DE102009005089A1 - Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern - Google Patents

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Abstract

haltung mit wenigstens einem ein oberes und ein unteres Stromrichterventil (T1, T3, T5; T2, T4, T6) aufweisenden Phasenmodul (100), wobei jedes Stromrichterventil (T1 ... T6) wenigstens ein zweipoliges Subsystem (11, 12, 14) aufweist, wobei jedes Subsystem (11, 12, 14) zwei elektrisch in Reihe gesch einer Freilaufdiode (2, 4, D1, D2) und einen unipolaren Speicherkondensator (9, 10, 18) aufweist, der elektrisch parallel zur Reihenschaltung der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, S, S) geschaltet ist, wobei ein Verbindungspunkt (16) der beiden elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, S, S) eine Anschlussklemme (X2, X1) eines jeden Subsystems (11, 12, 14) bildet. Erfindungsgemäß ist jedem abschaltbaren Halbleiterschalter (S, S) ein Kondensator (C, C) elektrisch parallel geschaltet, ist ein zweiter unipolarer Speicherkondensator (20) elektrisch in Reihe zum ersten unipolaren Speicherkondensator (18) geschaltet und ist mittels eines Hilfszweiges (24), bestehend aus einer Reihenschaltung eines bidirektionalen Schalters (26) und einer Drossel (28), der Verbindungspunkt (16) der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (S, S) mit einem Verbindungspunkt (22) der beiden unipolaren Speicherkondensatoren (18) verbindbar. Somit erhält man einen Stromrichter mit verteilten Energiespeichern, dessen ...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichterschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige gattungsgemäße Stromrichterschaltung ist aus der DE 101 03 031 A1 bekannt und ein Ersatzschaltbild einer derartigen Stromrichterschaltung ist in der 1 näher dargestellt. Gemäß diesem Ersatzschaltbild weist diese bekannte Stromrichterschaltung drei Phasenmodule auf, die jeweils mit 100 bezeichnet sind. Diese Phasenmodule 100 sind gleichspannungsseitig jeweils mit einer positiven und einer negativen Gleichspannungs-Sammelschiene P0 und N0 elektrisch leitend verbunden. Zwischen diesen beiden Gleichspannungs-Sammelschienen P0 und N0 steht eine nicht näher bezeichnete Gleichspannung an. Jedes Phasenmodul 100 weist ein oberes und ein unteres Stromrichterventil T1 bzw. T3 bzw. T5 und T2 bzw. T4 bzw. T6 auf. Jedes dieser Stromrichterventile T1 bis T6 weist eine Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Subsystemen 11 auf. In diesem Ersatzschaltbild sind vier dieser Subsysteme 11 dargestellt. An Stelle der zweipoligen Subsysteme 11 (2) können auch zweipolige Subsysteme 12 (3) elektrisch in Reihe geschaltet werden. Jeder Verknüpfungspunkt zweier Stromrichterventile T1 und T2 bzw. T3 und T4 bzw. T5 und T6 eines Phasenmoduls 100 bildet einen wechselspannungsseitigen Anschluss L1 bzw. L2 bzw. L3 dieses Phasenmoduls 100. Da in dieser Darstellung die Stromrichterschaltung drei Phasenmodule 100 aufweist, kann an deren wechselspannungsseitigen Anschlüssen L1, L2 und L3, auch als Lastanschlüsse bezeichnet, eine dreiphasige Last, beispielsweise ein Drehstrommotor, angeschlossen werden.
