DE102008045247A1

DE102008045247A1 - Umrichter mit verteilten Bremswiderständen

Info

Publication number: DE102008045247A1
Application number: DE102008045247A
Authority: DE
Inventors: Mike Dommaschk; Ingo Euler; Herbert Dr. Gambach; Jörg LANG; Quoc-Buu Tu; Carsten Wittstock; Klaus Dr. Würflinger; Andreas Zenkner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2010-03-04
Also published as: WO2010023127A2; EP2319168A2; WO2010023127A3; RU2506691C2; KR101665149B1; US20110163702A1; US8610384B2; RU2011112390A; KR20110046516A; CN102132484A; CN102132484B

Abstract

Um eine Vorrichtung (15) zum Umwandeln von Elektroenergie in Wärme im Bereich der Antriebs- und/oder Hochspannungstechnik mit einem Bremswiderstand und wenigstens einem ansteuerbaren Bremsleistungshalbleiter zum Steuern der Umwandlung, bereitzustellen, die eine schnelle und kostengünstige Überführung von Wirkleistung in Wärme im Bedarfsfall ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass der Bremswiderstand mehrere Einzelbremswiderstände (18) aufweist, die jeweils Teil eines bipolaren Submoduls (14) sind, wobei die Submodule (14) unter Ausbildung einer Submodulreihenschaltung in Reihe geschaltet sind und zumindest teilweise einen Energiespeicher (16) in Parallelschaltung zu jeweils einem zugeordneten Einzelbremswiderstand (18) und einen steuerbaren Bremsleistungshalbleiter (28) aufweisen, der in einer Bremsstellung den Stromfluss über den jeweils zugeordneten Einzelbremswiderstand (18) ermöglicht und in einer Normalbetriebsstellung den Stromfluss über diesen unterbricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von Elektroenergie in Wärme im Bereich der Antriebs- und/oder Hochspannungstechnik mit einem Bremswiderstand und wenigstens einem ansteuerbaren Bremsleistungshalbleiter zum Steuern der Umwandlung.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2005 040 549 A1 bereits bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung betrifft einen so genannten Multilevel-Umrichter, bei dem Leistungshalbleiterventile zwischen einen Wechselspannungsanschluss und einen Gleichspannungsanschluss geschaltet sind. Auf diese Weise ist eine Brückenschaltung realisiert, die im Normalbetrieb einen positiven und negativen Gleichspannungsanschluss ausbildet. Zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluss erstreckt sich eine Reihenschaltung aus bipolaren Submodulen, die jeweils einen Energiespeicher sowie eine Leistungshalbleiterschaltung aufweisen. Leistungshalbleiterschaltung und Energiespeicher sind so mit dem bipolaren Ausgang des Submoduls verbunden, dass entweder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung oder eine Nullspannung an dem bipolaren Ausgang jedes Submoduls erzeugbar ist. In Reihenschaltung zu der Reihenschaltung der Submodule ist ein Bremswiderstand angeordnet. Die Reihenschaltung der Submodule und des Bremswiderstandes wird häufig auch als Bremssteller bezeichnet. Der positive und der negative Gleichspannungsanschluss sind über einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem weiteren Umrichter verbunden, der beispielsweise als Wechselrichter betrieben wird und mit einem Wechselspannungsnetz oder einem Drehstrommotor verbun den ist. Im Fehlerfall kann es dazu kommen, dass der Wechselrichter die auf der Gleichspannungsseite bereitgestellte Wirkleistung nicht in das angeschlossene Wechselspannungsnetz bzw. den Drehstrommotor einspeisen kann. Eine solche Situation tritt beispielsweise beim Bremsen des Drehstrommotors auf. Der Bremswiderstand dient dann dazu, die in einem solchen Fall auftretende überschüssige Wirkleistung in Wärme umzuwandeln. Auf diese Art und Weise, kann der als Gleichrichter betriebene Umrichter auch weiterhin als solcher betrieben werden, ohne dass es zum Totalausfall der gesamten Anlage kommt.
In den 1 bis 4 sind beispielhaft weitere Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik dargestellt.
