DE2510357A1

DE2510357A1 - Umrichter mit gleichspannungszwischenkreis

Info

Publication number: DE2510357A1
Application number: DE19752510357
Authority: DE
Inventors: Hans-Hermann Dipl Ing Zander
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-03-10
Filing date: 1975-03-10
Publication date: 1976-09-16
Also published as: GB1541696A; US4056766A; FR2304207A1; ATA939975A; AT346979B; DK142008B; CH593584A5; FR2304207B1; DK142008C; DE2510357B2; SE7601190L; DK83676A; IN145157B; JPS5736827B2; SE419594B; JPS51114631A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den 7. MRL1975 Berlin und München Werner-von-Siemens-Straße

Unser Zeichen:

VPA 75 P 3031 BRD. Soe/Sie

Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis

Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, gesteuertem Gleichrichter und einem Wechselrichter mit Hauptthyristoren in Brückenschaltung, zu der Freilaufdioden in Brückenschaltung antiparallel geschaltet sind, wobei jedem Brückenzweig ein Löschkreis mit einem Löschthyristor und einem Kommutierungskondensator parallel geschaltet ist, für zwei Brückenzweige, die einen gemeinsamen Hauptanschluß besitzen, jeweils ein Kommutierungskondensator vorgesehen ist und in den Kommutierungs-Stromkreisen Kommutierungsdrosseln angeordnet sind.

Solche Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung sind aus dem Buch von M. Mayer, "Selbstgeführte Thyristor-Stromrichter" Siemens AG 1974, 3. Aufl., S. 162 bis 168, und aus der DT-PS 1 246 861 bekannt. Sie werden wegen ihres einfachen Konzeptes vielfach angewendet, beispielsweise zur Speisung von Drehstrommaschinen. Bei diesen Umrichtern wird der Kommutierungskondensator zur Deckung der KommutierungsVerluste nach jeder erzwungenen Kommutierung mit der vom Laststrom her in der Kommutierungsinduktivität gespeicherten Energie und aus der Energie des Zwischenkreises nachgeladen, damit bleibt die Kommutierfähigkeit bei kleiner Zwischenkreisspannung sichergestellt. Bei großen Lastströmen, insbesondere bei Überlastung des Umrichters kann diese stromabhängige Nachladung zu einem großen Anstieg der Spannung am Kommutierungskondensator, d.h. der Kommutierungsspannung und damit zu einer unzulässigen Beanspruchung der Thyristoren, Dioden und Kondensatoren führen. Diese Gefahr besteht besonders bei hohen Leistungen, beispielsweise bei Leistungen von 100 kVA und mehr.

Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unzulässig hohe Kommutierungsspannungen

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vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für jeweils zwei Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß wenigstens ein Dämpfungskondensator vorgesehen ist, der zu einem Brückenzweig parallel geschaltet ist.

Beim erfindungsgemäßen Umrichter wird bei jeder Kommutierung die Zeit, in der eine laststromabhängige Nachladung des Kommutierungskondensators erfolgt, um eine Zeitspanne verkleinert, in der sich die am Kommutierungskondensator beteiligten Dämpfungskondensatoren ent- und umladen. Dadurch wird bereits das Entstehen einer Überhöhung der Kommutierungsspannung nahezu verlustlos verhindert. Dies geschieht völlig unabhängig von der Umrichterfrequenz. Die Dämpfungswirkung bei Null Volt Zwischenkreisspannung ist gleich Null und nimmt mit steigender Zwischenkreisspannung zu. Damit bleibt die durch die laststromabhängige Wachladung bedingte Kommutierfähigkeit voll erhalten.

Die Größe der für alle Dämpfungskondensatoren vorzugsweise gleich großen Kapazitäten der Dämpfungskondensatoren und damit die Dämpfungswirkung ist nur durch bei leerlaufendem Umrichter auftreten« de Kreisströme begrenzt. Vorzugsweise können die Dämpfungskondensatoren abschaltbar sein oder es kann mit dem Ausgang des Wechselrichters eine induktive Grundlast verbunden sein. Diese induktive Grundlast bewirkt einen induktiven Grundlaststrom, der die Dämpfungskondensatoren zwischen Umschwingvorgang und Hauptimpulsbeginn im Wechselrichter umlädt und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert. Vorteilhaft ist es, als induktive Grundlast in jede Ausgangsleitung des Umrichters eine Drossel mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen zu schalten, wobei eine Wicklung jeder Drossel mit dem Wechselrichterausgang, der Verbindungspunkt der beiden Wicklungen jeder Drossel mit der Last und die andere Wicklung aller Drosseln miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform wird der Grundlaststrom mit steigendem Laststrom geringer und bei entsprechender Auslegung bei Nennstrom zu Null. Im Nennbetrieb werden daher die Kommutierungseinrichtung

