DE10153738B4

DE10153738B4 - Gleichrichterschaltung und Verfahren zu deren Steuerung

Info

Publication number: DE10153738B4
Application number: DE10153738A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Mino; Kazuo Kuroki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: DE10153738A1; US20020064061A1; JP4051875B2; US6437998B1; JP2002142458A

Abstract

Gleichrichterschaltung zur Umsetzung einer N-phasigen Wechselspannung in eine Gleichspannung, wobei N eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist, mit N bidirektionalen Schaltschaltungen (102, 202, 302), je einer für jeder der N Phasen, wobei jede der Schaltschaltungen eine Parallelschaltung aus einer ersten und einer zweiten Reihenschaltung enthält, die je ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement (S1, S2; S3, S4; S5, S6) mit entgegengesetzten Stromleitrichtungen aufweisen, wobei das erste Schaltelement in der einen Reihenschaltung eine Diode (D2; D4; D6) und in der anderen Reihenschaltung ein Thyristor (TH1, TH2, TH3) ist, wobei die beiden Reihenschaltungen so parallel geschaltet sind, daß die Kathode der Diode und die des Thyristors zusammengeschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt zwischen den beiden Komponenten der ersten Reihenschaltung bei jeder der Schaltschaltungen über eine jeweilige Drossel (L1, L2, L3) mit einem Wechselspannungseingangsanschluß (R, S, T) einer jeweiligen Phase verbunden ist, die Kathoden von Diode und Thyristor bei...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichrichterschaltung zur Umsetzung einer N-phasigen Wechselspannung in eine Gleichspannung, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung der Gleichrichterschaltung.
11 zeigt eine herkömmliche Gleichrichterschaltung zur Gleichrichtung einer 3-phasigen Wechselspannung in eine Gleichspannung. Dabei handelt es sich im wesentlichen um die gleiche Technik, wie sie in den Ansprüchen 1 und 2 der JP 9-182441A definiert ist. In 11 bezeichnen R, S und T Wechselspannungseingänge, P und N Gleichspannungsausgänge, L1, L2 und L3 Drosseln, D1 bis D18 Dioden, S1 bis S3 Schaltelemente der jeweiligen Phasen und C1 und C2 Kondensatoren.
Als nächstes soll die Arbeitsweise dieser Schaltung beschrieben werden. Dabei werden im folgenden die Namen der Elemente weggelassen und nur ihre Bezugszeichen angegeben. Wenn beispielsweise die Schaltelemente S1 und S2 eingeschaltet werden, fließt Strom durch den Pfad R → L1 → D1 → S1 → D8 → D9 → S2 → D4 → L2 → S → R, so daß in den Drosseln L1 und L2 Energie akkumuliert wird. Wenn S1 ausgeschaltet wird und S2 eingeschaltet bleibt, lädt die in den Drosseln L1 und L2 gespeicherte Energie den Kondensator C1 über den Pfad R → L1 → D1 → D13 → C1 → D9 → S2 → D4 → L2 → S → R. Wenn andererseits S2 abgeschaltet wird und S1 eingeschaltet bleibt, fließt der Strom durch den Pfad R → L1 → D1 → S1 → D8 → C2 → D16 → D4 → L2 → S → R, um mit der Energie aus den Drosseln L1 und L2 den Kondensator C2 zu laden.
Wenn sowohl S1 als auch S2 abgeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → D1 → D13 → C1 → C2 → D16 → D4 → L2 → S → R, um mit der Energie aus den Drosseln L1 und L2 die beiden Kondensatoren C1 und C2 zu laden. Das Wiederholen eines solchen Schaltbetriebs ermöglicht die Gleichrichtung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, wobei der Eingangsstrom auf einen hohem Leistungsfaktor regelbar ist. Die Spannungen der beiden Kondensatoren C1 und C2 können durch Einstellen der Durchlaßzeiten der Schaltelemente S1 bis S3 individuell geregelt werden.
Bei der in 11 gezeigten Schaltung mit 3-phasigem Eingang, beträgt die Anzahl der von Strom durchflossenen Halbleiterbauelemente (Schaltelemente und Dioden) zur Speicherung von Energie in den Drosseln sechs, für die individuelle Aufladung des Kondensators C1 oder C2 fünf und für die gleichzeitige Aufladung beider Kondensatoren C1 und C2 vier. Das heißt, daß durch eine große Anzahl von Bauelementen Strom fließt, was mit einem entsprechend hohen Energieverlust in den Halbleiterbauelementen verbunden ist. Auch bedarf es zur Abführung der mit dem Energieverlust verbundenen Wärmeerzeugung entsprechend großer Kühlkörper, die die Größe und den Preis der gesamten Vorrichtung in die Höhe treiben. Zusätzlich enthält eine Hauptschaltung eine große Anzahl von Halbleiterbauelementen, im speziellen Fall 21.
