DE3237488C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorladung von Kommutierungskondensatoren in einem Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens (EP-A2- 00 31 118).

Aufbau und Wirkungsweise eines solchen Wechselrichters, insbesondere aber auch die Kommutierungsvorgänge bei der Phasenfolgelöschung sind beispielsweise aus der Zeitschrift ETZ-A, Bd. 96, 1975, S. 520-523, bekannt. Das Drehstromsystem am Ausgang des Wechselrichters wird durch zyklisches Zünden und Löschen von Thyristoren, die z. B. in einer Brückenschaltung angeordnet sind, aus dem eingeprägten Gleichstrom erzeugt, der entweder von einer Gleichspannungsquelle über einen Gleichstromsteller oder aus einem Wechselspannungsnetz über einen gesteuerten Gleichrichter, sowie über eine nachgeschaltete Zwischenkreisdrossel in den Wechselrichter eingespeist wird. Zum Löschen der jeweils leitenden Thyristoren werden Kommutierungskondensatoren verwendet, die unter geeigneten Bedingungen beim Betrieb des Wechselrichters auf- und umgeladen werden und sich beim Zünden des nächsten Thyristors einer Kommutierungsgruppe über den vorausgegangenen Thyristor entladen und so seine Löschung erzwingen. Daher wird diese Kommutierungsart auch als Phasenfolgelöschung bezeichnet.

Beim Einschalten des Wechselrichters haben die Kommutierungskondensatoren im allgemeinen keine geeignete Kondensatorspannung, um von Beginn an eine sichere Kommutierung der Thyristoren im Wechselrichter zu gewährleisten. Je nach Vorgeschichte ist es möglich, daß einzelne Kommutierungskondensatoren mit falscher Polarität, mit richtiger Polarität, aber zu geringer Kondensatorspannung, oder gar nicht geladen sind.

Um von Anbeginn eine volle Betriebsbereitschaft des Wechselrichters zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Kommutierungskondensatoren vor dem Einschalten durch eine Vorladung auf eine zur Kommutierung ausreichende Kondensatorspannung aufzuladen. Nach einem aus der EP-A2-00 31 118, Fig. 1 bekannten Verfahren wird die Vorladung mit Hilfe einer zusätzlichen Ladespannungsquelle durchgeführt, die mit den Kommutierungskondensatoren über Widerstände und Entkopplungsdioden verbunden ist. Dies bedeutet einen erhöhten Aufwand für die zusätzliche Spannungsquelle, sowie relativ lange Vorladungszeiten und Verluste, da die Kondensatoraufladung über Widerstände erfolgt.

Ein weiteres Vorladungsverfahren, das eine zusätzliche Ladespannungsquelle überflüssig macht, ist ebenfalls aus der EP-A2-00 31 118 bekannt. Darin wird zum Antakten des Wechselrichters zunächst der eingeprägte Strom bei gleichzeitiger Erhöhung der Taktfrequenz für die Thyristoren auf kleine Werte begrenzt, bis die Spannung an den Kommutierungskondensatoren eine ausreichende Höhe erreicht hat, um den vollen Thyristorstrom kommutieren zu können. Daran anschließend werden gemäß vorgegebener Zeitfunktionen der engeprägte Strom und die Taktfrequenz auf ihre Anfahrwerte erhöht bzw. abgesenkt. Aufgrund der in kleinen Schritten erfolgenden Vorladung wird bei diesem Verfahren eine vergleichsweise lange Anfahrphase für den Wechselrichter benötigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Vorladung der Kommutierungskondensatoren zu schaffen, welches einerseits eine sehr schnelle Vorladung ermöglicht und andererseits mit geringem Zusatzaufwand in den bekannten Wechselrichterschaltungen realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem eingangs beschriebenen Verfahren die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 vorgesehen sind.

Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß in einem Schwingkreis, wie er üblicherweise aus Induktivität und Kondensator gebildet wird, in einfacher und schneller Weise verlustarme Umladungs- und Aufladungsvorgänge durchgeführt und gesteuert werden können und daß aufgrund des Einschwingvorganges der Kondensator eines Schwingkreises, der an eine Gleichspannungsquelle geschaltet wird, auf eine maximale Spannung aufgeladen werden kann, die höher als die Spannung der Quelle ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß der Wechselrichter innerhalb weniger Schwingkreisperioden seine Betriebsbereitschaft erreicht und durch die hohe Vorladespannung eine hohe Kommutierungsfähigkeit erlangt.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Vorladungsverfahrens;

Fig. 2 den zeitlichen Ablauf der Steuerungsvorgänge bei der Durchführung des Verfahrens in einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Ausschnitt aus der Schaltung nach Fig. 1 mit richtig vorgeladenen Kommutierungkondensatoren;

Fig. 4 einen Ausschnitt gemäß Fig. 3 mit falsch vorgeladenen Kommutierungskondensatoren.

In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, wie sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Ein Wechselrichter, der im wesentlichen aus Wechselrichterthyristoren T 1 ... T 6, Wechselrichterdioden D 1 ... D 6 und Kommutierungskondensatoren C 1 ... C 6 besteht, speist in einer Brückenschaltung einen dreiphasigen Verbraucher VB, z. B. eine Asynchronmaschine. Der Wechselrichter seinerseits wird über zwei Verbindungsleitungen V 1 und V 2 aus einem Netzstromrichter N mit einem eingeprägten Strom IZ versorgt. Der Netzstromrichter N kann als gesteuerter Gleichrichter am Wechselspannungsnetz, oder als Gleichstromsteller am Gleichspannungsnetz mit oder ohne Umgruppierungsmöglichkeit ausgeführt werden und wird am Eingang mit einer Netzspannung UE beaufschlagt. In die eine Verbindungsleitung V 1 ist eine Zwischenkreisdrossel LD eingefügt, die zur Glättung des eingeprägten oder Zwischenkreisstromes IZ dient. Im Ausführungsbeispiel ist zwischen den Verbindungsleitungen V 1 und V 2 eine Freilaufdiode DA in Sperrichtung angeordnet. Parallel zur Freilaufdiode DA ist üblicherweise ein Bremszweig für die Widerstandsbremsung geschaltet, der aus einem Bremswiderstand RB und einem in Serie liegenden Bremsthyristor TB besteht. In die eine Verbindungsleitung V 1 ist weiterhin vor der Freilaufdiode ein Schalter TH, z. B. der Zerhacker des Gleichstromstellers, in die andere Verbindungsleitung V 2 ist hinter der Freilaufdiode DA ein Schalter TS, z. B. ein Umgruppierungsschalter, eingesetzt, mit welchen beiden Schaltern der Verfahrensablauf bei der Vorladung der Kommutierungskondensatoren C 1 ... C 6 maßgeblich beeinflußt wird. Wird als Netzstromrichter N nicht ein Gleichstromsteller, sondern ein gesteuerter Gleichrichter verwendet, übernehmen dessen Halbleiterelemente die wichtigen Funktionen der Schalter TH und TS sowie der Freilaufdiode DA.

Jeder der Wechselrichterthyristoren T 1 ... T 6 bildet zusammen mit der zugehörigen Wechselrichterdiode D 1 ... D 6 einen von wenigstens sechs Brückenzweigen, die zu je drei Brückenzweigen in einer oberen Kommutierungsgruppe (T 1, D 1; T 3, D 3; T 5, D 5) und einer unteren Kommutierungsgruppe (T 2, D 2; T 4, D 4; T 6, D 6) zusammengefaßt werden können. Zwischen je zwei Brückenzweigen einer Kommutierungsgruppe ist einer der Kommutierungskondensatoren C 1 ... C 6 geschaltet.

Beim Betrieb des Wechselrichters werden durch Ansteuern der entsprechenden Wechselrichterthyristoren die Brückenzweige paarweise durchgeschaltet und gelöscht, wobei ein Paar jeweils von einem Brückenzweig der oberen und einem aus der unteren Kommutierungsgruppe in einer Weise gebildet wird, daß durch den Verbraucher VB ein Drehstromsystem fließt. Die einzelnen Phasen des Drehstromsystems werden durch zyklische Vertauschung der angesteuerten Thyristoren innerhalb einer Kommutierungsgruppe erzeugt. Eine mögliche Zündfolge bildet den Zyklus (T 1, T 2)-(T 3, T 2)-(T 3, T 4)-(T 5, T 4)- -(T 5, T 6)-(T 1, T 6), wobei die in einer Klammer zusammengefaßten Thyristoren gleichzeitig durchgesteuert sind. Der einzelne, durch den Kommutierungskondensator bewirkte Kommutierungsvorgang ist in der eingangs zitierten Zeitschrift ETZ-A a. a. O. ausführlich dargestellt und soll daher nicht weiter beschrieben werden.

