DE2014273A1 - Kommutierungseinrichtung für Stromrichter - Google Patents

Description

WESTINGHOUSE Erlangen, den 2 4. MRZ. 1370

ELECTRIC CORPORATION - Werner-von-Siemens-Str. 50

Pittsburgh, Pa., USA

VPA 70/8319 C/Mt Oase 38 739

Kommutierungseinrichtung für Stromrichter

Die Priorität der entsprechenden Patentanmeldung in den USA, Serial-No. 813 074, vom 3.4.1969 wird in Anspruch genommen.

Stromrichter können außer zur Gleich- bzw. Wächselrichtung von Strömen und Spannungen auch allgemein als stönerbare Schalter in Gleich- oder Wechselstromkreisen verwendetwerden.

Bei der Speisung eines Verbrauchers aus einer" Gleichspannungsquelle mit einem zwischengeschalteten gesteuerten Stromrichter würde dieser ständig Strom führen, unabhängig davon, ob an seiner Steuerelektrode eine Zündspannung ansteht bzw. ein zur Zündung notwendiger Strom fließt. Will man dein Strom im Stromrichter zum Erlöschen bringen, um so die Sperrfähigkeit des Stromrichters in Durchlaßrichtung wieder herausteIlen, so muß vorübergehend die Spannung am Stromrichter umgekehrt werden. Zu einer derartigen Spannungsumkehr zum Sperren von Thyristoren oder anderen steuerbaren Stromrichtern wird ein Kommutierungsstromkreis an den jeweiligen Stromrichter angeschaltet. Dieser Kommutierungsstromkreis enthält z.B. kapazitive und induktive Elemente. In den kapazitiven Elementen wird eine Spannung gespeichert, die zur Spannungβumkehr an Anode und Kathode des Stromrichters gelegt wird.

Die induktiven Elemente bilden mit den kapazitiven Resonanzkreise und gewährleisten so, daß die Spannung am kapazitiven Element in genügender Höhe und mit richtiger Polarität vorhanden ist. Durch die Verwendung von induktiven Elementen im Kommutierungsetromkreis besitzen diese Anordnungen den Nachteil eines relativ hohen Gewichtes, so daß sie für luftfahrzeuge und für Anwendungen unter Wasser schlecht geeignet sind.

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Man kann die induktiven Elemente im Kommutierungskreis von Stromrichtern vermeiden, wenn man einen zusätzlichen Ladestromkreis für die benutzten Kondensatoren vorsieht. Ein derartiger Stromkreis enthält aber immer Widerstandselemente, die zu unnötigem Energieverlust führen und die so den Wirkungsgrad der Anlage beeinträchtigen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kommutierungseinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die bei geringem Gewicht und einfacher Ausführung die Zwangskommutierurtg eines gleichspannungsgespeisten Stromrichters ermöglicht. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und in den übrigen Patentansprüchen beschriebene Einrichtung. Ein Ausführungsbeispiel einer Kommutierungseinrichtung ist in Pig. 1 dargestellt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Pig. 3, während Pig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Pig. 1 enthält. Pig. 4 zeigt eine Anwendung der Kommutierungseinrichtung für einen Dreiphasenwechselrichter in Brückenschaltung und in Fig. 5 ist das dazugehörige Spannungsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Pig. 4 dargestellt.

In Pig. 1 ist ein Stromkreis zur Speisung eines Verbrauchers aus einer Gleichspannungsquelle dargestellt. Hier ist der Verbraucher Z, der aus einem Widerstand R und einer Induktivität L besteht, über zwei gesteuerte Stromrichter Sp1, Sp2 an den positiven Pol + und den negativen Pol - einer Gleichspannungsquelle E angeschlossen. Dem gesteuerten Stromrichter Sp1 ist die Reihenschaltung eines Kommutierungsstromrichters Sd eines gemeinsamen Kommutierungskondensators 01 und einer Diode D1 parallel geschaltet, während parallel zum gesteuerten Stromrichter Sp2 der Kommutierungsstromrichter So2, der für beide Stromrichter Sp1 und Sp2 gemeinsame Kommutierungskondensator C1 und eine weitere Diode D2 liegt.