  • In der 2 ist ein Ersatzschaltbild einer aus der DE 101 03 031 A1 bekannten Ausführungsform eines zweipoligen Subsystems 11 näher dargestellt. Die Schaltungsanordnung nach 3 stellt eine funktional völlig gleichwertige Variante dar, die ebenfalls aus der DE 101 03 031 A1 bekannt ist. Diese bekannten zweipoligen Subsysteme 11 und 12 weisen jeweils zwei abschaltbare Halbleiterschalter 1, 3, und 5, 7 zwei Dioden 2, 4 und 6, 8 und einen unipolaren Speicherkondensator 9 und 10 auf. Die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 bzw. 5 und 7 sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltungen elektrisch parallel zu einem Speicherkondensator 9 bzw. 10 geschaltet sind. Jedem abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 bzw. 5 und 7 ist eine der beiden Dioden 2, 4 und 6, 8 derart elektrisch parallel geschaltet, dass diese zum korrespondierenden abschaltbaren Halbleiterschalter 1, 3, 5, oder 7 antiparallel geschaltet ist. Der unipolare Speicherkondensator 9 des Subsystems 11 bzw. 12 besteht entweder aus einem Kondensator oder einer Kondensatorbatterie aus mehreren solchen Kondensatoren mit einer resultierenden Kapazität C0. Der Verbindungspunkt von Emitter des abschaltbaren Halbleiterschalters 1 bzw. 5 und Anode der Diode 2 bzw. 6 bildet eine Anschlussklemme X1 des Subsystems 11 bzw. 12. Der Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 1 und 3 und der beiden Dioden 2 und 4 bilden eine zweite Anschlussklemme X2 des Subsystems 11. Der Verbindungspunkt von Kollektor-Anschluss des abschaltbaren Halbleierschalters 5 und Kathode der Diode 6 bildet eine zweite Anschlussklemme X2 des Subsystems 12.
  • In beiden Darstellungen der Ausführungsformen der beiden Subsysteme 11 und 12 werden als abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3 wie in den 2 und 3 dargestellt Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet. Außerdem können MOS-Feldeffekttransistoren, auch als MOS-FET bezeichnet, verwendet werden. Ebenfalls können als abschaltbare Halbleiterschalter 1 und 3 Gate-Turn-Off-Thyristoren, auch als GTO-Thyristoren bezeichnet, oder Integrated-Gate-Commutated Thyristoren (IGCT) verwendet werden.
  • Gemäß der DE 101 03 031 A1 können die Subsysteme 11 bzw. 12 eines jeden Phasenmoduls 100 der Stromrichterschaltung nach 1 in einem Schaltzustand I und II gesteuert werden. Im Schaltzustand I ist der abschaltbare Halbleiterschalter 1 bzw. 5 eingeschaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 3 bzw. 7 des Subsystems 11 bzw. 12 ausgeschaltet. Dadurch ist eine an den Anschlussklemmen X1 und X2 anstehende Klemmenspannung UX21 des Subsystems 11 bzw. 12 gleich Null. Im Schaltzustand II sind der abschaltbare Halbleiterschalter 1 bzw. 5 ausgeschaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 3 bzw. 7 des Subsystems 11 bzw. 12 eingeschaltet. In diesem Schaltzustand II ist die anstehende Klemmenspannung UX21 gleich der am Speicherkondensator 9 bzw. 10 anstehenden Kondensatorspannung UC.
  • Gemäß dem Ersatzschaltbild der Stromrichterschaltung nach 1 weist diese pro Phasenmodul 100 acht zweipolige Subsysteme 11 bzw. 12, jeweils vier pro Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 auf, die mittels ihrer Anschlussklemmen X1 und X2 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Anzahl der elektrisch in Reihe geschalteten zweipoligen Subsysteme 11 bzw. 12 hängt einerseits von einer zwischen den beiden Gleichspannungs-Sammelschienen P0 und N0 anstehenden Gleichspannung und andererseits von den verwendeten abschaltbaren Halbleiterschaltern 1, 3, 5 und 7 ab. Außerdem spielt es eine Rolle, wie genau eine am wechselspannungsseitigen Anschluss L1, L2 bzw. L3 anstehende sinusförmige Wechselspannung einem Sinusverlauf folgen soll.
  • Der Wirkungsgrad dieser bekannten Stromrichterschaltung (Stromrichtertopologie) ist durch die Reihenschaltung mehrerer Subsysteme pro Stromrichterventil eines jeden Phasenmoduls allerdings begrenzt. Bei Verwendung von abschaltbaren Halbleiterschaltern, beispielsweise IGBTs bzw. IGCTs mit hoher Nennspannung von beispielsweise 3,3 kV, 4,5 kV oder 6,5 kV in den Subsystemen treten erhebliche Schaltverluste bei moderaten Durchlassverlusten auf. Werden Niederspannungs-IGBTs für beispielsweise 1200 V oder 1700 V eingesetzt, sind die Schaltverluste geringer, aber die resultierenden Stromrichterdurchlassverluste erheblich, da pro Stromrichterventil eines Phasenmoduls wegen der Niederspannungs-IGBTs eine höhere Anzahl von Subsystem verwendet werden müssen. Die Subsysteme dieser bekannten Stromrichterschaltung gehören zu den hartschaltenden Zweipunkt-Stromrichtern.
