DE69933517T2

DE69933517T2 - Stromwandler

Info

Publication number: DE69933517T2
Application number: DE69933517T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Minato-ku Nishikawa; Kihei Minato-ku Nakajima; Shoichi Minato-ku Irokawa; Hiroshi Minato-ku Uchino
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: EP0982843B1; EP0982843A3; JP2000139085A; DE69933517D1; EP0982843A2; US6125045A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsumrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umrichtet und/oder umgekehrt und insbesondere einen Leistungsumrichter, der geeignet ist zur Verwendung in kommutatorlosen Motorsystemen, Leistungsfrequenz-Wandlungssystemen und Wandlungssystemen für Gleichstromenergieübertragung.
Ein Beispiel eines konventionellen Leistungsumrichters wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Leistungsumrichter einen Stromrichter 3, der Wechselstrom in Gleichstrom wandelt, einen Wechselrichter 4, der Gleichstrom in Wechselstrom wandelt, eine Gleichstromreaktanz 5, die zwischen dem Stromrichter 3 und dem Wechselrichter 4 verbunden ist und Gleichstrom glättet, der von dem Stromrichter zum Wechselrichter fließt.
Der Leistungsumrichter umfasst ferner eine Stromrichter-Steuerschaltung 85, die den Ausgangsstrom des Stromrichters 3 unter Bezugnahme auf die Phase einer Leistungsquelle 1 steuert, und eine Wechselrichter-Steuerschaltung 86, die die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 basierend auf der Phase einer intern induzierten Spannung eines Synchronmotors 6 steuert.
Der Stromrichter 3 wird hauptsächlich aus Thyristoren 7 bis 18 gebildet, die in einer Brückenkonfiguration verbundene Arme bilden.
Der Wechselrichter 4 wird ebenfalls hauptsächlich aus Thyristoren 87 bis 92 und 93 bis 98 gebildet, die in einer Brückenkonfiguration verbundene Arme bilden.
Der Stromrichter 3 und der Wechselrichter 4 sind Leistungsumrichter vom sogenannten getrennt erregten Stromtyp, die durch die Gleichstromreaktanz 5 geglätteten Gleichstrom durch Kommutation basierend auf der Spannung der Energiequelle 1 oder des Synchronmotors 6 in Wechselstrom wandeln.
Jeder der Arme des Stromrichters 3 und des Wechselrichters 4 umfasst eine Anzahl von serienverbundenen Thyristoren. Zum Zwecke der vereinfachten Beschreibung wird hier jeder Arm als zwei in Serie verbundene Einrichtungen umfassend beschrieben.
Die obige Anordnung ist als ein sogenanntes kommutatorloses Motorsystem bekannt, das den Ausgangsstrom des Stromrichters 3 durch die Stromrichter-Steuerschaltung 85 unter Bezugnahme auf die Phase der Energiequelle 1 steuert und die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 durch die Wechselrichter-Steuerschaltung 86 in Übereinstimmung mit der Phase der intern induzierten Spannung des Synchronmotors 6 steuert.
Als nächstes wird der Betrieb des Leistungsumrichters der 1 unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, in der VDC für eine Gleichstrom-Ausgangsspannung des Stromrichters 3 steht, ID für den in einen Gleichstromkreis fließenden Strom, VDI für eine Eingangsgleichspannung zu dem Wechselrichter 4, IU für den von der U-Phase des Wechselrichters 4 zu der U-Phase des Synchronmotors 6 zugeführten Strom und IV für den Strom, der von der V-Phase des Wechselrichters 4 zu der V-Phase des Synchronmotors 6 geführt wird.
In der W-Phase des Wechselrichters 4 fließt Strom, der in der Phase um 120° in Bezug auf IV verzögert ist. VUV ist eine UV-Leitungsspannung in dem Wechselrichter 4. Die VW-Leitungsspannung und die WU-Leitungsspannung in dem Wechselrichter 4 werden in Phase um 120° bzw. 240° verzögert in Bezug auf VUV, aber haben ähnliche Schwingungsformen.
Hier wird der Kommutationsprozess von der U-Phase zur V-Phase in dem Wechselrichter 4 beispielhaft erläutert. Als Erstes werden zu einem Zeitpunkt gerade kurz nach t1 die U-Phasen- Thyristoren 93 und 87 und die Z-Phasen-Thyristoren 92 und 98 in dem Wechselrichter 4 EIN-geschaltet und demnach fließt Strom von der U-Phase des Wechselrichters 4 durch die U- und V-Phasen des Synchronmotors 6 in die Z-Phase des Wechselrichters 4. Wenn zu dem Zeitpunkt t1 die V-Phasen-Thyristoren 94 und 88 EIN-geschaltet werden, wird die UV-Leitungsspannung VUV durch die U-Phasen-Thyristoren 93 und 87 und die V-Phasen-Thyristoren 94 und 88 kurzgeschlossen und fällt auf Null.
An dieser Stelle wird die Kommutationsspannung, die durch A angezeigt wird, bedingt durch die UV-Leckinduktanz in dem Synchronmotor 6 zu der UV-Leitungsspannung VUV hinzugefügt, den U-Phasenstrom IU verringernd und den V-Phasenstrom IV erhöhend. Demnach wird Kommutation erreicht.
Zur Zeit t2 fällt der U-Phasenstrom IU auf Null, die Kommutation abschließend. TQ ist ein Drehmoment, das durch den Synchronmotor 6 erzeugt wird und ist proportional der Nutzleistung, die für die intern induzierte Spannung des Synchronmotors 6 injiziert wird. RPW ist die Blindleistung, die für die intern induzierte Spannung des Synchronmotors 6 injiziert wird.
3 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Erläutern eines anderen Beispiels eines konventionellen Leistungsumrichters. In dieser Figur werden ähnliche Bezugszeichen zum Kennzeichnen entsprechender Teile zu jenen der 1 verwendet.
In 3 ist die Wechselstromseite des Stromrichters 3 mit einer ersten Energieversorgung 99 über einen ersten Transformator 100 gekoppelt zum Wandeln von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt.
Die Wechselstromseite des Wechselrichters 4 ist mit einer zweiten Energieversorgung 101 über einen zweiten Transformator 102 gekoppelt zum Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt.
Hauptkondensatoren 103 sind der ersten Energieversorgung 99 zugeordnet. In ähnlicher Weise sind Hauptkondensatoren 104 der zweiten Energieversorgung 101 zugeordnet.
In 3 sind die Stromrichter-Steuerschaltung und die Wechselrichter-Steuerschaltung aus Einfachheitsgründen weggelassen.
Die obige Anordnung ist als ein Frequenzwandlungssystem für ein Leistungssystem bekannt, das Elektrizität zwischen Energieversorgungssystemen unterschiedlicher Frequenz umwandelt oder ein Wandlersystem für eine Gleichstromübertragung, die Wechselstromenergie in hohe Gleichspannung umwandelt, um sie zu einem entfernten Ort zu übertragen und die übertragene Gleichspannung in eine Wechselstromenergie zurück umwandelt.
Der Betrieb des Leistungsumrichters der 3 wird unter Bezugnahme auf 4 erläutert, welches ein Schwingungsformdiagramm zur Verwendung beim Erläutern des Betriebs des Stromrichters 3 in 3 ist. Der Betrieb des Wechselrichters 4 bleibt unverändert von dem des Stromrichters 3 und demnach wird die Beschreibung davon hier weggelassen.
In 4 ist p die Nutzleistung des Stromrichters 3 während Q die Blindleistung ist. IV ist ein von der U-Phase des ersten Transformators 100 zu der U-Phase des Stromrichters 3 zugeführter Strom. IU ist ein von der V-Phase des ersten Transformators 100 zu der V-Phase des Stromrichters 3 zugeführter Strom.
In der W-Phase des Stromrichters 3 fließt Strom, der in der Phase um 120° in Bezug auf IV verzögert ist. VW ist die UV-Leitungsspannung im Stromrichter 3. Die VW-Leitungsspannung und die WU-Leitungsspannung im Stromrichter 3 werden in der Phase um 120° bzw. 240° in Bezug VUV verzögert, aber haben ähnliche Schwingungsformen.
Hier wird der Kommutationsprozess von der U-Phase zu der V-Phase im Stromrichter 3 anhand eines Beispiels erläutert.
Zu der Zeit unmittelbar bei t1 werden die U-Phasen-Thyristoren 7 und 10 und die Z-Phasen-Thyristoren 15 und 18 in dem Stromrichter 3 EIN-geschaltet, so dass Strom von der Z-Phase des Stromrichters 3 durch die W- und U-Phasen des ersten Transformators 100 in die U-Phase des Stromrichters 3 fließt. Zu der Zeit t1 wird ein Zündimpuls an die V-Phasen-Thyristoren 8 und 11 des Stromrichters 3 angelegt.
An dieser Stelle, da die UV-Leitungsspannung VUV des ersten Transformators 100 negativ ist, wird eine Vorwärtsspannung gleich VW über die Serienverbindung der V-Phasen-Thyristoren 8 und 11 angelegt, sie EIN-schaltend. Demnach wird die UV-Leitungsspannung VUV durch die U-Phasen-Thyristoren 7 und 10 und die V-Phasen-Thyristoren 8 und 11 kurzgeschlossen und fällt auf Null.
An diesem Punkt wird eine durch die Leckinduktanz des ersten Transformators 100 bedingte Kommutationsspannung zu der UV-Leitungsspannung WUV hinzugefügt, den U-Phasenstrom IV verringernd und den V-Phasenstrom IU erhöhend. Demnach wird Kommutation ausgeführt.
