DE3236502C2

DE3236502C2 - Nachladeeinrichtung für einen Kommutierungskondensator eines Wechselrichters in einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter

Info

Publication number: DE3236502C2
Application number: DE19823236502
Authority: DE
Inventors: Norbert Ing.(Grad.) 1000 Berlin Beul; Harald Ing.(Grad.) Lautz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1982-09-29
Publication date: 1987-01-22
Also published as: DE3236502A1

Abstract

Um bei einem Kommutierungskondensator (C 3) für die Thyristoren (V 6 bis V 11) eines Wechselrichters (WR) in einem Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis laststromunabhängig stets die gleiche definierte Spannung für die Kommutierung zur Verfügung zu haben, ist neben einer Nachladung des Kommutierungskondensators (C 3) aus dem Zwischenkreis eine zusätzliche, potentialfreie Gleichspannungsquelle (U3) vorgesehen. Die zusätzliche Gleichspannungsquelle (U3) wird durch einen über eine Steuereinrichtung (ST) betätigbaren Halbleiterschalter (HS) an den Kommutierungskondensator (C 3) gelegt. Ferner ist ein Meßwert-Umformer (MV) vorgesehen, durch den die Spannung (UC) am Kommutierungskondensator (C 3) erfaßt wird und der über die Steuereinrichtung (ST) den Halbleiterschalter (HS) solange schließt, bis der Kommutierungskondensator (C 3) auf die definierte Spannung aufgeladen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nachladeeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Nachladeeinrichtung ist aus der DE-OS 30 38 230 bekannt.
Bei der bekannten Nachladeeinrichtung erfolgt die Nachladung des Kommutierungskondensators über einen Ladewiderstand direkt aus einem Zwischenkreis des Umrichters mit konstanter Gleichspannung. Die zur Verfügung gestellte Spannung reicht jedoch in der Praxis in der Regel nicht aus, um den Kommutierungskondensator nach jedem Kommutierungsvorgang derart nachzuladen, daß die von ihm bereitgestellte Kommutierungsspannung eine sichere Kommutierung des Stromes in den Ventilen des selbstgeführten Wechselrichters gewährleistet. Noch ungünstiger liegen die Verhältnisse, wenn eine Nachladung des Kommutierungskondensators aus einem Zwischenkreis mit variabler Spannung erfolgt.
Um sicherzustellen, daß stets eine ausreichend hohe Kommutierungsspannung am Kommutierungskondensator zur Verfügung steht, ist es durch die eingangs erwähnte DE-OS 30 38 230 bekannt, die Nachladung des Kommutierungskondensators statt aus dem Zwischenkreis vorzunehmen, durch eine separate vom Potential des Gleichspannungszwischenkreises unabhängige Gleichspannungsquelle zu bewältigen, die aus einem Netz- Transformator, einem Gleichrichter und einem Kondensator besteht. Der Aufwand für eine derartige Nachladeeinrichtung ist jedoch bedeutend, da sie eine Gleichspannung bereitstellen muß, die noch höher ist, als die des Gleichspannungszwischenkreises des Umrichters. Da zudem die Nachladung ungesteuert erfolgt, müssen die Bauelemente des Kommutierungskreises entsprechend sicher und damit überdimensioniert ausgelegt werden.
Aus der DE-AS 12 33 471 ist zwar bereits eine Nachladeeinrichtung bekannt, durch die über einen Thyristor die Spannung einer unabhängigen Gleichspannungsquelle gezielt zur Nachladung des Kommutierungskondensators eingesetzt wird, jedoch ist nicht sichergestellt, daß der Kommutierungskondensator stets auf die gleiche Spannung nachgeladen wird, so daß auch hier eine Überdimensionierung der Bauelemente erforderlich ist.