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und die Hauptthyristören vom Grundlaststrom nicht mehr belastet.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichter beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 9 näher erläutert. In den Figuren sind einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Umrichters dargestellt. Dabei sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt eine Drehstrommaschine 1, die eine Drehstromsynchronmaschine oder -asynchronmaschine sein kann und die aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S, T über einen fremdgesteuerten, netzgeführten Gleichrichter 2 einen Gleichspannungszwischenkreis 3 mit Glättungsdrosseln 4 und Zwischenkreiskondensator 5 und einem selbstgeführten, fremdgesteuerten Wechselrichter 6 gespeist wird. Im AusführungsbeispÄ ist der Gleichrichter 2 aus sechs steuerbaren Thyristoren 2a bis 2f in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Der Wechselrichter 6 besteht aus Hauptthyristoren 7a bis 7f in Drehstrombrückenschaltung 7 und Freilauf- bzw. Rückstromdioden 8a bis 8f in Drehstrombrückenschaltung 8, wobei die beiden Brückenschaltungen 7 und 8 antiparallel zueinander geschaltet sind, so daß zu jedem Hauptthyristor 7a bis 7f eine Diode 8a bis 8f antiparallel liegt.

Der Wechselrichter ist mit einer Zwangskommutierungseinrichtung 9 für die Hauptthyristören 7a bis 7f versehen, in der jedem Hauptthyristor 7a bis 7f ein Löschkreis bestehend aus der Reihenschaltung von einem der Löschthyristoren 10a bis 1Of und einem der Kommutierungskondensatoren 11a bis 11c parallel geschaltet ist. Dabei ist jeweils ein gemeinsamer Kommutierungskondensator 11a bis 11c für jeweils zwei Brückenzweige mit den Hauptthyristoren 7a und 7d bis 7c und 7f vorgesehen, die einen gemeinsamen Hauptanschluß 14a bis 14c besitzen. Solche Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß 14a bis 14c werden auch als Brückenstrang bezeichnet. Im Kommutierungsstromkreis liegen außerdem noch Kommutierungsdrosseln 12a bis 12f, und Begrenzungsdrosseln 13a bis 13f. Im Ausführungsbeispiel sind die Begrenzungsdrosseln . zwischen die Hauptthyristoren 7a bis 7f und die zugehörigen Löschthyristoren 10a bis 10f und die Kommutierungsdrosseln 12a

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Wi

bis 12f zwischen die Hauptthyristoren 7a bis 7f und die zugehörigen Freilaufdioden 8a bis 8f geschaltet. Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Kommutierungsdrosseln 12a bis 12f unterteilt und jedem Hauptthyristor 7a bis 7f ist eine der Kommutierungsdrosseln 12a bis 12f gesondert zugeordnet. Diese Anordnung der Kommutierungsdrosseln 12a bis 12f bewirkt eine Entkopplung der Kommutierungsstromkreise, mit der die zulässige Sperrspannung der verwendeten Thyristoren besser ausgenutzt werden kann. Für die Wirkung des erfindungsgemäßen Umrichters ist die spezielle Anordnung der Kommutierungs- und der Begrenzungsdrosseln nach Figur 1 unwesentlich, Kommutierungs- und Begrenzungsdrosseln können auch an anderen Stellen der Kommutierungsstromkreise angeordnet sein.

Es wurde bereits erwähnt, daß die stromabhängige Nachladung der Kommutierungskondensatoren 11a bis 11c bei der Zwangskommutierung zu einem unzulässig hohen Anstieg der Kommutierungsspannung bei Überlastung führen kann. Um einen solchen unzulässig hohen Anstieg" der Kommutierungsspannung von vornherein zu verhindern, sind Dämpfungskondensatoren 15 vorgesehen, wobei im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 jedem Brückenzweig des Wechselrichters 6 je einer der Dämpfungskondensatoren 15a bis 15f parallel geschaltet ist und alle Dämpfungskondensatoren 15a bis 15f gleich große Kapazität besitzen. Das Verhältnis der Kapazitäten der Kommutierungskondensatoren 11 zu den der Dämpfungskondensatoren 15 beträgt ungefähr 5 : 1 und die Kapazitäten der Dämpfungskondensatoren verhalten sich zur Kapazität des. Zwischenkreiskondensators 5 ungefähr wie 1 : 1000.