Aus der Druckschrift ”Force Commutated Three Level Boost Type Rectifier”, Yifan Zhao et al., IEEE Transactions on Industry Applications, Band 31, Nr. 1 Jan/Febr 1995, pp 155–161 ist eine Gleichrichterschaltung bekannt, wie sie in 4 gezeigt ist. Bidirektionale Schalter dieser Gleichrichterschaltung sind hier mit 104, 204 und 304 bezeichnet. Stellvertretend für die bidirektionalen Schalter 104, 204 und 304 soll der Aufbau des Schalters 104 beschrieben werden. Bei ihm gibt es eine Parallelschaltung zweier Reihenschaltungen, von denen die eine Reihenschaltung die Schaltelemente S1 und S2 und die andere Reihenschaltung die Dioden D1 und D2 enthält. Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D1 und D2 ist mit dem einen Ende der Drossel L1 verbunden, während der Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen S1 und S2 mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren C1 und C2 verbunden ist.
Als nächstes soll die Arbeitsweise dieser Gleichrichterschaltung beschrieben werden. Wenn beispielsweise die Schaltelemente S1 und S4 eingeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → D1 → S1 → S4 → D4 → L2 → S → R, wodurch Energie in den Drosseln L1 und L2 akkumuliert wird. Wenn S1 abgeschaltet wird, während S4 eingeschaltet bleibt, fließt Strom über den Pfad R → L1 → D1 → D7 → C1 → S4 → D4 → L2 → S → R, wodurch der Kondensator C1 geladen wird. Wenn andererseits S4 abgeschaltet, aber S1 eingeschaltet bleibt, fließt Strom über den Pfad R → L1 → D1 → S1 → C2 → D10 → D4 → L2 → S → R, wodurch der Kondensator C2 geladen wird. Wenn sowohl S1 als auch S4 gleichzeitig abgeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → D1 → D7 → C1 → C2 → D10 → D4 → L2 → S → R, so daß beide Kondensatoren C1 und C2 gleichzeitig geladen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gleichrichterschaltung zu schaffen, die einen übermäßigen Stromstoß durch die Gleichrichterschaltung verhindert und die eine geringe Anzahl an stromdurchflossenen Halbleiterbauelementen aufweist, um dadurch den Energieverlust zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch eine Gleichrichterschaltung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 4 gelöst.
Bei der Gleichrichterschaltung der vorliegenden Erfindung wird Anzahl an Halbleiterbauelementen, durch die beim Ansammeln von Energie in den Drosseln oder beim Laden der Kondensatoren Strom fließt, verglichen mit dem Stand der Technik verringert. Daher wird auch der Energieverlust verringert und die Anzahl an Halbleiterbauelementteilen kann zur Reduzierung von Größe, Gewicht und Preis der gesamten Vorrichtung einschließlich der Kühleinrichtungen reduziert werden. Gemäß dem Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung können die Spannungen an den Ausgangskondensatoren individuell geregelt werden, um die Halbleiterbauelemente oder Kondensatoren vor einer Überspannung zu schützen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
1–3 Abwandlungen der Gleichrichterschaltung von 4,
4 eine Gleichrichterschaltung gemäß dem Stand der Technik,
5 den Aufbau einer Regelschaltung zur Steuerung der Gleichrichterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
6–8 ein erstes, ein zweites bzw. ein drittes Ausführungsbeispiel der Gleichrichterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
9 Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise des ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
10 eine Darstellung zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Steuerverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, und
11 ein Schaltbild einer herkömmlichen Gleichrichterschaltung.
1 zeigt eine erste Abwandlung der Gleichrichterschaltung von 4. In 1 bezeichnen R, S und T Wechselspannungseingänge, P und N Gleichspannungsausgänge, L1, L2 und L3 Drosseln, S1 bis S6 aus MOSFETs bestehende Schaltelemente, D1 bis D12 Dioden, C1 und C2 Kondensatoren, die in Reihe zwischen die Gleichspannungsausgänge P und N geschaltet sind, und 101, 201 und 301 bidirektionale Schaltschaltungen, nachfolgend einfach als Schalter bezeichnet.
Die Schalter 101, 201 und 301 haben alle denselben Aufbau. Der Schalter 101 beispielsweise umfaßt eine Reihenschaltung aus den Schaltelementen S1 und S2 und eine dieser Reihenschaltung parallel geschaltete Reihenschaltung aus den Dioden D1 und D2. Der Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen S1 und S2 ist mit einem Ende der Drossel L1 verbunden, während der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D1 und D2 mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren C1 und C2 verbunden ist. Die entgegengesetzten Enden der Reihenschaltung aus den Dioden D1 und D2 sind über Dioden D7 bzw. D8 mit einem jeweiligen Ende der Reihenschaltung aus den Kondensatoren C1 und C2 verbunden.