In der US-PS 33 84 804 ist eine Reihenschaltung einer zusätzlichen Spannungsquelle mit der Quelle der Zwischenkreisspannung beschrieben. In diesem Falle muß jedoch die zusätzliche Spannungsquelle die volle Kommutierungsspannung liefern.
Aus der GB-PS 14 29 880 ist es an sich bekannt, daß eine zusätzliche Spannungsquelle bei einem Stromrichter durch einen primärseitig am den Stromrichter speisenden Netz angeschlossenen Transformator, einen Gleichrichter und einen Kondensator gebildet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Nachladeeinrichtung derart zu verbessern, daß mit geringem Aufwand eine gezielte Nachladung des Kommutierungskondensators auf eine die Kommutierung des Wechselrichters stets sicherstellende Spannung ermöglicht wird, ohne daß die Bauelemente des Kommutierungskreises überdimensioniert werden müssen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Durch die zusätzliche Gleichspannungsquelle wird vorteilhafterweise ständig sichergestellt, daß der Kommutierungskondensator auf eine ausreichend hohe Spannung nachgeladen wird. Überraschenderweise ist der Aufwand für die zusätzliche Gleichspannungsquelle gering, da sie ja nur den Spannungshub bereitstellen muß, der über der ohnehin für die Nachladung vorhandenen Zwischenkreisgleichspannung liegt. Infolge des Meßwert-Umformers für die Kondensatorgleichspannung kann darüber hinaus auch die Nachladung so gezielt eingesetzt werden, daß stets nur bis zu einer bestimmten Spannung nachgeladen wird, wodurch alle Bauelemente des Kommutierungskreises lediglich im Hinblick auf diese Spannung bemessen sein müssen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Nachladeeinrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Besonders vorteilhaft läßt sich die Nachladeeinrichtung dabei bei einem Umrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 einsetzen, der aus der eingangs erwähnten DE-OS 30 38 230 bekannt ist.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Zwischenkreis-Umrichters mit der Nachladeeinrichtung nach der Erfindung, und
Fig. 2 die zeitlichen Zusammenhänge zwischen den Ansteuersignalen einzelner Thyristoren und dem Spannungs- und Stromkurvenverlauf am Kondensator der Kommutierungseinrichtung für den in Fig. 1 gezeigten Wechselrichter.
Gemäß Fig. 1 liegt ein Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter zwischen einem speisenden Netz U ₁, V ₁, W ₁ und einer (nicht dargestellten) Last an seinen Ausgangsklemmen U ₂, V ₂, W ₂. Dabei speist ein ungesteuerter Netzgleichrichter GR 1 aus dem dreiphasigen Netz U ₁, V ₁, W ₁ einen ersten Gleichspannungszwischenkreis mit einer Glättungsdrossel L 1 und einem Stütz-Kondensator C 1. Die in diesem Zwischenkreis konstante Spannung U _D ₁ liegt am Eingang eines Choppers CH als einem Gleichspannungs-Stellglied, das einen zweiten Zwischenkreis mit variabler Spannung U _D ₂ speist. Der zweite Zwischenkreis weist eine Glättungsdrossel L 2 und einen Kondensator C 2 auf, an dessen Klemmen ein dreiphasiger Wechselrichter WR mit den Wechselrichter-Thyristoren V 6 bis V 11 in Drehstrom-Brückenschaltung angeschlossen ist. Antiparallel zu den Wechselrichter-Thyristoren V 6 bis V 11 sind Freilaufdioden V 12 bis V 17 geschaltet. Zwischen der negativen Klemme des Kondensators C 2 und dem Eingang des Wechselrichters WR liegt ein Entkopplungs-Thyristor V 3 mit antiparallelgeschalteter Löschdiode V 4, durch den der Gleichspannungszwischenkreis vom Wechselrichter WR vor der Löschung der Wechselrichter-Thyristoren V 6 bis V 11 abtrennbar ist. Durch den Einsatz des Entkopplungs-Thyristors V 3 wird ein Kurzschluß des Gleichspannungszwischenkreises während des Löschens der Wechselrichter-Thyristoren verhindert.