Bei der beschriebenen Einrichtung wird durch Steuerung des Gleichrichters 2 die Zwischenkreisspannung im Gleichstromzwischenkreis 3 und damit die Größe der Spannung gesteuert, die der Drehstrom,-maschine 1 zugeführt wird. Die Frequenz der Maschinenspannung wird durch die Taktfrequenz der Hauptthyristoren des Wechselrichters 6 und die Drehrichtung des Drehstrommotors durch die Reihenfolge der Stromführung der Hauptthyristoren des Wechselrichters 6 bestimmt. Dabei werden zur Steuerung der Thyristoren

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des Gleichrichters 2 Steuersätze benutzt, wie sie beispielsweise in dem Buch von G. Möltgen "Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren" Herausgeber und Verlag: Siemens AG 1967, S. 275 oder 280, und der DIN 41 57, Bl. 7, S. 4, beschrieben sind. Der Wechselrichter 6 und die Löschthyristoren 10a bis 10f werden mit einem Steuersatz angesteuert, der einen Impulsgeber mit nachgeschaltetem Ringzähler enthält. Die Steuersätze und die Steuerleitungen zu den Zündelektroden der Thyristoren wurden in den Figuren nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Zur Inbetriebnahme der Anordnung sind die Koramutierungskondensatoren 11a bis 11c auf die zur Kommutierung des Anlaßstromes notwendige Spannung aufzuladen. Zur Aufladung können die Hauptthyristoren 7a bis 7f und die entsprechenden Löschthyristoren 10a bis 10f gezündet werden oder es kann für jeden Kommutierungskondensator eine übliche Ladeeinrichtung vorgesehen sein, die in der Figur 1 nicht dargestellt ist und beispielsweise eine Reihenschaltung eines LadewiderStandes mit einem Schalter enthält, über die der zugehörige Kommutierungskondensator mit einer Gleichspannungsquelle zu verbinden ist. Nach Beendigung der Aufladung werden die Schalter wieder geöffnet. Falls genügend große Widerstände, beispielsweise 100 /&Ω. und mehr vorgesehen sind, können die Schalter entfallen.

Für die Beschreibung der Zwangskommutierung wird die Figur 2 herangezogen, in deren Diagrammen der Strom i im Kommutierungsstrom-

kreis, der Laststrom i , den der zwangszulöschende Thyristor führt, und die Kondensatorspannung U über der Zeit t aufgetragen sind. Dabei sind mit den gestrichelt eingezeichneten Kurvenzügen 16 und 17, die beim Kommutierungsvorgang des bekannten Umrichters auftretenden Ströme und Spannungen und mit den ausgezogenen Kurvenzügen der Zustand gezeigt, der sich bei einer mit Dämpfungskondensatoren 15 ausgerüsteten Einrichtung einstellt. Es wird vorausgesetzt, daß die Kommutierungskondensatoren 11a bis 11c mit der gezeigten Polarität und der Spannung U aufgeladen sind, daß die Hauptthyristoren 7a, 7b und 7f Strom führen und daß der Laststrom vom Hauptthyristor 7a auf den Hauptthyristor 7d kommu-