Die Vorladung der Kommutierungskondensatoren C 1 ... C 6 erfolgt erfindungsgemäß in wenigstens zwei Schritten in einem ersten und zweiten, gesteuerten Schwingkreis. Zur Steuerung der Schwingkreise wird eines der oben aufgeführten, sechs möglichen Paare von Wechselrichterthyristoren ausgewählt. In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 besteht dieses Paar beispielsweise aus den Thyristoren T 5 und T 6.

Die Kommutierungskondensatoren einer Kommutierungsgruppe sind zu einem geschlossenen Kreis zusammengeschaltet, so daß die Summe aller Kondensatorspannungen in einer Gruppe verschwindet. Gleichzeitig ist dadurch jeder Wechselrichterthyristor in einer Kommutierungsgruppe mit zwei Kommutierungskondensatoren verbunden. Im Falle des ausgewählten Thyristors T 5 sind dies die Kondensatoren C 3 und C 5, beim Thyristor T 6 handelt es sich um die Kondensatoren C 4 und C 6. Die andere Seite der Kondensatoren C 3 und C 5 ist über zwei Vorladungsdioden DV 1 und DV 2, und einen gemeinsamen Vorladungsthyristor mit der Verbindungsleitung V 2 verschaltet.

Die andere Seite der Kondensatoren C 4 und C 6 dagegen liegt über zwei Vorladungsdioden DV 3 und DV 4, und einen gemeinsamen Vorladungsthyristor TV 2 an der Verbindungsleitung V 1. Wird zur Vorladung ein anderes Thyristorpaar verwendet, gelten die Ausführungen sinngemäß für andere Kommutierungskondensatoren.

Beim Betrieb des Wechselrichters sind von den drei Kondensatoren einer Kommutierungsgruppe in den Zeiten zwischen den Kommutierungsvorgängen zwei gegenläufig geladen, während der dritte Kondensator weitgehend ungeladen ist. Zwei der drei möglichen Ladezustände sind am Beispiel der oberen Kommutierungsgruppe in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. In Fig. 3 sind die Kondensatoren C 3 und C 5 mit der Kondensatorspannung U₀ gegenläufig geladen, der Kondensator C 1 dagegen ist weitgehend entladen. Diese Ladungskonfiguration ist geeignet für eine Kommutierung von dem durchgeschalteten Thyristor T 5 auf den nächstfolgenden Thyristor T 1. Bei diesem Kommutierungsvorgang werden C 5 umgeladen, C 3 entladen und C 1 gegenläufig zu C 5 aufgeladen, d. h., synchron mit den durchgeschalteten Thyristoren werden auch die Ladungen der Kommutierungskondensatoren einer Gruppe zyklisch vertauscht.

Der Wechselrichterbetrieb beginnt immer mit der Ansteuerung eines durch die Schaltungsanordnung bestimmten Thyristorpaares, z. B. T 5 und T 6. Die Kommutierungskondensatoren können je nach Vorgeschichte ungeladen, zu wenig geladen oder aber mit einer für die erste Kommutierung nicht geeigneten Polarität geladen sein. Die Vorladung, die vor dem Wechselrichterbetrieb erfolgt, soll die Bereitschaft der Schaltung herstellen. Daher ist das erfindungsgemäße Vorladungsverfahren in zwei Schritte unterteilt. In einem ersten Schritt werden falsch gepolte Kondensatoren umgeladen. Dazu wird zunächst der Schalter TS geschlossen, während der Schalter TH geöffnet bleibt und damit den Wechselrichter von der Netzspannung NE trennt. Auf diese Weise wird für die Kommutierungskondensatoren der oberen Kommutierungsgruppe, die im Nachfolgenden hauptsächlich betrachtet werden soll, ein erster, steuerbarer Schwingkreis geschaffen, der aus der Zwischenkreisdrossel LD, dem Wechselrichterthyristor T 5, den Kommutierungskondensatoren C 3 und C 5, den Vorladungsdioden DV 1 und DV 2, dem Vorladungsthyristor TV 1, dem Schalter TS und der Freilaufdiode DA gebildet wird. Ein analoger Schwingkreis entsteht für die untere Kommutierungsgruppe.