Betrachtet man nun das Spannungsdiagramm nach Pig. 2, so stellt man feat, daß zu einer Zeit vor dem Zeitpunkt ti beide Stromrichter Sp1 und Sp2 leitend sind. Die Kurve A in Fig. 2 seigt den Spannungsabfall am Stromrichter Sp1. Da dieser Stromrichter zur Zeit vor dem Zeitpunkt ti leitend ist, entsteht nur ein

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kleiner Spannungsabfall. Ein ähnlicher Spannungsabfall wird sich an dem Stromrichter Sp2 einstellen. Der Spannungsabfall an dem Verbraucher Z ist damit etwa genauso groß wie die Spannung der Gleichspannungsquelle E. Dies .ist in der Kurve B dargestellt. Kurve C in Fig. 2 zeigt den Stromverlauf im Verbraucher Z, der im betrachteten Zeitraum bis zum Zeitpunkt ti stetig ansteigt. Der Kommutierungskondensator C1 ist in der in Fig. 1 in der mit + und - angegebenen Weise geladen, so daß auch seine Spannung (siehe Kurve D in Fig. 2) ebenfalls annähernd so groß ist, wie die Spannung der Gleichspannungsquelle E.

Um zum Zeitpunkt ti den Strom im Stromrichter Sp1 zum Erlöschen zu bringen, wird der Kommutieruhgsstromrichtef Sd angesteuert, so daß der Kommutierungskondensator C1 sich ütier die Diode D1 und den Verbraucher Z entladen kann. Dadurch liegt an dem Stromrichter Sp1 eine in Sperrichtung wirkende Spannung an, die den Strom in ihm zum Erlöschen bringt. Vom Verbraucher Z aus gesehen addiert sich die Spannung des Kommutierungskondensatoi's C1 zu der Spannung der .Gleichspannungsquelle.E. Wenn der Kondensator C1 entladen ist, wird der Stromrichter Sp1 wieder in Durchlaßrichtung beansprucht. Er sperrt aber, da er keinen Zündimpuls erhält. Die Spannungsquelle E speist also ihren Strom über den Kommutierungskondensator C1 in den Verbraucher Z hinein. Dabei kehrt sich die Polarität der Spannung am Kommutierungskondensator 01 um, bis dieser auf eine der Spannung der Spannungsquelle E entsprechende negative Spannung aufgeladen ist. Dieser Zustand ist im Zeitpunkt t2 erreicht. Damit ist die Spannung am Verbraucher Z Null geworden, so daß der bedingt durch die Induktivität L im Verbraucher Z weiterfließende Strom sich über die Dioden DT und D2 schließt. Abhängig von dem gewünschten Strom im Verbraucher Z erhält nach einer bestimmten Zeit der Stromrichter Sp1 wieder einen Steuerimpuls. In Fig. 3 geschieht dies zum Zeitpunkt t3. Damit stellen sich die gleichen Verhältnisse ein, wie vor dem Zeitpunkt ti, mit dem Unterschied, daß der^Kommutierungskondensator C1 negativ - d.h. entgegengesetzt zu der in Fig. 1 angegebenen Polarität - aufgeladen ist. Der Kommutierungskondensator C1 ist damit in der Lage, eine in Sperrichtung wirkende Spannung an den Stromrichter Sp2 anzulegen, so daß im Zeitpunkt t4 der Kommutierungsstromrichter Sc2 gezündet wird» Hierdurch wird in gleicher Weise die Spannung am Verbraucher Z auf Null gebracht

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unter gleichzeitiger Umladung des Kommutierungskondensators C1, bis auch hier nach einer vom gewünschten Strom abhängigen Zeit wieder ein Zündimpule an den Stromrichter Sp2 gegeben wird.

Eine andere Schaltmöglichkeit für den Kommutierungskreis eines Stromrichters in der Verbindungsleitung zwischen Gleichspannungsquelle E und Verbraucher Z ist in Fig. 3 dargestellt. Zwischen dem Verbraucher Z und der Gleichspannungsquelle E ist ein steuerbarer Stromrichter Spo eingeschaltet. Parallel zum Verbraucher Z liegt eine Freilaufdiode Do. Zur Kommutierung dient eine Brückenschaltung aus steuerbaren Stromrichtern Sea, Sea', Scb und Scb¹, in deren Brückendiagonale der Kommutierungskondensator 02 liegt.