  • Aus der Veröffentlichung "The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter" von R. W. De Doncker und J. P. Lyons, 1990, Seiten 1228 bis 1235, ist eine Möglichkeit aufgezeigt, mit der Stromrichterschaltungen verlustärmer werden, Dazu wird ein Hilfszweig, bestehend aus einer Reihenschaltung eines bidirektionalen Schalters und einer Drossel, verwendet, mit dem ein wechselspannungsseitiger Anschluss eines Phasenmoduls beispielsweise eines netzseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, mit einem Verbindungspunkt zweier elektrischen Reihe geschalteter Zwischenkreiskondensator verbindbar ist. Außerdem sind den abschaltbaren Halbleiterschaltern eines jeden Phasenmoduls des netzseitigen Stromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters jeweils ein Kondensator elektrisch parallel geschaltet. Diese Kondensatoren, die auch als Entlastungskondensatoren bezeichnet werden, und der zusätzliche Hilfszweig bilden eine Kommutierungseinrichtung. Mittels dieser zusätzlichen Kommutierungseinrichtung, die auch als ARCP-Prinzip in der Literatur eingegangen ist, arbeiten die abschaltbaren Halbleiterschalter eines jeden Phasenmoduls des netzseitigen Stromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters als Nullspannungsschalter und der bidirektionale Schalter des zusätzlichen Hilfszweiges als Nullstromschalter. Durch die Verwendung dieser Kommutierungseinrichtung werden harte Schaltvorgänge vollständig vermieden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein zweipoliges Subsystem für eine Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern anzugeben, mit dem die Stromrichterverluste deutlich reduziert und sein Wirkungsgrad deutlich erhöht werden.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
  • Kern der Erfindung ist die Anwendung des bekannten sogenannten ARCP-Prinzips auf eine gattungsgemäße Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern. Dadurch ändern sich Schaltungsstruktur und Betriebsweise, d. h., die Kommutierung eines jeden Subsystems der Phasenmodule einer mehrphasigen Stromrichterschaltung. Durch die erfindungsgemäße Abänderung eines bekannten Subsystems erhält man ein sogenanntes ARCP-Subsystem. Im Vergleich zu einem gattungsgemäßen hart schaltenden Stromrichter mit verteilten Energiespeichern können die Schaltverluste eines erfindungsgemäßen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern beispielsweise um mehr als 50% reduziert werden. Werden dann noch abschaltbare Halbleiterschalter verwendet, die für weiches Schalten optimiert sind, ist eine weitere Reduktion von Schaltverlusten möglich. Außerdem werden durch die Verwendung erfindungsgemäßer Subsysteme in einer Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern auftretende Spannungsänderungsgeschwindigkeiten deutlich im Vergleich zu hartschaltenden Stromrichter mit verteilten Energiespeichern reduziert.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines zweipoligen Subsystems einer Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern schematisch veranschaulicht ist.
  • 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer bekannten Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern, in den
  • 2 und 3 sind jeweils ein Ersatzschaltbild einer ersten und zweiten Ausführungsform eines bekannten zweipoligen Subsystems näher dargestellt, die
  • 4 zeigt ein Ersatzschaltbild eines zweipoligen Subsystems einer Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern nach der Erfindung, in den
  • 5 bis 7 sind jeweils eine Ausführungsform eines bidirektionalen Schalters eines erfindungsgemäßen zweipoligen Subsystems dargestellt, in den
  • 8 und 9 sind jeweils in einem Diagramm über der Zeit t Strom- und Spannungsverläufe während einer Kommutierung eines positiven Stromes von einer Freilaufdiode auf einen abschaltbaren Halbleiterschalter eines zweipoligen Subsystems nach 4 veranschaulicht und in den
  • 10 und 11 sind jeweils in einem Diagramm über der Zeit t Strom- und Spannungsverläufe während einer Kommutierung eines negativen Stromes von einer Freilaufdiode auf einen abschaltbaren Halbleiterschalter eines zweipoligen Subsystems nach 4 dargestellt.