1 zeigt drei Phasenbremszweige 1, die wechselspannungsseitig mit einem Umrichter verbunden sind. Dabei ist jeder Phasenbremszweig 1 galvanisch an einen Wechselspannungsanschluss des Umrichters angeschlossen. Weiterhin weist jeder Phasenbremszweig 1 einen mechanischen Schalter 2 sowie einen Bremswiderstand 3 auf. An seinem vom Wechselspannungsanschluss abgewandten Ende sind die Phasenbremszweige 1 zu einem gemeinsamen Sternpunkt 4 miteinander verknüpft. Als Schalter 2 dient beispielsweise ein als solcher bekannter mechanischer Leistungsschalter. Wird der Leistungsschalter 2 eingeschaltet, fließt von der jeweiligen Phase des Wechselspannungsanschlusses Strom über den Bremswiderstand 3 zum gemeinsamen Sternpunkt 4, wobei die Elektroenergie durch den Bremswiderstand in Wärme umgewandelt wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß 1, wobei jedoch als Schalter 2 steuerbare Leistungshalbleiterventile 5 gewählt sind, die einander gegensinnig parallel geschaltet sind. Bei den Leistungshalbleiterventilen 5 handelt es sich beispielsweise um nichtabschaltbare und somit fremd geführte Thyristorventile.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist auch ein Umrichter 6 gezeigt, der Leistungshalbleiterventile 7 umfasst, die eine so genannte Sechspulsbrückenschaltung ausbilden. Jedes Leistungshalbleiterventil 7 erstreckt sich zwischen einem Wechselspannungsanschluss 8 sowie einem Gleichspannungsanschluss 9 beziehungsweise 10. Die Gleichspannungsanschlüsse 9 und 10 weisen im Betrieb der Vorrichtung unterschiedliche Polaritäten auf und sind daher mit einem Pluszeichen beziehungsweise Minuszeichen gekennzeichnet. Zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 9 und 10 erstreckt sich ein Bremswiderstand 3, der hier schematisch in Form einer Induktivität 11 und einem rein Ohmschen Widerstand 12 dargestellt ist. Der Bremswiderstand 3 ist gleichspannungsseitig des Umrichters 6 angeordnet, wobei ein in Reihe zum Bremswiderstand angeordneter Schalter zum Zuschalten des Bremswiderstandes figürlich nicht dargestellt ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Reihenschaltung 13 aus abschaltbaren Leistungshalbleitern mit gegensinnig parallel geschalteten Freilaufdioden sich zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungsanschluss 9 beziehungsweise 10 eines Gleichspannungszwischenkreises erstreckt. In Reihe zur Reihenschaltung 13 ist ein Bremswiderstand 3 geschaltet.
Der gattungsgemäßen Vorrichtung haftet der Nachteil an, dass die Zeitdauer zwischen der Aktivierung des Bremsstellers und dem effektiven Umwandeln von Wirkleistung in Wärme zu lang ist, um Fehler am Umrichter sicher ausschließen zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine schnelle und kostengünstige Überführung von Wirkleistung in Wärme im Bedarfsfall ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der Bremswiderstand mehrere Einzelbremswiderstände aufeist, die jeweils Teil eines bipolaren Submoduls sind, wobei die Submodule unter Ausbildung einer Submodulreihenschaltung in Reihe geschaltet sind und zumindest teilweise einen Energiespeicher in Parallelschaltung zu jeweils einem zugeordneten Einzelbremswiderstand und einen steuerbaren Bremsleistungshalbleiter aufweisen, der in einer Bremsstellung den Stromfluss über den jeweils zugeordneten Einzelbremswiderstand ermöglicht und in einer Normalbetriebsstellung den Stromfluss über diesen unterbricht.
