CH674687A5

CH674687A5 -

Info

Publication number: CH674687A5
Application number: CH4779/87A
Authority: CH
Inventors: Urs Zuercher
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1987-12-07
Filing date: 1987-12-07
Publication date: 1990-06-29
Also published as: US4888676A; JPH01194891A; DE3836698A1

Description

BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Beschaltung für mindestens zwei in Reihe geschaltete abschaltbare Ventile nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der französischen Zeitschrift «Electronique de puissance» — 11, Sept. 1985, S. 12 und 13 — bekannt ist. Bei der dort in Fig. 3 dargestellten Schaltung sind zwei GTO-Thyristoren über eine Drossel mit Mittelpunktanzapfung in Reihe geschaltet. Jedem in GTO-Thyristor mit antiparalleler Freilaufdiode ist eine Reihenschaltung eines Abschaltent-lastungskondensators mit einer Abschaltentlastungsdiode parallelgeschaltet. Die gemeinsamen Verbindungspunkte von Abschaltentlastungskondensator und Abschaltentlastungsdiode der beiden Reihenschaltungen sind einerseits über eine Primärwicklung eines Transformators, wobei die sekundäre Wicklung des Transformators über eine Diode an der versorgenden Gleichspannung liegt, und andererseits über eine weitere Reihenschaltung aus drei Dioden und einem ohmschen Widerstand zusam-5 mengeschaltet. Mit dieser Beschaltung kann die Kondensator-Umschwingenergie zurückgewonnen werden. Die Beschaltung ist jedoch relativ aufwendig hinsichtlich der Zahl ihrer Bauelemente. Sowohl im ohmschen Widerstand als auch in der Drossel mit Mittelpunktanzapfung treten elektrische Verluste auf. io Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die EP-Bl 0 134 508 verwiesen. Bei der dort in Fig. 4 dargestellten Schaltung sind jeweils zwei GTO-Thyristoren direkt, ohne Zwischenschaltung einer Drossel mit Mittelpunktanzapfung in Reihe geschaltet. Parallel zu jedem GTO-Thyristor ist i5 eine Abschaltentlastungsdiode mit einem Abschaltentlastungskondensator in Reihe geschaltet. Beim Einschalten jedes GTO-Thyristors wird der Abschaltentlastungskondensator über einen Hilfsthyristor, insbesondere einen Kippspannungsthyristor und zwei Dioden, eine Energiespeicherdrossel und den GTO-Thyri-20 stor entladen. Danach fliesst ein Freilaufstrom durch die Energiespeicherdrossel, den GTO-Thyristor und eine Freilaufdiode. Beim Ausschalten des Lastthyristors wird ein Teil der in der Energiespeicherdrossel zwischengespeicherten Energie zum Aufladen des Abschaltentlastungskondensators verwendet und ein 25 Teil in eine Gleichspannungsquelle zurückgespeist. Damit lässt sich eine induktive Last über klar definierte Schaltzeiten mit wenig Aufwand regeln. Die Energiespeicherdrossel weist eine Induktivität auf, die etwa 104mal so gross ist, wie die Induktivität des Kreises aus GTO-Thyristor und der dazu parallelen Rei-30 henschaltung von Abschaltentlastungskondensator und Abschaltentlastungsdiode.

Zusätzlich wird auf die DE-B2 2 641 183 hingewiesen. Bei der dort angegebenen verlustarmen Beschaltung zweier unmittelbar in Reihe geschalteter elektrischer oder elektronischer Ein-35 wegschalter, z.B. zweier npn-Transistoren, sind gemäss einer Variante parallel zu jedem Einwegschalter eine Reihenschaltung eines Entlastungskondensators und einer Entlastungsdiode vorgesehen, wobei die Entlastungsdiode gleich gepolt ist wie der Einwegschalter. Parallel zu jeder Entlastungsdiode ist eine Ent-40 ladedrossel in Reihe mit einer Entladediode geschaltet, die entgegengesetzt wie die Entlastungsdiode gepolt ist. Diese Schaltung ermöglicht keine Rückgewinnung der Umschwungenergie; sie benötigt 2 Entladedioden und 2 Entladedrosseln. Beim Abschalten eines Einwegschalters wirkt jeweils nur der zugehörige 45 Entlastungskondensator.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist,