  • Das Ersatzschaltbild eines zweipoligen Subsystems 14 einer erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern ist in der 4 näher dargestellt. Dieses zweipolige Subsystem 14 entspricht in der Grundstruktur der Zellenkonfiguration des zweipoligen Subsystems 11 nach 2. Jedem abschaltbaren Halbleiterschalter S1 und S2 ist eine Diode D1 und D2 elektrisch antiparallel geschaltet. Diese Dioden D1 und D2 fungieren jeweils als Freilaufdioden. Ein Verbindungspunkt 16 dieser beiden elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterschalter S1 und S2 bilden eine Anschlussklemme X2 des zweipoligen Subsystems 14. Elektrisch parallel zur Reihenschaltung zweier abschaltbarer Halbleiterschalter S1 und S2 ist eine Reihenschaltung zweier unipolarer Speicherkondensatoren 18 und 20 geschaltet. Der Verbindungspunkt dieser beiden unipolaren Speicherkondensatoren 18 und 20 ist mit 22 bezeichnet. Dieser Verbindungspunkt bildet einen Mittelpunkt der beiden unipolaren Speicherkondensatoren 18 und 20 eines zweipoligen Subsystems 14. Zwischen den Verbindungspunkten 16 und 22 ist ein Hilfszweig 24 geschaltet. Dieser Hilfszweig 24 weist eine Reihenschaltung eines bidirektionalen Schalters 26 und einer Drossel 28 auf. Diese Drossel 28 wird auch als Kommutierungsdrossel bezeichnet. Au ßerdem ist jedem abschaltbaren Halbleiterschalter S1 und S2 ein Kondensator C1 und C2 elektrisch parallel geschaltet. Diese Kondensatoren C1 und C2 werden auch als Entlastungskondensatoren bezeichnet. Der Verbindungspunkt vom Kondensator 20 und abschaltbaren Halbleiterschalter S2 ist mit 30 bezeichnet und bildet eine zweite Anschlussklemme X1 des zweipoligen Subsystems 14 der erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern. Diese Ausführungsform des zweipoligen Subsystems 14 stellt ein ARCP-Subsystem dar. Dieses ARCP-Subsystem kann auch in der Zellenkonfiguration des zweipoligen Subsystems 12 nach 3 in analoger Weise verwendet werden. Ausführungen des bidirektionalen Schalters 26 sind in den 5 bis 7 schematisch dargestellt.
  • Die 5 zeigt zwei antiparallel geschaltete abschaltbare Thyristoren 32 und 34, die auch als GTO-Thyristoren bezeichnet werden. Anstelle von abschaltbaren Thyristoren 32 und 34 können auch IGCTs und sperr- und blockierfähige IGBTs verwendet werden. Ferner können als Leistungshalbleiter auch symmetrische Thyristoren verwendet werden.
  • Zwei weitere Ausführungsformen des bidirektionalen Schalters 26 des Hilfszweiges 24 des zweipoligen Subsystems 14 nach 4 sind in den 6 und 7 näher dargestellt. Bei beiden Ausführungsformen sind zwei abschaltbare Halbleiterschalter 36 und 38 elektrisch antiseriell geschaltet. Als abschaltbarer Halbleiterschalter 36 und 38 werden Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IBGT) verwendet, die jeweils eine Reverse-Diode 40 und 42 aufweisen. Statt IGBTs können auch vorteilhaft Leistungs-MOSFETs verwendet werden. Bei MOSFETs können die Inversdioden im MOSFET-Schalter integriert sein. Bei hinreichender Geschwindigkeit dieser integrierten Dioden und Robustheit der MOSFET-Schalter müssen keine weiteren diskreten Inversdioden vorgesehen werden.
  • Neben diesen dargestellten Ausführungsformen des bidirektionalen Schalters 26 kann dieser als Diodenbrücke mit einem ab schaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere einem IGBT, ausgeführt sein. Eine derartige Ausführungsform ist aus der Veröffentlichung "A Matrix converter without Diode clamped Overvoltage Protection" von Jochen Mahlein und Michael Braun, abgedruckt in IEEE Trans. On Ind. Electr. aus dem Jahr 2000, bekannt. Bei dieser Ausführungsform des bidirektionalen Schalters 26 wird die Sperrfähigkeit und die resultierende bidirektionale Stromtragfähigkeit des bidirektionalen Schalters 26 durch die Dioden der Diodenbrücke realisiert.
  • In der Ausführungsform gemäß 6 sind diese beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 36 und 38 derart antiseriell geschaltet, dass deren Kollektor-Anschlüsse C1, C2 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Deshalb wird diese antiserielle Schaltung der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 36 und 38 auch als Common Kollektor Mode bezeichnet.
