DE2114098A1 - Mehrphasiger Thyristor-Wechselrichter mit Zwangskommutierung - Google Patents

Description

R. 269
19-3-1971 Sk/Sz

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GHBH, Stuttgart

Mehrphasiger Tigristor-Wechselrichter mit Zwangskormutierunp;

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrphasigen Thyristor-Wechselrichter mit Zwangskommutierung, bei welchem jede Phase über einen zu einer ersten Gruppe gehörenden Thyristor an eine Plusleitung und über einen zu einer zweiten Gruppe gehörenden Thyristor an eine Minusleitung angeschlossen ist.

Derartige Wechselrichter sind bekannt (siehe z. B. Heumann-Stuiape: Thyristoren, 1969, Seite 183 bis 138).

Je nach den Anforderungen, die an den Wechselrichter gestellt werden, verwendet man zur Zwangskommutierung verschiedene Löschschaltungen. Im einfachsten Pail wird eine Phasenfolge-

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löschung verwendet, bei der zwischen den Phasen Kommutierungskondensatoren angeordnet sind. Die Löschung jedes Thyristors der Vechselrichterschaltung wird durch das Zünden des Thyristors der Folgephase bewirkt. Mit Hilfe der Phasenfolgelöschung können die einzelnen Phasen nicht überlappend angesteuert werden. Falls dies erforderlich ist, verwendet man das Verfahren der Phasenlöschung, bei dem jeder Phase eine getrennte Löschschaltung zugeordnet ist.

Bei Wechselrichtern, die zur Drehzahlsteuerung von Asynchronmaschinen verwendet werden, muß man außer der Ausgangsfrequenz auch die Aus gangs spannung verändern können. Die Aus gangs spannung läßt sich variieren, indem man den einzelnen Phasen die Spannung nicht-kontinuierlich, sondern intermittierend zuführt. Durch Variation des Tastverhältnisses der Spannungsimpulse läßt sich die resultierende Ausgangsspannung des Wechselrichters verändern.

Für diese impulsweise Ansteuerung der einzelnen Thyristoren des Wechselrichters mit einer Pulsfrequenz, die wesentlich über der Aus gangsfrequenz des Wechselrichters liegt, läßt sich weder das Verfahren der Phasenfolgelöschung noch das Verfahren der Phasenlöschung anwenden. Es ist bisher üblich, für diesen Fall eine Einzellöschung für alle Thyristoren vorzusehen,' d. h. jedem einzelnen Thyristor des Wechselrichters eine eigene Löschschaltung zuzuordnen. Da die Einzellöschung einen erheblichen schaltungstechnischen Mehraufwand erfordert, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zwangskommutierungsschaltung zu entwickeln, bei der es möglich ist, die Ausgangsspannung des Wechselrichters dadurch zu variieren, daß die einzelnen Thyristoren intermittierend angesteuert werden, und bei der trotzdem der Schaltungsaufwand wesentlich geringer ist als bei einer Wechselrichterschaltung mit Einzellöschung.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung auf besonders einfache Weise dadurch gelöst, daß für jede der beiden Gruppen von Thyristoren nur eine einzige Löschschaltung vorgesehen ist. Damit ist es zwar nicht möglich, die verschiedenen Phasen gleichzeitig mit Impulsen von unterschiedlichem Tastverhältnis anzusteuern, doch kommt dieser Fall für die Steuerung von Asynchronmaschinen ohnehin nicht in Frage. Die Steuerung der Spannung und der Frequenz der Versorgungsspannung einer Asynchronmaschine ist also ermöglicht, ohne daß der Schaltungsaufwand für die Einzellöschung notwendig wäre.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen sind nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 in einer Skizze einen Stromwandler, wie er bei einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird, und

Fig. 3 einen Schaltplan des zweiten Ausführungsbeispiels.