Bei den anderen Schaltern 201 und 301 sind die entgegengesetzten Enden der Reihenschaltung aus den Dioden D3 und D4 bzw. die entgegengesetzten Enden der Reihenschaltung aus den Dioden D5 und D6 über Dioden D9 und D10 bzw. D11 und D12 mit den entsprechenden Enden der Reihenschaltung aus den Kondensatoren C1 und C2 verbunden. Außerdem sind der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D3 und D4 und der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D5 und D6 mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren C1 und C2 verbunden.
Als nächstes soll die Arbeitsweise dieser Schaltung beschrieben werden. Wenn beispielsweise die Schaltelemente S2 und S3 eingeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → S2 → D2 → D3 → S3 → L2 → S → R, so daß Energie in den Drosseln L1 und L2 akkumuliert wird. Wenn das Schaltelement S2 abgeschaltet wird, während das Schaltelement S3 eingeschaltet bleibt, fließt Strom über den Pfad R → L1 → (parasitäre Diode von S1) → D7 → C1 → D3 → S3 → L2 → S → R, wodurch der Kondensator C1 geladen wird. Wenn andererseits S3 abgeschaltet wird, während S2 eingeschaltet bleibt, fließt Strom über den Pfad R → L1 → S2 → D2 → C2 → D10 → (parasitäre Diode von S4) → L2 → S → R, wodurch der Kondensator C2 geladen wird. Wenn sowohl S2 als auch S3 gleichzeitig abgeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → (parasitäre Diode von S1) → D7 → C1 → C2 → D10 → (parasitäre Diode von S4) → L2 → S → R, wodurch gleichzeitig beide Kondensatoren C1 und C2 geladen werden.
Durch Wiederholen eines solchen Schaltbetriebs kann Wechselspannung in Gleichspannung umgesetzt werden, wobei der Eingangsstrom auf hohen Leistungsfaktor regelbar ist. Bei dieser Schaltung beträgt die Anzahl an Halbleiterbauelementen (Schaltelemente und Dioden), durch die zum Speichern von Energie in den Drosseln Strom fließt, vier, und diejenige zur Aufladung des Kondensators C1 oder C2 ebenfalls vier, was weniger ist als beim Stand der Technik. Daher können der Energieverlust in den Halbleiterbauelementen verringert und der Wirkungsgrad erhöht werden, während zugleich Größe und Gewicht von Kühlteilen ebenfalls verringert werden können. Die Gesamtanzahl an Halbleiterbauelementen ist ebenfalls verringert, so daß Größe, Gewicht und Kosten für die Gleichrichterschaltung reduziert werden können.
2 zeigt eine zweite Abwandlung der Gleichrichterschaltung von 4. Die bidirektionalen Schalter dieser Gleichrichterschaltung sind mit 102, 202 und 302 bezeichnet. Als Beispiel der Schalter 102, 202 und 302 wird der Schalter 102 beschrieben. Er umfaßt eine Reihenschaltung aus der Diode D1 und dem Schaltelement S1 sowie eine Reihenschaltung aus der Diode D2 und dem Schaltelement S2, wobei diese beiden Reihenschaltung einander parallel geschaltet sind. Die anderen Schalter 202 und 302 haben denselben Aufbau. Der Verbindungspunkt zwischen der Diode D1 und dem Schaltelement S1 ist mit einem Ende der Drossel L1 verbunden, und der Verbindungspunkt zwischen der Diode D2 und dem Schaltelement S2 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren C1 und C2 verbunden. Die Kathoden der beiden Dioden D1 und D2 sind mit der Anode der Diode D7 verbunden, während die Drainelektroden der Schaltelemente S1 und S2 mit der Kathode der Diode D8 verbunden sind. Im übrigen gleicht der Aufbau dieser Schaltung derjenigen von 1.
Es soll nun die Arbeitsweise dieser zweiten Awandlung beschrieben werden. Wenn beispielsweise die Schaltelemente S1 und S4 eingeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → S1 → (parasitäre Diode von S2) → S4 → (parasitäre Diode von S3) → L2 → S → R, wodurch Energie in den Drosseln L1 und L2 akkumuliert wird. Wenn S1 ausgeschaltet wird, während S4 eingeschaltet bleibt, fließt Strom über den Pfad R → L1 → D1 → D7 → C1 → S4 → (parasitäre Diode von S3) → L2 → S → R, wodurch der Kondensator C1 geladen wird. Wenn andererseits S4 ausgeschaltet wird, während S1 eingeschaltet bleibt, fließt Strom über den Pfad R → L1 → S1 → (parasitäre Diode von S2) → C2 → D10 → (parasitäre Diode von S3) → L2 → S → R, wodurch der Kondensator C2 geladen wird. Wenn sowohl S1 als auch S4 gleichzeitig abgeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → D1 → D7 → C1 → C2 → D10 → (parasitäre Diode von S3) → L2 →S → R, wodurch beide Kondensatoren C1 und C2 gleichzeitig geladen werden.