Zur Zeit t2 fällt der U-Phasenstrom auf Null, die Kommutation abschließend. Unmittelbar nach der Zeit t2 wird die bei A angezeigte UV-Leitungsspannung VUV an die U-Phasen-Thyristoren 7 und 10 angelegt ("B").
In den oben beschriebenen konventionellen Leistungsumrichtern setzt sich jeder Arm des Stromrichters 3 und des Wechselrichters 4 aus Thyristoren zusammen. Die Thyristoren mit Merkmalen, dass die Vorwärtsspannung in dem einen Zustand niedrig genug ist, um einen hohen Strom durchfließen zu lassen, einen geringen Schaltverlust zu haben und so weiter, ermöglichen das Erzeugen hocheffizienter Hochspannungsumrichter großer Kapazität bei geringer Größe und niedrigen Kosten. Zudem sind die Thyristoren nur geringfügig einem Stress zum Schaltzeitpunkt ausgesetzt und demnach äußerst zuverlässig.
Jedoch haben Thyristoren keine Fähigkeit der Selbst-Auslöschung; daher muss die Kommutation von einer Wechselspannung abhängen.
Das heißt, wie in 2 gezeigt, eine Kommutation von der U-Phase zur V-Phase wird nur durchgeführt während die UV-Leitungsspannung VW positiv ist. In dem kommutatorlosen Antriebssystem, sie es in 1 gezeigt ist, enthält das durch den Synchronmotor 6 erzeugte Drehmoment TQ daher große Welligkeitskomponenten, die Vibrationen und Rauschen verursachen können.
In dem Leistungsfrequenzwandlungssystem oder dem Gleichstromenergieübertragungs-Wandlungssystem, wie in 3 gezeigt, wird die Kommutation von der U-Phase zur V-Phase nur durchgeführt während die UV-Leitungsspannung VUV negativ ist. Die Thyristoren haben eine Ausschaltzeit, während der eine Rückwärtsspannung anzulegen ist; andernfalls tritt ein Wiederzünden auf (siehe "B" in 4).
Aus diesem Grund muss eine Kommutation um die Ausschaltzeit zuzüglich der Kommutationszeit früher starten als die Zeit, zu der die UV-Leitungsspannung VW sich von negativ nach positiv ändert (180°) (im Allgemeinen ist der Bereich des Kommutationswinkels 30°).
Demnach wird eine nacheilende Blindleistung erzeugt, wie bei Q in 4 angegeben, welche Haupt-Kondensatoren 103 und 104 von großer Kapazität erfordert.
Zudem werden der Stromrichter 3 und der Wechselrichter 4 unter schlechten Leistungsfaktorbedingungen betrieben, was eine geringe Nutzung der Thyristoren bereitstellt.
JP 07 222462 A offenbart einen Leistungsumrichter mit ersten und zweiten Leistungsumrichtereinheiten, die miteinander über eine Gleichstromreaktanz verbunden sind, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Umrichtereinheiten eine Thyristor-basierte Umrichtereinheit umfasst und eine selbsterregte Umrichtereinheit zum Erzeugen einer Kommutationsspannung für die Thyristor-basierte Umrichtereinheit, wobei die selbsterregte Umrichtereinheit eine Vielzahl von selbsterregten Schalteinheiten umfasst, wobei jede eine erste Serienkombination einer ersten abschaltgesteuerten Halbleitervorrichtung umfasst und eine erste Diode einer zweiten Serienkombination einer zweiten Diode und einer zweiten abschaltgesteuerten Halbleitervorrichtung, wobei die zweite Serienkombination parallel zu der ersten Serienkombination verbunden ist, und einen zwischen einem Verbindungspunkt zwischen der ersten Diode und der ersten abschaltgesteuerten Halbleitervorrichtung und einem Verbindungspunkt zwischen der zweiten Diode und der zweite abschaltgesteuerten Halbleitervorrichtung verbundenen Kondensator. Die ersten und zweiten Leistungsumrichtereinheiten sind jeweils mit einem ersten bzw. zweiten Transformator verbunden.
EP-0 538 825-A2 offenbart ein Leistungsumrichtergerät, das das Schalten von Selbstabschaltungstyp-Halbleitervorrichtungen steuert, um eine Leistungswandlung durchzuführen. Das Gerät umfasst eine Vielzahl von Schalteinheiten, jede mit ersten und zweiten Selbstabschaltungstyp-Halbleitervorrichtungen, ersten und zweiten Dioden und einem Kondensator. Zusätzliche Dioden sind in Antiparallel-Schaltung zu jeder der Ausschalttyp-Halbleitervorrichtungen verbunden.
US-A-5 053 940 offenbart einen Leistungsumrichter, wobei eine Energieumwandlungseinheit Arme umfasst, die in einer Brückentopologie verbunden sind. Solche Arme bestehen hauptsächlich jeweils aus einem Gate-Abschaltleistungshalbleiter und einer in Antiparallel-Schaltung verbundenen Diode. Insbesondere sind zwei solcher Gate-Abschalthalbleiter und in Antiparallel-Schaltung verbundene Dioden serienverbunden. Ferner wird eine Schutzschaltung angewendet.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Leistungsumrichter bereitzustellen, der beim Antreiben eines Synchronmotors erzeugte Drehmomentwelligkeit reduzieren kann und Blindleistung reduzieren kann, die in der Leistungsfrequenzwandlung oder Gleichstromenergieübertragung erzeugt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsumrichter für eine Wechselstrom-zu-Wechselstrom-Umwandlung (AC-AC) bereitgestellt mit zwischengeschalteter Umwandllung in Gleichstrom, erste und zweite Energieumrichtereinheiten umfassend mit einer brückenorientierten Topologie und miteinander durch eine Gleichstromreaktanz verbunden. Mindestens eine der ersten und zweiten Leistungsumrichtereinheiten umfasst eine Thyristorbasierte Umrichtereinheit und eine selbsterregte Umrichtereinheit. Beide Abschnitte in den mindestens einen ersten und zweiten Umrichtereinheiten bilden jeweils Serienkombinationen pro Phase, einen gleichzeitigen Betrieb der Abschnitte in mindestens einer von den ersten und zweiten Umrichtereinheiten ermöglichend. Die selbsterregte Umrichtereinheit umfasst eine Vielzahl von selbsterregten Schalteinheiten, wobei jede eine erste Serienkombination einer ersten selbstauslöschenden Halbleitervorrichtung umfasst und einer ersten Diode; eine zweite Serienkombination einer zweiten Diode und einer zweiten selbstauslöschenden Halbleitervorrichtung, wobei die zweite Serienkombination parallel zu der ersten Serienkombination verbunden ist; und einen zwischen einem Verbindungspunkt zwischen der ersten Diode und der ersten selbstauslöschenden Halbleitervorrichtung und einem Verbindungspunkt zwischen der zweiten Diode und der zweiten selbstauslöschenden Halbleitervorrichtung verbundenen Kondensator. Gemäß der Erfindung umfasst die selbsterregte Schalteinheit ferner eine dritte Diode, in Antiparallel-Schaltung mit der ersten selbstauslöschenden Halbleitervorrichtung verbunden, und eine vierte Diode, in Antiparallel-Schaltung mit der zweiten selbstauslöschenden Halbleitervorrichtung verbunden.
Eine Thyristor-basierte Umrichtereinheit gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst eine Umrichtereinheit mit einem Thyristor als Haupthalbleiter.
Um einen hocheffizienten Hochspannungs-Leistungsumrichter großer Kapazität bei geringer Größe und niedrigen Kosten herzustellen, werden die ersten und zweiten Leistungsumrichtereinheiten, die als ein Stromrichter und ein Wechselrichter arbeiten, aus Thyristor-basierten Umrichtereinheiten gebildet, die aus Thyristoren und einer selbsterregten Umrichtereinheit mit selbstauslöschenden Halbleitervorrichtungen wie GTOs gebildet wird. Demnach wird Kommutation von einer Thyristorumwandlungseinheit zu einer anderen durch die selbstauslöschenden Umrichtereinheiten unterstützt, hierdurch die Funktion der Thyristor-basierten Umrichtereinheiten verbessernd, was das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung bildet. Demnach kann ein Leistungsumrichter hoher Spannung und hoher Kapazität mit einer hohen kostenbezogenen Leistungsfähigkeit bereitgestellt werden.
Dieses Resümee der Erfindung beschreibt nicht notwendigerweise alle erforderlichen Merkmale. Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert. Bevorzugten Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Erfindung kann vollständiger aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden, wenn aufgenommen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:
1 eine Anordnung eines konventionellen Leistungsumrichters;
2 ein Schwingungsformdiagramm zur Verwendung beim Erläutern des Betriebs des Leistungsumrichters der 1;
3 eine Anordnung eines anderen konventionellen Leistungsumrichters;
4 ein Schwingungsformdiagramm zur Verwendung beim Erläutern des Betriebs des Leistungsumrichters der 3;
5 eine schematische Darstellung eines Leistungsumrichters gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine detaillierte Schaltungsanordnung des Leistungsumrichters der 5;
7 ein Schwingungsformdiagramm zur Verwendung beim Erläutern des Betriebs des Leistungsumrichters gemäß der ersten Ausführungsform;
8A bis 8D den Betrieb einer selbsterregten Schalteinheit;
9A bis 9C den Betrieb des Leistungsumrichters gemäß der ersten Ausführungsform;
10 eine schematische Darstellung eines Leistungsumrichters gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine detaillierte Schaltungsanordnung des Leistungsumrichters der 10;
12 eine Schaltungsanordnung eines Leistungsumrichters gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 ein Schwingungsformdiagramm zur Verwendung beim Erläutern des Betriebs der Leistungsumrichters gemäß der dritten Ausführungsform; und
14 eine Schaltungsanordnung eines Leistungsumrichters gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[Erste Ausführungsform]
5 und 6 zeigen einen Leistungsumrichter gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 5 und 6 werden ähnliche Bezugszeichen zum Kennzeichnen entsprechender Teile zu jenen der 1 verwendet.