löst die Aufgabe, eine Beschaltung für mindestens zwei in Reihe so geschaltete abschaltbare Ventile anzugeben, die mit weniger Bauelementen auskommt und weniger elektrische Verluste aufweist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in Reihe mit den abschaltbaren Ventilen keine Drossel vorgesehen werden 55 muss. Dadurch verringern sich die elektrischen Verluste. Ausserdem können die Abschaltentlastungskondensatoren um etwa 25% kleiner ausgelegt werden, als es ansonsten gemäss den Angaben der Hersteller der GTO-Thyristoren erforderlich ist. Der Abschaltentlastungskondensator des 2. abschaltbaren Ventils 60 zweier in Reihe geschalteter abschaltbarer Ventile wirkt zu etwa 50% bei der Abschaltentlastung des 1. abschaltbaren Ventils mit, und der Abschaltentlastungskondensator des 1. abschaltbaren Ventils wirkt zu etwa 50% bei der Abschaltentlastung des 2. abschaltbaren Ventils mit. Dadurch wird erreicht, dass un-65 mittelbar nach der Zündung eines abschaltbaren Ventils Löschbereitschaft besteht. Der früheste Zeitpunkt des Löschimpulses wird praktisch nicht durch die Beschaltung bestimmt. Die Beschaltung arbeitet unabhängig vom Schaltzustand der abschalt

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baren Ventile; sie ist auch bei Nullpunkt-Schaltungen einsetzbar. Zur Energierückgewinnung ist kein Transformator mit Diode im Stromkreis der Sekundärwicklung erforderlich.

Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann durch richtige Dimensionierung eines induktiven Widerstandes in Reihe mit einer Abschaltentlastungsdiode zwischen den Abschaltentlastungskondensatoren zweier abschaltbarer Ventile ein Rückschwingen bei der Entladung dieser Abschalt-entlastungskondensatoren über das jeweilige abschaltbare Ventil reduziert werden, so dass diese Ventile geringer belastet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen dreiphasigen Wechselrichter zur Speisung einer Wechselstrommaschine mit abschaltbaren Ventilen in den Brückenzweigen und mit einer verlustarmen Beschaltung je Phase des Wechselrichters,

Fig. 2 eine Schaltung gemäss Fig. 1 mit 2 in Reihe geschalteten abschaltbaren Ventilen für eine Wechselrichterphase mit detaillierter Beschaltung,

Fig. 3 eine Schaltung mit 4 in Reihe geschalteten abschaltbaren Ventilen für eine Wechselrichterphase mit detaillierter Beschaltung, und

Fig. 4 eine Schaltung mit 6 in Reihe geschalteten abschaltbaren Ventilen für eine Wechselrichterphase mit detaillierter Beschaltung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen positiven und 2 einen negativen Pol eines dreiphasigen Wechselrichters 3 mit Wechselspannungsphasen R, S, T, die mit einer Wechselstrom- bzw. Drehstrommaschine 5 verbunden sind. Der Wechselrichter 3 ist Teil eines nicht dargestellten Umrichters mit Gleichspannungszwischenkreis, dem eine Gleichspannung Ud zwischen den Polen 1 und 2 von einem Gleichrichter des Umrichters eingeprägt wird. Ein Zwischenkreiskondensator COI ist zwischen die Pole 1 und 2 geschaltet.

Abschaltbare Ventile mit antiparallelen Dioden oder rückwärtsleitende GTO-Thyristoren VI, V2 bzw. V3, V4 bzw. V5, V6 bilden drei Ventilzweigpaare des Wechselrichters 3, entsprechend den Wechselspannungsphasen R, S, T, die jeweils mit einer Beschaltung 4 verbunden sind.