Das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist eingangsseitig eine Plusklemme 11 und eine Minusklemme 12 auf. Diese beiden Klemmen können mit einer Batterie oder - falls der Wechselrichter Teil eines Umrichters ist - mit einem Gleichrichter verbunden werden. An ihnen liegt die Vers orgungs spannung U-n. An die Pluskleinme 11 ist über eine erste Kommutierungsdrossel 13 eine Plusleitung 90 und an die Minusklemme 12 über eine zweite Kommutierungsdrossel 16 eine Minusleitung 91 ange-

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schlossen. Zwischen der Plusleitung 90 und der Minusleitung liegt eine Breiphasen-Brückenschaltung aus sechs Thyristoren 50, 53, 60, 63, 70, 73. Mit den Diagonalpunkten dieser Brükkenschaltung sind drei Phasenanschlüsse R, S, T verbunden. An diesen Phasenanschlüssen sind drei Ständerwicklungen 80, 81, 82 einer Asynchronmaschine angeschlossen.

Antiparallel zu den sechs Thyristoren der Brückenschaltung sind sechs Rückstromdioden 51j 52, 61, 62, 71? 72 geschaltet, die jedoch nicht mit der Plusleitung 90 bzw. der Minusleitung 91, sondern mit der Plusklemme 11 bzw. der Minusklemme verbunden sind.

Zwischen der Plusklemme 11 und der Minusleitung9I liegt eine Gegentakt-Löschbrücke, die vier Thyristoren 30, 31, 32, 33 und. im Diagonalzweig einen Kommutierungskondensator 34- enthält. Diese Lb'schbrücke dient zum Löschen der ersten Gruppe von Thyristoren 53, 63? 73, die mit der Minusleitung 91 verbunden ist. Weiterhin liegt zwischen der Plusleitung 90 und der Minusklemme 12 eine Gegentakt-Löschbrücke aus vier Thyristoren 40, 41, 42, 43 und einem Kommutierungskondensator 44, welche zum Löschen der zv/eiten Gruppe von Thyristoren 50, 60, 70 dient, die mit der Plusleitung. 90 verbunden "ist.

Auf dem gleichen Eisenkern wie die erste Kommutierungsdrossel 13 ist eine erste Sekundärwicklung 14 angebracht, deren einer Anschluß mit der Minusklemme 12 und deren anderer Anschluß über eine erste Abschneidediode 22 mit der Plusklemme verbunden ist. In gleicher Weise ist auf einem gemeinsamen Eisenkern mit der zweiten Kommutierungsdrossel 16 eine zweite Sekundärwicklung 17 angebracht, die mit der Plusklemme 11 und über eine zweite Abschneidediode 23 mit der Minusklemme 12 verbunden ist.

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In Fig. 2 ist ein Stromwandler dargestellt, der beim ersten oder beim zweiten Ausführungsbeispiel angewandt werden kann. Drei Leitungen 95 _? 96, 97 werden von einem gemeinsamen Eisenkern 95 umgeben. Dieser Eisenkern 93 weist einen Luftspalt auf, in dem eine Hall-Sonde 94- angebracht ist. Die Hall-Sonde 94 mißt die Summe der Stromstärken in den drei Leitungen 95 > 96, 97 und berücksichtigt dabei auch die Richtung des Stromflusses. Wenn in einer Leitung ein Strom f.ließt, dessen Richtung umgekehrt zur Richtung des Stroms in den beiden anderen Leitungen ist, dann wird seine Stromstärke von den beiden anderen Stromstärken abgezogen. An Stelle des Stromwandlers mit Hall-Sonde kann auch ein Transduktor verwendet werden.

Beim zvieiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Anordnung der Dreiphasen-Brückenschaltung, der Rückstromdioden, der Sekundärwicklungen und der beiden Löschbrücken gleich wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die einzelnen Bauteile der genannten Stufen sind daher mit den gleichen Bezugszahlen versehen wie in Fig. 1 und werden nicht mehr neu beschrieben. Als Leitungen 95» 96, 97 werden die Leitungen verwendet, die in der Dreiphasen-Brückenschaltung vom Verbindungspunkt eines Thyristors (z. B. 50) und einer Rückstromdiode (ζ. Β. 51) zum entsprechenden Phasenanschluß (z. B. R) führen. Damit ist gewährleistet, daß sowohl der durch den Thyristor als auch der durch die Rückstromdiode fließende Strom berücksichtigt werden.