Nimmt man an, daß ein Strom über den Stromrichter Spo zum Verbraucher Z hin fließt und daß der Kommutierungskondensator 02 auf eine Spannung mit der angegebenen Polarität aufgeladen ist, so kann durch Zündung der Kommutierungsstromrichter Scb und Scb¹ wiederum eine der Spannung der Gleichspannungsquelle E entsprechende Spannung an den Stromrichter Spo gelegt werden. Hierbei wird der Kommutierungskondensator 02 wie der Kommutierungskondensator 01 in Fig. 1 umgeladen. Anschließend fließt ein Strom über die Freilaufdiode Do, bis der Stromrichter Spo wieder gezündet wird. Die nächste Löschung des Stromrichters Spo erfolgt dann durch Zündung der Kommutierungsstromrichter Sea und Sea¹ die wiederum den Kommutierungskondensator 02 mit der richtigen Polarität parallel zum Stromrichter Spo schalten.

Eine derartige Stromrichteranordnung mit Kommutierungskondensator kann auch für Wechselrichterschaltungen angewendet werden, wie dies in Fig. 4 am Beispiel einer Drehstromwechselrichterbrückenschaltung zur Speisung eines Verbrauchers mit den Widerständen Za, Zb und Zc für Drehstrom dargestellt ist. Wiederum ist an die Pole + und - der Gleichepannungsquelle E eine Schaltung entsprechend der Schaltung nach Fig. 1 angeschlossen. Die dabei verwendeten Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Gegensatz zu Fig. 1 speisen die äußeren Anschlüsse der Dioden D1 und D2 den Verbraucher nicht unmittelbar, sondern über eine Brückenschaltung ausgesteuerten Stromrichtern SA1, SA2 SB1, SB2, SC1 und SC2. Außerdem ist an die Anschlüsse der

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(Jleichspannungaciuelle E eine weitere Schaltung aus gesteuerten Stromrichtern angeschlossen, die hier anstelle von einfachen Blindstromdioden eingeschaltet sind und wie Blindstromdioden die Aufgabe haben, die Möglichkeit zur Rückspeisung von Leistung vom Verbraucher in die (Jleichspannungsquelle E zu geben* Die zu dieser Brückenschaltung zugehörigen RückspeisungsstrOmrichter SA2«, SA1¹, SB2», SBI', SC2^! und SCI¹ liegen daher jeweils antiparallel zu einem der Stromrichter in der Wechselrichter^ brückenschaltung. Die Anschlüsse Ta, Tb und Td der"Widerstände Za, Zb, Zc sind an die Wechselspannungsanschlüsse der beiden Brückenschaltungen ausden Stromrichtern SAl bis SC2 und den Rückspeisestromrichtern SAl¹ bis SC2¹ geschaltet. Durch die Anwendung von steuerbaren Stromrichtern für die LeistungsrÜckspeisung kann verhindert werden, daß sich z.B. bei Parallelschaltung desKömmutierungskondensators Cl zunl Stromrichter SpI ein Kurzsehlußstromkreie über den z.B. gerade leitenden Stromrichter SA1 und den Rückspeiseströmrichter SA2^r ausbildet. Aus diesem Grund werden die Rückspeiseströmrichter SA2¹, SB2· und SC2* gesperrt, wenn der zugehörige Kommutierungsstromrichter Sc1 leitend ist. litt entsprechender Weise werden die Rückspeisestromrichter SAI^r, SBl¹ und SGl* gesperrt, wenn der Kommutierungs*· stromrichter Sc2 leitend ist. Zu allen anderen Zeiten sind die Rückspeisestromrichter SA1^r bis SC2¹leitend und verhalten sich wie Dioden.

In Pig. 5 ist nun ein Diagramm dargestellt, das die Zündreihenfolge der einzelnen Stromrichter erkennen läßt. Die einzelnen Kurven sind mit den gleichen Bezeichnungen versehen, wie sie die zugehörigen Stromrichter besitzen. Die letzten drei Kurven in Pig. 5 zeigen die Auegangespannungen VAB zwischen den Anschlüssen Ta und Tb, VBC zwischen den Anschlüssen Tb und Tc und die Spannung VCA zwischen den Anschlüssen Tc und Ta. Zur Zeit t11 sind die Stromrichter SpI und Sp2 beide leitend, zusammen mit den Stromrichtern SA1ι SB2 und SCl in der Wechselrichterschaltung, so daß stell ein Stroapfad über diese Stromrichter und über die Widerstände Za, Zb,Zc ergibt. Zur Zeit t12 soll der Stromrichter SAl der Wechaelriohterschaltung gesperrt werden. Dazu werden die Steuerepannungen von den Stromrichter SpI und den Stromrichtern SA1, SCt weggenoeeen. Zusätzlich wird der Kommutierungsstrom*

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riehter Sd angesteuert und die RückleistungsstromVlchter £a2· und SC2¹ werden gesperrt. Wie in Fig. 1 beschrieben, wird dann durch die Parallelschaltung dee Komautierungskondensators C1 zum Stromrichter SpT dieser gelöscht.