Fig. 2 zeigt die Schaltung einer verlustarmen Beschaltung 4 in Verbindung mit zwei in Reihe geschalteten rückwärtsleitenden 1. und 2. GTO-Thyristoren VI und V2 gemäss Fig. 1. Parallel zu jedem rückwärtsleitenden GTO-Thyristor VI bzw. V2 ist eine Reihenschaltung eines 1. bzw. 2. Abschaltentlastungs-kondensators Cl bzw. C2und eine 1. bzw. 2. Abschaltentlastungsdiode Dl bzw. D2 geschaltet, wobei die jeweilige Abschaltentlastungsdiode Dl bzw. D2 in gleicher Richtung wie der zugehörige rückwärtsleitende GTO-Thyristor VI bzw. V2 gepolt ist. Ein gemeinsamer Verbindungspunkt 6 von 1. Abschaltentlastungskondensator Cl und 1. Abschaltentlastungsdiode Dl ist über eine Reihenschaltung aus einer Kondensatorentladungsdiode D3 und einem induktiven Widerstand bzw. einer Drossel L3 mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt 7 von 2. Abschaltentlastungskondensator C2 und 2. Abschaltentlastungsdiode D2 elektrisch verbunden. Die Induktivität des induktiven Widerstandes L3 ist 1,5- bis 5mal, vorzugsweise 2- bis 3mal so gross wie die Induktivität des induktiven Widerstandes des Kreises VI, Cl, Dl oder V2, C2, D2. Anstelle einer speziellen Drossel L3 kann die gleiche Induktivität als Leiterschleife in Gestalt einiger 10 cm Kabel in Reihe zur Kondensatorentladungsdiode D3 erstellt werden, wie in Fig. 2 strichpunktiert angedeutet. Typische Werte für die Abschaltentlastungskondensa-toren Cl und C2 sind 2,8 p.F und 2500 V.

Die Fig. 3 zeigt eine für sehr hohe Gleichspannungen geeignete Schaltung mit 4 in Reihe geschalteten, rückwärtsleitenden GTO-Thyristoren Vil - V14 für eine Wechselrichterphase R. Jedem der rückwärtsleitenden GTO-Thyristoren Vil - V14 ist 5 eine Reihenschaltung aus einem Abschaltentlastungskondensator Cll und einer Abschaltentlastungsdiode Dil bzw. C12, D12 bzw. C13, D13 bzw. C14, D14 parallelgeschaltet. Gemeinsame Verbindungspunkte von Abschaltentlastungskondensator und Abschaltentlastungsdiode jeweils zweier benachbarter, in io Reihe geschalteter rückwärtsleitender GTO-Thyristoren stehen über eine Reihenschaltung aus einer Kondensatorentladungsdiode D3 und einer Drossel L3 in einseitig leitender Verbindung.

Zwischen den Polen 1 und 2 sind zwei Zwischenkreiskon-15 densatoren COI und C02 in Reihe geschaltet. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Zwischenkreiskondensatoren COI und C02 ist einerseits über eine 1. Diode D01 mit der Kathode des rückwärtsleitenden GTO-Thyristors VII und andererseits über eine 2. Diode D02 mit der Anode des rückwärtsleitenden GTO-20 Thyristors V14 verbunden, wobei diese Dioden gleich gepolt sind wie die genannten GTO-Thyristoren. Dabei liegt an jedem GTO-Thyristor die Gleichspannung Ud/2.