Erfindungsgemäß ist nicht wie im Stand der Technik ein einzelner Bremswiderstand vorgesehen, vielmehr ist der Bremswiderstand auf eine Vielzahl von Einzelwiderständen aufgeteilt. Mit anderen Worten besteht der Bremswiderstand aus mehreren Einzelwiderständen. Dabei sind die Einzelwiderstände Teil eines bipolaren Submoduls, wobei die zweipoligen Submodule zueinander in Reihe geschaltet sind. Dabei sind der Energiespeicher und der Einzelwiderstand hinsichtlich ihrer Dimensionierung so aufeinander abgestimmt, dass ein schneller Abbau der im Energiespeicher im Nennbetrieb gespeicherten Energie ermöglicht ist. Mit Hilfe des steuerbaren Bremsleistungshalbleiters ist somit eine schnelle Umwandlung der Wirkleistung in Wärme ermöglicht. Nach Auslösung des Bremsleistungshalbleiters wird der Energiespeicher über den als Gleichrichter betriebenen Umrichter mit Energie versorgt, so dass auch über längere Zeitdauern hinweg Wirkleistung als Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zweckmäßigerweise im Bereich der Antriebstechnik und/oder der Hochspannungstechnik, insbesondere im Bereich der Elektroenergieübertragung und -verteilung eingesetzt. Unter dem Begriff „Hochspannung” fallen alle Spannungen von über 1 kV.
Die Aufteilung des Gesamtbremswiderstandes in Einzelwiderstände ermöglicht auch eine verbesserte Kühlung der Einzelwiderstände. So sind gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung zwischen den Einzelwiderständen Kühleinrichtungen vorgesehen, die Wärme leitend mit den Einzelwiderständen verbunden sind und für eine schnelle und sichere Wärmeabfuhr sorgen. Die Kühleinrichtung umfasst beispielsweise ein Wasserkühlung oder eine Luftkühlung.
Zweckmäßigerweise sind die Einzelwiderstände als Stapel von Widerstandsscheiben ausgebildet, wobei die Widerstandsscheiben aus gesinterten Materialien bestehen. Die Widerstandsscheiben liegen innerhalb des Stapels an ihrer Flachseite aneinander an, wobei eine Spannvorrichtung den notwendigen Kontaktdruck bereitstellt, so dass zwischen den Scheibenwiderständen ein Flächenkontakt bereitgestellt ist.
Zweckmäßigerweise sind mehrere Submodulreihenschaltungen ausgebildet, die jeweils zumindest teilweise eines der Leistungshalbleiterventile eines Umrichters ausbilden. Die Leistungshalbleiterventile des Umrichter weisen jeweils einen Wechselspannungsanschluss sowie einen Gleichspannungsanschluss auf und sind beispielsweise in einer Sechspuls-Brückenschaltung miteinander verschaltet. Die Topologie des Umrichters ist jedoch grundsätzlich beliebig, so dass an dieser Stelle hierauf nicht ausführlich eingegangen zu werden braucht. Die Einzelwiderstände sind gemäß dieser zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung zumindest Teil der Leistungshalbleiterventile des Umrichters und somit in diesen integriert. Dabei bestehen die Leistungshalbleiterventile aus einer Reihenschaltung von Submodulen, von denen wenigstens einige einen Einzelbremswiderstand umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst jedes Submodul einen Einzelbremswiderstand.
Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung weist jedes Submodul zwei abschaltbare Leistungshalbleiter auf, denen jeweils eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Auf diese Weise ist eine so genannte Halbbrückenschaltung ausgebildet. Die Leistungshalbleiter sind in Reihe parallel zum Energiespeicher und so mit den Anschlussklemmen des Submoduls verschaltet, dass an den Anschlussklemmen entweder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung oder aber eine Nullspanung abfällt.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind zwei abschaltbare Leistungshalbleiter für jedes Submodul vorgesehen, wobei die beiden abschaltbaren Leistungshalbleiter eine Leistungshalbleiterreihenschaltung ausbilden, die einer Bremswiderstandsreihenschaltung parallel geschaltet ist, wobei die Bremswiderstandsreihenschaltung jeweils einen Einzelbremswiderstand und in Reihe dazu den Bremsleistungshalbleiter aufweist, dem eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Die Leistungshalbleiterreihenschaltung ist so mit den Anschlussklemmen des Submoduls verbunden, dass durch zweckmäßige Ansteuerung der abschaltbaren Leistungshalbleiter entweder eine Nullspannung an den Anschlussklemmen des Submoduls oder die an dem Energiespeicher abfallende Spannung geschaltet werden kann. Auf diese Art und Weise ist die zwischen Gleichspannungsanschluss und Wechselspannungsanschluss des Leistungshalbleiterventils abfallende Spannung bestimmbar. Durch zweckmäßige Ansteuerung des Bremsleistungshalbleiters kann die im zugeordneten Energiespeicher gespeicherte Energie in Abhängigkeit der Ansteuerung des Bremsleistungshalbleiters in Wärme umgewandelt werden. Zweckmäßigerweise wird als abschaltbarer Bremsleistungshalbleiter ein so genannter IGBT oder GTO eingesetzt. Abschaltbare Leistungshalbleiter können nicht nur durch einen Steuerimpuls von einer Sperrstellung in eine Durchlassstellung überführt werden. Auch die aktive, also gesteuerte Überführung von der Durchlassstellung in die Sperrstellung ist mit abschaltbaren Leistungshalbleitern möglich. Die Ansteuerung des Bremsleistungshalbleiters kann dann zum Beispiel über eine zweckmäßige Pulsweitenmodulation erfolgen.