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tiert werden soll. Bei der angegebenen Ladung der Kommutierungskondensatoren 11a bis 11c können die Hauptthyristoren 7a und 7b der linken Brückenhälfte und der Hauptthyristor 7f der rechten Brückenhälfte zwangskommutiert werden. Zur Löschung des stromführenden Hauptthyristors 7a wird im Zeitpunkt t^ das zugehörige Löschventil 10a gezündet. Der Entladestrom des Kommutierungskondensators 11a fließt nun über den Löschthyristor 10a, die Begrenzungsdrossel 13a und den Hauptthyristor 7a und baut den Laststrom im Hauptthyristor 7a ab. Erreicht der Entladestrom den Laststrom im Hauptthyristor 7a, so erlischt im Zeitpunkt tp der Hauptthyristor 7a und der an der Kommutierungsdrossel 12a abfallende Teil der Spannung U ^ des Kommutierungskondensators 11a liegt als negative Sperrspannung am Hauptthyristor 7a. Der Laststrom fließt über den Kommutierungskondensator 11a, den Löschthyristor 10a, die Begrenzungsdrossel 13a und die Kommutierungsdrossel 12a weiter. Der Kommutierungskondensator 11a lädt sich nun über den Kommutierungsstromkreis, d.h. über die Kommutierungsdrossel 12a, die Begrenzungsdrossel 13a und die Freilaufdiode 8a um. In diesem Schwingkreis steigt der Umschwingstrom i des Kommutierungskondensators 11a sinusförmig auf seinen Maximalwert an, den er im Nulldurchgang der Kondensatorspannung U erreicht. Anschließend nimmt der, jetzt durch die Kommutierungsdrossel 12a und die Begrenzungsdrossel 13a getriebene Umschwingstrom wieder ab. Sobald der Umschwingstrom die Größe des Laststromes i im Zeitpunkt t^ erreicht hat, wird der Strom durch die Freilaufdiode 8a zu Null und der Laststrom beginnt auf die Freilaufdiode 8d zu kommutieren, die nun leitend wird. Das bedeutet, daß das Potential des Hauptanschlusses 14a von minus nach plus wechselt. In diesem Zeitpunkt beginnt ein weiterer Schwingungsvorgang unter Einbeziehung der Zwischenkreisspannung U und mit der Spannung \J_ez am Kommutierungskondensator 11a und dem Stromwert i im Umschwingkreis als Anfangsbedingung. Es fließt daher während der Kommutierung auf die Freilaufdiode 8d ein ebenfalls von der Kommutierungsdrossel 12a und der Begrenzungsdrossel 13a getriebener Strom, der einen zeitlichen Verlauf entsprechend der gestrichelten Kurve 16 der Figur 2 besitzt und zu einem Spannungsverlauf am Kommutierungskondensator 11a entsprechend der gestrichelten

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Kurve 17 führt. Die Spannung am Koramutierungskondensator ^steigt daher von Up auf U'λ entsprechend der Stromzeitfläche f% **£ an, wobei t4 der Zeitpunkt des Stromnulldurchganges ist/ -was einer stromabhängigen Nachladung des Kommutierungskondensators 11a durch die Kommutierungsdrossel 12a und die Begrenzungsdrossel 13a entspricht. Im stationären Fall gilt U'^ = ^u _Co* ^Mii: dieser· stromabhängigen Nachladung der Kommutierungskondensatoren 11 wird der Umrichterbetrieb bei kleinen Zwischenkreisumspannungen U und damit auch bei kleinen Frequenzen sichergestellt. Allerdings wird bei großen Lastströmen die Kommutierungsspannung größer als bei kleinen Lastströmen. Bei einer Überlastung des Umrichters kann diese stromabhängige Nachladung somit zu unzulässig hohen Kommutierungsspannungen führen, wie bereits erwähnt wurde. Ist die Kommutierung auf die Freilaufdiode 8d beendet, so erlischt der Löschthyristor 10a und der Kommutierungskondensator 11a besitzt die richtige Polarität und Spannung zur Zwangslöschung des Hauptthyristors 7d, wobei die Polarität umgekehrt zu der in Figur 1 gezeigten ist. Durch die Kommutierung des Laststromes auf die Freilaufdiode 8d, die unter der Wirkung der Induktivität der Wicklungen der Drehstrommaschine 1 erfolgt, wird ein Freilaufkreis geschlossen und der Strom fließt über die Freilaufdiode 8d, die Kommutierungsdrossel 12d, die stromführenden Hauptthyristoren und die Wicklungen des Motors 1„ Nun wird der Hauptthyristor 7d gezündet, übernimmt den Strom und die Kommutierung ist beendet.

Um zu vermeiden, daß die stromabhängige Nachladung bei großem Laststrom, insbesondere bei Überlastung des Umrichters, zu unzulässig hohen Kommutierungsspannungen führt, sind beim erfindungsgemäßen Umrichter die. Dämpfungskondensatoren 15 vorgesehen, die gleich große Kapazität besitzen und von denen beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 je ein Dämpfungskondensator 15a bis 15f parallel zu jedem Brückenzweig des Wechselrichters 6 geschaltet ist. Während des Umschwingens im Kommutierungsstromkreis, d.h. bei leitender Freilaufdiode 8a besitzt der Hauptanschluß 14a das Potential - U_z. Daraus folgt, daß die Spannung am Dämpfungskondensator 15a Null Volt und - U_z Volt am Kondensator 15d beträgt,

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_M ο —

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fungskondensatoren 15 langer dauert, die am Kommutierungsvorgang beteiligt sind. Damit erhält man eine mit steigender Zwischenkreis spannung verringerte Stromabhängigkeit der Kommutierungsspannung. Mit diesem Verhalten ist eine nahezu verlustlose, von der Umrichterfrequenz völlig unabhängige Arbeitsweise der Kommutierungseinrichtung und der Dämpfungseinrichtung gegeben. Anzuführen ist außerdem noch, daß bei Fremdaufladung der Kommutierungskondensatoren die Zwischenkreisspannung nicht durch die Hilfsspannung erhöht wird.

