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WO2013064310A1 - Umrichterschaltung und verfahren zum betrieb einer solchen umrichterschaltung - Google Patents

Umrichterschaltung und verfahren zum betrieb einer solchen umrichterschaltung Download PDF

Info

Publication number
WO2013064310A1
WO2013064310A1 PCT/EP2012/068756 EP2012068756W WO2013064310A1 WO 2013064310 A1 WO2013064310 A1 WO 2013064310A1 EP 2012068756 W EP2012068756 W EP 2012068756W WO 2013064310 A1 WO2013064310 A1 WO 2013064310A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switch
converter system
inductance
short
circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/068756
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Steimer
Oscar Apeldoorn
Original Assignee
Abb Technology 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 Abb Technology Ag filed Critical Abb Technology Ag
Publication of WO2013064310A1 publication Critical patent/WO2013064310A1/de

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    • 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
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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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 the field of power electronics. It is based on a converter circuit and a method for operating such a converter circuit according to the preamble of the independent claims.
  • the converter circuit of DE 102005040543A1 comprises at least two phase components, each phase component having a first and a second partial converter system.
  • Each sub-converter system comprises an inductance and series-connected n series-connected two-pole switching cells, where n> 2 and each switching cell has controllable bidirectional power semiconductor switches with controlled unidirectional current carrying direction and a capacitive energy storage.
  • the inductance of the first partial converter system is connected in series with the inductance of the second partial converter system.
  • the connection point of the inductance of the first partial converter system with the inductance the second subcircuit system a phase connection.
  • an AC electrical network or load is connected to the phase terminals.
  • the resulting fault current typically flows through the affected phase terminal from or into the AC electrical network or from or to the electrical load before disconnecting the inverter circuit at the phase terminals.
  • the converter circuit in particular the components of the converter circuit, can be damaged, so that the converter circuit must be repaired or serviced and the availability of the converter circuit decreases.
  • the object of the invention is therefore to specify a converter circuit and a method for operating such a converter circuit, so that improved control of a fault current occurring in the event of a fault in a partial converter system of a phase component of the converter circuit is possible.
  • the inventive converter circuit comprises at least two phase components, each phase component having a first and a second partial converter system.
  • Each partial converter system comprises an inductance and n series-connected bipolar switching cells, where n> 2, and each switch cell has controllable bidirectional power semiconductor switches with controlled unidirectional current-carrying direction and a capacitive energy store.
  • the inductance of the first partial converter system is connected in series with the inductance of the second partial converter system.
  • the connection point of the inductance of the first partial converter system with the inductance of the second partial converter system forms a phase connection for each phase component.
  • a short-circuit element is now connected in parallel to each switching cell at the terminal poles of the switching cell, and in addition, a break element is connected in series with each switching cell in a connection between the associated short-circuit element and the switching cell.
  • the respective short-circuit element is used for galvanic connection, i. the short circuit of the associated switching cell in the event of a fault current occurring due to an error in a Sectionumrichtersystem a phase block. So that no fault current can flow through the switching cell during short-circuiting of the switching cell, the interruption element is advantageously connected in a connection between the associated short-circuit element and the switching cell, which is then opened.
  • the associated short-circuit element is therefore generally closed in at least one switching cell of this partial converter system and the interruption element is opened.
  • the interruption element thus makes it possible to interrupt a fault current, which flows in particular in the direction of the switching cell, quickly and safely.
  • the shorting element is first closed and then the interruption element is opened.
  • the associated short-circuit element is generally closed and the interruption element is opened in general in the case of at least one switching cell of this partial converter system.
  • the shorting element is first closed and then the interruption element is opened.
  • the associated short-circuit element is additionally closed and the interruption element is opened in the event of at least one switching cell of the further partial converter system.
  • said error is further preferably after closing the short-circuit element and after opening the interruption element connected to the phase terminals circuit breaker open, so that the converter circuit can be advantageously separated easily and quickly at the phase terminals.
  • the short-circuit element together with the interruption element thus make it possible to keep any occurring fault current from a switching cell, several or all switching cells of a Operaumrichtersys- tems or more or all Operaumrichtersystemen before the converter circuit on the phase terminals is separated.
  • a fault current occurring in the event of a fault in a partial converter system of a phase module can be controlled very easily before the converter circuit is disconnected at the phase connections.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a converter circuit according to the invention
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a converter circuit according to the invention
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a switching cell of the converter circuit according to the invention
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a switching cell of the converter circuit according to the invention
  • Fig. 5 shows a first embodiment of an interruption element of the inventive
  • Fig. 6 shows a second embodiment of an interruption element of the inventive converter circuit
  • the converter circuit comprises at least two phase modules 1, each phase module 1 having a first and a second partial converter system 2, 3.