Gemäß einer diesbezüglichen zweckmäßigen Weiterentwicklung ist jedem Einzelbremswiderstand eine Freilaufdiode parallel geschaltet. Auf diese Weise ist ein problemloses Überführen des Bremsleistungshalbleiters von einer Durchlassstellung in der ein Stromfluss über den Bremsleistungshalbleiter ermöglicht ist, in eine Sperrstellung ermöglicht, in der ein Stromfluss über den Bremsleistungshalbleiter unterbrochen ist. Der Abschaltstrom im Abschaltzeitpunkt des Bremsleistungshalbleiters über den Einzelbremswiderstand fließt dann über die Freilaufdiode des Einzelbremswiderstandes.
Zweckmäßigerweise umfasst jedes Submodul Überbrückungsmittel zum Überbrücken des den Überbrückungsmitteln zugeordneten Submoduls im Beschädigungsfall. Mit anderen Worten wird das Submodul im Fehlerfall kurzgeschlossen, so dass bei Ausfall eines einzigen Submoduls nicht das ganze Leistungshalbleiterventil abgeschaltet werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist/sind die Submodulreihenschaltung oder mehrere Submodulreihenschaltungen zwischen einen positiven Gleichspannungsanschluss und einen negativen Gleichspannungsanschluss eines Umrichters schaltbar. Mit anderen Worten ist/sind die Submodulreihenschaltung(en) mit den Einzelbremswiderständen so ausgelegt, dass diese gleichspannungsseitig eines Umrichters angeordnet werden können. Der Umrichter ist beispielsweise Teil einer Hochspannungsgleichstromübertragungsanlage oder eines Frequenzumrichters für eine elektrische Maschine.
Gemäß einer diesbezüglichen zweckmäßigen Weiterentwicklung ist jedem Energiespeicher eine Diodenreihenschaltung parallel geschaltet, in der wenigstens zwei Dioden in Reihe geschaltet sind. Anstelle der abschaltbaren oder steuerbaren Leistungshalbleiter sind gemäß dieser Ausgestaltung passive Leistungshalbleiter, nämlich kostengünstige Dioden, gewählt, die lediglich den Stromfluss in eine Richtung ermöglichen jedoch nicht aktiv gesteuert werden können. Auf diese Weise sind die Kosten für jedes Submodul reduziert, wobei gleichzeitig ein Aufladen des Energiespeichers ermöglicht bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jedem Energiespeicher und jeder Diodenreihenschaltung eine Bremswiderstandsreihenschaltung parallel geschaltet, die den Einzelbremswiderstand und in Reihe dazu den Bremsleistungshalbleiter aufweist. Auf diese Art und Weise ist, wie bereits weiter oben beschreiben wurde, ein effektives Umwandeln von Wirkleistung in Wärme ermöglicht.
Zweckmäßigerweise ist die Anzahl der in Reihe geschalteten Submodule größer als 1, insbesondere größer als 3. Mit einer größer werdenden Anzahl von Submodulen, die mit einem Einzelbremswiderstand bestückt sind, verbessert sich die Skalierbarkeit der Umwandlung von Elektroenergie in Wärme. Die Energie kann daher gezielt abgebaut werden. Besonders günstig ist es wenn die Anzahl der Submodule mit Einzelbremswiderstand größer ist als 100 ist.