In Fig. 4 ist eine der Fig. 3 entsprechende Schaltung, jedoch mit 6 in Reihe geschalteten, rückwärtsleitenden GTO-Thyristo-25 ren VII - VI6 gezeigt. Hier sind 3 Zwischenkreiskondensatoren COI - C03 zwischen den Gleichspannungspolen 1 und 2 in Reihe geschaltet, d.h., halb so viel wie GTO-Thyristoren. Der gemeinsame Verbindungspunkt des 1. und 2. Zwischenkreiskondensa-tors C01 bzw. C02 steht über eine 1. Diode D01 mit dem ge-30 meinsamen Verbindungspunkt des 1. und 2. rückwärtsleitenden GTO-Thyristors VII bzw. V12 und über eine 2. Diode D02 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt des 4. und 5. rückwärtsleitenden GTO-Thyristors V14 bzw. VI 5 in Verbindung. Der gemeinsame Verbindungspunkt des 2. und 3. Zwischenkreis-35 kondensators C02 und C03 steht über eine 1. Diode D03 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt des 2. und 3. rückwärtsleitenden GTO-Thyristors V12 bzw. V13 und über eine 2. Diode D04 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt des 5. und 6. rückwärtsleitenden GTO-Thyristors VI 5 bzw. V16 in Verbin-40 dung. Dabei liegt an jedem GTO-Thyristor die Gleichspannung Ud/3.

Es versteht sich, dass dieses Reihenschaltungsprinzip auf n in Reihe geschaltete Ventile erweiterbar ist, n geradzahlig ä: 4. Parallel zu den n Ventilen sind dann n/2 Zwischenkreiskonden-45 satoren in Reihe geschaltet, so dass an jedem Ventil die Gleichspannung 2 • Ud/n anliegt. Der gemeinsame Verbindungspunkt des m. und (m+ 1). Zwischenkreiskondensators steht über eine 1. Diode mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt des m. und (m +1). abschaltbaren Ventils und über eine 2. Diode mit dem so gemeinsamen Verbindungspunkt des (n/2 + m). und (n/2 + m +1). abschaltbaren Ventils in Verbindung, m = 1 ... (n/2 — 1).

Die Wirkung der erfindungsgemässen Beschaltung soll nun anhand der Schaltungen der Figuren 1 und 2 erläutert werden.

Zustand 1 : Im stationären Zustand fliesst ein konstanter 55 Strom vom positiven Pol 1 über das eingeschaltete Ventil VI in die induktive Last, d.h. über die Wechselspannungsphase R in die Wechselstrommaschine 5.

Zustand 2: Nach dem Löschen des Ventils VI lädt sich der Abschaltentlastungskondensator Cl auf mit einem Ladestrom 60 vom positiven Pol 1 über Cl, Dl und die induktive Last 5, während sich der Abschaltentlastungskondensator C2 über L3, D3, Dl und die induktive Last 5 entlädt. Dabei bleibt die Summe aus Auflade- und Entladestrom durch die induktive Last 5 konstant.

65 Zustand 3: Es fliesst ein durch die Induktivität der Last 5 erzwungener konstanter Laststrom durch die antiparallele Diode des Ventils V2 zurück über die Last 5.

Zustand 4: Beim Einschalten des Ventils VI wird der Ab-

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schaltentlastimgskondensator C2 vom positiven Pol 1 über VI, D2 und den positiven Pol 2 aufgeladen. Gleichzeitig wird der Abschaltentlastungskondensator Cl über VI, D2, L3, D3 entladen. Gleichzeitig fliesst ein konstanter Strom vom positiven Pol 1 über VI in die Last 5, entsprechend dem Zustand 1.

Wichtig ist, dass zur Entladung der Abschaltentlastungskon-densatoren Cl und C2 die Kondensatorentladungsdiode D3 eingesetzt wird. Sie ist über eine etwas grössere Induktivität L3 «langsam» gemacht, im Gegensatz zu den zwei anderen Stromkreisen Cl, VI, Dl und C2, V2, D2, die so induktivitätsarm wie möglich auszuführen sind. Da beide Abschaltentlastungs-kondensatoren Cl und C2 beim Abschalten der Ventile parallel liegen, wird die Beschaltung klein hinsichtlich der Kapazität der Abschaltentlastungskondensatoren Cl und C2. Jeder Abschaltentlastungskondensator wirkt voll für den zugehörigen GTO-Thyristor und nicht ganz voll für den 2. GTO-Thyristor, da L3 mit D3 in Reihe geschaltet ist.

