdiode parallelliegt. Damit wird aber auch - wie bereits erwähnt - der Bauteilaufwand sehr hoch.

Es sind durch die EP 02 99 339 A1 verlustarme Beschaltungen eines Dreipunkt wechselrichters bekannt, die zum Abbau der gespeicherten Beschaltungsenergie neben Abschaltentlastungsdioden und Abschaltentlastungskondensatoren auch zwei ohmsche Widerstände aufweisen, die zu je zweien der vier miteinander verbundenen Halbleiterschalter zugeordnet sind. Entlastungsschaltungen dieser Art sind vom Aufbau und von der grundsätzlichen Funktion wegen des unter schiedlichen Betriebsverhaltens eines Dreipunktwechselrichters nicht mit der der Erfindung zugrundeliegenden Art von Schaltentlastungsanordnungen bei aus zwei gategesteuerten Halbleiterschaltern aufgebauten Wechselrichterzweigpaaren vergleichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltungs anordnung derart zu verbessern, daß die Schaltentlastung mit nur geringem Aufwand möglich ist, ohne daß die Nachteile einer unsymmetrischen Beschal tung in Kauf genommen werden müssen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Der nachteilige Einsatz der sättigbaren Stufendrosseln wird somit vorteilhaft vermieden und die unbedeutende Energierückspeisung entfällt, ohne daß trotz des erheblich verringerten Schaltungsaufwands in der Praxis Probleme auftreten.

Ein Wechselrichter, insbesondere ein Pulswechselrichter, dessen Zweigpaare pro Phase entsprechend der Erfindung beschaltet sind, weist damit eine besonders sichere Betriebsweise seiner Halbleiterschalter auf.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnungsfigur dargestell ten Ausführungsbeispiels erläutert werden:

Die Zeichnungsfigur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Schaltentlastung eines Wechselrichterzweigpaares aus zwei zwischen den mit +, - bezeichneten Polen einer Gleichspannungsquelle U_d angeordneten Halbleiterschaltern T₁ und T₂. Diese Halbleiterschalter T₁, T₂ sind als GTO-Thyristoren dargestellt, wobei hier sämtliche nicht für das Verständnis der Erfindung notwendigen Beschaltungs elemente fortgelassen sind.

Mehrere (in der Regel: 3) dieser Wechselrichterzweigpaare liegen üblicher weise zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle U_d parallel und sind jeweils zur Bildung einer Wechselspannungsphase vorgesehen. Der Wechsel spannungsanschluß des Wechselrichters ist dabei jeweils an der direkten Ver bindung der beiden Halbleiterschalter T₁, T₂ vorgesehen.

Den beiden Halbleiterschaltern T₁, T₂ ist jeweils eine Freilaufdiode D₁, D₂ antiparallelgeschaltet.

Weiterhin ist jedem der Halbleiterschalter T₁, T₂ eine den Stromanstieg beim Einschalten des jeweiligen Halbleiterschalters T₁ bzw. T₂ begrenzende lineare Drosselspule L_K1 bzw. L_K2 in Reihe geschaltet. Hinsichtlich dieser Drosselspulen L_K1, L_K2 sei angemerkt, daß diese nicht an den in der Zeich nungsfigur gezeigten Stellen der Schaltungsanordnung liegen müssen. Sie können auch z. B. nur einzeln, d. h. nur L_K1 oder nur L_K2, eingesetzt werden oder (gemeinsam für die einzelnen Wechselrichterzweigpaare) in den Zuleitungen von der Gleichspannungsquelle U_d liegen. Für die Abschaltentlastung der Halbleiterschalter T₁, T₂ ist ein gemeinsamer Abschaltentlastungskondensator C_S vorgesehen, der mit seinem einen Anschluß direkt an den Wechselspannungs anschluß geschaltet ist. Dieser Abschaltentlastungskondensator C_S liegt in Reihe mit einer ersten Abschaltentlastungsdiode D_S1 und einem ersten Spei cherkondensator C₀₁ parallel zum ersten Halbleiterschalter T₁. Der gemein same Abschaltentlastungskondensator C_S liegt aber auch gleichzeitig in Reihe mit einem zweiten Speicherkondensator C₀₂ und einer zweiten Abschaltent lastungsdiode D_S2 parallel zu dem zweiten Halbleiterschalter T₂.

Die beiden Speicherkondensatoren C₀₁, C₀₂ sind jeweils mit ihrem nicht mit dem Abschaltentlastungskondensator C_S verbundenen Anschluß über ohmsche Widerstände R₀₁, R₀₂ an den positiven bzw. negativen Pol der Gleichspannungs quelle U_d angeschlossen. Die erste Abschaltentlastungsdiode D_S1 ist kathoden seitig an die Verbindung des ersten ohmschen Widerstands R₀₁ mit dem Spei cherkondensator C₀₁ angeschlossen, während die Anode der zweiten Abschalt entlastungsdiode D_S2 an die Verbindung zwischen dem zweiten ohmschen Wi derstand R₀₂ und dem Speicherkondensator C₀₁ gelegt ist.

Die Kondensatoren C₀₁, C₀₂, C_S brauchen jeweils nur für die halbe Spannung der Gleichspannungsquelle U_d bemessen zu werden. Trotz der Symmetrie der Beschaltung des Wechselrichterzweigpaares ist der Bauelementeaufwand somit gering gehalten.

Claims

Symmetrische Schaltentlastungsanordnung für ein aus gategesteuerten Halbleiterschaltern gebildetes Wechselrichterzweigpaar, die folgende Merkmale aufweist:
- a) Die jeweils eine ihnen antiparallelgeschaltete Freilaufdiode (D₁, D₂) aufweisenden Halbleiterschalter (T₁, T₂), deren unmittelbare Verbindung den Wechselspannungsanschluß darstellt, sind jeweils über eine als lineare, den Stromanstieg beim Einschalten eines der Halbleiterschalter (T₁, T₂) begrenzende Drosselspulen (L_K₁, L_K₂) mit einem der Pole einer Gleichspannungsquelle (U_d) verbunden.
- b) Ein mit seinem einen Anschluß an dem Wechselspannungsanschluß liegender Abschaltentlastungskondensator (C_S) ist mit seinem anderen Anschluß unmittelbar an zwei Speicherkondensatoren (C₀₁, C₀₂) angeschlossen, die jeweils andererseits unmittelbar über einen ohmschen Widerstand (R₀₁, R₀₂) mit einem Pol der Gleichspannungsquelle (U_d) verbunden sind.
- c) Zwei Abschaltentlastungsdioden (D_S₁, D_S₂) verbinden gleichspannungspotentialmäßig zugeordnet jeweils unmittelbar den Verbindungspunkt zwischen der Drosselspule (L_K₁ bzw. L_K₂) und dem Halbleiterschalter (T₁ bzw. T₂) mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Speicherkondensator (C₀₁ bzw. C₀₂) und dem ohmschen Widerstand (R₀₁ bzw. R₀₂).