In 5 und 6 sind ein Stromrichter 3, der auf seiner Wechselstromseite mit einem Energieversorgungssystem 1 über einen Transformator 2 gekoppelt ist zum Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom, und ein Wechselrichter 4, der auf seiner Wechselstromseite mit einem Synchronmotor 6 gekoppelt ist zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom, durch eine Gleichstromreaktanz 5 zum Glätten des von dem Umrichter zum Wechselrichter fließenden Gleichstroms verbunden.
Der Stromrichter 3 wird durch eine Stromrichter-Steuerung 67 gesteuert und dem Wechselrichter 4 ist eine Wechselrichtersteuerung 68 zugeordnet. Hier stellen der Stromrichter 3 und der Wechselrichter 4 jeweils erste und zweite Energieumwandlungseinheiten eines Leistungsumrichters bereit.
Der Stromrichter 3 wird hauptsächlich aus einer Thyristorbasierten Wandlungseinheit gebildet, in welcher Thyristoren 7 bis 18 umfassende Arme in einer Drei-Phasen-Brückenkonfiguration verbunden sind.
Die Hauptschaltung des Wechselrichters 4 ist eine zusammengesetzte Schaltung von Thyristor-basierten Umwandlungseinheiten 61 bis 66 (Abschnitt 4A) und einer selbsterregten Umwandlungseinheit, die aus selbsterregten Schalteinheiten 79 bis 84 besteht (Abschnitt 4B). Das heißt, U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phasenarme, die jeweils aus Serienkombinationen von einem der Thyristoren 61, 62, 63, 64, 65 und 66 und einem der selbsterregten Schalteinheiten 79 bis 84 bestehen, sind in einer Drei-Phasen-Brückenkonfiguration verbunden. Jede der selbsterregten Schalteinheiten der U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phase besteht aus einer ersten Serienkombination einer gegenparallelen Schaltung, in welcher einer der GTOs 19, 21, 23, 25, 27 bzw. 29, welcher eine selbstauslöschende Halbleitereinrichtung, und eine der Dioden 43, 45, 47, 49, 51 und 53 parallel mit entgegengesetzter Polarität und eine der Dioden 32, 34, 36, 38, 40 und 42 verbunden sind, einer zweiten Serienkombination einer gegenparallelen Schaltung, in welcher einer der GTOs 20, 22, 24, 26, 28 und 30 und eine der Dioden 44, 46, 48, 50, 52 und 54 parallel mit entgegengesetzter Polarität und eine der Dioden 31, 33, 35, 37, 39 und 41 verbunden sind, und einer der Kondensatoren 55, 56, 57, 58, 59 und 60, die zwischen Verbindungspunkten in den ersten und zweiten Serienkombinationen verbunden sind. Beachte, dass die Dioden 31, 33, 35, 37, 39 und 41, die in den jeweiligen Armen bereitgestellt sind, Freilaufdioden sind und abhängig von der Last des Leistungsumrichters weggelassen werden können.
Die Stromrichter-Steuerung 57 steuert den Ausgangsstrom des Stromrichters 3 in Bezug auf die Phase der Energieversorgung 1.
Die Wechselrichtersteuerung 68 erfasst die Phase der Wechselspannung des Wechselrichters 4, d.h., die Phase der intern induzierten Spannung des Synchronmotors 6 und basierend auf der erfassten Phase schaltet er bei der Kommutation von einem leitenden Arm zu einem Arm, der als nächstes leitend wird, simultan die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm zu dem Zeitpunkt des Anlegens eines umgekehrten Spannung an den leitenden Arm ein und schaltet zur selben Zeit die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm aus, hierdurch die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 steuernd.
Als nächstes wird der Betrieb des Leistungsumrichters dieser derart angeordneten Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein in 7 gezeigtes Schwingungsformdiagramm beschrieben.
In 5 wird Bezug genommen auf die Phase der Energieversorgung 1 für die Stromrichter-Steuerung 67 zum Steuern des Ausgangsstroms des Stromrichters 3.
Basierend auf der Phase der intern induzierten Spannung des Synchronmotors 6, welches die Phase der Wechselspannung im Wechselrichter 4 ist, schaltet die Wechselrichtersteuerung 68 bei der Kommutation von einem leitenden Arm zu einem Arm, der als nächstes leitend wird, simultan die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm zu dem Zeitpunkt des Anlegens einer umgekehrten Spannung an den leitenden Arm ein und gleichzeitig schaltet sie die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm aus, hierdurch die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4-1 steuernd.
Das heißt, in 7 ist VDC die Ausgangsgleichspannung des Stromrichters 3, ID ist der Strom, der in einer Gleichstromschaltung fließt, VDI ist die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters 4-1 und IU ist der von der U-Phase des Wechselrichters 4 zu der U-Phase des Synchronmotors 6 zugeführte Strom. VCU ist die Spannung über den U-Phasen-Kondensator 55, IV ist der Strom, der von der V-Phase des Wechselrichters 4 zu der V-Phase des Synchronmotors 6 zugeführt wird, und VCV ist die Spannung über den V-Phasen-Kondensator 56. Ein Strom, der in der Phase um 120° in Bezug auf den Strom IV verzögert ist, fließt durch die W-Phase des Wechselrichters 4. VUV ist die UV-Leitungsspannung des Wechselrichters 4. Die VW-Leitungsspannung und die WU-Leitungsspannung des Wechselrichters 4 werden in der Phase jeweils um 120° bzw. 240° in Bezug auf VUV verzögert, aber haben ähnliche Schwingungsformen.
8A bis 8D zeigen den Betrieb eines Arms des Wechselrichters. Von den Vorrichtungskomponenten befinden sich die geschwärzt gezeigten Komponenten im eingeschalteten Zustand.
Hier wird die Kommutation von der U-Phase zu der V-Phase des Wechselrichters 4 beschrieben. Zuerst unmittelbar vor der Zeit t3 sind der U-Phasenarm und der Z-Phasenarm leitend, so dass Strom von der U-Phase des Wechselrichters 4 durch die U-Phase und die W-Phase des Synchronmotors 6 in die Z-Phase des Wechselrichters fließt.
Als nächstes wird zu der Zeit t3 ein erster Impuls an den V-Phasenarm des Wechselrichters 4 angelegt, d.h., den GTO 21, den GTO 22 und den Thyristor 62. An diesem Punkt ist die UV-Leitungsspannung VUV des Synchronmotors 6 geringfügig positiv. Der Kondensator 56 ist aufgeladen auf die Spannung VCV mit einer derartigen Polarität, dass die Kathodenseite des GTO 51 negativ ist und die Anodenseite des GTO 22 positiv ist. Die Summe von VUV und VCV wird als Kommutationsspannung angelegt. Demnach wird eine Vorwärtsspannung von (VUV + VCV) an den GTO 21, den GTO 22 und den Thyristor 62 angelegt. In einem solchen Zustand schaltet das Anlegen eines Zündimpulses den GTO 21, den GTO 22 und den Thyristor 62 ein (siehe 8A).
An diesem Punkt wird eine durch B angegebene Kommutationsspannung an die UV-Leckinduktanz des Synchronmotors 6 angelegt, den U-Phasenstrom IU verringernd und den V-Phasenstrom IV erhöhend. Daher wird eine Kommutation erreicht. Der Kondensator 56 wird durch den V-Phasenstrom IV entladen. Die Spannung VCV über den Kondensator 56 fällt auf Null ab, die Dioden 33 und 34 werden leitend, das Entladen des Kondensators 56 beendend.
Als nächstes, wenn zum Zeitpunkt t4 der U-Phasenstrom IU auf 50% abfällt, schalten die GTOs 19 und 20 aus. Daher fließt der U-Phasenstrom IU durch die Diode 32, den Kondensator 44 und die Diode 31, den Kondensator 55 derart aufladend, dass die Spannung VCU über ihn zunimmt. An diesem Punkt wird VCU + VCV + VUV als Kommutationsspannung angelegt, das Vorantreiben der Kommutation ermöglichend (siehe 8B).
Als nächstes, wenn zur Zeit t5 der U-Phasenstrom IU Null erreicht, ist die Kommutation abgeschlossen (siehe 8C und 8D). TQ ist ein durch den Synchronmotor 6 erzeugtes Drehmoment, welches proportional ist zu der Nutzleistung PW, die für die intern induzierten Spannung des Synchronmotors 65 injiziert wird. RPW ist die Blindleistung, die für die intern induzierte Spannung des Synchronmotors 6 injiziert wird.
9A bis 9C zeigen Zustände, bei denen die Kommutation abgeschlossen ist und der U-Phasenstrom IU Null erreicht. Von den Vorrichtungskomponenten befinden sich geschwärzt gezeigte Komponenten im eingeschalteten Zustand.
An diesem Punkt wird eine Spannung von VUV + VCU über den Thyristor 61 und die Dioden 31 und 32 derart aufgeteilt, dass ein Bruchteil dieser Spannung über jede Komponenten als eine Rückwärtsspannung anliegt. Eine Spannung von (VCU – (VUV + VCU))/3 wird über jeden der GTOs 19 und 20 angelegt.
9B zeigt den Zustand, in dem die UV-Leitungsspannung VW des Synchronmotors 6 negativ wird aber in der Magnitude größer als die Spannung VCU über den Kondensator 55.
Die Dioden 31 und 32 werden eingeschaltet, so dass eine Vorwärtsspannung von (–VUV – VCU) über den Thyristor 61 angelegt wird. VCU wird über jeden der GTOs 19 und 20 angelegt.