Auch bei dieser Schaltung kann durch Wiederholen der obigen Schaltvorgänge Wechselspannung in Gleichspannung umgesetzt werden, wobei der Eingangsstrom auf hohen Leistungsfaktor regelbar ist. Die Anzahl von Halbleiterbauelementen, durch die hier zur Akkumulation von Energie in den Drosseln oder zur Aufladung der Kondensatoren Strom fließt ist ebenfalls verringert, mit der Folge geringerer Energieverluste in den Halbleiterbauelementen, eines entsprechend erhöhten Wirkungsgrads, sowie einer Verringerung von Größe, Gewicht und Kosten für Kühlteile. 3 zeigt eine dritte Abwandlung der Gleichrichterschaltung von 4. Die bidirektionalen Schalter dieser Gleichrichterschaltung sind hier mit 103, 203 und 303 bezeichnet. Wieder soll der Schalter 103 stellvertretend für die Schalter 103, 203 und 303 beschrieben werden. Der Schalter 103 umfaßt eine Reihenschaltung aus dem Schaltelement S1 und der Diode D1 sowie eine Reihenschaltung aus dem Schaltelement S2 und der Diode D2, wobei die beiden Reihenschaltungen wie bei der Schaltung von 2 zueinander parallel geschaltet sind. Im Unterschied zur Schaltung von 2 sind hier die Schaltelemente S1 und S2 im jeweiligen oberen Arm und die Dioden D1 und D4 im jeweiligen unteren Arm der beiden Reihenschaltungen angeordnet. Das heißt, die Sourceelektroden der beiden Schaltelemente S1 und S2 sind mit der Anode der Diode D7 verbunden, während die Anoden der beiden Dioden D1 und D2 mit der Kathode der Diode D8 verbunden sind. Die anderen Schalter 203 und 303 haben den gleichen Aufbau.
Als nächstes soll die Arbeitsweise dieser dritten Abwandlung beschrieben werden. Wenn beispielsweise die Schaltelemente S2 und S3 eingeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → (parasitäre Diode von S1) → S2 → (parasitäre Diode von S4) → S3 → L2 → S → R, wodurch Energie in den Drosseln L1 und L2 akkumuliert wird. Wenn das Schaltelement S2 abgeschaltet wird, während S3 eingeschaltet bleibt, fließt Strom über den Pfad R → L1 → (parasitäre Diode von S1) → D7 → C1 → (parasitäre Diode von S4) → S3 → L2 → S → R, wodurch der Kondensator C1 geladen wird. Wenn andererseits S3 abgeschaltet wird, während S2 eingeschaltet bleibt, fließt Strom über den Pfad R → L1 → (parasitäre Diode von S1) → S2 → C2 → D10 → D3 → L2 → S → R, wodurch der Kondensator C2 geladen wird. Wenn sowohl S2 als auch S3 gleichzeitig abgeschaltet werden, fließt Strom über den Pfad R → L1 → (parasitäre Diode von S1) → D7 → C1 → C2 → D10 → D3 → L2 → S → R, wodurch beide Kondensatoren C1 und C2 gleichzeitig geladen werden. Diese Schaltung führt zu den gleichen Wirkungen und Vorteilen wie die zuvor beschriebenen.
Als nächstes soll unter Bezugnahme auf 5 eine Regelschaltung beschrieben werden, die in Verbindung mit den oben beschriebenen, in den 1 bis 4 gezeigten sowie den nachfolgend beschriebenen, in den 6 bis 8 gezeigten Gleichrichterschaltungen einsetzbar ist. In 5 bezeichnet 400 eine Regelschaltung, 401 eine Sinuswelleninstruktionseinrichtung (nachfolgend als Sinussollsignalgeber bezeichnet), 402 einen Phasendetektor, 403 bis 406 PI-Regler, 407 bis 409 Vergleicher, 410 bis 415 UND-Glieder und 416 einen Gatetreiber.