Für die Kennlinien U = f(U i ) erhält man bei dem bekannten

CO Z f O

Umrichter ohne Dämpfungsschaltung näherungsweise die Beziehung:

^Uco=^U _Z ⁺¹o-^Z' <¹>

wobei der Stromabhängigkeitsfaktor Z'ein modifizierter Wellenwiderstand des Umschwingkreises ist. Für den erfindungsgemäßen Umrichter mit Dämpfungsschaltung ergibt sich näherungsweise:

^Uco =^UZ ^{+ 2}^o -£> ^{für 1}O -^>0 (2)

und U₀₀^ U_z für i_o - ^Z ^ O, (3)

^ZD

wobei der Faktor Z^ bei gegebener Dämpfungseinrichtung von der Größe der Kapazität der Dämpfungskondensatoren 15 abhängt, die am Kommutierungsvorgang beteiligt sind. Die Kennlinien gemäß den Beziehungen (1) bzw. (2) und (3) zeigt Figur 3 bei verschiedenen Zwi schenkreis spannungen U₇,, bis Uy λ als Parameter. Dabei sind wieder als gestrichelte Kurven die Kennlinien des bekannten Umrichters gemäß (1) und mit ausgezogenen Kurven die Kennlinien des erfindungsgemäßen Umrichters gemäß (2) und (3) angegeben. Für die Winkel oC und /? gilt dabei tan*. = Z'und tanß = Z^. Den Kennlinien ist zu entnehmen, daß für den Umrichter mit Dämpfungsschaltung bei einer vorgegebenen Zwischenkreisspannung U_z und bei vorgegebener maximal zulässiger Kommutierungsspannung U wesentlich höhere Überlastströme i .. zulässig sind. ^cozul ^OU

Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Anstelle der sechs Dämpfungskondensatoren 15a bis 15f sind bei diesem Ausführungsbeispiel nur drei Dämpfungskondensatoren 15A bis 15C

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wenn der Umschwingstrom i im Zeitpunkt t, wieder die Größe

c j

des Laststromes i erreicht. Dabei besitzt der Dämpfungskondensator 15d die angegebene Polarität. Im Zeitpunkt t, wird die Freilaufdiode 8a stromlos. Das Potential des Hauptanschlusses 14a kann aber wegen der Spannung am Dämpfungskondensator 15d sein Potential nicht von minus nach plus wechseln, bis die Dämpfungskondensatoren 15a und 15d umgeladen sind. Die Ladung des Dämpfungskondensators 15a und die Entladung des Dämpfungskondensators 15d und damit der Potentialwechsel erfolgt mit begrenzter Geschwindigkeit und ist im Zeitpunkt t^ beendet. Nun wird die Freilaufdiode 8d leitend und die Kommutierung auf diese Freilaufdiode beginnt. In der Zeitspanne t, bis t< ist jedoch der Umschwingstrom i von i auf i λ abgeklungen und die Kommutierungsspannung hat sich geringfügig von U₂ ^auf U-, erhöht. Der zweite Schwingungsvorgang, der während der Kommutierung auf die Freilaufdiode 8d wie bei dem bekannten Umrichter einsetzt und damit die stromabhängige Nachladung erfolgt daher unter geänderten Bedingungen. Für diesen zweiten Schwingungsvorgang gelten die Anfangsbedingungen i_c4<i_o Una ^Uc3^^Uc2* ^Dami~^{t wird} die Stromzeitfläche, d.h. !^ & kleiner als beim bekannten Umrichter ohne Dämpfungsschaltung, was gleichbedeutend mit einer Absenkung der Kommutierungsspannung auf U^ ist, wobei U ι < U^ gilt und t^ wieder der Zeitpunkt des Stromnulldurchganges ist. Der Unterschied in den Stromzeitflächen beim Umrichter mit Dämpfungsschaltung und beim bekannten Umrichter ist aus den gestrichelten Kurven 16 und 17 und den ausgezogenen Kurven der Figur 2 direkt ersichtlich.