Der zeitliche Steuerungsablauf der verschiedenen Ventile in den Schwingkreisen für die verschiedenen Verfahrensschritte 1, 2 und 1′, 2′ ist in Fig. 2 zusammen mit den möglichen Zwischenkreisströmen IZ dargestellt. Werden beispielsweise im ersten Schritt 1 Kommutierungskondensatoren mit falscher Polung über den ersten Schwingkreis umgeladen, werden zum Zeitpunkt t₀ der Schalter TS geschlossen und die Thyristoren TV 1 und T 5 zur selben Zeit durch einen Steuerimpuls gezündet. Dann gehen diese drei Schaltelemente vom nichtleitenden in den leitenden Zustand, was in Fig. 2 als Übergang von 0 auf 1 gekennzeichnet ist. Der Umladevorgang erfolgt naturgemäß nur in einer Richtung, die durch die im Schwingkreis liegenden Ventile festgelegt ist und bricht daher automatisch ab. Die Dauer des Umladevorganges bestimmt sich nach der bekannten Schwingkreisformel aus den elektrischen Werten der Zwischenkreisdrossel LD und der Kommutierungskondensatoren C 3 und C 5. Da die Gleichspannungsquelle durch den Schalter TH vom Wechselrichter getrennt ist, ist der Zwischenkreisstrom IZ bei diesem Schritt 1 identisch mit dem Umladestrom der Kommutierungskondensatoren in Form einer Stromhalbwelle.

Hat also beispielsweise zum Zeitpunkt t₀ eine Ladungskonfiguration gemäß Fig. 4 vorgelegen, die für die Kommutierung von dem Bezugsthyristor T 5 auf den im Zyklus nachfolgenden Thyristor T 1 nicht geeignet war, tritt nach Beendigung des Umladevorganges zum Zeitpunkt t₁ eine neue Ladungskonfiguration gemäß Fig. 3 auf, die bei ausreichender Spannungshöhe an den Kondensatoren den Beginn des Wechselrichterbetriebs ermöglicht. Obgleich die Umladung mit geringen Verlusten behaftet ist, kann jedoch die Spannung bereits vor der Umladung kleiner als die Netzspannung UE sein. Um daher in jedem Fall eine sichere Vorladung zu gewährleisten, ist dem Umladeschritt 1 ein Auf- bzw. Nachladeschritt 2 nachgeordnet, der von t₁ bis t₂ dauert. Dazu wird in t₁ der Schalter TH von 0 auf 1 geschaltet, d. h., geschlossen. Bei U₀ < UE wird auf diese Weise ein zweiter steuerbarer Schwingkreis, ein Serienschwingkreis, mit der Netzspannung UE verbunden, der in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit dem ersten, steuerbaren Schwingkreis nahezu identisch ist und wiederum im wesentlichen aus den Kommutierungskondensatoren C 3 und C 5 und der Zwischenkreisdrossel LD besteht. Da, wie in Fig. 2 dargestellt, die Thyristoren TV 1 und T 5 im Schritt 2 ebenfalls gezündet werden, laden sich C 3 und C 5 schwingungsartig aus dem Netz auf oder nach und erreichen aufgrund des Überschwingens eine Maximalspannung, die über der Netzspannung liegen kann, so daß in t₂ die volle Kommutierungsfähigkeit für die obere Kommutierungsgruppe vorliegt.