Wenn der Kommutierungskondensator C1 dann umgeladen ist, überniamt der Ruckapeiseetroarichter SA1' den Strom von dem Stromrichter SA1. In gleicher Weise kommutiert der Strom vom Stromrichter SC1 zum Rückapeisestromrichter SC1¹. Anschließend wird der Stromrichter Sp1 wieder gezündet und der Steuerimpuls auf den Stromrichter SC1 der WechselrichterbrUckenschaltung wieder zurückgegeben.

Zum Zeitpunkt t13 wird der Stromrichter SA2 der Wechselrichterschaltung gezündet und übernimmt den Strom vom Rückspeisestromrichter SA1V wenn sich dessen Polarität ändert.

Zum Zeitpunkt t14 wird der Steuerimpuls vom Stromrichter Sp2 und den Stromrichtern SB2 und SA2 weggenommen und ein Steuerimpuls auf den Kommutierungsetromrichter Sc2 gegeben. Gleichzeitig werden die RUckepeisestromrichter SB2' und SA2' wieder gezündet, so daß dieee Strom übernehmen können» wenn der Kommutierungskondensator C1 umgeladen ist.

Durch den der Brückenschaltung vorgeschalteten Stromrichter mit Kommutierungskreis können also auch die Stromrichter in der Wechselrichterschaltung kommutiert werden, so daß sich an den Anschlußklemmen TA, Tb, To der Widerstände Za, Zb und Zo die in den Kurven YAB, YBC und YCA dargestellt« Dreiphasen-Wecheelspannung ergibt.

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Claims (4)

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1.))Kommutierungseinrichtung für Stromrichter, die zur Speisung eines Verbrauchers aus einer Gleichspannungsquelle dienen, mit einem zum Stromrichter parallel geschalteten Kommutierungskondensator, der in Reihe zu einem als Schalter wirkenden Kommutierungsstromrichter liegt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Stromrichter (Sp1, Sp2, Spo) mit parallelgeschaltetem Kommutierungskohdensator (01, C2) in die Verbindungsleitung zur Gleichspanhungsquelle (E) eingeschaltet ist. :

2.) Kommutierungseinrichtung für Stromrichter in Wechselrichterbrückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kommutierungskondensator (01) nur für die zusätzlich zu den Stromrichtern (SA1 bis SC2) in Webhselrichterschaltung in die Verbindungsleitung zur Gleichspanhungsquelle (E) eingeschalteten Stromrichter (Sp1, Sp2) vorgesehen ist und daß anstelle von Blindstromdioden jedem der Stromrichter (SA 1 bis SC2) in Wechselrichterschaltung und den vorgeschalteten Stromrichtern (Sp1, Sp2) in der Verbinduhgsleitung zur Gleichspannungsquelle (E) ein gesteuerter Rückspeisestrom-» riohter (SA1· bis SC2¹) antiparallel geschaltet ist.

3.) Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jede Verbindungsleitung zu einem der Pole der Gleichspannungsquelle (E) ein Stromrichter (Sp1, Sp2) eingeschaltet ist und daß jedem dieser Stromrichter die Reihenschaltung eines Kommutierungsstromriohters (Sd, Sc2), eines gemeinsamen Kommutierungskondensators (C1) und einer Diode (D1, D2) parallelgeschaltet ist und daß die Zündung der Kommutierungskondensatoren (Sd, Sc2) abwechselnd abhängig von der jeweiligen Polarität der Spannung am Kommutierungskondensator (CT) ist.

4.) Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem in die Verbindungsleitung zur Gleichspannungsquelle (E) eingeschalteten Stromrichter (Spo) eine Brückenschaltung aus vier Kommu-

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tierungsstromrichtern (Sea, Sea¹, Scb, Scb') parallelgeschaltet ist und daß der Kommutierungskondensator (C2) im Brückenzweig dieser Brückensehaitung liegt.

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