DE2128454A1 - Thynstorbeschaltung fur strom kommutierte Wechselrichter - Google Patents

Description

• Thyristorbeschaltung für stromkommutierte Wechselrichter '7ur Darstellung der Probleme wird zunächst der Wechselrichter mit Stromkommutierung beschrieben, wie er mit idealen Thyristoren Funktionieren würde. Der stromkommutierte Serienwechselrichter (die beiden Thyristoren sind in Serie geschaltet) besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau gemäß pig. 1 aus zwei Thyristoren T1, T2 und zwei Rückstromdioden D1, D2. zur die an A angeschlossene Last wird vorausgesetzt, dß der Strom iA in jeder Halbperiode durch 0 schwingt. Dies kann durch die natürliche Eigenschaft der Last geschehen (natürlich Stromkommutierung) oder durch eine Schaltung mit Hilfsthyristoren (erzwungene Stromkommutierung), Tn Fig. 2 sind das Spannung und das Stromdiagramm für natürliche Stromkommutierung dargestellt. Die Reihenfolge der Stromführung für die vier Ventile ist T1 - D1 -T2 - D2 - T1 usw.. Der an eine Stromführungsperiode durch einen Thyristor folgene Strom durch eine Rückstromdiode ist notwendig um die Löschung des Thyristors zu ermöglichen. Die Dauer des Rückstromes muß größer sein als die Freiwerdezeit des Thyristors. Bei der Zündung des nächsten Thyristors erfolgt der Stromübergang (Kommutierung) von der Rückstromdlode auf den Thyristor.
• Die Schaltung gemäß vig. 1 kann praktisch nur bei kleiner Leistung (kleiner Strom und kleine Spannung) in der dargestellten Weise ausgeFührt werden. Bei größerer Leistung müssen die Thyristoren gegen zu raschen Stromanstieg (di/dt) und zu raschen Spannungsanstieg (du/dt) geschützt werden. Außerdem wird gewünscht, daß bei einer gleichzeitigen Stromführung beider Thyristoren der dadurch bedingte Kurzschluß mittels Sicherungen abgeschaltet werden kann, ohne daß die Thyristoren zerstört werden. Der Schutz gegen die gefährlichen Folgen von Kurzschlüssen und gegen zu großes di/dt kann mit Drosseln erfolgen, die im Kurzschlußkreis angeordnet werden (vgl. die nichtvorveröffentlichte österreichische Patentschrift Nr. ....... (öA 10873/69 vom 21.11.69)).
• Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit zwei Drosseln. Fig 4 eine Drossel mit Mittelanzapfung, bei der die beiden Wicklungsteile magnetisch eng gekoppelt sind.
• Zur Begrenzung des positiven du/dt an den Thyristoren sind Kcnden satoren erforderlich. ür die Ankopplung dieser Kondensatoren gibt es mehrere Möglichkeiten und es sollen zunächst einige dieser Möglichkeiten angeführt werden. Die Schaltung nach Fig. 5 ist bei kleiner Leistung und mit Einschränkung bei großer Leistung und niedriger Frequenz anwendbe. Der Nachteil bei großer Leistung und Frequenz ist der, daß/die dabei erforderlichen niedrigen Induktivitätswerte für L1 und L2 die Kapazitätswerte für Ci und C2 relativ groß und die Widerstandswerte von R1 und P<2 relativ klein werden. Dadurch ergeben sich große Einschaltstromstöße für die zündenden Thyristoren, da die Kondensatoren über die niederohmigen Widerstände entladen werden. Die Schaltungen ge,ß Fig. 6 und Fig. 7 vermeiden beide den Einschaltstromstoß der Thyristoren durch Zwischenschaltung der Dioden D5 und D6. Mittels der Widerstände R1 und R2 werden die Kondensatoren in jeder Periode rückgeladen, wodurch Verluste entstehen. Ein weiterer Nachteil dieser beiden mit Dioden D3, D4 zur Begrenzung des Überschwingens versehenen Schaltungen sind die Kreisströme im Kreis T1 - L1 - L2 -D3 und im Kreis T2 - D4 - L1 - L2. Es ist daher notwendig, zumindest die Dioden D3 und D4 gegen Zusatzspannungen zu schalten- oder Widerstände in Serie zu schalten, um die zur Abmagnetisierung der Drosseln erforderlichen Gegenspannungen zu erhalten. Die Gegenspannung kann auch durch einen TransPormator gebildet werden.
• eine Gegenstand der Erfindung ist/die vorstehenden Nachteile vermeidende Schaltung zum Schutz der steuerbaren Ventile, insbesondere Thyristoren, eines stromkommutierten Wechselrichters, vorzugsweise Serienwechsearichters, gegen zu raschen Spannungsanstieg (du/dt) und gegen zu raschen Stromanstieg (di/dt), mit dem Kennzeichen, daß in Serie zu jedem Thyristor eine Drossel geschaltet ist, der ein Widerstand über zwei Dioden mit Durchlaßrichtung im Sinne des Drosselstroes parallelgeschaltet ist, und daß jedem Thyristor über eine der vorangeführten Dioden ein Kondensator parallelgeschaltet ist. Dann verzögert dieser Kondensator den Vorwärtsspannungsanstieg an jedem Thyristor, ohne daß der zündende Thyristor mit dem Kondensator belastet ist, und es dämpft der Widerstand nur das Überschwingen der Spannung.