9C zeigt den Zustand, in dem die UV-Leitungsspannung VUV des Synchronmotors 6 positiv ist und größer in der Magnitude als die Spannung VCU über den Kondensator 55. Die Dioden 43 und 44 werden eingeschaltet, so dass eine Rückwärtsspannung von (VUV – VCU) über den Thyristor 61 angelegt wird. An diesem Punkt ist die über jeden der GTOs 19 und 20 angelegte Spannung Null.
Wie oben beschrieben, werden die Dioden 31 und 32 oder die Dioden 43 und 44 leitend gemacht abhängig von der Polarität der UV-Leitungsspannung VUV des Synchronmotors 6, es der Spannung VCU über den Kondensator 55 ermöglichend, immer in einer Richtung zum Auslöschen der UV-Leitungsspannung VUV des Synchronmotors 6 angelegt zu sein. Hierdurch wird die Spannung über den Thyristor 61 reduziert.
In der obigen Beschreibung bleiben obwohl nur die Arbeitsabläufe der U-Phase beschrieben worden sind, die Arbeitsabläufe der anderen Phasen unverändert.
Obwohl in der obigen Beschreibung der Zeitpunkt t4 des Ausschaltens der GTOs 19 und 20 der U-Phase auf die Zeit festgelegt worden ist, zu der der U-Phasenstrom IU auf 50% abfällt, kann t4 auf irgendeine andere Zeit festgelegt werden. Alternativ kann ein Zündimpuls an die GTOs 21 und 22 und den Thyristor 62 der V-Phase so angelegt werden, dass sie gleichzeitig mit den GTOs 19 und 20 der U-Phase abgeschaltet werden.
Das Abschalten der GTOs 19 und 20, wenn der U-Phasenstrom IU groß ist, ermöglicht es dem Kondensator 55, zur Zeit t3 geladen zu werden, d.h., ermöglicht es, dass der Zeitpunkt, bei dem die Spannung VCU über den Kondensator 55 ansteigt, früher ist. Dies führt zu einer höheren Kommutationsspannung.
In diesem Fall müssen jedoch die GTOs 19 und 20 einen großen Strom ausschalten und demnach nimmt deren Belastung zu. Es ist demnach wünschenswert, zu warten, bis es eine gewisse Abnahme in dem U-Phasenstrom IU gibt. Der Zeitpunkt des Anlegens eines Zündimpulses kann leicht bestimmt werden durch Mikrocomputer-basierte Verarbeitung oder Ähnliches auf der Basis der Phase der Wechselspannung des Wechselrichters 4 wie bisher, d.h., der Phase der Anschlussspannung des Synchronmotors 6.
Wie oben beschrieben, ist der Leistungsumrichter dieser Ausführungsform derart angeordnet, dass eine selbsterregte Schalteinheit unter Verwendung von GTOs, selbstauslöschenden Halbleitereinrichtung und einem Thyristor in Serie verbunden sind zum Formen eines Einheitsarms, wobei solche Einheitsarme in einer Brückenkonfiguration verbunden sind zum Formen eines Stromrichters, und ein Bruchteil der Kommutationsspannung wird über den Thyristor angelegt durch Ausschalten der selbsterregten Schalteinheit zum Zeitpunkt der Kommutation.
Wie in Verbindung mit 7 beschrieben, kann daher, da die Kommutation bei einem Kommutationstoleranzwinkel von nahezu Null ermöglicht wird, der Leistungsumrichter bei einem Leistungsfaktor von Eins betrieben werden.
Daher ermöglicht das Anwenden des Leistungsumrichters der vorliegenden Ausführungsform auf das kommutationlose Motorsystem, das in 7 beschrieben ist, dass der Synchronmotor mit viel geringerer Drehmomentwelligkeit betrieben wird, was aus dem Vergleich zwischen der Schwingungsform TQ des durch den konventionellen Synchronmotor, der in 2 gezeigt ist, erzeugte Drehmomentes und der Schwingungsform TQ des durch den Synchronmotor der vorliegenden Ausführungsform, wie in 7 gezeigt, erzeugten Drehmomentes ersichtlich ist.
[Modifikation der ersten Ausführungsform]
Der Leistungsumrichter dieser Ausführungsform ist angeordnet zum Steuern der Ausgangsfrequenz des Leistungsumrichters 4 durch Hinzufügen von einer Stromerfassungsvorrichtung zum Erfassen des Stroms in jedem Arm des Wechselrichters zu dem oben beschriebenen Leistungsumrichter der ersten Ausführungsform und zum Veranlassen der Wechselrichtersteuerung 68, auf der Basis der Phase der intern induzierten Spannung des Synchronmotors 6, die durch die oben beschriebene Vorrichtung erfasst wird, und des Stroms in jedem Arm des Umrichters, der durch die Stromerfassungsvorrichtung erfasst wird, bei der Kommutation von einem Arm im Leitfähigkeitszustand zu einem anderen Arm der als nächstes leitfähig wird, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm bei der Phase einzuschalten, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Arm angelegt wird und die selbsterregte Schalteinheit im leitenden Arm abzuschalten, wenn Strom in dem leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Der derart angeordnete Leistungsumrichter stellt nicht nur dieselben Vorteile bereit wie der Leistungsumrichter der ersten Ausführungsform, sondern reduziert auch den Strom, wenn die GTOs 19 und 20 ausgeschaltet werden, d.h., reduziert deren Schaltverluste zur Ausschaltzeit. Dies ist, weil der Leistungsumrichter angeordnet ist, um in Kombination von einem Arm in die Leitfähigkeit zu einem anderen Arm, der als nächstes leitend wird, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm bei der Phase einzuschalten, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Arm angelegt wird und die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm abzuschalten, wenn der Strom in dem leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Demnach kann die Effizienz des Leistungsumrichters verbessert werden.
[Zweite Ausführungsform]
10 und 11 zeigen eine Anordnung eines Leistungsumrichters gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren werden ähnliche Bezugszeichen zum Kennzeichnen entsprechender Komponenten wie jenen in den 3 und 6 verwendet.
In 10 und 11 ist ein Stromrichter 3 auf seiner Wechselstromseite mit einem ersten Energieversorgungssystem 69 über einen erste Transformator 70 verbunden und wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um oder umgekehrt.
Ein Wechselrichter 4 ist auf seiner Wechselstromseite mit einem zweiten Energieversorgungssystem 71 über einen zweiten Transformator 72 verbunden und wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um oder umgekehrt.
Der Stromrichter 3 und der Wechselrichter 4 haben ihre Gleichstromschaltungen miteinander über eine Gleichstromreaktanz 5 gekoppelt, die angepasst ist zum Glätten von Gleichstrom, der von dem Stromrichter zu dem Wechselrichter fließt.
Eine Stromrichter-Steuerung 99 und eine Wechselrichtersteuerung 101 sind dem Stromrichter 3 und dem Wechselrichter jeweils zugeordnet.
Der Wechselrichter 4 ist identisch zu dem Wechselrichter 4 angeordnet, der in 6 gezeigt ist. Das heißt, Arme von U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phasen sind in einer Drei-Phasen-Brückenkonfiguration verbunden, von denen jeder aus einer Serienkombination aus einem der Thyristoren 61, 62, 63, 64, 65 und 66 (Abschnitt 4A) und einem der selbsterregten Schalteinheiten 79, 80, 81, 82, 83 und 84 (Abschnitt 4B) besteht. Jede der selbsterregten Schalteinheiten der U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phase besteht aus einer ersten Serienkombination einer Antiparallel-Schaltung, in der einer der GTOs 19, 21, 23, 25, 27 und 29, die selbstauslöschende Halbleitereinrichtungen sind, und eine der Dioden 43, 45, 47, 49, 51 und 53 parallel mit entgegengesetzter Polarität und eine der Dioden 32, 34, 36, 38, 40 und 42 verbunden sind, einer zweiten Serienkombination einer Antiparallel-Schaltung, in der einer der GTOs 20, 22, 24, 26, 28 und 30 und eine der Dioden 44, 46, 48, 50, 52 und 54 parallel mit entgegengesetzter Polarität und eine der Dioden 31, 33, 35, 37, 39 und 41 verbunden sind, und einem der Kondensatoren 55, 56, 57, 58, 59 und 60, die zwischen Verbindungspunkten in den ersten und zweiten Serienkombinationen verbunden sind.
Der Stromrichter 3 ist ebenfalls identisch angeordnet zu dem Wechselrichter 4. Das heißt, Arme von der U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phase sind in einer Drei-Phasen-Brückenkonfiguration verbunden, von denen jeder aus einer Serienkombination eines der Thyristoren 10, 11, 12, 13, 14 und 15 und einer der selbsterregten Schalteinheiten 73, 74, 75, 76, 77 und 78 besteht. Jede der selbsterregten Schalteinheiten der U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phase besteht aus einer ersten Serienkombination einer Antiparallel-Schaltung, in der eine der GTOs 19, 21, 23, 25, 27 und 29, die selbstauslöschende Halbleitereinrichtungen sind und eine der Dioden 43, 45, 47, 49, 51 und 53 parallel mit entgegengesetzter Polarität und eine der Dioden 32, 34, 36, 38, 40 und 42 verbunden sind, einer zweiten Serienkombination einer Antiparallel-Schaltung, in der einer der GTOs 20, 22, 24, 26, 28 und 30 und eine der Dioden 44, 46, 48, 50, 52 und 54 parallel mit entgegengesetzter Polarität und eine der Dioden 31, 33, 35, 37, 39 und 41 verbunden sind, und einem der Kondensatoren 55, 56, 57, 58, 59 und 60, die zwischen Verbindungspunkten in den ersten und zweiten Serienkombinationen verbunden sind.
