DE3208652C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der über ihr Gate abschaltbaren Thyristoren - GTO-Thyristoren - eines Spannungsumrichters mit Pulsbreitenmodulation, wobei jedem Thyristor eine Diode antiparallel geschaltet ist. Ein solches Verfahren ist aus Hitachi Review, Band 60 (1978), Nr. 6, S. 29-34 bekannt.

GTO-Thyristoren und ähnliche elektronische Bauelemente können durch einen kurzen Einschaltimpuls eingeschaltet werden. Liegt der dann fließende Strom oberhalb des Haltewertes, so bleibt der Thyristor eingeschaltet, bis er durch ein weiteres kurzes Signal ausgeschaltet wird. Unterschreitet jedoch der fließende Strom den Haltewert, so sperrt der Thyristor, noch bevor ihm der Ausschaltimpuls zugeführt wird. Es muß daher, wenn die Mög­ lichkeit besteht, daß der Strom unter den Haltewert sinkt, das Einschaltsignal während der gesamten Zeitspanne vom Einschal­ ten bis zum Ausschalten des GTO-Thyristors zugeführt werden. Dies führt zu einem Leistungsverlust und zu einer Erhöhung der erforderlichen Leistung im Gate-Kreis.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das gattungs­ gemäße Verfahren so auszugestalten, daß die aufzuwendende Steuerleistung so klein wie möglich gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Patentanspruchs gelöst, wobei es z. B. aus den JP-A-53-39 430 und 53-36 635 oder auch der US-A-37 10 229 an sich bekannt ist, den auf der Wechselstromseite eines Umrich­ ters fließenden Strom zu erfassen.

Da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Dauer-Einschaltsi­ gnal nur dann gegeben werden muß, wenn der Haltestrom der GTO- Thyristoren unterschritten wird, wird entsprechend Leistung nur verbraucht, wenn es unbedingt notwendig ist. Ist der fließende Strom ausreichend hoch, so kann mit sehr kurzen Ein- bzw. Ausschaltimpulsen gesteuert werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren gesteuerter Umrichter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild des Hauptkreises eines pulsbreiten­ modulierten Umrichters,

Fig. 2a und 2b Schaltbilder zur Erläuterung der Arbeitswei­ se eines Umrichters,

Fig. 3 das Schaltbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Umrichters,

Fig. 4 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Arbeits­ weise des Umrichters der Fig. 3, und

Fig. 5 das Schaltbild eines weiteren nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren gesteuerten Umrichters.

Fig. 1 zeigt den Aufbau des Hauptkreises eines pulsbreiten­ gesteuerten Umrichters, der an ein dreiphasiges Drehstromnetz angeschlossen ist. Über ihr Gate ausschaltbare Thyristoren (GTO-Thyristoren) werden als Halbleiter-Schaltelemente verwendet. Der Umrichter ist als dreiphasige Brückenschaltung aufgebaut. Jede Phase ent­ hält eine Reihenschaltung aus GTO-Thy­ ristoren 1 und 2 und Dioden (Freilaufdioden) 3 und 4, die den Thyristoren 1 und 2 antiparallel geschaltet sind. Die Phasen der Drehstromquelle sind an die Verbindung der Thyristoren in jedem Zweig angeschlossen, und die jeweiligen Zweige sind ein­ ander parallelgeschaltet. Der Brückenschaltung des Umrichters ist ein Glättungskondensator C parallel geschaltet. Die Dreh­ stromquelle AC kann aus einem Drehstromgenerator oder einem Dreh­ stromnetz bestehen. Soll am Ausgang des Umrichters ein Gleichstrom erzeugt werden, so ist das Drehstromnetz die Dreh­ stromquelle, und der Gleichstrom wird an den Gleichspannungs­ klemmen erzeugt. Soll ein Drehstrommotor durch die Ausgangs­ spannung des Umrichters gespeist werden, so ist der Drehstrommotor die Last, und an die Gleichstromklemmen des Umrichters ist eine Gleichspannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen. In der folgenden Beschreibung sei angenommen, daß der Umrichter als Wechselrichter arbeitet, d. h. eine Aus­ gangs-Wechselspannung bzw. -Drehspannung erzeugt. Entsprechend ist AC eine dreiphasige Belastung, der von den Phasen U, V und W die drei Phasenströme i _u , i _v und i _w zugeführt werden.