Ein weiterer Teil der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung im Bereich der Hochspannungstechnik insbesondere im Bereich der Elektroenergieübertragung und/oder -verteilung, wobei die Vorrichtung Leistungshalbleiterventile aufweist, die zwischen einem Wechselspannungsanschluss und einem Gleichspannungsanschluss geschaltet sind, wobei jeder Wechselspannungsanschluss mit einen Phasenbremszweig verbunden ist, der eine Reihenschaltung von steuerbaren Leistungshalbleitern und wenigstens einen Bremswiderstand aufweist, wobei die Phasenbremszweige unter Ausbildung einer Dreiecksschaltung oder einer Sternschaltung miteinander verbunden sind. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Umrichter und einen Bremssteller. Der Bremssteller ist wechselseitig des Umrichters angeordnet. Auf diese Art und Weise ist ebenfalls eine kostengünstige und effektive Umwandlung von Wirkleistung in Wärme ermöglicht. Die Verbindung zwischen Wechselspannungsanschluss und Phasenbremszweig ist galvanisch.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche Figuren verweisen und wobei
1 bis 4 Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik,
5 eine schematische Darstellung eines.
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung,
7 bis 9 Ausführungsbeispiele für die Auslegung von Submodulen,
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
12 ein Submodul einer Vorrichtung gemäß 11 zeigen.
Die 1 bis 4 zeigen Bremssteller von Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, die bereits im Eingang dieses Beschreibungsteils gewürdigt wurden, so dass an dieser Stelle hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 15. Die Vorrichtung 15 verfügt über Leistungs halbleiterventile 7, die jeweils eine Reihenschaltung bipolarer Submodule 14 umfassen, wobei sich jedes der Leistungshalbleiterventile 7 zwischen einem Wechselspannungsanschluss 8 und einem Gleichspannungsanschluss 9 beziehungsweise 10 erstreckt. Die Vorrichtung 15 ist zum Anschluss an ein in 5 nicht gezeigtes Wechselspannungsnetz vorgesehen, das mehrere Phasen aufweist. Zur Netzanbindung ist ein Anschlussmittel beispielsweise ein Transformator vorgesehen. In 5 ist aus Gründen der Übersicht nur eine Phase dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 15 ist wechselspannungsseitig jedoch in der Regel mehrphasig, beispielsweise dreiphasig ausgebildet. Daher ist in 5 nur ein Teil einer Sechspulsbrückenschaltung gemäß 3 gezeigt. Die Vorrichtung 15 verfügt jedoch insgesamt über sechs Leistungshalbleiterventile oder hier Submodulreihenschaltungen. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch ein Umrichter mit einer Phase möglich.
Jedes Submodul weist einen Energiespeicher 16, wenigstens einen abschaltbaren Leistungshalbleiter 17 sowie einen Einzelbremswiderstand 18 auf, auf deren Verschaltung später noch. genauer eingegangen werden wird.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei in 6 eine Submodulreihenschaltung 19 gezeigt ist, die wie in 5 aus einer Reihenschaltung von bipolaren Submodulen 14 besteht. Auch hier umfasst jedes Submodul einen Energiespeicher 16, wenigstens einen Leistungshalbeiter 17 sowie einen Einzelbremswiderstand 18. Der Aufbau der Submodule ist jedoch abweichend vom Aufbau der Submodule gemäß 5.