Die Stromrichter-Steuerung 99 erfasst die Phase der ersten Energieversorgung 69 mit einer nicht gezeigten Vorrichtung und basierend auf der erfassten Phase schaltet sie bei der Kommutation von einem Arm in der Leitfähigkeit zu einem Arm, der als nächstes leiten sollte, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung von dem leitfähigen Arm angelegt wird, ein und gleichzeitig schaltet sie die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm ein, hierdurch den Ausgangsstrom des Stromrichters 3 steuernd.
Die Wechselrichtersteuerung 101 erfasst die Phase der Wechselspannung des Wechselrichters 4 mit einer nicht gezeigten Vorrichtung und schaltet basierend auf der erfassten Phase bei der Kommutation von einem Arm in Leitung zu einem Arm, der als nächstes leiten soll, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung an den leitenden Arm angelegt wird, ein, und gleichzeitig schaltet sie die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm aus, hierdurch die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 steuernd.
Der Leistungsumrichter der zweiten Ausführungsform ist für die Verwendung als Frequenzwandlungssystem für ein Energiesystem gedacht, das Elektrizität zwischen Energiesystemen unterschiedlicher Frequenz austauscht oder ein Umwandlungssystem für eine Gleichstromenergieübertragung, die Wechselenergie in hohe Gleichspannung umwandelt zum Übertragen zu einem fernen Ort und die übertragene Gleichspannung in Wechselenergie zurück umwandelt.
Die Arbeitsabläufe des Leistungsumrichters der zweiten Ausführungsform sind im Wesentlichen dieselben wie jene des Leistungsumrichters der ersten Ausführungsform, der in Verbindung mit 6 bis 9A bis 9C beschrieben worden ist. Demnach wird die Beschreibung davon weggelassen und nur die Unterschiede werden hier beschrieben.
Wenn als ein Frequenzumwandlungssystem oder ein Umwandlungssystem für eine Gleichstromenergieübertragung verwendet schaltet der Leistungsumrichter dieser Ausführungsform, die angeordnet ist, um in Kommunikation von einem leitenden Arm zu einem Arm, der als nächstes leiten soll, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm bei der Phase ein, bei der eine Rückwärtsspannung an den leitenden Arm angelegt wird, und gleichzeitig schaltet wer die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm aus, es ermöglichend, dass die Blindleistung im Durchschnitt zu Null gemacht wird. Aus diesem Grund kann der Bedarf für die Hauptkondensatoren 103 und 104 großer Kapazität, die in 3 gezeigt sind, eliminiert werden.
Demnach wird ein großer Installationsraum für solche Kondensatoren eingespart.
Wie oben beschrieben kann der Leistungsumrichter der zweiten Ausführungsform die Blindleistung reduzieren, eine höhere ökonomische Vorrichtung bereitstellend.
[Modifikation der zweiten Ausführungsform]
In dem Leistungsumrichter dieser Ausführungsform wird die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 durch Hinzufügen einer Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Stroms in jedem Arm des Wechselrichters zu dem oben beschriebenen Leistungsumrichter der ersten Ausführungsform und durch Veranlassen der Wechselrichtersteuerung 101, auf der Basis der Phase der durch die oben beschriebene Einrichtung erfassten Wechselspannung des Wechselrichters und des durch die Stromerfassungseinrichtung erfassten Stroms in jedem Arm bei der Kommutation von einem leitenden Arm zu einem Arm, der als nächstes leitet, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm bei der Phase einzuschalten, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Arm angelegt wird und die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm auszuschalten, wenn der Strom in dem leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Der Ausgangsstrom des Stromrichters 3 wird durch Hinzufügen einer Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Stroms in jedem Arm des Stromrichters und durch Veranlassen der Stromrichter-Steuerung 49, auf der Basis der Phase der ersten Energieversorgung 69, die durch die oben beschriebene Einrichtung erfasst wird und des Stroms in jedem Arm des Stromrichters, der durch die Stromerfassungseinrichtung erfasst wird, bei der Kommutation von einem leitenden Arm zu einem Arm, der als nächstes leitet, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit und den Thyristor im nächsten Arm bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Arm angelegt wird, einzuschalten und die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm auszuschalten, wenn der Strom im leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Der derart angeordnete Leistungsumrichter stellt dieselben Vorteile bereit wie der Leistungsumrichter der zweiten Ausführungsform durch gleichzeitiges Einschalten des nächsten Arms in der selbsterregten Schalteinheit und des Thyristors in dem nächsten Arm bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Arm angelegt wird und durch Ausschalten der selbsterregten Schalteinheit in dem leitenden Arm, wenn der Strom im leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt bei der Kommutation von einem leitenden Arm zu einem Arm, der als nächstes leitet.
Zudem kann der Leistungsumrichter, wenn er als Leistungsfrequenzumsetzer oder Umrichter für eine Gleichstromenergieübertragung verwendet wird, den Strom reduzieren, wenn die GTOs 19 und 20 der U-Phase abschalten, d.h., ihre Schaltverluste bei der Ausschaltzeit verringern. Dies ist, weil der Stromrichter 4 die GTOs 19 und 20 zur Zeit t4 ausschalten kann, wenn der U-Phasenstrom IU auf einen gewissen Wert abfällt. Dasselbe gilt für die anderen Phasen.
Da die Belastung, der die GTOs 19 und 20 unterzogen werden, wenn sie abgeschaltet werden, reduziert werden kann, kann die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers der GTOs in den selbsterregten Schalteinheiten reduziert werden. Dasselbe gilt für den Stromrichter 3.
[Dritte Ausführungsform]
12 zeigt eine Anordnung eines Leistungsumrichters gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In jenen Figuren werden ähnliche Bezugszeichen verwendet zum Kennzeichnen entsprechender Komponenten zu denen in den 3 und 6.
In 12 ist ein Stromrichter 3 auf seiner Wechselstromseite mit einem ersten Energieversorgungssystem 69 über erste Ein-Phasen-Transformatoren 105, 106 und 107 (Einheit 70) verknüpft und wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um oder umgekehrt.
Ein Wechselrichter 4 ist auf seiner Wechselstromseite mit einem zweiten Energieversorgungssystem 71 durch zweite Ein-Phasen-Transformatoren 108, 109 und 110 (Einheit 72) verknüpft und wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um oder umgekehrt.
Der Stromrichter 3 und der Wechselrichter 4 haben ihre Gleichstromschaltungen miteinander über eine Gleichstromreaktanz 5 gekoppelt, die angepasst ist zum Glätten des von dem Stromrichter zum Wechselrichter fließenden Gleichstroms.
Selbsterregte Umrichterabschnitte 3B und 4B sind jeweils dem Stromrichter 3 und dem Wechselrichter 4 zugeordnet.
Obwohl eine Stromrichter-Steuerung und eine Wechselrichtersteuerung in dem Leistungsumrichter der 12 wie in 10 vorgesehen ist, sind sie in 12 zur Vereinfachung weggelassen.
In den jeweiligen der Stromrichter 3 und Wechselrichter 4 sind aus Thyristoren 7 bis 17/87 bis 98 bestehende Arme in einer Drei-Phasen-Brückenkonfiguration verbunden.
In dem selbsterregten Umrichter 3B sind selbsterregte Schalteinheiten von U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phasen in einer Drei-Phasen-Brückenkonfiguration verbunden, von denen jede eine erste Serienkombination aus einer Antiparallel-Schaltung bildet, in der einer der GTOs 19, 21, 23, 25, 27 und 29, die selbstauslöschende Halbleitereinrichtungen sind, und eine der Dioden 43, 45, 47, 49, 51 und 53 parallel mit einer entgegengesetzten Polarität und mit einer der Dioden 32, 34, 36, 38, 40 und 42 verbunden sind, aus einer zweiten Serienkombination einer Antiparallel-Schaltung, in der einer der GTOs 20, 22, 24, 26, 28 und 30 und eine der Dioden 44, 46, 48, 50, 52 und 54 parallel mit entgegengesetzter Polarität und eine der Dioden 31, 33, 35, 37, 39 und 41 verbunden sind, und einem der Kondensatoren 55, 56, 57, 58, 59 und 60, die zwischen Verbindungspunkten in den ersten und zweiten Serienkombinationen verbunden sind.
Der selbsterregte Umrichter 4B ist ebenfalls identisch konfiguriert mit dem selbsterregten Umrichter 3B, d.h., selbsterregte Schalteinheiten von U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phasen sind in einer Drei-Phasen-Brückenkonfiguration miteinander verbunden, von denen jede aus einer ersten Serienkombination einer Antiparallel-Schaltung besteht, in der einer der GTOs 19, 21, 23, 25, 27 und 29, die selbstauslöschende Halbleitereinrichtungen sind, und eine der Dioden 43, 45, 47, 49, 51 und 53 parallel mit entgegengesetzter Polarität miteinander verbunden sind und mit einer der Dioden 32, 34, 36, 38, 40 und 42, eine zweite Serienkombination aus einer Antiparallel-Schaltung, in der einer der GTOs 20, 22, 24, 26, 28 und 30 und eine der Dioden 44, 46, 48, 50, 52 und 54 parallel mit entgegengesetzter Polarität und mit einer der Dioden 31, 33, 35, 37, 39 und 41 verbunden sind, und einem der Kondensatoren 55, 56, 57, 58, 59 und 60, die zwischen Verbindungspunkten in den ersten und zweiten Serienkombinationen verbunden sind.