  • Each sub-converter system 2, 3 further comprises an inductance L1, L2 and series-connected n series-connected two-pole switching cells 4, where n> 2 and each switching cell has 4 controllable bidirectional power semiconductor switches with controlled unidirectional current carrying direction and a capacitive energy storage.
  • the respective controllable bidirectional power semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction of the switching cells 4 of the partial converter systems 2, 3 is in particular as a turn-off thyristor (GTO) or as an integrated thyristor with a commutated gate drive (IGCT) with one each formed antiparallel connected diode.
  • GTO turn-off thyristor
  • IGCT commutated gate drive
  • it is also conceivable to form a controllable bidirectional power semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction for example as a power MOSFET with additionally antiparallel-connected diode or as a bipolar transistor with insulated gate electrode (IGBT) with additionally antiparallel connected diode.
  • a first embodiment of a switching cell of the inventive converter circuit is shown by way of example, wherein the controllable bidirectional power semiconductor switches are connected with controlled unidirectional current carrying direction in half-bridge circuit and the capacitive energy storage is connected in parallel to the half-bridge circuit.
  • a second embodiment of a switching cell of the converter circuit according to the invention is shown by way of example in FIG. 4, wherein the controllable bidirectional power semiconductor switches with controlled unidirectional current-carrying direction are connected in full-bridge circuit and the capacitive energy store is connected in parallel with the full-bridge circuit.
  • the phase components 1 are connected in parallel to one another, as shown by way of example in FIGS. 2 and 3.
  • the inductance L1 of the first partial converter system 2 is connected in series with the inductance L2 of the second partial converter system 3. Furthermore, for each phase module 1, the connection point of the inductance L1 of the first partial converter system 2 with the inductance L2 of the second partial converter system 3 forms a phase connection K1, K2, K3.
  • a short-circuit element S1 is now connected in parallel to each switching cell 4 at the connecting poles A1, A2 of the switching cell 4, and moreover, in each switching cell 4, it is connected between the associated short-circuit element S1 and the switching cell 4, a break element S2 connected in series.
  • the respective short-circuit element S1 is used for the galvanic connection, ie the short circuit of the associated switching cell 4 in the event of a fault current occurring due to an error in a partial converter system 2, 3 of a phase module. 1
  • the short circuit of the switching cell 4 no leakage current can flow through the switching cell 4, the interruption element S2 is advantageously connected in a connection between the associated short-circuit element S1 and the switching cell 4, which is then opened.
  • the associated short-circuit element S1 is thus generally closed in at least one switching cell 4 of this partial converter system S1, which thus assumes the fault current, and the interruption element S2 is opened, the switching cell 4 connected to the respective interrupting element S2 can help that the remaining current, which still flows through the respective interruption element S2, can be reduced.
  • the short-circuit element S1 is first closed and then the interruption element S2 is opened. After separation of the converter circuit at the phase terminals K1, K2, K3 then the respective short-circuit element S1 is opened again.
  • the possibilities of the serial connection of the respective interruption element S2 in the connection between each of the associated short-circuit element S1 and the switching cell 4 are exemplified, of course, a combination would be conceivable.
  • the interruption element S2 makes it possible to quickly and surely interrupt a fault current.
  • the associated short-circuit element S1 is also closed in the process and additionally the interruption element S2 is opened in the event of at least one switching cell 4 of the further partial converter system 2, 3.
  • the short-circuit element S1 together with the interruption element S2 thus makes it possible to keep an occurring fault current from one switching cell 4, several or all switching cells 4 of a partial converter system 2, 3 or more or all partial converter systems 2, 3, before the converter circuit at the phase terminals K1, K2, K3 is separated.
  • a fault current occurring in the event of a fault in a partial converter system 2, 3 of a phase module 1 can therefore be controlled very easily before the converter circuit is disconnected at the phase terminals K1, K2, K3. If no fault current occurs in a partial converter system 2, 3 of a phase module 1, the respective short-circuit element S1 is opened and the respective interrupt element S2 is closed.
  • the respective interruption element S2 is formed by a controllable switch with bidirectional current-carrying direction, so that advantageously fault currents of different polarity can be interrupted.