7 verdeutlicht den Aufbau eines Submoduls 14 gemäß 5. Es ist erkennbar, dass der Energiespeicher ein Konden sator 16 ist, dem eine Leistungshalbleiterreihenschaltung 20 parallel geschaltet ist, die aus zwei ein- und abschaltbaren Leistungshalbleitern 21 und 22 sowie den gegensinnig parallel dazu geschalteten Freilaufdioden 23 und 24 besteht. Dabei liegt der Verbindungspunkt zwischen den steuerbaren Leistungshalbleitern 21 und 22 auf dem Potential einer Anschlussklemme 25 des Submoduls 14. Die andere Anschlussklemme 26 ist hingegen direkt mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Leistungshalbleiter 22 und dem Energiespeicher 16 verbunden. Durch zweckmäßige Ansteuerung der Leistungshalbleiter 21 beziehungsweise 22 ist es möglich, entweder die an dem Kondensator 16 abfallenden Spannungen an die Anschlussklemme 25 und 26 zu legen. In diesem Fall befindet sich der Leistungshalbleiterschalter 22 in seiner Unterbrecherstellung, wo hingegen sich der Leistungshalbleiter 21 in seiner Durchgangsstellung befindet. Ist der Leistungshalbleiter 21 in seiner Unterbrecherstellung, der Leitungshalbleiter 22 hingegen in seiner Durchgangsstellung, liegt an den Ausgangsklemmen 25 und 26 eine Nullspannung an. Parallel zur Leistungshalbleiterreihenschaltung 20 ist eine Bremswiderstandsreihenschaltung 27 geschaltet. Die Bremswiderstandsreihenschaltung 27 weist einen an- und abschaltbaren Bremsleistungshalbleiter 28 sowie eine parallel und gegensinnig dazu geschaltete Freilaufdiode 29 auf. In Reihe zum abschaltbaren Bremsleistungshalbleiter 28 verfügt die Bremswiderstandsreihenschaltung 27 über einen Einzelbremswiderstand 18, dem ebenfalls eine Freilaufdiode 30 parallel geschaltet ist.
Zum Überbrücken des Submoduls 14 im Fehlerfall dienen Überbrückungsmittel 31, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem steuerbaren Thyristor 32 sowie einen parallel dazu angeordneten Schalter 33 bestehen. Im Fehlerfall wird der sich im Normalbetrieb in Unterbrecherstellung befindliche Thyristor 32 gezündet, so dass die Anschlussklemmen 25 und 26 schnell kurzgeschlossen werden können. Dies dient zu Entlastung der Freilaufdiode, die bei einem Kurzschluss im Gleichspannungszwischenkreis mit den hohen Kurzschlussströmen belastet ist. Parallel zum Zünden des Thyristors 32 wird im Falle einer Überspannung oder eines Brückenkurzschlusses im Submodul der Schalter 33 geschlossen.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Submoduls 14 für eine Vorrichtung gemäß 6. Im Gegensatz zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel des Submoduls 14 ist statt der Reihenschaltung 20 aus steuerbaren Leistungshalbleitern 21 und 22 beziehungsweise 23 und 24 eine Diodenreihenschaltung 34 bereitgestellt, die aus einer ersten Diode 35 sowie einer zweiten Diode 36 besteht, die gleichsinnig zueinander in Reihe geschaltet sind. Wieder ist der Verbindungspunkt zwischen den Dioden 35 und 36 direkt mit der ersten Anschlussklemme 25 verbunden, wobei die zweite Anschlussklemme 26 auf dem Potenzial einer der Kondensatorplatten des Kondensators 16 liegt. Wie bereits im Zusammenhang mit 6 erläutert, sind die Anschlussklemmen 25 und 26 Teil einer Reihenschaltung, die sich zwischen dem positiven Gleichspannungsanschluss und dem negativen Gleichspannungsanschluss des Umrichters erstreckt. Aufgrund der unipolaren Verhältnisse an den Anschlussklemmen 25 und 26 ist sichergestellt, dass durch die Diodenanordnung der Kondensator 16 aufgeladen wird. Soll hingegen Wirkleistung kontrolliert und schnell in Wärme umgewandelt werden, kommt es zur Ansteuerung des an- und abschaltbaren Bremsleistungshalbleiters 28 von seiner Unterbrecherstellung in seine Durchgangsstellung, in der ein Stromfluss über den Einzelbremswiderstand 18 ermöglicht ist. Beim aktiven Überführen des Leistungshalbleiters 28 von seiner Durchgangs- in seine Sperrstellung bildet sich ein Stromfluss über den Einzelbremswiderstand 18 und die Freilaufdiode 30 aus, die diesem parallel geschaltet ist.