Die Löschbrücken 30-34 bzw. 40-44 liegen wie beim ersten Ausführungsbeispiel einseitig an der Plusklemine 11 bzw. der Minusklemme 12. Dagegen sind zwischen der Plusklemme 11 bzw. der Minusklemme 12 und den Rückstromdioden 52, 62, 72 bzw. 51, 61, 71 Dioden 24 bzw. 27 angeordnet.

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Auf dem gleichen Eisenkern wie die erste Kommutierungsdrossel 13 und die erste Sekundärwicklung 14- ist weiterhin eine erste Zusatzwicklung 15 angebracht, die einerseits mit der Minusklemme 12 und andererseits über eine dritte Diode 25 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 27 und den Rückstromdioden 5I₅ 61, 71 verbunden ist. In gleicher V/eise ist eine zweite Zusatzwicklung 18 auf dem gleichen Eisenkern wie die zweite Kommutierungsdrossel 16 und die zweite Sekundärwicklung 17 angeordnet. Diese zweite Zusatzwicklung 18 liegt einerseits an der Plusklemme 11 und andererseits über eine vierte Diode 26 am Verbindungspunkt zwischen der Diode 24 und den Rückstromdioden 52, 62, 72.

Die Funktionsweise der Dreiphasen-Brückenschaltung ist bekannt. Durch Zünden des Thyristors 5O wird dem Phasenanschluß R die positive Halbwelle und durch Zünden des Thyristors 55 die negative Halbwelle seiner Versorgungsspannung zugeführt. Die Höhe dieser Versorgungsspannung läßt sich dadurch variieren, daß man während einer Halbwelle den Thyristor 50 bzw. den Thyristor 53 wiederholt zündet und löscht. Die Versorgungsspannung ist um so höher, je größer das Verhältnis von Impulsdauer zur Pausendauer ist.. Die Thyristoren 53i 63» 73* die alle mit der Minusleitung 91 verbunden sind und daher eine negative Halbwelle ergeben, können mit Hilfe der ersten Löschbrücke 30-34-gemeinsam gelöscht werden. Der Löschkreis des Thyristors 53 ist in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet.

Vor Beginn des Löschvorgangs sei beispielsweise der Kommutierungskondensator 3^- so aufgeladen, daß sich seine linke Belegung auf negativem Potential befindet. Wenn jetzt die beiden Thyristoren 30 und 33 gezündet werden, wird der Kommutierungskondensator 34- einerseits über Thyristor ?Q und- cLie Rückstromdiode 52 an die Anode des zu löschenden Thyristors 53 und

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andererseits über den Thyristor 33 an die Kathode des Thyristors 53 angeschlossen. Da der Koimnutierungskondens ator 34 vorher auf die Versorgungsspannung Ug aufgeladen war, liegt Jetzt kurzzeitig am Thyristor 53 die Spannung IXg in Rückwärtsrichtung, so daß der Strom durch diesen Thyristor erlöscht. Dber die Thyristoren 30 und 33 wird der Kommutierungskonden-.sator 34· anschließend mit umgekehrter Polarität aufgeladen, so daß jetzt die rechte Belegung auf Minuspotential liegt. Der nächste Löschvorgang kann über die Thyristoren 31 und 32 erfolgen.

Falls einer der Thyristoren 63 und 73 gleichzeitig mit dem Thyristor 53 leitend war, wird dieser durch den beschriebenen Entladevorgang des Kondensators 34 mitgelöscht. Es werden also alle gleichzeitig leitenden Thyristoren einer Gruppe gelöscht. Wenn während der gleichen Halbwelle der Thyristor 53 nach erneuter Zündung nochmals gelöscht werden soll, dann muß . man jetzt die beiden anderen Thyristoren 3I₅ 32 der ersten Löschbrücke zünden, um wieder die positive Kondensatorladung an die Kathode des Thyristors 53 zu bringen.