Die Arbeitsweise der Regelschaltung ist wie folgt. Der Sinussollsignalgeber 401 erzeugt Sinussollsignale bzw. Sinuswellen VR, VS und VT, deren Phasen jeweils mit der Phase einer entsprechenden Eingangsspannung synchronisiert sind, und der Phasendetektor 402 erzeugt Signale RP, RN, SP, SN, TP und TN, die mit den Polaritäten der Eingangsspannungen synchronisiert sind. Die Ausgangsgleichspannung VC1 der Gleichrichterschaltung wird von einem Sollwert VC* subtrahiert, durchläuft den PI-Regler 403 und wird dann mit den Sinuswellen VR, VS und VT multipliziert. Von den Ergebnissen dieser Multiplikation wird jeweils der Meßwert des Eingangsstroms der zugehörigen Phase subtrahiert und die Differenz nach Durchlaufen eines jeweiligen der PI-Regler 404 bis 406 durch einen jeweiligen der Vergleicher 407 bis 409 mit einem Trägersignal von einem Trägerwellengenerator T verglichen, damit auf diese Weise PWM-Signale (Pulsweitenmodulationssignale) erzeugt werden.
Die UND-Glieder 410 bis 415 bewirken eine UND-Verknüpfung der mit den Eingangsspannungen synchronisierten Signale RP, RN, SP, SN, TP bzw. TN mit den PWM-Signalen zur Schaffung von Steuersignalen für die Schaltelemente S1 bis S6 über den Gatetreiber 416. Dabei wird das Steuersignal für das Schaltelement S1 auf der Basis des Vergleichs zwischen dem negativen Synchronsignals RN der R-Phase mit dem PWM-Signal und das Steuersignal für das Schaltelement S2 auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem positiven Synchronsignal RP der R-Phase mit dem PWM-Signal erzeugt. In ähnlicher Weise wird das Steuersignal für das Schaltelement S3 auf der Basis des Vergleichs zwischen dem negativen Synchronsignal SN der S-Phase und dem PWM-Signal erzeugt, während das Steuersignal für das Schaltelement S4 auf der Basis des Vergleichs zwischen dem positiven Synchronsignal SP der S-Phase und dem PWM-Signal erzeugt wird. Schließlich wird das Steuersignal für das Schaltelement S5 auf der Basis des Vergleichs zwischen dem negativen Synchronsignal TN der T-Phase mit dem PWM-Signal erzeugt, während das Steuersignal für das Schaltelement S6 auf der Basis des Vergleichs zwischen dem positiven Synchronsignal TP der T-Phase mit dem PWM-Signal erzeugt wird. Auf diese Weise erlaubt die negative Rückführung, d. h. der geschlossene Regelkreis, daß der Eingangsstrom so geregelt wird, daß er sinusförmig und synchron mit der Eingangsspannung ist, während außerdem die Ausgangsspannung auf einen festen Gleichspannungswert geregelt wird. Folglich kann die Wechselspannung in Gleichspannung umgesetzt werden, während der Eingangsstrom so geregelt wird, daß ein hoher Leistungsfaktor erreicht wird.
Die Schaltelemente der bidirektionalen Schalter 101 bis 104, 201 bis 204 und 301 bis 304 der Schaltungen in den 1 bis 4 können IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) anstelle der erwähnten MOSFETs umfassen. Auch in diesem Fall kann die in 5 gezeigte Regelschaltung eingesetzt werden, wobei jedoch die Ausgänge des Gatetreibers 416 mit den in Klammern angegebenen Schaltelementen zu verbinden sind (so daß beispielsweise für die S-Phase das Steuersignal für das Schaltelement S1 auf der Basis des Vergleichs zwischen dem positiven Synchronsignal RP der R-Phase mit dem PWM-Signal und das Steuersignal für das Schaltelement S2 auf der Basis des Vergleichs zwischen dem negativen Synchronsignal RN der R-Phase mit dem PWM-Signal erzeugt wird).
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Gleichrichterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen bidirektionale Schalter 105, 205 und 305 Thyristoren TH1, TH2 und TH3 anstelle der Dioden D1, D2 und D5 der Schaltung von 2. Im übrigen stimmt der Aufbau dieses ersten Ausführungsbeispiels mit dem der Schaltung von 2 überein.
Wenn bei der Schaltung gemäß 2 die Spannungen an den beiden Enden der Reihenschaltung der Kondensatoren C1 und C2 (d. h. die Gleichspannung an den Ausgängen P und N) nicht gleich oder größer als die Leiterspannung ist, bevor die Stromversorgung eingeschaltet wird, fließt beim Einschalten der Stromversorgung Strom über den Pfad R → L1 → D1 → D7 → C1 → C2 → D10 → (parasitäre Diode von S3) mit der in 9(a) gezeigten Zeitlage, wodurch die Kondensatoren C1 und C2 geladen werden. Dies kann zu einem übermäßigen Stoßstrom Iin gemäß Darstellung in 9(a) führen, der die Gleichrichterschaltung beschädigt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Dioden D1, D3 und D5 von 2 durch die Thyristoren TH1, TH2 und TH3 ersetzt, und der Thyristor TH1 wird eingeschaltet, wenn die Eingangsleiterspannung VRS null ist oder nahezu null ist, wie in 9(b) gezeigt. Die anderen Thyristoren TH2 und TH3 werden eingeschaltet, wenn die Eingangsleiterspannungen VST und VTR null sind oder nahezu null sind. Wenn beispielsweise der Thyristor TH1 eingeschaltet wird, wenn VRS nahe bei Null liegt, können die Kondensatoren C1 und C2 unter Vermeidung eines übermäßigen Stoßstroms allmählich geladen werden. Wenn ferner die Thyristoren TH2 und TH3 eingeschaltet werden, nachdem die Spannungen an den Kondensatoren ihren Sättigungs- bzw. Endwert erreicht haben, kann das Verfahren zu einem Betrieb ähnlich dem der Schaltung von 2 wechseln.