Zur Löschung der Wechselrichter-Thyristoren V 6 bis V 11 sowie des Entkopplungs-Thyristors V 3 ist eine Summenlöscheinrichtung vorgesehen, die aus einem eine Drosselspule L 3 und einem Kommutierungskondensator C 3 aufweisenden Schwingkreis und einem ersten Schwingkreis- Thyristor V 1 sowie einem zweiten Schwingkreis-Thyristor V 2 gebildet ist.
Aus der variablen Zwischenkreis-Gleichspannung U _D ₂ wird mit Hilfe der Thyristoren V 6 bis V 11 des Wechselrichters und der ihnen antiparallelgeschalteten Freilaufdioden V 12 bis V 17 ein Drehstromsystem erzeugt, das an den Klemmen U ₂, V ₂, W ₂ für die (nicht dargestellte) Last zur Verfügung steht. Die sechs Thyristoren V 6 bis V 11 des Wechselrichters WR werden dazu jeweils ≤ 180° el einer Periode der Ausgangswechselspannung gezündet und in bekannter Weise nach jeweils 60° el durch die Summenlöscheinrichtung gelöscht.
Zu Beginn jeder Löschphase wird durch kurzzeitiges Zünden des zweiten Schwingkreis-Thyristors V 2 der Schwingkreis angeregt, dessen Umschwingvorgang den bisher leitenden Entkopplungs-Thyristor V 3 sperrt. Nach Ablauf der Schonzeit des zweiten Schwingkreis-Thyristors V 2 und Zünden des ersten Schwingkreis-Thyristors V 1 erfolgt ein erneuter Umschwingvorgang, dessen Strom über die Freilaufdioden V 12 bis V 17 des Wechselrichters fließt und damit die bis dahin leitenden Wechselrichter- Thyristoren V 6 bis V 11 sperrt
Nach Ablauf des gesamten Umschwingvorgangs besitzt der Kommutierungskondensator C 3 die gleiche Polarität wie zu Beginn des Löschvorganges.
Bedingt durch die Verluste während der Löschphase und dem Energieaustausch mit (nicht gezeigten) Beschaltungselementen der Leistungshalbleiter erreicht der Kommutierungskondensator C 3 seine Spannungsamplitude wie zu Anfang der Kommutierungsphase nicht mehr.
Um den Spannungsverlust auszugleichen, ist in bekannter Weise der Kommutierungskondensator C 3 mit dem ersten Zwischenkreis konstanter Gleichspannung U _D ₁ des Umrichters über einen Ladewiderstand R 1 verbunden. Diese Nachladung reicht jedoch nicht aus, um eine ausreichend hohe Kommutierungsspannung zu jedem Betriebsaugenblick und unter allen Lastverhältnissen bereitzustellen.
Gemäß der Erfindung ist deshalb eine zusätzliche, potentialfreie Gleichspannungsquelle U 3 vorgesehen, die durch einen durch eine Steuereinrichtung ST betätigbaren Halbleiterschalter HS an den Kommutierungskondensator C 3 gelegt wird. Zusätzlich ist ein Meßwertumformer MV vorgesehen, durch den die Spannung U _C am Kommutierungskondensator C 3 erfaßt wird. Durch den Meßwertumformer wird die Steuereinrichtung ST derart beeinflußt, daß sie den Halbleiterschalter HS so lange und nur so lange schließt, bis der Kommutierungskondensator C 3 auf eine definierte Spannung aufgeladen ist.
Die zusätzliche potentialfreie Gleichspannungsquelle U ₃ wird dabei durch die Hintereinanderschaltung eines primärseitig an dem den Umrichter speisenden Netz U ₁, V ₁, W ₁ zweiphasig anliegenden Transformators T 1, eines Gleichrichters GR 2 und eines Kondensators C 4 gebildet. Eine Sicherung im Primärkreis des Transformators T 1 ist mit F 1 bezeichnet. Der Aufwand für die zusätzliche Gleichspannungsquelle ist gering, denn der Transformator T 1 kann als Teil- bzw. Hilfswicklung eines Transformators für die Steuerspannung des Umrichters oder für andere Hilfsversorgungen ausgebildet sein. Als Ladewiderstand dient aus der zusätzlichen Gleichspannungsquelle der Widerstand R 1.