  • the controllable switch with bidirectional current-carrying direction of the interruption element S2 can be designed as a mechanical switch. As shown by way of example in FIG. 5, the controllable switch with bidirectional current-carrying direction of the interruption element S2 can also be formed by two controllable bidirectional power semiconductor switches connected in antiparallel with a controlled unidirectional current-carrying direction.
  • the respective controllable bidirectional power semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction may comprise a bipolar transistor with a gate electrode arranged isolated and an antiparallel-connected diode with respect to the bipolar transistor.
  • the respective controllable bidirectional power semiconductor switch has a power MOSFET with diode connected in antiparallel to it.
  • the respective controllable bidirectional power semiconductor switch with controlled unidirectional current-carrying direction has a reverse-blocking thyristor.
  • the short-circuit element S1 is formed by a controllable switch with bidirectional current-carrying direction.
  • the controllable switch with bidirectional current-carrying direction of the short-circuit element S1 is preferably designed as a mechanical switch. Such a mechanical switch triggers sufficiently quickly and provides a reliable galvanic connection between the terminal poles A1, A2 of the associated switching cell 4.
  • Current direction of the short-circuit element S1 is formed by two antiparallel connected controllable power semiconductor switch, as shown in Fig. 1 and Fig. 2 by way of example.
  • a respective controllable power semiconductor switch for example, a turn-off thyristor (GTO - gate turn-off thyristor) or an integrated thyristor with commutated drive electrode (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor) is conceivable.
  • the thyristors to be used are designed as symmetrical thyristors.
  • the respective controllable power semiconductor switch for example as a power MOSFET or as a bipolar transistor with a gate electrode arranged in isolated fashion (IGBT).
  • IGBT isolated fashion
  • a circuit breaker 6 is connected to the phase terminals K1, K2, K3.
  • the circuit breaker 6 is preferably designed as a mechanical switch.
  • the circuit breaker 6 is opened in the event of a fault current already mentioned above due to an error in a partial converter system 2, 3 of a phase module 1 after closing the short-circuit element S1 and after opening the interruption element S2, so that the converter circuit at the phase terminals K1, K2, K3 is easily and quickly separated with advantage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Es wird eine Umrichterschaltung mit mindestens zwei Phasenbausteinen (1) angegeben, wobei jeder Phasenbaustein (1) ein erstes und ein zweites Teilumrichtersystem (2, 3) aufweist, jedes Teilumrichtersystem (2, 3) eine Induktivität (L1, L2) und dazu in Serie geschaltete n in Serie geschaltete zweipolige Schaltzelle (4) umfasst, n ≥ 2 ist und jede Schaltzelle (4) ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist. Für jeden Phasenbaustein (1) ist die Induktivität (L1) des ersten Teilumrichtersystems (2) seriell mit der Induktivität (L2) des zweiten Teilumrichtersystems (3) verbunden. Ferner bildet für jeden Phasenbaustein (1) der Verbindungspunkt der Induktivität (L1) des ersten Teilumrichtersystems (2) mit der Induktivität (L2) des zweiten Teilumrichtersystems (3) einen Phasenanschluss (K1, K2, K3). Zur Beherrschung eines Fehlerstromes in einem Teilumrichtersystem (2, 3) ist parallel zu jeder Schaltzelle (4) an den Anschlusspolen (A1, A2) der Schaltzelle (4) ein Kurzschlusselement (S1 ) geschaltet, wobei zudem bei jeder Schaltzelle (4) in eine Verbindung zwischen dem zugehörigen Kurzschlusselement (S1 ) und der Schaltzelle (4) ein Unterbrechungselement (S2) seriell geschaltet ist.

Description

Umrichterschaltung und Verfahren zum Betrieb einer solchen Umrichterschaltung
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer Umrichterschaltung sowie von einem Verfahren zum Betrieb einer solchen Umrichterschaltung gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik Umrichterschaltungen werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Eine in der
Spannung besonders einfach zu skalierende Umrichterschaltung ist in der DE 102005040543A1 angegeben. Die Umrichterschaltung der DE 102005040543A1 umfasst mindestens zwei Phasenbausteine, wobei jeder Phasenbaustein ein erstes und ein zweites Teilumrichtersystem aufweist. Jedes Teil umrichtersystem umfasst eine Induktivität und dazu in Serie geschaltete n in Serie geschaltete zweipolige Schaltzellen, wobei n > 2 ist und jede Schaltzelle ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist. Für jeden Phasenbaustein ist die Induktivität des ersten Teilumrichtersystems seriell mit der Induktivität des zweiten Teilumrichtersystems verbunden. Ferner bildet für jeden Phasenbaustein der Verbindungspunkt der Induktivität des ersten Teilumrichtersystems mit der Induktivi- tät des zweiten Teilumrichtersystems einen Phasenanschluss. An den Phasenanschlüssen ist typischerweise ein elektrisches Wechselspannungsnetz oder eine elektrische Last angeschlossen.