7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Gleichrichterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, und 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel. Bei diesen Ausführungsbeispielen sind die Dioden D1, D3 und D5 der Schaltungen gemäß 3 bzw. 4 durch die Thyristoren TH1, TH2 und TH3 ersetzt. In den 7 und 8 bezeichnen Bezugszahlen 106, 107, 206, 207, 306 und 307 bidirektionale Schalter. Auch beim zweiten und dritten Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel verhindert werden, daß ein Stoßstrom zu den Kondensatoren fließt, und zwar mittels der Phase der Speisespannung.
10 zeigt eine Regelschaltung zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Steuerverfahrens gemäß der Erfindung. Die in 10 gezeigte Regelschaltung eignet sich für die in den 1 bis 4 und 6 bis 8 gezeigten Gleichrichterschaltungen. Nimmt man die Gleichrichterschaltung von 1 als Beispiel, regelt diese Regelschaltung individuell die Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 durch Veränderung der Ein/Aus-Impulsweite für die oberen Schaltelemente S1, S3 und S5 der Schalter 101, 201 und 301 zur Regelung der Spannung am Kondensator C1 und durch Änderung der Ein/Aus-Impulsweiten für die unteren Schaltelemente S2, S4 und S6 zur Regelung der Spannung am Kondensator C2. Dies dient dem Ausgleich der Kondensatorspannungen um zu verhindern, daß eine nicht tolerierbare Spannung an die Kondensatoren oder die Halbleiterbauelemente angelegt wird.
In 10 ist die Regelschaltung insgesamt mit 430 bezeichnet. Die Bezugszahl 401 bezeichnet einen Sinussollsignalgeber, die Bezugszahl 402 einen Phasendetektor, die Bezugszahlen 403 bis 406 und 417 bis 420 PI-Regler, die Bezugszahlen 407 bis 409 und 421 bis 423 Vergleicher, die Bezugszahlen 410 bis 415 UND-Glieder und die Bezugszahl 416 einen Gatetreiber.
Als nächstes soll die Arbeitsweise dieser Regelschaltung beschrieben werden. Der Sinussollsignalgeber 401 erzeugt Sinuswellen VR, VS und VT, deren Phase jeweils mit der Eingangsspannung der entsprechenden Phase synchronisiert ist, und der Phasendetektor 402 erzeugt die Signale RP, RN, SP, SN, TP und TN, die mit den Polaritäten der Eingangsspannungen synchronisiert sind. Der Meßwert der Ausgangsgleichspannung VC1 der Gleichrichterschaltung wird von einem Sollwert VC* subtrahiert und die Differenz nach Durchlaufen des PI-Reglers 417 mit den Sinuswellen VR, VS und VT multipliziert. Der Meßwert der Ausgangsgleichspannung VC2 der Gleichrichterschaltung wird vom Sollwert subtrahiert und die Differenz nach Durchlaufen des PI-Reglers 403 ebenfalls mit den Sinuswellen VR, VS und VT multipliziert. Meßwerte der Eingangsströme IR, IS und IT der jeweiligen Phasen werden von den Multiplikationsergebnissen der zugehörigen Phase subtrahiert und nach Durchlaufen des entsprechenden PI-Reglers 404 bis 406 im jeweiligen der Vergleicher 407 bis 409 mit dem Trägersignal vom Trägerwellengenerator T zur Erzeugung von PWM-Signalen für die Schaltelemente S2, S4 und S6 verglichen. In ähnlicher Weise werden die Meßwerte der Eingangsströme IR, IS und IT mit den Multiplikationsergebnissen, nach dem diese einen jeweiligen der PI-Regler 418 bis 420 durchlaufen haben, in einem jeweiligen der Vergleicher 421 bis 423 mit dem Trägersignal verglichen, um PWM-Signale für die Schaltelement S1, S3 und S5 zu erzeugen. Die UND-Glieder 410 bis 415 bewirken eine UND-Verknüpfung der Signale RP, RN, SP, SN, TP und TN, die mit den Eingangsspannungen synchronisiert sind, mit den PWM-Signalen zur Schaffung von Steuersignalen für die Schaltelemente S1 bis S6 mittels des Gatetreibers 416.