Wechselstromanschlüsse des selbstauslöschenden Umrichters 3B sind jeweils mit einem Anschluss der Sekundärseite des entsprechenden der ersten Ein-Phasen-Transformatoren 105, 106 bzw. 107 verbunden, deren Primärschaltungen sich in einer Sternschaltung (Y-Verbindung) befinden. Wechselstromanschlüsse des Stromrichters 3 sind jeweils mit dem anderen Anschluss eines der sekundären eines entsprechenden der ersten Ein-Phasen-Transformatoren verbunden. In ähnlicher Weise sind Wechselstromanschlüssse des selbsterregten Umrichters 4B jeweils mit einem Anschluss der Sekundärseite eines entsprechenden des zweiten Ein-Phasen-Transformatoren 108, 109 bzw. 110 verbunden, deren Primärkreise in Sternschaltung (Y-Verbindung) sind.
Das heißt, der erste Ein-Phasen-Transformator 105 der U-Phase hat einen der Sekundäranschlüsse mit der U-Phase des Stromrichters 3 verbunden und den anderen Anschluss mit der U-Phase des selbsterregten Umrichters 3B verbunden. In ähnlicher Weise sind die Ein-Phasen-Transformatoren der V- und W-Phasen jeweils mit den V- bzw. W-Phasen jedes der Stromrichter 3 und der selbsterregten Umrichter 3B verbunden. In ähnlicher Weise sind die U-, V- und W-Phasen jedes der Wechselrichter 4 und der selbsterregten Umrichter 4B jeweils mit den zweiten Ein-Phasen-Transformatoren 108, 109 bzw. 110 verbunden.
Bei der Kommutation werden die entsprechenden Arme des Wechselrichters 4 und des selbsterregten Umrichters 4B in derselben Phase ein- oder ausgeschaltet. Bei der Kommutation von einem leitenden Thyristor zu einem Thyristor, der als nächstes in dem Wechselrichter 4 leiten soll, schaltet die Wechselrichtersteuerung basierend auf der durch die Phasenerfassungseinrichtung erfassten Phase der zweiten Energieversorgung 71 (der Phase der Wechselspannung des Wechselrichters 4) gleichzeitig den als nächstes mit dem selbsterregten Umrichter 4B zu verbindenden Arm und den als nächstes leitenden Thyristor des Wechselrichters bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Transistor angelegt wird, und gleichzeitig schaltet sie die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm des selbsterregten Umrichters 4B ab, hierdurch die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 steuernd.
Bei der Kommutation werden die entsprechenden Arme des Stromrichters 3 und des selbsterregten Umrichters 3B in der selben Phase ein- oder ausgeschaltet. Bei der Kommutation von einem leitenden Thyristor zu einem Thyristor, der als nächstes leiten soll in dem Stromrichter 3 schaltet die Stromrichter-Steuerung basierend auf der Phase der ersten Energieversorgung 69, die durch die Phasenerfassungseinrichtung erfasst worden ist (der Phase der Wechselspannung des Stromrichters 3) simultan den als nächstes leitfähig seienden Arm des selbsterregten Umrichters 3B und den Thyristor, der als nächstes leiten soll, von dem Stromrichter bei der Phase ein, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Transistor angelegt wird, und zur gleichen Zeit schaltet sie die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm des selbsterregten Umrichters 3B ab, hierdurch den Ausgangsstrom des Stromrichters 3 steuernd.
Der Leistungsumrichter der dritten Ausführungsform ist zur Verwendung als Frequenzumwandlungssystem für ein Energiesystem gedacht, das Elektrizität zwischen Energieversorgungssystemen unterschiedlicher Frequenz austauscht, oder ein Umwandlungssystem für eine Gleichstromenergieübertragung, die Wechselstromenergie in hohe Gleichspannung zur Übertragung zu einen fernen Ort umwandelt und die übertragene Gleichspannung zurück in eine Wechselstromenergie umformt.
Als Nächstes werden die Arbeitsabläufe des Leistungsumrichters der derart angeordneten dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
In 13 ist p die Nutzleistung des Stromrichters 3 und Q ist die Blindleistung des Stromrichters. IU ist der von dem ersten Ein-Phasen-Transformator 105 zur U-Phase des Stromrichters 3 zugeführte Strom. IV ist der vom ersten Ein-Phasen-Transformator 106 der V-Phase des Stromrichters 3 zugeführte Strom. In ähnlicher Weise fließt der Strom, der in der Phase um 120° in Bezug auf IV verzögert ist, durch die W-Phase des Stromrichters 3.
VUV ist die UV-Leitungsspannung des Stromrichters 3. Die VW-Leitungsspannung und die WU-Leitungsspannung des Stromrichters 3 sind in der Phase um 120° bzw. 240° verzögert bezogen auf VUV, aber haben ähnliche Schwingungsformen.
Hier wird der Kommutationsprozess von der U- zur V-Phase des Stromrichters beschrieben.
Als erstes, unmittelbar vor dem Zeitpunkt t3, leiten der U-Phasenarm und der Z-Phasenarm des Stromrichters 3 und die U- und Z-Phasen der selbsterregten Schalteinheiten des selbsterregten Umrichters 3B leiten, so dass Strom der Z-Phase des Stromrichters 3 durch den ersten Ein-Phasen-Transformator 107, die Z-Phasen selbsterregte Schalteinheit und die U-Phasen selbsterregte Schalteinheit und den ersten Ein-Phasen-Transformator 105 zu der U-Phase des Stromrichters fließt.
Als Nächstes wird zum Zeitpunkt t3 ein Zündimpuls an den V-Phasenarm des Stromrichters 3 angelegt. Das heißt, ein Zündimpuls wird an die GTOs 40 und 41 und die Thyristoren 8 und 11 angelegt. Zu diesem Zeitpunkt ist die UV-Leitungsspannung VLUV der ersten Energieversorgung 69 nahezu Null. der Kondensator 175 ist aufgeladen worden auf VCV mit einer derartigen Polarität, dass die Kathodenseite des GTO 40 negativ ist und die Anodenseite des GTO 41 positiv. Die Summe von VW und VCV wird als eine Kommutationsspannung angelegt.
Demnach wird eine Vorwärtsspannung von VW + VCV über die GTOs 40 und 41 und die Thyristoren 8 und 11 angelegt. In diesem Zustand schaltet das Anlegen eines Zündimpulses sie ein.
Zu diesem Zeitpunkt wird eine von der Leck-Induktanz des Ein-Phasen-Transformators herrührende Kommutationsspannung angelegt zum Verringern des U-Phasenstroms und zum Erhöhen des V-Phasenstroms IV, hierdurch eine Kommutation erreichend. Der Kondensator 175 wird durch den V-Phasenstrom IV entladen. Wenn die Spannung VCV über den Kondensator 175 Null erreicht, werden die Dioden 52 und 53 leitend gemacht, eine Entladen des Kondensators 175 beendend.
Als Nächstes, wenn zum Zeitpunkt t4 der U-Phasenstrom unter 50% fällt, werden die GTOs 38 und 39 ausgeschaltet. Dann fließt der U-Phasenstrom durch die Diode 50, den Kondensator 150 und die Diode 51, so dass der Kondensator 175 geladen wird zum Erhöhen seiner Spannung VCU. Zu diesem Zeitpunkt wird VCU + VCV + VUV als Kommutationsspannung angelegt, die Kommutation veranlassend, fortzuschreiten.
Als Nächstes, wenn zum Zeitpunkt t5 der U-Phasenstrom Null erreicht, ist die Kommutation beendet. Zu diesem Zeitpunkt ist die UV-Leitungsspannung VUV des Stromrichters 3 die Summe der UV-Leitungsspannung VLUV der ersten Energieversorgung 69 und der Spannung VCV über den Kondensator 75, welcher während des Zeitintervalls zischen t4 und t5 aufgeladen worden ist. Aus diesem Grund entspricht "C" in der UV-Leitungsspannung des Stromrichters 3 "D" in der Thyristorspannung VTHU.
Der obige Betrieb ermöglicht eine Kommutation bei einem Betriebstoleranzwinkel von nahezu Null. An diesem Punkt würde jedoch, da die UV-Spannung der ersten Energieversorgung 99 einen positiven Wert gehabt hat ("E" in 13), die Schaltungskonfiguration mit dem Stromrichter 3 alleine einen Kommutationsfehler verursachen.
Wie oben beschrieben, ist der Leistungsumrichter dieser Ausführungsform derart angeordnet, dass GTO-basierte selbsterregte Schalteinheiten in der Form eines Sechs-Brücken-selbsterregten Umrichters verbunden sind, wobei der selbsterregte Umrichter in Serie mit einem Thyristorbasierten Umrichter über Transformatoren verbunden ist, und ein Bruchteil der Kommutationsspannung an serienverbundene Thyristoren angelegt wird durch Abschalten der selbsterregten Schalteinheiten zum Zeitpunkt der Kommutation.
Daher kann, da eine Kommutation bei einem Betriebstoleranzgrenzwinkel von nahezu Null wie in Verbindung mit 13 beschrieben ermöglicht wird, der Leistungsumrichter bei einem Leistungsfaktor von Eins betrieben werden.
Ein Vergleich zwischen der in 4 gezeigten konventionellen Blindleistung und der Blindleistung der in 13 gezeigten vorliegenden Ausführungsform zeigt, dass der Leistungsumrichter ohne Erzeugung irgendeiner Blindleistung betrieben werden kann.
Demnach kann der Bedarf für Hauptkondensatoren 103 und 104 großer Kapazität, die in der in 3 gezeigten konventionellen Technik beschrieben werden und den zugehörigen große Installationsraum für sie eliminiert werden. Ein Vergleich der Nutzleistung P führt dazu, dass der Leistungsumrichter dieser Ausführungsform mehr Leistung bereitstellt. Daher kann die Verwendbarkeit des Leistungsumrichters verbessert werden.