  • In der 7 sind die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 36 und 38 derart antiseriell geschaltet, dass deren Emitter-Anschlüsse E1, E2 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Gemäß der Verknüpfung der Emitter-Anschlüsse E1 und E2 wird diese Verschaltung als Common Emitter Mode bezeichnet.
  • An den zugänglichen Anschlüssen des bidirektionalen Schalters 26 ist die interne Topologie dieses Schalters 26 erkennbar. Beim bidirektionalen Schalter 26 in der Topologie ”Common Kollektor Mode” gemäß 6 sind am bidirektionalen Schalter 26 die Anschlüsse E1, E2, G1 und G2 zugänglich. Im Gegensatz dazu sind beim bidirektionalen Schalter 26 in der Topologie ”Common Emitter Mode” gemäß 7 die Anschlüsse C1, C2, G1 und G2 zugänglich.
  • Nachfolgend wird anhand der Signalverläufe gemäß der Diagramme der 8 und 9 die Kommutierung eines positiven Zweigstromes i0 von der Freilaufdiode D1 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter 52 des zweipoligen Subsystems 14 gemäß 4 näher beschrieben:
    Dieser Kommutierungsvorgang wird durch Schließen des bidirektionalen Schalters 26 zum Zeitpunkt t0 eingeleitet. Wegen der Drossel 28 des Hilfszweiges 24 schaltet dieser bidirektionale Schalter 26 entlastet mit sehr geringen Verlusten ein. Mit dem Schließen des bidirektionalen Schalters 26 und wegen der Drossel 28 im Hilfszweig 24 steigt der Strom iHZ im Hilfszweig 24 an. Bedingt durch diesen Stromanstieg des Stromes iHZ im Hilfszweig 24, sinkt der Betrag des Zweigstromes iZ1. Zum Zeitpunkt t1 wechselt dieser Zweigstrom iZ1 seine Polarität. D. h., der Strom kommutiert von der Freilaufdiode D1 auf den zugehörigen abschaltbaren Halbleiterschalter S1 des Subsystems 14. Zum Zeitpunkt t2 erreicht der Strom durch den abschaltbaren Halbleiterschalter S1 den sogenannten Booststrom Iboost und schaltet entlastet aktiv aus, wodurch der Strom zum Zeitpunkt t3 auf die Freilaufdiode D2 kommutiert. Während dieser Kommutierung wechselt die Spannung über dem Hilfszweig 24 seine Polarität, so dass der Strom iHZ im Hilfszweig 24 sinkt. Zum Zeitpunkt t4 wechselt der Zweigstrom iZ2 seine Polarität. D. h., der Strom kommutiert von der Freilaufdiode D2 auf den zugehörigen abschaltbaren Halbleiterschalter S2 des Subsystems 14. Zum Zeitpunkt t5 ist der Strom vollständig auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S2 kommutiert. Zu diesem Zeitpunkt t5 wird der bidirektionale Schalter 26 des Hilfszweiges 24 stromlos ausgeschaltet, wodurch dieser wieder eine Spannung (Sperrspannung) aufnimmt. Mit dem stromlosen Sperren des bidirektionalen Schalters 26 ist die Kommutierung beendet und der Zweigstrom i0 fließt über den abschaltbaren Halbleiterschalter S2 des zweipoligen Subsystems 14.