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß 6, das sich dahin von dem Ausführungsbeispiel des Submoduls 14 gemäß 8 dadurch unterscheidet, dass die Überbrückungsmittel 31 lediglich durch einen mechanischen Schalter 33 realisiert sind. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu 8 hier entsprechend.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die sich Leistungshalbleiterventile des bei diesem Ausführungsbeispiel zur Vorrichtung gehörenden Umrichters figürlich nicht dargestellt sind. Dabei weisen die beispielsweise sechs Leistungshalbleiterventile des Umrichters drei Wechselspannungsanschlüsse auf die jeweils mit einem Wechselspannungsanschluss 37 eines Phasenbremszweiges 38 verbunden sind, wobei jeder Phasenbremszweig 38 eine Reihenschaltung aus abschaltbaren Leistungshalbleitern 17 aufweist, denen eine Freilaufdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Jeder Phasenbremszweig 38 verfügt ferner über einen Einzelbremswiderstand 18, wobei die Phasenbremszweige 38 in einer Dreiecksschaltung miteinander verbunden sind. In diesem Zusammenhang ist jedoch auch eine Sternschaltung möglich.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zum Anschluss an ein dreiphasiges, also Wechselspannung führendes, Versorgungsnetz vorgesehen ist. Zum Anschluss an das Versorgungsnetz dienen wieder die drei Wechselspannungsanschlüsse 37. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es keineswegs erforderlich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem Umrichter angeordnet ist. Die in 11 gezeigte Vor richtung ist unabhängig vom Umrichter betreibbar. Die Vorrichtung gemäß 11 weist eine Reihenschaltung von Submodulen 40 auf, deren Aufbau in 12 verdeutlicht ist. Noch im Zusammenhang mit 11 sei ausgeführt, dass die Phasenbausteine 38, also die Reihenschaltung 39 der Submodule, in einer Dreiecksschaltung miteinander verbunden sind.
12 zeigt den Aufbau der Submodule 40 genauer. Im Gegensatz zu dem in 7 dargestellten Submodul 14 weist das in 12 dargestellte Submodul 40 eine H-Brücken- oder Vollbrückenschaltung auf. Somit sind neben den an- und abschaltbaren Leistungshalbleitern 21 und 22 mit den gegensinnig parallel dazu geschalteten Freilaufdioden 23 und 24 weitere an- und abstellbare Leistungshalbleiter 41 und 42 mit ebenfalls gegensinnig parallel dazu geschalteten Freilaufdioden 43 und 44 vorgesehen. Die abschaltbaren Leistungshalbleiter 41, 42 und die Freilaufdioden 43, 44 sind wieder in einer Reihenschaltung 45 angeordnet, die parallel zu dem Energiespeicher verläuft, der hier wieder als Kondensator 16 ausgebildet ist. Die erste Anschlussklemme 25 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den abschaltbaren Leistungshalbleitern 21 und 22 galvanisch verbunden, während die zweite Anschlussklemme 26 galvanisch mit dem Potenzialpunkt zwischen den abschaltbaren Leistungshalbleitern 41 und 42 verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur die am Energiespeicher 16 abfallende Spannung an den Anschlussklemmen 25 und 26 und eine Nullspannung abfallen zu lassen, wie dies bei einer Halbbrückenschaltung gemäß 7 möglich ist. Gemäß 12 ist auch die inverse Spannung des Energiespeichers an den Anschlussklemmen 25 und 26 erzeugbar. Befinden sich die Leistungshalbleiter 21 und 42 in ihrer Durchgangsstellung, so fällt die an dem Kondensator 16 abfallende Spannung auch an den Anschlussklemmen ab. Befinden sich die Leistungshalbleiter 21 und 42 jedoch in der Sperrstellung und die abschaltbaren Leistungshalbleiter 41 und 22 hingegen in ihrer Durchlassstellung, so liegt die an dem Kondensator 16 abfallende Spannung jedoch mit unterschiedlichen Vorzeichen an die Anschlussklemmen 25 und 26 an.