Zudem, da die selbsterregten Umrichter 3B und 4B, in denen selbsterregte Schalteinheiten in Brückenkonfiguration verbunden sind, nur zu den existierenden Thyristor-basierten Brücken hinzugefügt werden müssen, die den Stromrichter 3 und den Wechselrichter 4 ausmachen, kann der Bedarf eines Neuentwurfs eliminiert werden. Demnach ist die Wartung sehr leicht im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform ausführbar.
[Modifikation der dritten Ausführungsform]
In dem Leistungsumrichter dieser Ausführungsform werden ein Thyristor in dem Stromrichter 3 und eine selbsterregte Schalteinheit in dem selbsterregten Umrichter 111, die in entsprechenden Armen derselben Phase sind, in derselben Phase kommutiert. Der Ausgangsstrom des Stromrichters 3 wird durch Veranlassen der Stromrichter-Steuerung 67, basierend auf der Phase der ersten Energieversorgung 69 (der Phase der Wechselspannung des Stromrichters 3), die durch eine nicht dargestellte Einrichtung erfasst wird, gesteuert bei der Kommutation von einem leitenden Thyristor zu einem Thyristor, der als nächstes leiten soll, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit in dem als nächstes leiten sollenden Arm in dem selbsterregten Umrichter 3B und den als nächstes leiten sollenden Thyristor in dem Stromrichter 3 bei der Phase einzuschalten, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Thyristor angelegt wird, gleichzeitig mit dem Ausschalten der selbsterregten Schalteinheit in dem leitenden Arm, wenn Strom in dem leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert abfällt.
In dem Wechselrichter 4 und dem selbsterregten Umrichter 4B werden ebenfalls ein Thyristor und ein selbsterregter Schalter, die in entsprechenden Armen derselben Phase sind, in derselben Phase zum Kommutieren gebracht. Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 wird gesteuert durch Veranlassen der Wechselrichtersteuerung, auf der Basis der Phase der zweiten Energieversorgung 71 (der Phase der Wechselspannung des Wechselrichters), die durch eine nicht gezeigte Einrichtung erfasst wird, bei der Kommutation von einem leitenden Thyristor zu einem Thyristor, der als nächstes leiten soll in dem Wechselrichter, gleichzeitig den als nächsten leiten sollenden Arm in dem selbsterregten Umrichter 4B und den Thyristor, der als nächstes leiten soll in dem Wechselrichter 4 bei der Phase einzuschalten, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Thyristor angelegt wird, gleichzeitig mit dem Ausschalten der selbsterregten Schalteinheit in dem leitenden Arm, wenn der Strom in dem leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Der derart angeordnete Leistungsumrichter stellt dieselben Vorteile bereit wie der Leistungsumrichter der dritten Ausführungsform durch gleichzeitiges Einschalten des nächsten Arms im selbsterregten Umrichter 3B und des nächsten Thyristors im Stromrichter bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Thyristor angelegt wird bei der Kommutation von einem leitenden Thyristor zu einem Thyristor, der als nächstes leiten soll, und gleichzeitigem Abschalten der selbsterregten Schalteinheit in dem leitenden Arm, wenn der Strom in dem leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Zudem, wie in Verbindung mit 13 beschrieben, kann der Leistungsumrichter die GTOs der U-Phase zu der Zeit t4, zu der der U-Phasenstrom auf einen gewissen Wert abgefallen ist, ausschalten, d.h., ihre Schaltverluste bei der Ausschaltzeit reduzieren. Daher kann ein Strom, wenn die GTOs ausgeschaltet sind, reduziert werden, d.h., ihr Schaltverlust kann reduziert werden. Dasselbe gilt für die anderen Phasen. Daher kann die Effizienz des Leistungsumrichters verbessert werden.
[Vierte Ausführungsform]
14 zeigt eine Anordnung eines Leistungsumrichters gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur sind ähnliche Bezugszeichen zum Kennzeichnen von Komponenten entsprechend jenen in 12 verwendet worden.
In dem Leistungsumrichter dieser Ausführungsform sind die ersten Ein-Phasen-Transformatoren 105, 106 und 107 und die zweiten Ein-Phasen-Transformatoren 108, 109 und 110 in 12 ersetzt worden durch einen ersten Transformator 200 und einen zweiten Transformator 201.
Jeder der Drei-Phasen-Wechselspannungsanschlüsse des selbsterregten Umrichters 3B ist mit einem Anschluss eines entsprechenden der Nullpunkt-getrennten Sekundärwicklungen des ersten Transformators 200 in Y-Y-Verbindung verbunden. Jeder der Drei-Phasen-Wechselstromanschlüsse des Stromrichters 3 und des Wechselrichters 4 ist an den anderen Anschluss einer entsprechenden der Sekundärwicklungen des ersten Transformators 100 verbunden.
Das heißt, die Enden der U-Phasen-Sekundärwicklung des ersten Transformators 200 sind mit der U-Phase des Stromrichters 3 und der U-Phase des selbsterregten Umrichters 3B verbunden. Dasselbe gilt für V- und UV-Phasen. In der gleichen Weise sind der Wechselrichter 4 und der selbsterregte Umrichter 4B mit dem zweiten Transformator 201 verbunden.
Bezugszeichen 225, 226, 227, 228, 229 und 230 kennzeichnen selbsterregte Schalteinheiten der U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phase, die den selbsterregten Umrichter 111 ausmachen und Bezugszeichen 231, 232, 233, 234, 235 und 236 kennzeichnen selbsterregte Schalteinheiten der U-, V-, W-, X-, Y- und Z-Phase, die den selbsterregten Umrichter 4B ausmachen.
Der selbsterregte Umrichter 3B der 14 ist identisch angeordnet zu dem selbsterregten Umrichter 3B der 12. Als ein Beispiel ist die selbsterregte Schalteinheit 225 der 14 dieselbe wie die Einheit der 12, die sich aus GTOs 19 und 20, Dioden 43, 32, 44 und 31 und dem Kondensator 45 zusammensetzt. Dasselbe gilt für die anderen selbsterregten Schalteinheiten 226, 227, 228, 229 und 230.
Der selbsterregte Umrichter 4B der 14 ist identisch angeordnet zu dem selbsterregten Umrichter 4B der 12. Als ein Beispiel ist die selbsterregte Schalteinheit 231 der 14 dieselbe wie die Einheit des selbsterregten Umrichters 4B der 12, die sich aus GTOs 19 und 20, Dioden 43, 32, 44 und 31 und dem Kondensator 55 zusammensetzt. Dasselbe gilt für die anderen selbsterregten Schalteinheiten 226, 227, 228, 229 und 230.
Der derart angeordnete Leistungsumrichter der vierten Ausführungsform stellt dieselben Vorteile bereit wie bei der dritten Ausführungsform.
[Modifikation der vierten Ausführungsform]
In dem Leistungsumrichter dieser Ausführungsform wird ein Thyristor im Stromrichter 3 und eine selbsterregte Schalteinheit im selbsterregten Umrichter 111, die in entsprechenden Armen derselben Phase sind, in derselben Phase kommutiert. Der Ausgangsstrom des Stromrichters 3 wird gesteuert durch das Veranlassen der Stromrichter-Steuerung 67, basierend auf der Phase der ersten Energieversorgung 69 (der Phase der Wechselspannung des Stromrichters 3), die durch die nicht dargestellte Einrichtung erfasst wird, bei der Kommutation von einem leitenden Thyristor zu einem Thyristor, der als nächstes leiten soll, gleichzeitig die selbsterregte Schalteinheit in dem als nächstes leitenden Arm in dem selbsterregten Umrichter 111 und der Thyristor, der als nächstes leiten soll in dem Stromrichter 3, bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Thyristor angelegt wird, eingeschaltet zu der gleichen Zeit wie die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm, wenn der Strom im leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert abfällt, ausgeschaltet wird.
In dem Wechselrichter 4 und dem selbsterregten Umrichter 4B werden ebenfalls ein Thyristor und ein selbsterregter Schalter, die in entsprechenden Armen derselben Phase sind, in derselben Phase kommutiert. Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 4 wird durch Veranlassen der Wechselrichtersteuerung 68, auf der Basis der Phase der zweite Energieversorgung 71 (der Phase der Wechselspannung des Wechselrichters), die durch eine nicht gezeigte Einrichtung erfasst wird, gesteuert um bei der Kommutation von einem leitenden Thyristor zu einem Thyristor, der als nächstes leiten soll in dem Wechselrichter, gleichzeitig den als nächstes leiten sollenden Arm in dem selbsterregten Umrichter 4B und den als nächstes leiten sollenden Thyristor in dem Wechselrichter 4 bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Thyristor angelegt wird, einzuschalten zu der gleichen Zeit wie die selbsterregte Schalteinheit in dem leitenden Arm ausgeschaltet wird, wenn der Strom in dem leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt.
Der derart angeordnete Leistungsumrichter stellt dieselben Vorteile bereit wie der Leistungsumrichter der vierten Ausführungsform durch simultanes Einschalten des nächsten Arms in dem selbsterregten Umrichter 3B und des nächsten Thyristors in dem Stromrichter bei der Phase, bei der eine Rückwärtsspannung über den leitenden Thyristor angelegt wird und gleichzeitig dem Ausschalten der selbsterregten Schalteinheit in dem leitenden Arm, wenn der Strom in dem leitenden Arm unter einen vorbestimmten Wert fällt bei der Kommutation von einem leitenden Thyristor zu einem Thyristor, der als nächstes leiten soll.
Zudem, wie in Verbindung mit 6 beschrieben, kann der Leistungsumrichter die U-Phasen-GTOs zu dem Zeitpunkt t4, zu dem der U-Phasenstrom auf einen gewissen Wert abgefallen ist, abschalten, d.h., ihre Schaltverluste zur Ausschaltzeit reduzieren. Demnach kann der Strom, wenn die GTOs ausgeschaltet sind, reduziert werden, d.h., ihr Schaltverlust kann reduziert werden. Dasselbe gilt für die anderen Phasen. Daher kann die Effizienz des Leistungsumrichters verbessert werden.