Im Falle eines Fehlers in einem Teilumrichtersystem eines Phasenbausteins fliesst der resultierende Fehlerstrom typischerweise über den betroffenen Phasenanschluss vom oder in das elektrisches Wechselspannungsnetz oder von der oder zu der elektrischen Last, bevor die Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen getrennt wird. Bis diese Trennung erfolgt, kann die Umrichterschaltung, insbesondere die Bauelemente der Umrichterschaltung, Schaden nehmen, so dass die Umrichterschaltung repariert bzw. gewartet werden muss und die Verfügbarkeit der Umrichterschaltung sinkt.
In der WO 2009/115125 A1 und in der EP 2 369 725 A1 sind gattungsgemässe Umrichterschaltungen angegeben. Darüber hinaus offenbart die US 2007/268482 A1 in Fig. 6 und Fig. 9 und in den Abschnitte [0037] und [0045] eine Leistungszelle 64 einer Energieversorgung 60, wobei jede Leistungszelle einen Bypassschalter 86 umfasst, der einen ersten Schalter 94 und einen zweiten Schalter 96 aufweist. Gemäss Abschnitt [0045] wird im Falle einer gewünschten Unterbrechung des Leistungsflusses von einer Leistungszelle 64 der Schalter 94 geöffnet und der Schalter 96 geschlossen. Ein Konzept zur Behandlung eines Fehlers in der Energieversorgung 60 wird in der US 2007/268482 A1 nicht angegeben.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Umrichterschaltung und eine Verfahren zum Betrieb einer solchen Umrichterschaltung anzugeben, so dass eine verbesserte Beherrschung eines im Fehlerfall in einem Teilumrichtersystem eines Phasenbausteins der Umrichterschaltung auftretenden Fehlerstromes möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und Anspruch 12 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die erfindungsgemässe Umrichterschaltung umfasst mindestens zwei Phasenbausteine, wobei jeder Phasenbaustein ein erstes und ein zweites Teilumrichtersystem aufweist. Jedes Teilumrichtersystem umfasst eine Induktivität und dazu in Serie geschaltete n in Serie geschaltete zweipolige Schaltzellen, wobei n > 2 ist und jede Schaltzelle ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit ge- steuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist. Für jeden Phasenbaustein ist die Induktivität des ersten Teilumrichtersystems seriell mit der Induktivität des zweiten Teilumrichtersystems verbunden. Ferner bildet für jeden Phasenbaustein der Verbindungspunkt der Induktivität des ersten Teilumrichtersystems mit der Induktivität des zweiten Teilumrichtersystems einen Phasenanschluss.
Erfindungsgemäss ist nun parallel zu jeder Schaltzelle an den Anschlusspolen der Schaltzelle ein Kurzschlusselement geschaltet, und zudem ist bei jeder Schaltzelle in eine Verbindung zwischen dem zugehörigen Kurzschlusselement und der Schaltzelle ein Unterbrechungselement seriell geschaltet. Das jeweilige Kurzschlusselement dient der galvanischen Verbindung, d.h. des Kurzschlusses der zugehörigen Schaltzelle im Falle eines auftretenden Fehlerstromes aufgrund eines Fehlers in einem Teilumrichtersystem eines Phasenbausteines. Damit beim Kurzschluss der Schaltzelle kein Fehlerstrom durch die Schaltzelle fliessen kann, ist vorteilhaft das Unterbrechungselement in eine Verbindung zwischen dem zugehörigen Kurzschlusselement und der Schaltzelle geschaltet, welches dann geöffnet wird. Bei einem Fehler in einem Teilumrichtersystem wird somit allgemein bei mindestens einer Schaltzelle dieses Teilumrichtersystems das zugehörige Kurzschlusselement geschlossen und das Unterbrechungselement geöffnet. Das Unterbrechungselement erlaubt es damit, einen Fehlerstrom, welcher insbesondere in Richtung der Schaltzelle fliesst, schnell und sicher zu unterbrechen. Vorzugsweise wird zuerst das Kurzschlusselement geschlossen und danach das Unterbrechungselement geöffnet.