Auch das Submodul 40 verfügt wiederum über eine Bremswiderstandsreihenschaltung 27, die wieder den an- und abschaltbaren Leistungshalbleiter 28 sowie eine gegensinnig dazu parallel geschaltete Freilaufdiode 29 umfasst. Dem Einzelbremswiderstand 18 ist wieder eine Freilaufdiode 30 parallel geschaltet. Durch Ansteuern des an- und abschaltbaren Leistungshalbleiters 28 ist somit wieder ein Umwandeln der in dem Kondensator 16 gespeicherten Energie in Wärme mittels des Einzelbremswiderstands 18 möglich. Zum Überbrücken des Submoduls 40 und somit dem Kurzschließen der Anschlussklemmen 25 und 26 dient wieder der Schalter 33. Weitere Überbrückungsmittel sind aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht gezeigt, sind jedoch auch im Rahmen der Erfindung möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005040549 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (15) zum Umwandeln von Elektroenergie in Wärme im Bereich der Antriebs- und/oder Hochspannungstechnik mit einem Bremswiderstand und wenigstens einem ansteuerbaren Bremsleistungshalbleiter zum Steuern der Umwandlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremswiderstand mehrere Einzelbremswiderstände (18) aufeist, die jeweils Teil eines bipolaren Submoduls (14) sind, wobei die Submodule (14) unter Ausbildung einer Submodulreihenschaltung in Reihe geschaltet sind und zumindest teilweise einen Energiespeicher (16) in Parallelschaltung zu jeweils einem zugeordneten Einzelbremswiderstand (18) und einen steuerbaren Bremsleistungshalbleiter (28) aufweisen, der in einer Bremsstellung den Stromfluss über den jeweils zugeordneten Einzelbremswiderstand (18) ermöglicht und in einer Normalbetriebsstellung den Stromfluss über diesen unterbricht.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Submodulreihenschaltungen ausgebildet sind, die jeweils zumindest teilweise eines der Leistungshalbleiterventile (7) eines Umrichters ausbilden.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (14) zwei steuerbare Leistungshalbleiter (21, 22) aufweist, denen jeweils eine Freilaufdiode (23, 24) gegensinnig parallel geschaltet ist.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei steuerbare Leistungshalbleiter (21, 22) eine Leistungshalbleitereihenschaltung (26) ausbilden, die einer Bremswiderstandsreihenschaltung (27) parallel geschaltet ist, wobei die Bremswiderstandsreihenschaltung (27) jeweils einen Einzelbremswiderstand (18) und in Reihe dazu den Bremsleistungshalbleiter (28) aufweist, dem eine Freilaufdiode (29) gegensinnig parallel geschaltet ist.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einzelbremswiderstand (18) eine Freilaufdiode (30) parallel geschaltet ist.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (14) Überbrückungsmittel (31) zum Überbrücken des Submoduls (14) im Beschädigungsfall aufweist.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Submodulreihenschaltung oder die Submodulreihenschaltungen zwischen einen positiven Gleichspannungsanschluss (9) und einen negativen Gleichspannungsanschluss (10) eines Umrichters schaltbar ist/sind.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Energiespeicher (16) eine Diodenreihenschaltung (34) parallel geschaltet ist, in der wenigstens zwei Dioden (35, 36) in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Energiespeicher (16) und jeder Diodenreihenschaltung (34) eine Bremswiderstandsreihenschaltung (27) parallel geschaltet ist, die den Einzelbremswiderstand (18) und in Reihe dazu den Bremsleistungshalbleiter (28) aufweist.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einzelwiderstand Wärme leitend mit einer jeweils eigenen und zugeordneten Kühleinrichtung verbunden ist.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Submodule größer als 1 ist.
Vorrichtung zum Umrichten eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung im Bereich der Antriebs- und/oder Hochspannungstechnik mit Leistungshalbleiterventilen (7), die zwischen einen Wechselspannungsanschluss (8) und einen Gleichspannungsanschluss (9, 10) geschaltet sind, wobei jeder Wechselspannungsanschluss (8) mit einem Phasenbremszweig (38) verbunden ist, der eine Reihenschaltung von steuerbaren Leistungshalbleitern (16) und wenigstens einen Bremswiderstand (18) aufweist, wobei die Phasenbremszweige (38) unter Ausbildung einer Dreiecks- oder Sternschaltung miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einzelwiderstand ein Stapel aus scheibenförmigen Widerstandsscheiben ist, wobei die Widerstandsscheiben aus gesinterten Materialien bestehen und an ihren Flachseiten miteinander im elektrischen Druckkontakt stehen.