Der Halbleiterschalter HS kann ein Thyristor mit Umschwingschaltung, ein GTO-Thyristor oder ein Leistungstransistor mit Treiberstufe sein.
Durch Schließen des Halbleiterschalters HS vor jedem erneuten Löschvorgang ist gewährleistet, daß der Kommutierungskondensator C 3 stets auf eine definierte Spannung aufgeladen ist. Diese Spannung ist höher zu wählen, als die maximale Zwischenkreisspannung des zweiten Zwischenkreises U _D ₂. Unter allen Lastverhältnissen tritt die gleiche Beanspruchung der Elemente im Löschkreis auf.
Ein höherer Sicherheitsabstand zur minimalen negativen Sperrspannung für den zweiten Schwingkreis-Thyristor V 2 nach der ersten Hälfte der Umschwingperiode des Schwingkreises L 3 bis C 3 über die Löschdiode V 4 ist ebenfalls gewährleistet. Dieser Betriebspunkt ist besonders wichtig, sobald als Last am Wechselrichter WR ein Drehstrommotor angeschlossen ist, der bedingt durch sein Gegenmoment bzw. seine Schwungmasse im Generatorbetrieb arbeitet und seine Energie an den Kondensator C 2 im zweiten Zwischenkreis abgibt, so daß die Zwischenkreisspannung U _D ₂ über ihren zulässigen Betriebswert angehoben wird.
Zur Entlastung des Halbleiterschalters HS und zur Aufladung des Kommutierungskondensators C 3 beim ersten Einschaltaugenblick wird im Zuge der Verbindung des Kommutierungskondensators C 3 mit dem Zwischenkreis konstanter Gleichspannung U _D ₁ eine in Richtung auf den Kommutierungskondensator C 3 gepolte Diode V 5 angeordnet.
Über die Steuereinrichtung ST ist sicherzustellen, daß der Entkopplungs- Thyristor V 3 gleichzeitig mit dem Halbleiterschalter HS angesteuert wird.
Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung U _C und des Stromes I _C am Kommutierungskondensator C 3, während des Löschvorgangs der Wechselrichter-Thyristoren V 6 bis V 11 sowie des Entkopplungs-Thyristors V 3.
Vor Beginn der Löschphase durch Zünden des zweiten Schwingkreis-Thyristors V 2 ist der Entkopplungs-Thyristor V 3 gezündet, die Spannung U _C des Kommutierungskondensators C 3 steht auf der gewünschten Höhe und der Kondensatorstrom I _C ist Null. Der Umschwingvorgang beginnt mit Zünden des zweiten Umschwing-Thyristors V 2, wodurch der Entkopplungs-Thyristor V 3 gelöscht wird. Der Kondensator C 3 entlädt sich mit ansteigendem Strom I _C und lädt sich anschließend auf negative Spannung um. Durch Zünden des ersten Schwingkreis-Thyristors V 1 entlädt sich danach der Kommutierungskondensator C 3 unter Abgabe eines negativen Stromes I _C in umgekehrter Richtung.
Wie zu erkennen ist, erreicht die Spannung U _C nicht mehr die Amplitude zu Beginn der Löschphase. Hier nun setzt die Nachladung für die zusätzliche Gleichspannungsquelle ein. Die Steuereinrichtung ST erhält einen Impuls NL, wodurch der Halbleiterschalter HS geschlossen wird. Gleichzeitig wird auch der Entkopplungs-Thyristor V 3 erneut gezündet. Damit kann der Kommutierungskondensator C 3 nachgeladen werden, bis über den Meßwertumformer ein Signal MV abgegeben wird, das signalisiert, daß die gewünschte Spannungsamplitude wieder erreicht ist. Die Steuereinrichtung ST öffnet daraufhin den Halbleiterschalter HS. Der Kommutierungskondensator C 3 steht mit einer definierten Kommutierungsspannung für den nächsten Löschvorgang zur Verfügung.