Fig. 2a und 2b zeigen die Arbeitsweise des Umrichters der Fig. 1. Da sämtliche Phasen U, V und W in der gleichen Weise arbeiten, ist nur die Phase U gezeigt. Durch Einschalten der GTO-Thyritoren 1 und 2 ergibt sich ein Zu­ stand, in dem der Thyristor 2 oder die Diode 3 leitet, und ein Zustand, in dem der Thyristor 1 oder die Diode 4 leitet. Wird der Strom umgekehrt (d. h. i < 0 in Fig. 2a), so leitet die zum eingeschalteten Thyristor parallele Diode, d. h. die Diode 4. In diesem Zustand wird die relative Einschaltdauer gesteuert. D. h., es wird die pulsbreitenmodulierte Steuerung ausgeführt.

Durch die Pulsbreitensteuerung können Größe und Phase der Ausgangsspannung des Umrichters derart gesteuert werden, daß der der Drehstromlast, z. B. einem Drehstrommotor zuge­ führte Ausgangsstrom i, wie notwendig, gesteuert wird. Welcher der GTO-Thyristoren 1 und 2 (oder der Dioden 4 und 3) leitet, hängt von der Richtung des Wech­ selstromes i ab, sowie davon, welchem der Thyristoren 1 und 2 das Gate-Einschaltsignal zugeführt wird. Ist der Wechsel­ strom des Umrichters kleiner als 0 (i < 0), d. h., fließt der Wechselstrom i vom Wechselstromanschluß zum Gleichstrom­ anschluß, so leitet gemäß Fig. 2a der Thyristor 2. Ist der Wechselstrom i größer als 0 (i < 0), d. h., fließt der Wechselstrom i von der Gleichstromquelle zur Wechselstrom­ quelle, so leitet der Thyristor 1 (Fig. 2b).

Der GTO-Thyristor bleibt eingeschaltet, selbst wenn die Dauer des als Einschaltsignal zugeführten Impulses kurz ist, so lange der Strom über die Laststrecke oberhalb des Haltestromes liegt. Somit braucht das Einschaltsignal nicht dauernd zu­ geführt zu werden, so lange der Strom des GTO-Thyristors oberhalb des Haltestroms liegt.