Die Regelschaltung 430 arbeitet beispielsweise so, daß die Pulsweite für das Schaltelement S3 zunimmt, wenn die Spannung am Kondensator C1 abnimmt, und abnimmt, wenn die Spannung am Kondensator C1 zunimmt. Somit ändert sich der Ladestrom für den Kondensator C1, der über den Pfad R → L1 → (parasitäre Diode von S1) → D7 → C1 → D3 → S3 → L2 → S → R fließt, so, daß die Spannung am Kondensator C1 konstant bleibt. Weiterhin bewirkt die Regelschaltung 430, daß die Pulsweite für das Schaltelement S3 zunimmt, wenn die Spannung an dem Kondensator C2 abnimmt, und abnimmt, wenn die Spannung am Kondensator C2 zunimmt. Damit ändert sich der Ladestrom für den Kondensator C2, der über den Pfad R → L1 → S2 → D2 → C2 → D10 → (parasitäre Diode von S4) → L2 → S → R fließt, so, daß die Spannung am Kondensator C2 konstant gehalten wird. Dies ermöglicht es, daß die Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 individuell geregelt werden.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel erlaubt die Gegenkopplungsregelung, daß die Eingangsströme so geregelt werden, daß sie sinusförmig und mit der Eingangsspannung synchronisiert sind, während darüber hinaus die Ausgangsspannung auf einen festen Gleichspannungswert geregelt wird. Somit kann die Wechselspannung in eine Gleichspannung umgesetzt werden, wobei der Eingangsstrom so geregelt wird, daß ein hoher Leistungsfaktor erreicht wird.
Bei allen voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird eine 3-phasige Wechselspannung in eine Gleichspannung umgesetzt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch allgemein auf Gleichrichterschaltungen zur Umsetzung einer N-phasigen Wechselspannung in eine Gleichspannung geeignet, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als zwei ist.
Wie voranstehend beschrieben, wird mit der Gleichrichterschaltung der vorliegenden Erfindung die Anzahl an Halbleiterbauelementen, durch die beim Ansammeln von Energie in den Drosseln oder beim Laden der Kondensatoren Strom fließt, verglichen mit dem Stand der Technik verringert. Daher wird auch der Energieverlust verringert und die Anzahl an Halbleiterbauelementteilen kann zur Reduzierung von Größe, Gewicht und Preis der gesamten Vorrichtung einschließlich der Kühleinrichtungen reduziert werden. Gemäß dem Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung können die Spannungen an den Ausgangskondensatoren individuell geregelt werden, um die Halbleiterbauelemente oder Kondensatoren vor einer Überspannung zu schützen.

Claims

Gleichrichterschaltung zur Umsetzung einer N-phasigen Wechselspannung in eine Gleichspannung, wobei N eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist, mit N bidirektionalen Schaltschaltungen (102, 202, 302), je einer für jeder der N Phasen, wobei jede der Schaltschaltungen eine Parallelschaltung aus einer ersten und einer zweiten Reihenschaltung enthält, die je ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement (S1, S2; S3, S4; S5, S6) mit entgegengesetzten Stromleitrichtungen aufweisen, wobei das erste Schaltelement in der einen Reihenschaltung eine Diode (D2; D4; D6) und in der anderen Reihenschaltung ein Thyristor (TH1, TH2, TH3) ist, wobei die beiden Reihenschaltungen so parallel geschaltet sind, daß die Kathode der Diode und die des Thyristors zusammengeschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt zwischen den beiden Komponenten der ersten Reihenschaltung bei jeder der Schaltschaltungen über eine jeweilige Drossel (L1, L2, L3) mit einem Wechselspannungseingangsanschluß (R, S, T) einer jeweiligen Phase verbunden ist, die Kathoden von Diode und Thyristor bei jeder der Schaltschaltungen über eine erste weitere Diode (D7, D9, D11) mit einem positiven Gleichspannungsausgangsanschluß (P) verbunden sind, der Verbindungspunkt zwischen den beiden zweiten Schaltelementen bei jeder der Schaltschaltungen über eine jeweilige zweite weitere Diode (D8, D10, D12) mit einem negativen Gleichspannungsausgangsanschluß (N) verbunden ist, zwei Kondensatoren (C1, C2) in Reihe zwischen diese beiden Gleichspannungsausgangsanschlüsse (P, N) geschaltet sind und der Verbindungspunkt zwischen den Komponenten der zweiten Reihenschaltung aller Schaltschaltungen mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren verbunden ist, und wobei der Thyristor jeder der Schaltschaltungen einschaltbar ist, wenn die Leiterspannung zwischen den Phasen niedrig ist, um beim Einschalten der Stromversorgung einen Stoßstrom zu den Kondensatoren (C1, C2) zu verhindern.