  • Ein weiterer Kommutierungsvorgang eines negativen Zweigstromes i0 von der Freilaufdiode D2 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S1 des zweipoligen Subsystems 14 gemäß 4 wird anhand der Diagramme der 10 und 11 näher erläutert:
    Zum Zeitpunkt t0 leitet die Freilaufdiode 2 des abschaltbaren Halbleiterschalters S2 einen Zweigstrom i0 kleiner Null. Auch diese Kommutierung wird mit dem aktiven Einschalten des bidi rektionalen Schalters 26 des Hilfszweiges 24 eingeleitet. Dieser bidirektionale Schalter 26 schaltet entlastet durch die Drossel 28 mit sehr geringen Verlusten ein. Bedingt durch den Anstieg des Stromes iHZ im Hilfszweig 24 sinkt der Betrag des Zweigstromes iZ2 und wechselt sein Vorzeichen zum Zeitpunkt t1. D. h., dass der Strom von der Freilaufdiode D2 auf den zugehörigen abschaltbaren Halbleiterschalter S2 kommutiert ist. Nach Erreichen des sogenannten Booststromes Iboost schaltet der abschaltbare Halbleiterschalter S2 aktiv aus und der Strom kommutiert auf die Freilaufdiode D1 des abschaltbaren Halbleiterschalters 3 des zweipoligen Subsystems 14. Während dieser Kommutierung wechselt die Spannung über dem Hilfszweig 24 die Polarität, so dass der Strom iHZ im Hilfszweig 24 sinkt. Dadurch sinkt der Betrag des Zweigstromes in ab und wechselt seine Polarität zum Zeitpunkt t4. D. h., der Strom kommutiert von der Freilaufdiode D1 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S1. Zum Zeitpunkt t5 ist dieser Kommutierungsvorgang, der wegen des eingeschalteten Hilfszweiges 24 auch als ARCP-Kommutierung bezeichnet wird, beendet. Zu diesem Zeitpunkt t5 wird der bidirektionale Schalter 26 des Hilfszweiges 24 stromlos aktiv ausgeschaltet und der Zweigstrom i0 fließt über den abschaltbaren Halbleiterschalter S1.
  • Diese ARCP-Kommutierung des negativen Zweigstromes i0 von der Freilaufdiode D2 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S1 verläuft analog zur ARCP-Kommutierung des positiven Zweigstromes i0 von der Freilaufdiode D1 des abschaltbaren Halbleiterschalters S1 auf den abschaltbaren Halbleiterschalter S2 des zweipoligen Subsystems 14.
  • Neben diesen beiden ARCP-Kommutierungen existieren noch zwei sogenannte kapazitive Kommutierungen. Bei der einen kapazitiven Kommutierung kommutiert ein positiver Zweigstrom i0 vom abschaltbaren Halbleiterschalter S2 auf die Freilaufdiode D1 des abschaltbaren Halbleiterschalters S1. Diese Kommutierung wird durch das aktive Aufschalten des abschaltbaren Halbleiterschalters S2 eingeleitet und endet mit dem passiven Einschalten der Freilaufdiode D1.
  • Bei der zweiten kapazitiven Kommutierung kommutiert ein negativer Gleichstrom i0 vom abschaltbaren Halbleiterschalter S1 auf die Freilaufdiode D2 des abschaltbaren Halbleiterschalters S2. Diese zweite kapazitive Kommutierung wird durch das aktive Ausschalten des abschaltbaren Halbleiterschalters S1 eingeleitet und endet mit dem positiven Einschalten der Freilaufdiode D2 des abschaltbaren Halbleiterschalters S2.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der zweipoligen Subsysteme 14 einer Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern werden gegenüber einer hart schaltenden Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern die Stromrichterverluste deutlich reduziert und der Stromrichterwirkungsgrad deutlich erhöht. Im Vergleich zu konventionellen hart schaltenden Stromrichtern mit verteilten Energiespeichern können die Schaltverluste wenigstens halbiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10103031 A1 [0002, 0003, 0003, 0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - ”The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter” von R. W. De Doncker und J. P. Lyons, 1990, Seiten 1228 bis 1235 [0008]
    • - ”A Matrix converter without Diode clamped Overvoltage Protection” von Jochen Mahlein und Michael Braun, abgedruckt in IEEE Trans. On Ind. Electr. aus dem Jahr 2000 [0023]

Claims (10)

  1. Stromrichterschaltung mit wenigstens einem ein oberes und ein unteres Stromrichterventil (T1, T3, T5; T2, T4, T6) aufweisenden Phasenmodul (100), wobei jedes Stromrichterventil (T1 ... T6) wenigstens ein zweipoliges Subsystem (11, 12, 14) aufweist, wobei jedes Subsystem (11, 12, 14) zwei elektrisch in Reihe geschaltete Halbleiterschalter (1, 3, S1, S2) jeweils mit einer Freilaufdiode (2, 4, D1, D2) und einem unipolaren Speicherkondensator (9, 10, 18, 20) aufweist, der elektrisch parallel zur Reihenschaltung der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, S1, S2) geschaltet ist, wobei ein Verbindungspunkt (16) der beiden elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbaren Halbleiterschalter (1, 3, S1, S2) eine Anschlussklemme (X2, X1) eines jeden Subsystems (11, 12, 14) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass jedem abschaltbaren Halbleiterschalter (S1, S2) ein Kondensator (C1, C2) elektrisch parallel geschaltet ist, dass ein zweiter unipolarer Speicherkondensator (20) elektrisch in Reihe zum ersten unipolaren Speicherkondensator (18) geschaltet ist und dass mittels eines Hilfszweiges (24), bestehend aus einer Reihenschaltung eines bidirektionalen Schalters (26) und einer Drossel (28), der Verbindungspunkt (16) der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (S1, S2) mit einem Verbindungspunkt (22) der beiden unipolaren Speicherkondensatoren (18, 20) verbindbar ist.