Entsprechend werden erfindungsgemäß die Größe und Polarität des Stroms erfaßt, um das Einschaltsignal zu steuern und die unnötige Zufuhr des Einschaltsignals zum Thyristor zu ver­ meiden.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Umrichters. Wiederum ist nur ein einphasiger Abschnitt gezeigt; die anderen Phasenkreise sind weggelassen. In Fig. 3 sind mit 1 und 2 die GTO-Thyristoren und mit 3 und 4 die Dioden bezeichnet. Ferner sind ein Stromwandler 5, ein Stromrichtungsdetektor 6, ein Stromdetektor 7 zur Feststellung, ob der Strom unterhalb des Haltestrompegels liegt, oder nicht, ein Komparator 8, der ein Pulsbreiten-Modulations­ signal Sc erzeugt, ein Sägezahnspannungsgenerator 9, und monostabile Multivibratoren 10, 12 vorgesehen. Der monostabile Multivibrator 10 erzeugt einen kurzen Impuls vorbestimmter Impulsbreite synchron mit dem Anstieg des Ausgangssignals vom Komparator 8. Der monostabile Multivibrator 12 erzeugt einen kurzen Impuls vorbestimmter Impulsdauer synchron mit dem Ab­ fall des Ausgangssignals des Komparators 8. Der Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibrators 10 dient als Einschaltsignal zum Einschalten des GTO-Thyristors, wäh­ rend der Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibrators 12 als Ausschaltsignal zum Ausschalten des Thyristors dient. Ferner enthält die Schaltung UND-Gatter 11, 13 und 16, ODER-Gatter 14 und 15 und einen Steuerverstärker 17, der das Ausgangssignal (Einschaltsignal) vom ODER-Gatter 15 und das Ausgangssignal (Ausschaltsignal) vom UND-Gatter 16 ver­ stärkt und ein Steuersignal Si für den Thyristor 1 erzeugt. Die Bauelemente 10, 11, 13 und 15 bilden einen Einschaltsignal­ generator 201 zur Erzeugung des Einschaltsignals. Die Bau­ elemente 12, 14 und 16 bilden einen Ausschaltsignalgenerator 202 zur Erzeugung des Ausschaltsignals. Die Bauelemente 201, 202 und 17 bilden einen P-Steuersignalgenerator 200, der das Steuersignal Si zur Steuerung des auf der positiven Seite vorgesehenen Thyristors 1 erzeugt. Ein N-Steuersignalgenerator 300 erzeugt ein Steuersignal Sj zur Steuerung des auf der negativen Seite vorgesehenen Thyristors 2. Der Generator 300 ist ähnlich aufgebaut wie der P-Steuersignalgenerator 200, so daß sich eine ins einzelne gehende Beschreibung erübrigt. Die Schaltung enthält ferner einen Impulsbreitenmodulations- Signalgenerator 100 und eine Stromprüfschaltung 400 mit den Detektoren 6 und 7.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Schaltung beschrieben:
Dem Komparator 8 wird ein sinusförmiger Spannungsbefehl Sa zur Änderung der Ausgangsspannung zugeführt. Der Sägezahn­ spannungsgenerator 9 erzeugt ein sägezahn- oder dreieckförmiges Signal Sb (Fig. 4), das dem Komparator 8 zugeführt wird. Der Komparator 8 erzeugt ein Pulsbreiten-Modulationssignal Sc durch Vergleich der Amplituden der Signale Sa und Sb. Das Pulsbreiten-Modulationssignal hat eine modulierte Impulsbreite, die der Höhe (Spannung) des Spannungsbefehls Sa entspricht. Das Pulsbreiten-Modulationssignal Sc wird den Generatoren 200 und 300 zugeführt. Im P-Steuersignalgenerator 200 wird das Signal Sc den monostabilen Multivibratoren 10 und 12 und dem UND-Gatter 11 zugeführt. Ein vom Stromwandler 5 erzeugter Wechselstrom Sd wird dem Stromrichtungsdetektor 6 und dem Stromdetektor 7 zugeführt. Der Stromrichtungsdetektor 6 erzeugt ein Signal Sg, wenn das Signal Sd oder der Strom i positiv (i < 0) ist und erzeugt ein Signal Sh, wenn der Strom i negativ (i < 0) ist. Der Stromdetektor 7 erzeugt Signale Se und Sf, wenn das Signal Sd sich innerhalb eines Bereiches befin­ det, der einem Leitungsstrom unterhalb des Haltestrompegels des Thyristors entspricht. Ist der Haltestrompegel ±i _H so bleibt das Signal Se für eine Periode auf konstantem Pegel, wenn 0 < i < i _H , und das Signal Sf bleibt für eine Periode auf konstantem Pegel, wenn -i _H < i < 0 ist. Der Verlauf der Si­ gnale Sa, Sb, Sc, Sd, Se, Sf, Sg und Sh ist in Fig. 4 gezeigt, die den Signalverlauf für eine induktive Motorsteuerung darstellt. Der monostabile Multivibrator 10 erzeugt beim An­ stieg des Pulsbreiten-Modulationssignals den kurzen Impuls, der dem Steuerverstärker 17 für eine Periode zugeführt wird, wenn das Signal Sg auf konstantem Pegel bleibt, d. h., in der Periode, wenn i < 0. Wenn i < 0 wird das Ausgangssignal (das Aus-Steuersignal) vom monostabilen Multivibrator 12 dem Steuer­ verstärker 17 zugeführt. Während der Zeitperiode, in der der Strom i positiv (i < 0) ist, und das Signal Sd unterhalb des Haltestrompegels liegt (die Periode, während Se Ein ist), kann der Thyristor 1 nicht lediglich dadurch eingeschaltet bleiben, daß am Ausgang des monostabilen Multivibrators 10 das Ein-Steuersignal ansteht. Daher wird durch das Impuls­ breitenmodulationssignal Sc dem Steuerverstärker 17 nur für die Se-Ein-Periode ein langer Impuls zugeführt. Während der Periode i< 0 (Sg-Ein-Periode) erzeugt der P-Steuersi­ gnalgenerator 200 das Steuersignal Si. In der Periode i < 0 (Sh-Ein-Periode) erzeugt der N-Steuersignalgenerator 300 das Steuersignal Sj, das den Thyristor 2 steuert. Während i < 0 erzeugt der P-Steuersignalgenerator 200 das Steuer­ signal Si nur in der Sf-Ein-Periode und nur, wenn der monostabile Multivibrator 12 das Aus-Steuersignal erzeugt. Um einen Kurzschlußfehler zu vermeiden, d. h., zu vermeiden, daß der Thyristor 2 eingeschaltet wird, während der Thyristor 1 noch leitet, wird der Impuls so erzeugt, daß der Thyristor 1 zu einem frühen Zeitpunkt der Steuerperiode des Thyristors 2 zwangsweise ausgeschaltet wird.