Wie bereits vorstehend erwähnt, wird bei einem Fehler in einem Teilumrichtersystem verfahrensmässig allgemein bei mindestens einer Schaltzelle dieses Teilumrichtersystems das zugehörige Kurzschlusselement geschlossen und das Unterbrechungselement geöffnet. Vorzugsweise wird zuerst das Kurzschlusselement geschlossen und danach das Unterbrechungselement geöffnet. In einer be- vorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einem Fehler in einem Teilumrichtersystem verfahrensmässig zudem bei mindestens einer Schaltzelle des weiteren Teilumrichtersystems das zugehörige Kurzschlusselement geschlossen und das Unterbrechungselement geöffnet. Bei Auftreten des besagten Fehlers wird ferner vorzugsweise nach Schliessen des Kurzschlusselementes und nach Öffnen des Unterbrechungselements ein mit den Phasenanschlüssen verbundener Leistungsschalter geöffnet, so dass die Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen vorteilhaft einfach und schnell abgetrennt werden kann.
Das Kurzschlusselement zusammen mit dem Unterbrechungselement erlauben es also, einen auftretenden Fehlerstrom von einer Schaltzelle, mehreren oder allen Schaltzellen eines Teilumrichtersys- tems oder mehreren oder allen Teilumrichtersystemen fernzuhalten, bevor die Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen abgetrennt wird. Somit lässt sich ein im Fehlerfall in einem Teilumrichtersystem eines Phasenbausteins auftretender Fehlerstrom sehr einfach beherrschen, bevor die Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen abgetrennt wird. Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Umrichterschaltung, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Umrichterschaltung,
Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer Schaltzelle der erfindungsgemässen Umrichterschaltung, Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer Schaltzelle der erfindungsgemässen Umrichterschaltung,
Fig. 5 eine erste Ausführungsform eines Unterbrechungselementes der erfindungsgemässen
Umrichterschaltung und
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines Unterbrechungselementes der erfindungsgemässen Umrichterschaltung
Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichen- liste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung. Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig.1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Umrichterschaltung, insbesondere ausgeführt mit drei Phasen U, V, W, dargestellt. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfin- dungsgemässen Umrichterschaltung, ebenfalls beispielhaft ausgeführt mit drei Phasen U, V, W. Allgemein umfasst die Umrichterschaltung mindestens zwei Phasenbausteine 1 , wobei jeder Phasenbaustein 1 ein erstes und ein zweites Teilumrichtersystem 2, 3 aufweist. Jedes Teilumrichtersystem 2, 3 umfasst ferner eine Induktivität L1 , L2 und dazu in Serie geschaltete n in Serie geschaltete zweipolige Schaltzellen 4, wobei n > 2 ist und jede Schaltzelle 4 ansteuerbare bidirektionale Leistungshalb- leiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist. Der jeweilige ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung der Schaltzellen 4 der Teilumrichtersysteme 2, 3 ist insbesondere als Abschaltthyristor (GTO - Gate Turn-Off Thyristor) oder als integrierter Thyristor mit kom- mutierter Ansteuerelektrode (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor) mit jeweils einer antipa- rallel geschalteten Diode ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, einen ansteuerbaren bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung beispielsweise als Leistungs-MOSFET mit zusätzlich antiparallel geschalteter Diode oder als Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) mit zusätzlich antiparallel geschalteter Diode auszubilden. In Fig. 3 ist beispielhaft eine erste Ausführungsform einer Schaltzelle der erfindungsgemässen Umrichter- Schaltung dargestellt, wobei die ansteuerbaren bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung in Halbbrückenschaltung verschaltet sind und der kapazitive Energiespeicher parallel zu der Halbbrückenschaltung geschaltet ist. Desweiteren ist in Fig. 4 beispielhaft eine zweite Ausführungsform einer Schaltzelle der erfindungsgemässen Umrichterschaltung dargestellt, wobei die ansteuerbaren bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung in Vollbrückenschaltung verschaltet sind und der kapazitive Energiespeicher parallel zu der Vollbrückenschaltung geschaltet ist. Die Phasenbausteine 1 sind zueinander parallel geschaltet, wie beispielhaft in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt.
Für jeden Phasenbaustein 1 ist die Induktivität L1 des ersten Teilumrichtersystems 2 seriell mit der Induktivität L2 des zweiten Teilumrichtersystems 3 verbunden. Ferner bildet für jeden Phasenbaustein 1 der Verbindungspunkt der Induktivität L1 des ersten Teilumrichtersystems 2 mit der Induktivität L2 des zweiten Teilumrichtersystems 3 einen Phasenanschluss K1 , K2, K3.