Beim Bremsbetrieb der Asynchronmaschine kommt es vor, daß alle sechs Thyristoren 50» 53, 60, 63, 70, 73 der Dreiphasen-Brükkenschaltung gleichzeitig gesperrt sind. In diesem Fall führen nur noch die Rückstromdioden 5I₅ 52, 61, 62", 71» 72 den Motorstrom. Sie liefern die Bremsenergie zurück zur Batterie.

Die Funkt ions v/ei se der Kommutierungsdrosseln 13» 16 und der Sekundärwicklungen 14, 17 ist bekannt. Bei dem oben beschriebenen Löschvorgang wird kurzzeitig die Polarität der Minusleitung 91 umgekehrt. Die Kommutierungsdrossel 16 dient dazu, daß der an der Kathode des Thyristors 33 auftretende positive Spannungsimpuls nicht zur Minusklemme 12 hin kurzgeschlossen wird. In der Kommutierungs'drossel 16 tritt beim Löschvorgang ein

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Stromanstieg auf. Die dadurch, in der Schutzdrossel 16 gespeicherte magnetische Energie wird über di.e Sekundärwicklung und die Abschneidediode 20 in die Gleichspannungsquelle zurückgeliefert. In gleicher Weise dient die Schutzdrossel 13 zum Unterdrücken negativer Spannungsimpulse auf der Plusleitung 90· Die während des negativen Spannungsimpulses in der Schutzdrossel IJ gespeicherte magnetische Energie wird über die Sekundärwicklung 14 und die Abschneidediode 21 in die Gleichspannungsquelle zurückgeliefert.

In Fig. 5 ist der Löschkreis für den Thyristor 53 wieder wie in Fig. 1 eingezeichnet. Im Löschkreis liegt beim zweiten Ausführungsbeispiel noch zusätzlich die Diode 24. Das Verhältnis der Windungszahlen zwischen der Kommutierungsdrossel 16 und der Sekundärwicklung I7 liegt vorzugsweise zwischen 2 : 1 und 4 : 1 und wird im folgenden mit ü bezeichnet. Dagegen weist die Zusatzwicklung 18 vorzugsweise die gleiche Windungszahl wie die Kommutierungsdrossel auf.

Wenn der gleiche Löschvorgang stattfindet, der oben beschrieben worden ist, dann tritt an der Minusleitung 91 ein positiver Spannungssprung gegenüber der Minusklemme 12 auf. Demzufolge liefert nach der Umpolung des Kondensators 34 sowohl die Sekundärwicklung V? als auch die Zusatzwicklung 18 an ihrem rechten Anschluß einen negativen Spannungsimpuls. Der negative Spannungsimpuls der Sekundärwicklung 17 wird über die Abschneidediode 23 der Minusklemme 12 zugeführt. Dagegen wird der negative Ausgangsimpuls der Zusatzwicklung 18 über die Diode 26 und die Rückstromdiode 52 der Phasenklemme R zugeführt. Diese Phasenklemme R hatte bis vor dem Löschvorgang über den Thyristor 53 einen negativen Strom erhalten. Nach dem Löschen erhält sie weiterhin einen - allerdings exponentiell abklingenden - Strom aus der Zusatzwicklung 18. Auch beim ersten Ausführungsbeispiel wird nach dem Löschen des

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Thyristors 53 der Phasenklemme R ein exponentiell abklingender negativer Strom über die Riickstromdiode 52 zugeführt. Dieser Strom wird getrieben von der Streuinduktivität des Motors 80, 81, 82 und der auf ■«■ · Ug
Kommutierungsdrossel 13·

81, 82 und der auf ■«■ · Ug begrenzten Induktionsspannung an der

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 tritt an der Zusatzwicklung 15 noch eine weitere treibende Spannung auf. Wenn z. B. zunächst die Thyristoren 53 und 70 leitend sind und dann der Thyristor 53 gelöscht wird, so fließt der Motorstrom getrieben durch, die Mo tor induktivität und die auf ^- · Un begrenzte Induktionsspannung an der zweiten Kommutierungsdrossel 13 weiter im Freilaufkreis R-80-82-T-70-13-24--52-R.