Claims

1. Nachladeeinrichtung für einen Kommutierungskondensator eines Wechselrichters in einem Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis mit konstanter und/oder variabler Zwischenkreisspannung, bei der der Kommutierungskondensator entweder aus dem Zwischenkreis oder über eine zusätzliche potentialfreie Gleichspannungsquelle nachgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwecks Aufwandverminderung die zusätzliche potentialfreie Gleichspannungsquelle (T 1, GR 2, C 4) eine im Vergleich zur konstanten Zwischenkreisspannung (U _D ₁) nur geringe Spannung (U ₃) aufweist und in Reihe zur konstanten Zwischenkreisspannung (U _D ₁) geschaltet ist und diese Reihenschaltung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsvorgängen durch einen durch eine Steuereinrichtung (ST) betätigbaren Halbleiterschalter (HS) über einen Ladewiderstand (R 1) an den Kommutierungskondensator (C 3) gelegt wird, und

- ein Meßwert-Umformer (MV) vorgesehen ist, durch den die Spannung (U _C) am Kommutierungskondensator (C 3) erfaßt wird und der über die Steuereinrichtung (ST) den Halbleiterschalter (HS) solange geschlossen hält, bis der Kommutierungskondensator (C 3) auf eine definierte Spannung aufgeladen ist.

2. Nachladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche potentialfreie Gleichspannungsquelle (T 1, GR 2, C 4) durch die Hintereinanderschaltung eines primärseitig an dem den Umrichter speisenden Netz (U ₁, V ₁, W ₁) liegenden Transformators (T 1), eines Gleichrichters (GR 2) und eines Kondensators (C 4) gebildet ist.

3. Nachladeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (T 1) als Teil- bzw. Hilfswicklung eines Transformators für die Hilfsversorgung des Umrichters (Steuertransformator) ausgebildet ist.

4. Nachladeeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (T 1) der zusätzlichen Gleichspannungsquelle (T 1, GR 2, C 4) einphasig an das speisende Netz (U ₁, V ₁, W ₁) angeschlossen ist.

5. Nachladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Durchlaßrichtung auf den Kommutierungskondensator (C 3) gepolte Diode (V 5) parallel zur Reihenschaltung aus der zusätzlichen Gleichspannungsquelle (T 1, GR 2, C 4) und dem Halbleiterschalter (HS) liegt.

6. Nachladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (HS) als Thyristor mit Umschwingschaltung, als gateabschaltbarer Thyristor (GTO) oder als Leistungstransistor mit Treiberstufe ausgebildet ist.

7. Nachladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Kommutierungskondensator Teil einer Summenlöscheinrichtung für Thyristoren des Wechselrichters in einem Umrichter ist,

- der aus der Hintereinanderschaltung eines Netzgleichrichters, eines ersten Zwischenkreises mit konstanter Gleichspannung, eines Gleichspannungsstellgliedes, eines zweiten Zwischenkreises mit variabler Zwischenkreisspannung und des Wechselrichters aufgebaut ist,

- bei dem die Thyristoren des Wechselrichters und diesen antiparallel geschaltete Freilaufdioden in Brückenschaltung angeordnet sind,

- bei dem die Summenlöscheinrichtung aus einem eine Drosselspule und den Kommutierungskondensator aufweisenden Schwingkreis und einem ersten sowie einem zweiten Schwingkreis- Thyristor gebildet ist, und

- bei dem der Schwingkreis und der gezündete zweite Schwingkreis- Thyristor über eine Löschdiode einen antiparallel zu ihr angeordneten Entkopplungsthyristor löschen sowie den Kommutierungskondensator umladen, worauf anschließend der gezündete erste Schwingkreis- Thyristor den umgeladenen Schwingkreis an die variable Zwischenspannung legt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (HS) gleichzeitig mit einem Ansteuersignal für den Entkopplungsthyristor (V 3) geschlossen wird.