Erfindungsgemäss ist nun parallel zu jeder Schaltzelle 4 an den Anschlusspolen A1 , A2 der Schaltzel- le 4 ein Kurzschlusselement S1 geschaltet, und zudem ist bei jeder Schaltzelle 4 in eine Verbindung zwischen dem zugehörigen Kurzschlusselement S1 und der Schaltzelle 4 ein Unterbrechungselement S2 seriell geschaltet. Das jeweilige Kurzschlusselement S1 dient der galvanischen Verbindung, d.h. des Kurzschlusses der zugehörigen Schaltzelle 4 im Falle eines auftretenden Fehlerstromes aufgrund eines Fehlers in einem Teilumrichtersystem 2, 3 eines Phasenbausteines 1 . Damit beim Kurzschluss der Schaltzelle 4 kein Fehlerstrom durch die Schaltzelle 4 fliessen kann, ist vorteilhaft das Unterbrechungselement S2 in eine Verbindung zwischen dem zugehörigen Kurzschlusselement S1 und der Schaltzelle 4 geschaltet, welches dann geöffnet wird. Bei einem Fehler in einem Teilumrichtersystem 2, 3 wird somit allgemein bei mindestens einer Schaltzelle 4 dieses Teilumrichtersystems 2, 3 das zugehörige Kurzschlusselement S1 geschlossen, welches damit den Fehlerstrom übernimmt, und das Unterbrechungselement S2 geöffnet, wobei die mit dem jeweiligen Unterbrechungselement S2 verbundene Schaltzelle 4 helfen kann, dass der restliche Strom, der noch über das jeweilige Unterbrechungselement S2 fliesst, abgebaut werden kann. Vorzugsweise wird zuerst das Kurzschlusselement S1 geschlossen und danach das Unterbrechungselement S2 geöffnet. Nach Abtrennung der Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen K1 , K2, K3 wird dann das jeweilige Kurzschlusselement S1 wieder geöffnet. In Fig. 1 und Fig. 2 sind die Möglichkeiten der seriellen Einschaltung des jeweiligen Unterbrechungselementes S2 in die Verbindung zwischen jeweils dem zugehörigen Kurzschlusselement S1 und der Schaltzelle 4 beispielhaft dargestellt, wobei selbstverständlich auch eine Kombination denkbar wäre. Demzufolge ermöglich das Unterbrechungselement S2, einen Fehlerstrom schnell und sicher zu unterbrechen. In bevorzugter Weise wird bei einem Fehler in einem Teilum- richtersystem 2, 3 verfahrensmässig zudem bei mindestens einer Schaltzelle 4 des weiteren Teilumrichtersystems 2, 3 das zugehörige Kurzschlusselement S1 geschlossen und das Unterbrechungselement S2 geöffnet. Das Kurzschlusselement S1 zusammen mit dem Unterbrechungselement S2 erlaubt es somit, einen auftretenden Fehlerstrom von einer Schaltzelle 4, mehreren oder allen Schaltzellen 4 eines Teilumrichtersystems 2, 3 oder mehreren oder allen Teilumrichtersystemen 2, 3 fern- zuhalten, bevor die Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen K1 , K2, K3 abgetrennt wird. Ein im Fehlerfall in einem Teilumrichtersystem 2, 3 eines Phasenbausteins 1 auftretender Fehlerstrom lässt sich demnach sehr einfach beherrschen, bevor die Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen K1 , K2, K3 abgetrennt wird. Tritt kein Fehlerstrom in einem Teilumrichtersystem 2, 3 eines Phasenbausteins 1 auf, ist das jeweilige Kurzschlusselement S1 geöffnet und das jeweilige Unterbrechungselement S2 geschlossen.