Die Verläufe der genannten Signale sind im Zeitablaufdiagramm der Fig. 4 gezeigt. Die Steuersignale Si und Sj werden durch die Signale Sa bis Sh zur Steuerung der Thyristoren 1 und 2 erzeugt. In den Steuersignalen Si und Sj sind die positiven Impulse die Ein-Steuersignale und die negativen Impulse die Aus-Steuersignale. Es sind Perioden vorgesehen, während deren die Signale Si und Sj nicht vorhanden sind, um die Erzeugung unnötiger Impulse durch die Signale Sg und Sh zu verhindern. In den Ein-Steuersignalen Si und Sj sind lange Impulse unter den kurzen Impulsen enthalten, um die Thyristoren während der Perioden eingeschaltet zu halten, in denen die Thyristoren durch die kurzen Impulse nicht ein­ geschaltet gehalten werden können. Die Einschaltperiode des UND-Gatters 11 der Fig. 3 entspricht dieser Periode. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Steuersignale nur für die notwendigen Perioden erzeugt. In der Periode oder Zeitspanne, in der der Strom oberhalb des Haltestrompegels liegt, werden die Steueranschlüsse der Thyristoren durch die kurzen Impulse gesteuert, die synchron mit der Anstiegszeit des Impulsbreitenmodulationssignals sind. Entsprechend wird die von der Steueranordnung verbrauchte Leistung und ihre räumliche Größe vermindert. Der Wärmeverlust der Thyristoren wird ebenfalls vermindert.

Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild des Hauptteils eines wei­ teren Umrichters. Die Ausführungsform der Fig. 5 unterscheidet sich von der der Fig. 3 dadurch, daß der Komparator 8 und der Sägezahnspan­ nungsgenerator 9 fehlen. Ein hysteresebehafteter Komparator 20 vergleicht den Augenblickswert des Ausgangssignals des Stromwandlers 5 mit einem Strombefehlssignal und erzeugt das Pulsbreiten-Modulationssignal Se. Die anderen Bauelemente der Schaltung sind die gleichen wie die der Fig. 3; auch die Arbeitsweise ähnelt der anhand Fig. 4 erläuterten.

Auf diese Weise werden die Steuersignale mit einer minimalen Anzahl von Elementen erzeugt.

In den gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Ausgangs-Wechselstrom gemessen, es kann jedoch auch jeglicher Strom erfaßt werden, der äquivalent ist dem Ausgangs- Wechselstrom. Beispielsweise können die Ströme durch die Dioden 3 und 4 erfaßt werden.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen werden zwar GTO-Thyristoren als Schaltelemente verwen­ det, es können jedoch auch andere Schaltelemente mit ähnlicher Funktion verwendet werden.

Claims (1)

1. Verfahren zur Steuerung der über ihr Gate abschaltbaren Thyri­ storen - GTO-Thyristoren - eines Spannungsumrichters mit Pulsbreitenmodulation, wobei jedem Thyristor eine Diode anti­ parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

   • - der auf der Wechselstromseite des Umrichters momentan fließende Strom erfaßt wird,
   • - die GTO-Thyristoren jeweils für das gewünschte Leitfähig­ keitsintervall mittels eines schmalen Einschaltsignals in den Leitzustand und mittels eines schmalen Ausschaltsignals in den Sperrzustand geschaltet werden,
   • - wobei jedoch, solange der Strom auf der Wechselstromseite des Umrichters noch nicht den Haltewert der GTO-Thyristoren erreicht hat, anstelle de schmalen Einschaltsignals ein Dauereinschaltsignal vorgesehen wird, das endet, wenn der Haltestrom der GTO-Thyristoren erreicht wird bzw. späte­ stens endet, wenn das gewünschte Leitfähigkeitsintervall endet.