Mit den Dämpfungskondensatoren 15, die verhindern, daß der Laststrom unmittelbar von der Freilaufdiode 8a auf die Freilaufdiode 8d kommutieren kann, wird das Entstehen einer Überspannung an den Kommutierungskondensatoren 11 unmittelbar verhindert. Dabei bleibt, wie ohne weiteres einzusehen ist, die Dämpfungsschaltung bei Null Volt Zwischenkreisspannung ohne Wirkung, da der Strom' ungehindert auf die Freilaufdiode 8d kommutieren kann. Diese Kommutierung wird um so mehr verzögert, und damit die Nachladungszeit und die Kommutierungsspannung relativ verringert, je höher die Zwischenkreisspannung ist, da dann die Umladung der Dämp-

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vorgesehen, wobei jeweils einer-der Dämpfungskondensatoren 15a¹ bis 15c¹ einem Brückenzweig eines Brückenstranges des Wechselrichters 6. parallel geschaltet ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß sich diese Schaltung in der Wirkungsweise vom Ausführungsbeispiel nach Figur 1 nicht unterscheidet. Um jedoch die gleiche Dämpfung wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 zu erhalten, muß die Kapazität der Dämpfungskondensatoren 15a' bis 15c^! doppelt so groß sein, wie die Kapazität der Dämpfungskondensatoren 15a bis 15f des Ausführungsbeispiels nach Figur 1.

Die Schaltung eines dritten Ausführungsbeispiels ist in Figur 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Zwischenkreiskondensatoren 5a und 5b angeordnet und es ist wiederum jedoch nur ein Dämpfungskondensator 15a¹ bis 15c' für jeden Brückenstrang vorgesehen, wobei jeder Dämpfungskondensator 15a' bis 15b' zwischen den Hauptanschluß 14a bis I4c des zugehörigen Brückenstrangs und die Mittelanzapfung 5c der Zwischenkreiskondensa-coren geschaltet ist. Auch diese Schaltung unterscheidet sich nicht von der Wirkungsweise nach Figur 1. Im Gegensatz zu den Schaltungsbeispielen nach Figur 1 und Figur 4, bei denen die Dämpfungskondensatoren der maximalen Spannungsbeanspruchung von + Oy ausgesetzt sind, müssen die Dämpfungskondensatoren 15 des Ausführungsbeispiels nach Figur 5 nur - U^/2 aufnehmen.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 1, Figur 4 und Figur 5 ist die Größe der Dämnfungskondensatoren 15 und damit die Dämpfungswirkung nur durch bei leerlaufendem Umrichter auftretenden Kreisströme begrenzt. Die Entstehung dieser Kreisströme sei anhand der in Verbindung mit Figur 4 gegebenen Erläuterung des Kommutierungsvorgangsind der Figur 6 beschrieben, wobei ein leerlaufender Umrichter angenommen wird, d.h. es wird angenommen, daß kein Laststrom fließt. Ohne Laststrom kann dann der Dämpfungskondensator 15a nach Umschwingen des Kommutierungskondensators 11a nicht aufgeladen werden. Wird nun im Zeitpunkt t,- der Hauptthyristor 7d gezündet, so setzt ein Schwingungsvorgang über die Kommutierungsdrossel 12d, den Hauptthyristor 7d und den Dämpfungskondensator 15a ein. Der dabei über den Dämpfungskonden-

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sator 15a fließende Strom ±_D, der über den Hauptthyristor 7d fließende Strom i„ und der über die Freilaufdiode 8d fließende Strom ip sind in Figur 6 über der Zeit t aufgetragen. Erreicht die Spannung am Dämpfungskondensator 15a im Zeitpunkt tg Null Volt, so kommutiert der in der Kommutierungsdrossel 12d fließende Strom der Größe ig auf die Freilaufdiode 8d. Anschließend klingt der Kreisstrom ab. Für den Fall, daß der Kreisstrom innerhalb der Zündperiode des stromführenden Hauptthyristors abgeklungen ist, beträgt die Verlustenergie

^P - ^UZ · ^C15 * W

worin CL₅ die Kapazität des beteiligten Dämpfungskondensators 15 und fyjjjj, die Umrichterfrequenz ist. Diese Verluste und damit die Grenze für die Größe der Kapazität der Dämpfungskondensatoren 15 können dadurch vermieden werden, daß man die Dämpfungskondensatoren 15 bei Unterschreiten eines Mindestlaststromes abschaltet oder daß man den Umrichterausgang mit einer induktiven Grundlast beaufschlagt.

Ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Dämpfungskondensatoren 15 abschaltbar sind, zeigt Figur 7. Als Schalter sind im Ausführungsbeispiel Thyristoren eingesetzt. Es können auch mechanische Schalter benützt werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist identisch mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1. Es sind lediglich die Dämpfungskondensatoren 15a bis 15f über jeweils einen Thyristor 18a bis 18c mit dem Hauptanschluß 14a bis 14c des zugehörigen Brückenstranges verbunden. Jedem der Thyristoren 18a bis 18c ist eine Diode 19a bis 19c antiparallel geschaltet. Mit den Thyristoren 18a bis 18c werden die Dämpfungskondensatoren beim Unterschreiten eines Mindestlaststromes abgeschaltet, um das Entstehen von Kreisströmen und die damit verbundenen Verluste zu vermeiden.

Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer induktiven Grundlast 20, mit der der Umrichterausgang 21 beaufschlagt ist. Diese induktive Grundlast 20 bewirkt einen induktiven Grundlaststrom, der die Dämpfungskondensatoren 15 zwischen Umschwingvorgang und Zündung des nächsten Hauptthyristors im Wechselrichter 6 umlädt

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und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert. Der Umrichter und die Anordnung der Dämpfungskondensatoren 15 entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1. Als Grundlast 20 ist zwischen den Umrichterausgang 21 und die Drehstrommaschine 1 in jede Phase des Umrichterausgangs eine Drossel 20a bis 20c geschaltet. Jede der Drosseln 20a bis 20c besitzt zwei magnetisch gekoppelte Wicklungen 22a und 22b, wobei die Windungszahl jeder Wicklung 22a n^ und die Windungszahl jeder Wicklung 22b n^ beträgt und n₂^ n, ist. Durch die Punkte an den Wicklungen 22a und 22b sind die Wicklungsanfänge bezeichnet. Bei jeder Drossel 20a bis 20c ist der Wicklungsanfang der Wicklung 22a mit dem Umrichterausgang 21 und der Verbindungspunkt 23a bis 23c des Wicklungsendes der Wicklung 22a und des Wicklungsanfangs der Wicklung 22b mit der Last 1 verbunden. Die Wicklungen 22a aller Drosseln 20a bis 20c sind also vom Laststrom durchflossen. Die Wicklungsenden aller Wicklungen 22b der Drosseln 20a bis 20c sind im Verbindungspunkt 24 miteinander verknüpft. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 8 ist die Grundlast 20 durch eine Drehstromdrossel realisiert, deren Schenkel je mit den zwei Wicklungen 22a und 22b bewickelt sind und der Verbindungspunkt 24 liegt an der Sternspannung des Umrichterausgangs.

Zur Erklärung der Wirkungsweise der Grundlast 20 ist in Figur 8a die Drossel 20a mit den auftretenden Spannungen und Strömen im Detail dargestellt. Bei laufendem Umrichter fließt nur der Grundlaststrom i . Wird ein Laststrom i_Q eingeprägt, der durch die Umrichterlast gegeben ist, so verursacht dieser Laststrom den Spannungsabfall U in der Wicklung 22a. In der Wicklung 22b wird damit eine Spannung ⁿ2 . U_n induziert. Bei induktivem

⁵T_n

Laststrom ist die Spannung 2 . U der Umrichter-Sternspannung U, entgegengerichtet, so da§1 ein Grundlaststrom i von der

η
resultierenden Spannung U=U,- 2 . U getrieben wird. Für .

U > ⁿ2 . U (Figur 9a) ist i induktiv, für U = ⁿ2 . U_Q (Figur

ⁿ1 ⁿ1

9b) ist i = 0 und für U < ^2 » U (Figur 9c) wird i kapazitiv.

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Diese Darstellung ist stark vereinfacht, gilt jedoch, wenn i ^ i ist, was man für den Anwendungsfall annehmen kann (i %0,1 i_Q)· In den Figuren 9a bis 9c sind unter der Annahme sinusförmiger Spannungen und Ströme die drei obengenannten Fälle als Zeigerdiagramme dargestellt.