Nach, der Umpolung des Kommutierungskondensators 34- durch den Löschvorgang entsteht an dem durch einen Punkt gekennzeichneten Anfang der Zusatzwicklung 18 eine ebenfalls auf ^- · Uo begrenzte negative Spannung gegen das Wicklungsende. Diese Spannung wird über die Diode 26 in den beschriebenen Freilaufkreis eingekoppelt und addiert sich zu der den Stromfluß aufrechterhaltenden Induktionsspannung der ersten Kommutierungsdrossel 13· Dadurch klingt der Strom im Freilaufkreis langsamer ab als beim ersten Ausführungsbeispiel.

Auch wenn im Bremsbetrieb der Asynchronmaschine zeitweise alle Thyristoren gelöscht sind und der Motorstrom über die Freilaufdioden in die Gleichspannungsquelle zurückfließt, bewirken die Zusatzwicklungen eine Erhöhung der treibenden Spannung. In diesem Fall addieren sich die Spannungen an den Zusatzwicklungen zur treibenden Spannung der als Generator wirkenden Asynchronmaschine, so daß der Rückspeisestrom langsamer abklingt.

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Beim zweiten Ausführungsbeispiel kann man den Abstand der Zündimpulse für die Thyristoren größer wählen, d. h. die einzelnen Thyristoren während einer Halbwelle weniger oft zünden. Der Leistungsverlust der Thyristoren in der Dreiphasen-Brückenschaltung und in den Löschbrücken wird dadurch kleiner.

Das Verhältnis der Windungszahl en zviischen der Kommutierungsdrossel 16 und der Sekundärwicklung 17 wird deshalb auf 2 : 1 bis 4 : 1 festgelegt, weil sich bei einem zu kleinen Verhältnis der Windungszahlen (z. B. 1 : 1) eine zu große Spannungsüberhöhung an der Minusleitung 91 gegen die Minusklemme 12 nach dem Abschalten des Thyristors 53 ergibt. Andererseits darf das Verhältnis der. Windungszahlen auch nicht zu groß werden, da sich dann die magnetische Energie der Schutzdrossel 16 zu langsam abbaut und die Folgefrequenz der Löschimpulse daher nicht mehr hoch genug gewählt werden kann.

Die Zünd- und Löschvorgänge der anderen Thyristoren verlaufen genau so wie die des Thyristors 53? so daß sie. nicht für sich beschrieben werden müssen. Die oben erläuterte Wechselrichterschaltung erfüllt also die eingangs gestellte Aufgabe. Sowohl . die Spannung als auch die Frequenz der Versorgungsspannung an den drei Phasenklemmen R, S, T lassen sich beliebig verändern. Gleichzeitig ist der Schaltungsaufwand wesentlich kleiner, als bei Wechselrichterschaltungen mit Einzellöschung. Bei der Einzellöschung wären sechs Löschbrücken erforderlich. Anstelle der beiden Löschbrücken 30-34 und 40-43 lassen sich auch andere Löschschaltungen verwenden, wie sie in der Thyristortechnik allgemein gebräuchlich sind. Wesentlich ist, daß jeder Gruppe von Thyristoren nur eine Löschschaltung zugeordnet ist· '

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Eine solche Gruppe von Thyristoren kann auch mehr als drei Thyristoren umfassen. Wenn z. B. ein Sechsphasen-Wechselstrom erzeugt werden soll, dann enthält jede Gruppe sechs Thyristoren. Trotzdem ist für eine Gruppe nur eine Löschschaltung erforderlich.

Die Zusatzwicklungen 15 und 18 verlangsamen den Stromabfall in den Wicklungen 80, 81, 82 der.Asynchronmaschine während der Impulspausen der Thyristoren. Diese Thyristoren müssen daher nicht so oft gezündet werden. Das wirkt sich sowohl auf den Wirkungsgrad des Wechselrichters als auch auf den des Motors vorteilhaft aus.