Analog zu den Schritten 1 und 2 für die obere Gruppe kann anschließend in der Zeit von t₂ bis t₄ die untere Kommuntierungsgruppe in einem entsprechenden Umladeschritt 1′ und einem Auf- bzw. Nachladeschritt 2′ auf die volle Kommutierungsfähigkeit gebracht werden, in dem die Thyristoren TV 2 und T 6 gemäß Fig. 2 gezündet werden. Insgesamt wird für die beschriebene Vorladung eine Zeit t₄-t₀ benötigt, die in der Größenordnung der doppelten Periodendauer der verwendeten Schwingkreise liegt. In t₄ beginnt dann der Betrieb des Wechselrichters mit der Zündung des Thyristorpaares (T 5, T 6).

Darüber hinaus kann bei den Schritten 1 und 1′, d. h. bei den Umladevorgängen nach Fig. 2, auch der Bremsthyristor TB gezündet werden. Damit wird eine zusätzliche Absicherung gegenüber einer möglichen Umladung 1 bzw. 1′ über Netzstromrichter auf der Eingangsseite des Zwischenkreises erreicht.

Insgesamt ergibt sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren eine schnelle, verlustarme und leicht steuerbare Vorladung, die wegen der hohen Kondensatorspannung eine hohe Kommutierungsfähigkeit bewirkt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Vorladung von Kommutierungskondensatoren in einem Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung, der aus einem Netz mit einer Netzspannung (UE) über einen Netzstromrichter (N) und eine Zwischenkreisdrossel (LD) mit einem eingeprägten Gleichstrom betrieben wird und einen Verbraucher (VB) mit einem wenigstens dreiphasigen Drehstrom speist, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des Wechselrichterbetriebes in einem ersten Schritt Kommutierungskondensatoren, deren Kondensatorspannungen eine für die Kommutierung nicht geeignete Polarität besitzen, in einem ersten gesteuerten Schwingkreis umgeladen, und in einem zweiten Schritt Kommutierungskondensatoren, deren Kondensatorspannungen kleiner als die Netzspannung (UE) sind, in einem zweiten gesteuerten Schwingkreis auf- bzw. nachgeladen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Induktivität des ersten und zweiten gesteuerten Schwingkreises im wesentlichen die Zwischenkreisdrossel (LD) verwendet wird und die Auf- bzw. Nachladung der Kommutierungskondensatoren im zweiten Schritt aus dem Netz erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umladung der Kommutierungskondensatoren im ersten Schritt über eine Freilauftdiode (DA) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des ersten und zweiten Schwingkreises Thyristoren verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung sowohl Thyristoren (T 5, T 6) des Wechselrichters selbst, als auch zusätzliche Vorladungsthyristoren (TV 1, TV 2) eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungskondensatoren zu Gruppen zusammengefaßt und gruppenweise, zeitlich gestaffelt, vorgeladen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf der Vorladung durch die Schaltzustände des Netzstromrichters (N) mitbestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittfolge bei der Vorladung durch zwei Schalter (TH, TS) innerhalb des Netzstromrichters (N) gesteuert wird.

9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Wechselrichter über Verbindungsleitungen (V 1, V 2) mit dem Netzstromrichter (N) verbunden ist, in welche eine Verbindungsleitung (V 1) die Zwischenkreisdrossel (LD) eingefügt ist, daß zwischen den Verbindungsleitungen (V 1, V 2) innerhalb des Netzstromrichters (N) ein Freilaufzweig besteht und daß eine erste Gruppe (C 1, C 3, C 5) von Kommutierungskondensatoren über erste Vorladungsdioden (DV 1, DV 2) und einen ersten Vorladungsthyristor (TV 1) mit der anderen Verbindungsleitung (V 2), und eine zweite Gruppe (C 2, C 4, C 6) von Kommutierungskondensatoren über zweite Vorladungsdioden (DV 3, DV 4) und einen zweiten Vorladungsthyristor (TV 2) mit der einen Verbindungsleitung (V 1) am Ausgang der Zwischenkreisdrossel (LD) verbunden sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungsleitungen (V 1, V 2) innerhalb des Netzstromrichters (N) eine Freilaufdiode (DA) angeordnet ist, daß in die eine Verbindungsleitung (V 1) vor der Freilaufdiode (DA) ein erster Schalter (TH) und daß in die andere Verbindungsleitung (V 2) nach der Freilaufdiode (DA) ein zweiter Schalter (TS) eingefügt sind.