Gleichrichterschaltung zur Umsetzung einer N-phasigen Wechselspannung in eine Gleichspannung, wobei N eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist, mit N bidirektionalen Schaltschaltungen (103, 203, 303), je einer für jeder der N Phasen, wobei jede der Schaltschaltungen eine Parallelschaltung aus einer ersten und einer zweiten Reihenschaltung enthält, die je ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement (S1, S2; S3, S4; S5, S6) mit entgegengesetzten Stromleitrichtungen aufweisen, wobei das erste Schaltelement in der einen Reihenschaltung eine Diode (D2; D4; D6) und in der anderen Reihenschaltung ein Thyristor (TH1, TH2, TH3) ist, wobei die beiden Reihenschaltungen so parallel geschaltet sind, daß die Anode der Diode und die des Thyristors zusammengeschlossen sind, der Verbindungspunkt zwischen den beiden Komponenten der ersten Reihenschaltung jeder der Schalterschaltungen über eine jeweilige Drossel (L1, L2, L3) mit einem Wechselspannungseingangsanschluß (R, S, T) einer jeweiligen Phase verbunden ist, der Verbindungspunkt zwischen den zweiten Schaltelementen jeder der Schalterschaltungen über eine jeweilige erste weitere Diode (D7, D9, D11) mit einem positiven Gleichspannungsausgangsanschluß (P) verbunden ist, während die Anode der Diode und die des Thyristors jeder der Schaltschaltungen über eine jeweilige zweite weitere Diode (D8, D10, D12) mit einem negativen Gleichspannungsausgangsanschluß (N) verbunden sind, zwei Kondensatoren (C1, C2) in Reihe zwischen diese beiden Gleichspannungsausgangsanschlüsse (P, N) geschaltet sind, und der Verbindungspunkt zwischen den Komponenten der zweiten Reihenschaltung aller Schaltschaltungen mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren verbunden ist, und wobei der Thyristor jeder der Schaltschaltungen einschaltbar ist, wenn die Leiterspannung zwischen den Phasen niedrig ist, um beim Einschalten der Stromversorgung einen Stoßstrom zu den Kondensatoren (C1, C2) zu verhindern.
Gleichrichterschaltung zur Umsetzung einer N-phasigen Wechselspannung in eine Gleichspannung, wobei N eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist, mit N bidirektionalen Schaltschaltungen (104, 204, 304), je einer für jeder der N Phasen, wobei jede der Schaltschaltungen eine Parallelschaltung aus einer ersten Reihenschaltung aus einer Diode (D1, D2; D3) und einem Thyristor (TH1, TH2, TH3) gleicher Stromleitrichtung und einer zweiten Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen (S1, S2; S3, S4; S5, S6) gleicher Stromleitrichtung enthält, der Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Thyristor jeder der Schaltschaltungen über eine jeweilige Drossel (L1, L2, L3) mit einem Wechselspannungseingangsanschluß (R, S, T) einer jeweiligen Phase verbunden ist, das kathodenseitige Ende der ersten Reihenschaltung jeder der Schaltschaltungen über eine jeweilige erste weitere Diode (D4, D6, D8) mit einem positiven Gleichspannungsausgangsanschluß (P) verbunden ist, das anodenseitige Ende der ersten Reihenschaltung jeder der Schaltschaltungen über eine jeweilige zweite weitere Diode (D5, D7, D9) mit einem negativen Gleichspannungsausgangsanschluß (N) verbunden ist, zwei Kondensatoren (C1, C2) in Reihe zwischen diese beiden Gleichspannungsausgangsanschlüsse (P, N) geschaltet sind, und der Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen der zweiten Reihenschaltung aller Schaltschaltungen mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren verbunden ist, und wobei der Thyristor jeder der Schaltschaltungen einschaltbar ist, wenn die Leiterspannung zwischen den Phasen niedrig ist, um beim Einschalten der Stromversorgung einen Stoßstrom zu den Kondensatoren (C1, C2) zu verhindern.
Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Regelschaltung zur individuellen Regelung der Spannung an den Kondensatoren (C1, C2), die derart beschaffen ist, daß eine Regelabweichung zwischen einem jeweiligen Sollwert und dem jeweiligen Meßwert der Spannungen an den beiden Kondensatoren (C1, C2) ermittelt wird und nach Maßgabe der ermittelten Regelabweichungen die Schaltelemente in den entsprechenden Ladestrompfaden für die beiden Kondensatoren unabhängig voneinander gesteuert werden.