  2. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Schalter (26) zwei antiparallel geschaltete abschaltbare Thyristoren (32, 34) aufweist.
  3. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Schalter (26) zwei antiparallel geschaltete Thyristoren aufweist.
  4. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Schalter (26) zwei antiseriell geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) aufweist, denen jeweils eine Diode (40, 42) antiparallel geschaltet sind.
  5. Stromrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (36, 38) derart antiseriell geschaltet sind, dass deren Kollektor-Anschlüsse (C1, C2) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
  6. Stromrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter (36, 38) derart antiseriell geschaltet sind, dass deren Emitter-Anschlüsse (E1, E2) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
  7. Stromrichterschaltung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor ist.
  8. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) ein MOS-Feldeffekt-Transistor ist.
  9. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) ein Gate-Turn-Off-Thyristor ist.
  10. Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der abschaltbare Halbleiterschalter (36, 38) ein Integrated-Gate-Commutated-Thyristor ist.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103031A1 (de) 2001-01-24 2002-07-25 Rainer Marquardt Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5568368A (en) * 1993-05-03 1996-10-22 General Electric Company Square-wave converters with soft voltage transitions for ac power distribution systems
DE102005045091B4 (de) * 2005-09-21 2007-08-30 Siemens Ag Steuerverfahren zur Redundanznutzung im Störungsfall eines mehrphasigen Stromrichters mit verteilten Energiespeichern

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103031A1 (de) 2001-01-24 2002-07-25 Rainer Marquardt Stromrichterschaltungen mit verteilten Energiespeichern

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"A Matrix converter without Diode clamped Overvoltage Protection" von Jochen Mahlein und Michael Braun, abgedruckt in IEEE Trans. On Ind. Electr. aus dem Jahr 2000
"The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter" von R. W. De Doncker und J. P. Lyons, 1990, Seiten 1228 bis 1235
J. Mahlein, M. Braun:" A Matrix Converter without Diode clamped Over-voltage Protection", Power Electronics and Motion Control Conf, Proc. IPEMC 2000, vol. 2, pp. 817-822, Aug. 2000 *
K. Fujii: "Characterization and Optimization of Soft-Switched Multi-Level Converters for STATCOMs", Dissertation an der RWTH Aachen University, ISBN 978-3-8322-6981-4, Aachener Beiträge des ISEA, Band 47, Febr. 2008 *
P. Köllensperger et al.: "Design of a Flexible Control Platform for Soft-Switching Multilevel Inverters", IEEE Trans. Power Electron. vol 22, no. 5, pp. 1778-1785, Sep. 2007 *
R.W. De Doncker, J.P. Lyons: "The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter", Industry App. Soc. Ann. Meeting 1990, Conf. Rec. of the IEEE 1990, vol. 2, pp. 1228-1235 *
R.W. De Doncker, J.P. Lyons: "The Auxiliary Resonant Commutated Pole Converter", Industry App. Soc. Ann. Meeting 1990, Conf. Rec. of the IEEE 1990, vol. 2, pp. 1228-1235 P. Köllensperger et al.: "Design of a Flexible Control Platform for Soft-Switching Multilevel Inverters", IEEE Trans. Power Electron. vol 22, no. 5, pp. 1778-1785, Sep. 2007 K. Fujii: "Characterization and Optimization of Soft-Switched Multi-Level Converters for STATCOMs", Dissertation an der RWTH Aachen University, ISBN 978-3-8322-6981-4, Aachener Beiträge des ISEA, Band 47, Febr. 2008 J. Mahlein, M. Braun:" A Matrix Converter without Diode clamped Over-voltage Protection", Power Electronics and Motion Control Conf, Proc. IPEMC 2000, vol. 2, pp. 817-822, Aug. 2000

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