Es wird abhängig vom Betriebszustand (GTO-Thyristor leitend oder nicht), mehr oder weniger Umschwingenergie in die Gleichspannungsquelle zurückgespeist.

Die Drossel L3 könnte, statt in Reihe zur Kondensatorentladungsdiode D3, prinzipiell auch zwischen die Ventile VI und V2 5 geschaltet sein, wobei die Abschaltentlastungsdioden Dl und D2 mit einem Mittelabgriff zu verbinden wären. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass die elektrischen Verluste wegen des vergleichsweise hohen Laststromes etwa das 1 (Wache im Vergleich zu denen bei der angegebenen Schaltung betragen würden. Bei dem io Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Drosseln in Reihe zu den abschaltbaren Ventilen nicht erforderlich.

Anstelle oder zusätzlich in Reihe zur Drossel L3 könnte auch zur Schwingungsdämpfung ein ohmscher Widerstand vor-gesehen sein, dessen Widerstand vorzugsweise den Wert |/L/C 15 aufweist, wobei C die Kapazität eines Abschaltentlastungskon-densators Cl bzw. C2 bedeutet und L die Induktivität eines Kondensator-Entladekreises C2, L3, D3, Dl, VI oder Cl, VI, D2, L3, D3.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Beschattung für mindestens zwei in Reihe geschaltete abschaltbare Ventile (VI, V2; V3, V4; V5, V6; Vil - V16), wobei parallel zu jedem abschaltbaren Ventil eine Reihenschaltung aus einem Abschaltentlastungskondensator (Cl, C2, Cil - C14) und einer in gleicher Richtung wie das abschaltbare Ventil gepolten Abschaltentlastungsdiode (Dl, D2, Dil - D14) vorgesehen ist und die gemeinsamen Verbindungspunkte (6, 7) von Ab-schaltentlastungskondensatoren (Cl, C2) und Abschaltentla-stungsdioden (Dl, D2) jeweils zweier in Reihe geschalteter abschaltbarer Ventile (VI, V2) über mindestens eine Kondensatorentladungsdiode (D3) miteinander in einseitig leitender Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die abschaltbaren Ventile unmittelbar in Reihe geschaltet sind.

2. Beschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Verbindungspunkte (6, 7) von Abschaltentlastungskondensator (Cl, C2) und Abschaltentlastungsdiode (Dl, D2) jeweils zweier in Reihe geschalteter abschaltbarer Ventile (VI, V2) über die Kondensatorentladungsdiode (D3) in Reihe mit einem induktiven Widerstand (L3) miteinander in einseitig leitender Verbindung stehen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Beschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität des induktiven Widerstandes (L3) 1,5- bis 5mal so gross, insbesondere 2- bis 3mal so gross ist wie die Induktivität des Kreises (VI, Cl, Dl; V2, C2, D2) eines abschaltbaren Ventils (VI, V2) und der dazu parallelen Reihenschaltung eines Abschaltentlastungskondensators (Cl, C2) mit einer Abschaltentlastungsdiode (Dl, D2).

4. Beschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass n abschaltbare Ventile in Reihe geschaltet sind, n > 4, geradzahlig, dass parallel zu den n abschaltbaren Ventilen n/2 Zwischenkreiskondensatoren (COI - C03) in Reihe geschaltet sind, und dass der gemeinsame Verbindungspunkt von m. und (m+1). Zwischenkreiskondensator (COI, C02) über eine 1. Diode (D01) mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt von m. und (m+1). abschaltbaren Ventil (Vil, V12) und über eine 2. Diode (D02) mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt von (n/2 + m). und (n/2+m + l). abschaltbaren Ventil (V13, V14) in Wirkverbindung steht, m = 1 ... (n/2 — 1).

5. Beschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abschaltbaren Ventile GTO-Thyristo-ren sind.

6. Beschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass antiparallel zu jedem abschaltbaren Ventil (VI - V6, Vil - V16) ein Freilaufventil geschaltet ist oder dass die abschaltbaren Ventile rückwärtsleitend sind.