Wie bereits erwähnt, bewirkt die Drosselanordnung einen induktiven Grundlaststrom, der die Dämpfungskondensatoren zwischen Umschwingvorgang und Hauptimpulsbeginn im Wechselrichter umlädt und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert. Wesentlich ist dabei, daß der Grundlaststrom mit steigendem Umrichter-Laststrom kleiner und mit einer entsprechenden Auslegung der Drehstromdrossel 20 bei Nennstrom zu Null gemacht werden kann. Im Nennbetrieb belastet daher die Grundlast 20 die Kommutierungseinrichtung und die Hauptthyristoren nicht mehr. Dies gilt für den Fall, daß der Umrichterstrom induktiv ist, was in einem Großteil der Anwendungsfälle zutrifft. Mit größer werdendem Wirkanteil des Laststromes bleibt ein immer größerer Anteil des induktiven Grundlaststromes erhalten, so daß im Extremfall bei rein ohmscher Umrichterbelastung der Grundlaststrom die Dämpfungskondensatoren umladen kann. Zu betonen ist noch, daß durch die induktive Grundlast die Betriebssicherheit des Umrichters in keiner Weise eingeschränkt wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Umrichter vermieden wird, daß eine Überhöhung der Spannung am Kommutierungskondensator entsteht. Dabei ist wesentlich, daß die Dämpfungswirkung bei kleinen Zwischenkreisspannungen klein ist und mit steigender Zwischenkreisspannung zunimmt. Damit bleibt noch soviel Stromabhängigkeit der Nachladung erhalten, daß die nötige Kommutierfähigkeit gewahrt bleibt. Damit ist eine von der Umrichterfrequenz völlig unabhängige Arbeitsweise erreicht. Beim bekannten Umrichter geht die Höhe der Kommutierspannung sehr stark in die Umrichterverluste ein. Die Verluste in der Kommutierungseinrichtung betragen 80 bis 90% der Gesamtverluste. Mit steigender Frequenz steigen auch diese Verluste. Beim erfindungsgemäßen Umrichter arbeitet die Dämpfungsschaltung nahezu verlust·?-

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los. Sie verringert durch Absenkung der nur zu einem kleinen Teil nutzbaren hohen Kommutierspannungen bei hohen Zwischenkreisspannungen die Belastung der Kommutierungseinrichtung spürbar. Dadurch wird auch der Gesamtwirkungsgrad des Umrichters erheblich verbessert. Verluste, die durch Kreisströme bei leerlaufendem Umrichter auftreten, können durch Abschalten der Dämpfungsschaltung bei kleinen Zwischenkreisspannungen oder vorzugsweise durch eine induktive Grundlast praktisch völlig vermieden werden.

Abschließend ist noch anzuführen, dai3 die angegebene Dämpfungsschaltung sich auch zur Nachrüstung bekannter Umrichter eignet, weil der konstruktive Aufwand unerheblich ist. Eine Erhöhung der Leistungsausbeute ist damit gegeben.

7 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims

VPA 75 P 3031 BRD Patentansprüche

1.»Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, gesteuertem Gleich- ^— richter und einem Wechselrichter mit Hauptthyristoren in Brückenschaltung, zu der Freilaufdioden in Brückenschaltung antiparallel geschaltet sind, wobei jedem Brückenzweig ein Löschkreis mit einem Löschthyristor und einem Kommutierungskondensator parallel geschaltet ist, für zwei Brückenzweige, die einen gemeinsamen Hauptanschluß besitzen, jeweils ein Kommutierungskondensator vorgesehen ist und in den Kommutierungsstromkreisen Kommutierungsdrosseln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils zwei Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß (14) wenigstens ein Dämpfungskondensator (15) vorgesehen ist, der zu einem Brückenzweig parallel geschaltet ist.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Brückenzweig ein Dämpfungskondensator (15a bis 15f) parallel geschaltet ist.

3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brückenzweigen mit gemeinsamem Hauptanschluß (14) je ein Dämpfungskondensator (15) zugeordnet ist, der zwischen den Hauptanschluß (14) und einer Mittelanzapfung (5c) des Zwischenkreiskondensators (5a und 5b) geschaltet ist.

4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität aller Dämpfungskondensatoren (15) wenigstens angenähert gleich groß ist.

5. Umrichter nach einem der· Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen den Hauptanschluß (14) zweier Brückenzweige und zugehörige Dämpfungskondensatoren (15) ein Schalter . (18a bis 18c) geschaltet ist.

6. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (21) des Umrichters mit einer induktiven Grundlast (20) verbunden ist.

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Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daf3 in jede Ausgangsleitung (21) eine Drossel (20a bis 20c) mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen (22a, 22b) geschaltet ist und daß eine Wicklung (22a) ,jeder Drossel mit dem Wechselrichterausgang (21), der Verbindungspunkt (23a) der beiden Wicklungen (22a, 22b jeder Drossel mit der Last (1) und die anderen Wicklungen (22b) aller Drosseln miteinander verbunden sind.

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