Desweiteren ist das jeweilige Unterbrechungselement S2 durch einen ansteuerbaren Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung gebildet, so dass vorteilhaft Fehlerströme unterschiedlicher Po- larität unterbrochen werden können. Der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung des Unterbrechungselementes S2 kann als mechanischer Schalter ausgeführt sein. Wie in Fig. 5 beispielhaft gezeigt, kann der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung des Unterbrechungselementes S2 aber auch durch zwei antiparallel geschaltete ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung gebildet sein. Der jeweilige ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung wiederum kann einen Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode und zu dem Bipolartransistor eine antiparallel geschaltete Diode aufweisen. Alternativ ist es auch denkbar, dass der jeweilige an- steuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter einen Leistungs-MOSFET mit dazu antiparallel geschalteter Diode aufweist. Wie in Fig. 6 beispielhaft gezeigt, ist es als weitere Alternative auch möglich, dass der jeweilige ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung einen rückwärtssperrenden Thyristor aufweist. Dabei sind jegliche dem Fachmann bekannte Arten von Thyristoren denkbar, insbesondere auch integrierte Thyris- toren mit kommutierter Ansteuerelektrode (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor). Vorzugsweise sind die einzusetzenden Thyristoren als symmetrische Thyristoren ausgeführt. Da lediglich Thyristoren verwendet werden, ist diese Ausführungsform des Unterbrechungselementes S2 denkbar einfach aufgebaut, somit sehr robust und äusserst kostengünstig zu realisieren. Vorzugsweise ist das Kurzschlusselement S1 durch einen ansteuerbaren Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung, gebildet. Der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung des Kurzschlusselementes S1 ist vorzugsweise als mechanischer Schalter ausgeführt. Ein solcher mechanischer Schalter löst hinreichend schnell aus und stellt eine sichere galvanische Verbindung zwischen den Anschlusspolen A1 , A2 der zugehörigen Schaltzelle 4 dar. Alternativ zu dem mechani- sehen Schalter ist es auch denkbar, dass der jeweilige ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler
Stromführungsrichtung des Kurzschlusselementes S1 durch zwei antiparallel geschaltete ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter gebildet ist, wie in Fig. 1 und Fig. 2 beispielhaft gezeigt. Als jeweiligen ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter ist beispielsweise ein Abschaltthyristor (GTO - Gate Turn- Off Thyristor) oder ein integrierter Thyristor mit kommutierter Ansteuerelektrode (IGCT - Integrated Gate Commutated Thyristor) denkbar. Vorzugsweise sind die einzusetzenden Thyristoren als symmetrische Thyristoren ausgeführt. Es ist aber auch denkbar, den jeweiligen ansteuerbaren Leistungshalbleiterschalter beispielsweise als Leistungs-MOSFET oder als Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) auszubilden. Zur Abtrennung der Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen K1 , K2, K3 von einem typischerweise an den Phasenanschlüssen angeschlossenen elektrischen Wechselspannungsnetz oder von einer angeschlossenen elektrischen Last ist ein Leistungsschalter 6 mit den Phasenanschlüssen K1 , K2, K3 verbunden ist. Der Leistungsschalter 6 ist vorzugsweise als mechanischer Schalter ausge- führt.
Verfahrensmässig wird der Leistungsschalter 6 im Falle eines vorstehend bereits mehrfach erwähnten auftretenden Fehlerstromes aufgrund eines Fehlers in einem Teilumrichtersystem 2, 3 eines Phasenbausteines 1 nach Schliessen des Kurzschlusselementes S1 und nach Öffnen des Unterbre- chungselements S2 geöffnet, so dass die Umrichterschaltung an den Phasenanschlüssen K1 , K2, K3 mit Vorteil einfach und schnell abgetrennt wird.
Bezugszeichenliste
1 Phasenbaustein
2 erstes Teilumrichtersystem 3 zweites Teilumrichtersystem
4 Schaltzelle
5 Leistungsschalter
51 Kurzschlusselement
52 Unterbrechungselement A1. A2 Anschlusspole
K1 , K2, K3 Phasenanschlüsse

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Umrichterschaltung mit mindestens zwei Phasenbausteinen (1 ), wobei jeder Phasenbaustein (1 ) ein erstes und ein zweites Teilumrichtersystem (2, 3) aufweist, jedes Teilumrichtersystem (2, 3) eine Induktivität (L1 , L2) und dazu in Serie geschaltete n in Serie geschaltete zweipolige Schaltzelle (4) umfasst, n > 2 ist und jede Schaltzelle (4) ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist, wobei für jeden Phasenbaustein (1) die Induktivität (L1) des ersten Teilumrichtersystems (2) seriell mit der Induktivität (L2) des zweiten Teilumrichtersystems (3) verbunden ist, und wobei für jeden Phasenbaustein (1) der Verbindungspunkt der Induktivität (L1) des ersten Teil umrichtersystems (2) mit der Induktivität (L2) des zweiten Teilumrichtersystems (3) einen Phasenanschluss (K1 , K2, K3) bildet,
dadurch gekennzeichnet,
dass parallel zu jeder Schaltzelle (4) an den Anschlusspolen (A1 , A2) der Schaltzelle (4) ein Kurzschlusselement (S1 ) geschaltet ist, und
dass bei jeder Schaltzelle (4) in eine Verbindung zwischen dem zugehörigen Kurzschlusselement (S1 ) und der Schaltzelle (4) ein Unterbrechungselement (S2) seriell geschaltet ist, wobei bei einem Fehler in einem Teilumrichtersystem (2, 3) bei mindestens einer Schaltzelle (4) dieses Teilumrichtersystems (2, 3) das zugehörige Kurzschlusselement (S1) geschlossen wird und das Unterbrechungselement (S2) geöffnet wird.
Umrichterschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Unterbrechungselement (S2) durch einen ansteuerbaren Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung gebildet ist.
Umrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung des Unterbrechungselementes (S2) durch zwei antiparallel geschaltete ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung gebildet ist.
Umrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung einen Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode und zu dem Bipolartransistor eine antiparallel geschaltete Diode aufweist, oder dass der jeweilige ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter einen Leistungs- MOSFET mit dazu antiparallel geschalteter Diode aufweist.
5. Umrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung einen rückwärtssperrenden Thyristor aufweist.
6. Umrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung des Unterbrechungselementes (S2) als mechanischer Schalter ausgeführt ist.
7. Umrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement (S1 ) durch einen ansteuerbaren Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung gebildet ist.
8. Umrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung des Kurzschlusselementes (S1 ) als mechanischer Schalter ausgeführt ist.
9. Umrichterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ansteuerbare Schalter mit bidirektionaler Stromführungsrichtung des Kurzschlusselementes (S1 ) durch zwei antiparallel geschaltete ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter gebildet ist.
10. Umrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leis- tungsschalter (6) mit den Phasenanschlüssen (K1 , K2, K3) verbunden ist.
1 1. Umrichterschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (6) als mechanischer Schalter ausgeführt ist.
12. Verfahren zum Betrieb einer Umrichterschaltung mit mindestens zwei Phasenbausteinen (1), wobei jeder Phasenbaustein (1) ein erstes und ein zweites Teilumrichtersystem (2, 3) aufweist, jedes Teilumrichtersystem (2, 3) eine Induktivität (L1 , L2) und dazu in Serie geschaltete n in Serie geschaltete zweipolige Schaltzelle (4) umfasst, n > 2 ist und jede Schaltzelle (4) ansteuerbare bidirektionale Leistungshalbleiterschalter mit gesteuerter unidirektionaler Stromführungsrichtung und einen kapazitiven Energiespeicher aufweist, wobei für jeden Phasenbaustein (1) die Indukti- vität (L1) des ersten Teilumrichtersystems (2) seriell mit der Induktivität (L2) des zweiten Teilumrichtersystems (3) verbunden ist, und wobei für jeden Phasenbaustein (1) der Verbindungspunkt der Induktivität (L1) des ersten Teilumrichtersystems (2) mit der Induktivität (L2) des zweiten Teilumrichtersystems (3) einen Phasenanschluss (K1 , K2, K3) bildet,
dadurch gekennzeichnet,
dass parallel zu jeder Schaltzelle (4) an den Anschlusspolen (A1 , A2) der Schaltzelle (4) ein Kurzschlusselement (S1) geschaltet ist, bei jeder Schaltzelle (4) in eine Verbindung zwischen dem zugehörigen Kurzschlusselement (S1) und der Schaltzelle (4) ein Unterbrechungselement (S2) seriell geschaltet ist und bei einem Fehler in einem Teilumrichtersystem (2, 3) bei mindes- tens einer Schaltzelle (4) dieses Teilumrichtersystems (2, 3) das zugehörige Kurzschlusselement
(51) geschlossen wird und das Unterbrechungselement (S2) geöffnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Fehler in einem Teilumrichtersystem (2, 3) zudem bei mindestens einer Schaltzelle (4) des weiteren Teilumrichtersys- tems (2, 3) das zugehörige Kurzschlusselement (S1) geschlossen wird und das Unterbrechungselement (S2) geöffnet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst das Kurzschlusselement (S1) geschlossen wird und danach das Unterbrechungselement (S2) geöffnet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsschalter (6) mit den Phasenanschlüssen (K1 , K2, K3) verbunden ist und der Leistungsschalter (6) nach Schliessen des Kurzschlusselementes (S1) und nach Öffnen des Unterbrechungselements
(52) geöffnet wird.
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