Die beschriebene Anordnung des Stromwandlers is-t im Wechselrichter mit Gruppenlöschung besonders vorteilhaft, weil mit einem einzigen Meßsystem die Summen aller in den Motor fließenden Ströme gemessen werden. Dieser Meßwert ist für die Stromregelung in diesem Wechselrichter völlig ausreichend, weil auf jeden Fall alle Thyristoren einer Gruppe gleichzeitig gelöscht werden.

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Claims (1)

1. 21U098

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   Ansprüche

   (1.)Mehrphasiger Thyristor-Wechselrichter mit Zwangskommutierung, bei welchem jede Phase über einen zu einer ersten Gruppe gehörenden Thyristor an eine Plusleitung und über einen zu einer zweiten Gruppe gehörenden Thyristor an eine Minusleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der beiden Gruppen von Thyristoren (50, 60, 70 bzw. 53» 63, 73) nur eine einzige Löschschaltung (40 bis 44 bzw. 30 bis 34) vorgesehen ist.

   2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Löschaltung je eine Gegentakt-Löschbrücke mit vier Thyristoren vorgesehen ist.

   .3· Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2 mit zu den Thyristoren antiparallel geschalteten Rückstromdioden, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Phase· (R, S, T) ein .-Stromwandler (54, 64, 74) vorgesehen ist, der in>-eine vom Verbindungspunkt zwischen dem an die Plusleitung (90) angeschlossenen Thyristor (5O, 60,' ^Q) und der an eine Minusklemme (12) angeschlossenen Rückstromdiode (51» 61, 71) zu einem Phasenanschluß (R, S, T) führende Leitung (95» 96, 97) eingeschaltet ist.

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   4·. Wechselrichter nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (951 96, 97) von einem gemeinsamen Eisenkern (93) umschlossen sind, in dessen Luftspalt eine Hall-Sonde (94-) angeordnet ist.

   5· Wechselrichter nach einem der-Ansprüche 1 bis 4- mit zwischen der Plus- bzw» Minusklemme und der Plus- bzw. Minusleitung angeordneten Kommutierungsdrosseln und mit den Kommutierungsdrosseln zugeordneten Sekundärwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kombination aus Kommutierungsdrossel (13₅ 16) und Sekundärwicklung (14-, 17) eine Zusatzwicklung (15 > 18) zugeordnet ist und daß jeweils ein gemeinsamer Eisenkern für alle drei Wicklungen (13j 14-, 15 bzw. 16, 17, 18) vorgesehen ist.

   6. Wechselrichter nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Plusklemme (11) und der Minusklemme (12) zwei Reihenschaltungen liegen, die jeweils aus einer Sekundärwicklung (14- bzw. 17) und einer Abschneidediode (22 bzw. 23) bestehen, wobei die beiden Abschneidedioden (22, 23) für die Versorgungsspannung in Sperrichtung gepolt sind.

   7· Wechselrichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Plusklemme (11) und den Rückstromdioden (52, 62, 72) eine, erste Diode (24-) sowie

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   zwischen der Minusklemme (12) und den Ruckstromdiöden

   61, 71) eine zweite Diode liegt und daß die Dioden (24, 27) gleichsinnig wie die zugehörigen Riickstromdioden gepolt sind,

   8. Wechselrichter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zusatzwicklung (15) einerseits an die Minusklemme (12) und andererseits über eine dritte Diode (25) an den Verbindungspunkt zwischen der zweiten Sperrdiodo (27) und den Rückstromdioden (51* 61. 71) angeschlossen ist und daß die zweite Zusatzwicklung (18) einerseits
   mit der Plus klemme (11) und anderex-seits über eine vierte Diode (26) mit dem Yerbinduiigspunlct zwischen der ersten Sperrdiode (24) und den Ruckstromdiöden (52, 62, 72) verbunden ist. {*

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