Wie oben beschrieben, kann der Leistungsumrichter der vorliegenden Erfindung beim Antreiben eines Synchronmotors erzeugte Drehmomentwelligkeit reduzieren.
Zudem kann der Leistungsumrichter der vorliegenden Erfindung Blindleistung reduzieren, die erzeugt wird, wenn allgemeine elektrische Energie zugeführt wird. Daher kann ein ökonomischer Leistungsumrichter bereitgestellt werden.

Claims

Leistungsumrichter für eine Dreiphasen-Wechselstrom-/Wechselstrom-Umwandlung mit einer Zwischenumwandlung in Gleichstrom, umfassend eine erste und eine zweite Energieumwandlungseinheit (3, 4) mit einer brückenorientierten Topologie, die miteinander durch eine Gleichstromreaktanz (5) verbunden sind; mindestens eine erste und eine zweite Energieumwandlungseinheit (3, 4), umfassend einen Thyristor-basierten Umwandlungsabschnitt (3A, 4A) und einen GTO-basierten Umwandlungsabschnitt (3B, 4B); wobei beide Abschnitte (3A, 3B; 4A, 4B) in mindestens einer der ersten und zweiten Umwandlungseinheiten (3; 4) jeweils Serienkombinationen pro Phase bilden, wodurch ein gleichzeitiger Betrieb der Abschnitte in der mindestens einen ersten und zweiten Umwandlungseinheit (3; 4) ermöglicht wird; wobei der GTO-basierte Umwandlungsabschnitt (3B, 4B) mehrere GTO-basierte Schalteinheiten (73–78, 19–60, 225–230; 79–84, 19–60, 231–236) umfasst, die jeweils Folgendes umfassen – eine erste Serienkombination eines ersten GTOs (19, 21, ..., 29) und eine erste Diode (32, 34, ..., 42); – eine zweite Serienkombination einer zweiten Diode (31, 33, ..., 41) und eines zweiten GTOs (20, 22, ..., 30), wobei die zweite Serienkombination mit der ersten Serienkombination parallel verbunden ist, und – einen Kondensator (55, 56, ..., 60), der zwischen einem Verbindungspunkt zwischen der ersten Diode (32, 34, ..., 42) und dem ersten GTO (19, 21, ..., 29) und einem Verbindungspunkt zwischen der zweiten Diode (31, 33, ..., 41) und dem zweiten GTO (20, 22, ..., 30) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die GTO-basierten Schalteinheiten (73–78, 19–60, 225–230; 79–89, 19–60, 231–236) ferner eine dritte Diode (43, 45, ..., 53), die mit dem ersten GTO (19, 21, ..., 29) in einer Antiparallel-Schaltung verbunden ist, und eine vierte Diode (44, 46, ..., 54) umfassen, die mit dem zweiten GTO (20, 22, ..., 30) in einer Antiparallel-Schaltung verbunden ist; und dadurch, dass die dritte (43, 45, ..., 53) und die vierte Diode (44, 46, ..., 54) in Kombination mit dem Kondensator (55, 56, ..., 60) dazu beitragen, die Umkehrspannung zu verringern, die auf die Thyristoren des Thyristor-basierten Umwandlungsabschnitts (3, 10–15; 4, 61–66) angewendet wird, während sie sich im ausgeschalteten Zustand befinden.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energieumwandlungseinheit (3) Arme aufweist, die aus Thyristoren (7–18) bestehen, die in einer Brückenkonfiguration verbunden sind, und die zweite Energieumwandlungseinheit (4) den Thyristorbasierten Umwandlungsabschnitt (4A), der aus Thyristoren (61–66) besteht, und den GTO-basierten Umwandlungsabschnitt (4B) umfasst, der mehrere GTO-Schalteinheiten (79–84) umfasst, und die Thyristoren (61–66) und die GTO-basierten Schalteinheiten (79–84) seriell verbunden sind, um Arme zu bilden, wobei die Arme in einer Brückenkonfiguration verbunden sind.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Umwandlungseinheit (3; 4) den Thyristor-basierten Umwandlungsabschnitt (3A; 3B) und den GTO-basierten Umwandlungsabschnitt (4A; 4B) umfassen und die Thyristoren und die GTO-basierten Schalteinheiten (73–78; 79–84) seriell verbunden sind, um Arme zu bilden, wobei die Arme jeweils in einer Brückenkonfiguration verbunden sind.
Leistungsumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energieumwandlungseinheit (3) Umrichtersteuermittel (67) zum Ausführen einer Gate-Steuerung aufweist, damit der Umrichter die erste Energieumwandlungseinheit (3) betreibt, und die zweite Energieumwandlungseinheit (4) Wechselrichtersteuermittel (68) aufweist, damit der Wechselrichter die zweite Umwandlungseinheit (4) betreibt.
Leistungsumrichter nach Anspruch 3, der eine erste (70) und eine zweite (72) Transformatoreinheit aufweist, wobei die erste Energieumwandlungseinheit (3) mit einer ersten Transformatoreinheit (70) verbunden ist, die zweite Energieumwandlungseinheit (4) mit einer zweiten Transformatoreinheit (72) verbunden ist.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, der eine erste (70) und eine zweite (72) Transformatoreinheit aufweist, wobei die erste Energieumwandlungseinheit (3) mit einer ersten Transformatoreinheit (70) verbunden ist, die zweite Energieumwandlungseinheit (4) mit einer zweiten Transformatoreinheit (72) verbunden ist, wobei jede der ersten und der zweiten Energieumwandlungseinheiten (3, 4) einen Thyristorbasierten Umwandlungsabschnitt (3A; 3B) umfasst, der aus Thyristoren (7–18; 87–98) in Brückenkonfiguration besteht; und einen GTO-basierten Umwandlungsabschnitt (3B, 4B) umfasst, der mehrere GTO-basierte Schalteinheiten (19–60; 19–60) in Brückenkonfiguration umfasst, um eine Umschaltspannung für die Thyristorbasierte Umwandlungseinheit (3; 4) zu erzeugen, wobei alle Umwandlungseinheiten (3A, 3B, 4A, 4B) als unabhängige Brücken vorgesehen sind, und wobei jede der ersten und der zweiten Transformatoreinheiten (70–72) durch drei Einphasentransformatoren (105–107, 108–110) integriert ist, wobei die primären Wickelungen der Einphasentransformatoren (105–107, 108–110) in einer Sternkonfiguration verbunden sind und die sekundären Wickelungen der Einphasentransformatoren (105–107, 108–110) an ihren einen Enden mit Wechselstromanschlüssen des Thyristor-basierten Umwandlungsabschnitts (3A; 4A) und an ihren anderen Enden mit Wechselstromanschlüssen des GTO-basierten Umwandlungsabschnitts (3B, 4B) verbunden sind.
Leistungsumrichter nach Anspruch 1, der eine erste (70) und eine zweite (72) Transformatoreinheit aufweist, wobei die erste Energieumwandlungseinheit (3) mit einer ersten Transformatoreinheit (70) verbunden ist, die zweite Energieumwandlungseinheit (4) mit einer zweiten Transformatoreinheit (72) verbunden ist, wobei jede der ersten und der zweiten Energieumwandlungseinheiten (3, 4) einen Thyristor basierten Umwandlungsabschnitt (3A; 3B) umfasst, der aus Thyristoren (7–18; 87–98) in Brückenkonfiguration besteht; und einen GTO-basierten Umwandlungsabschnitt (3B, 4B) umfasst, der mehrere GTO-basierte Schalteinheiten (19–60; 19–60) in Brückenkonfiguration umfasst, um eine Umschaltspannung für die Thyristorbasierte Umwandlungseinheit (3A, 4A) zu erzeugen, wobei alle Umwandlungseinheiten (3A, 3B, 4A, 4B) als unabhängige Brücken vorgesehen sind, und wobei jede der ersten und der zweiten Transformatoren (70, 72) durch einen Dreiphasentransformator (200, 201) integriert ist, wobei dessen primäre Wickelungen in einer Sternkonfiguration verbunden sind und dessen sekundäre Wickelungen getrennt sind, und wobei die sekundären Wicklungen des Transformators (200, 201) an ihren einen Enden mit Wechselstromanschlüssen des Thyristor-basierten Umwandlungsabschnitts (3A; 4A) und an ihren anderen Enden mit Wechselstromanschlüssen des GTO-basierten Umwandlungsabschnitts (3B, 4B) verbunden sind.
Leistungsumrichter nach einem der Ansprüche 3, 5, 6 oder 7, wobei die erste und die zweite Umwandlungseinheit (3, 4) Wechselrichtersteuermittel (99, 101) zum Ausführen einer Gate-Steuerung umfassen, damit der Wechselrichter jede der ersten und der zweiten Umwandlungseinheiten (3, 4) betreibt.
Leistungsumrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselrichtersteuermittel, basierend auf der Phase der Wechselstromspannung der ersten oder der zweiten Energieumwandlungseinheit (3, 4), die von einem Arm, der geleitet wird, zu einem Arm, der als nächstes geleitet werden soll, umgeschaltet wird, Mittel zum gleichzeitigen Einschalten des GTO-basierten Umwandlungsabschnitts (3B, 4B) und des Thyristor-basierten Umwandlungsabschnitts (3A, 4A) in dem Arm, der als nächstes geleitet werden soll, zu einem Zeitpunkt, bei dem eine rückwärts gerichtete Spannung auf den leitenden Arm angewendet wird, und zum gleichzeitigen Abschalten des GTO-basierten Umwandlungsabschnitts (3B, 4B) in dem leitenden Arm umfasst.