• Die erfindungsgemäße Schaltung in ihrer wichtigsten Variante zeigt Fig. 8. Weiter Varianten sind in den Figuren 10, 11, 12 und 13 dargestellt.
• Die Drossel L (ig. 8) begrenzt den Stromanstieg di/dt auf einen zulässig Wert sowohl bei der Kommutierung im Normalbetrieb als auch beim Kurzschluß, wenn beide Thyristoren Strom führen. In letzterm Fall kann der Strom durch nichtgezeichnete Sicherungen abgeschaltet werden, ohne Zerstörung der Thyristoren. Die Thyristoren schalten stronlos ein, da die Dioden D7 und D8 im Zündaugenblick stromlos sind. Die Kondensatoren werden über die Dioden D7 und D8 geladen und begrenzen dadurch den positiven Spannungsanstieg an den Thyristoren. Da der Widerstand R einen klein nen Widerstandswert hat, folgt der nicht direkt über eine Diode angespeiste Kondensator dem zweiten mit relativ kleinem Spannungsunterschied. Es ist also annähernd die Kapazität beider Kondensatoren wirksam. Wenn der Hochschwingvorgang.beendet ist und das Überschwingen beginnt, führen beide Dioden D7 und D8 Strom, wodurch die in der Drossel L gespeicherte Schwingungsenergie im Widerstand R vernichtet wird. Obwohl eine Zusatzspannung hiefürnicht erforderlich ist, wäre es möglich, zur Erzielung einer kleineren Freiwerdezeit der Thyristoren beim Übergang des Stromes von T1 auf D1 bzw. T2 auf D2, die Dioden D1 und D2 an je eine Zusatzspannung (bzw. einen Transformator) anzuschließen.
• Das ist jedoch in der Praxis erst bei Frequenzen wesentlich über 1000 Hz notwendig. Da die Laststromänderungen an L einen induktiven SpannungsabFall hervorrufen, wird bei absinken dem Strom eine solche Spannung induziert, daß der Widerstand R über die Dioden D7 und D8 Strom übernimmt. Die dadurch hervorgeruFenen Verluste bleiben jedoch in tragbaren Grenzen und sind in der Praxis niedriger als die Beschaltungsverluste der Schaltungen gemäß Fig. 6 und Fig. 7. Der Spannungsabfall an der Last ist bei gekoppelter Induktivität niedrig, da der wirksame Induktivitätswert 1/4 der Gesamtinduktivität beträgt. In Analogie zur Schaltung nach Fig. 3 ist es auch möglich, die Induktivität L durch zwei getrennte Induktivitäten L1 und I,2 mit je dem halben Induktivitätswert zu ersetzen, wie dies Fig. 10 zeigt. Der Lastspannungsabfall und das Uberschwingen der Lastspannung werden dadurch/so groß, aber alle übrigen Eigenschaften und die Verluste bleiben annähernd dieselben.
• Fig. 9 zeigt mit Bezugnahme auf die Punkte a, b, c, d und e der Fig. 8 den Hochschwingvorgang bei Kommutierung des Laststromes von der Diode D2 auf den Thyristor T1, Beim Zünden von T1 (t bleibt Punkt c zunächst solange auf Potential 0, bis bei linearem Stromabfall die Diode D2 stromlos geworden ist (t1). Dann fließt Strom über D8 in den Kondensator C2 und weiter über R auch in den Kondensator C1. Dadurch ergibt sich ein annähernd sinusförmiges Hochschwingen der Spannung an T2. Wesentlich ist dabei die Begrenzung des du/dt auf einen für den Thyristor zulässigen Wert. Das Potential an e schwingt weiter über den Wert der Speisespannung U hinaus, bis der Punkt d das Potential der Speisequelle erreicht hat (t2). Nun setzt durch R eine kräftige Dämpfung ein, so daß die Spannung nicht wesentlich höher schwingt und bald auf den neuen Gleichgewichtswert einpendelt Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung können wie folgt zusamengefaßt. werden: a3 Durch die Verwendung von Dioden (D7, D8:) gibt es keine Strom-Sprünge beim Zünden der Thyristoren.
• b) Durch den niederohmigen Dämpfungswiderstand R sind praktisch immer beide Kondensatoren für die Spannungsanstiegsbegrenzung wirksam und es sind keine nutzlosen Umladevorgänge der Kondensatoren eforderlich.
• c) Eine Zusatzspannung für die Abmagnetisierung der Begrenzungsdrossel L ist nicht prinzipall erforderlich, kann aber bei sehr hohen Frequenzen zur Erzielung einer kurzen Thyristor freiwerdezei t vorgesehen werden, Die Schaltung nach Fig. 11 unterscheidet sich von der nach Fig.
• 10 durch. die Anordnung zweier weiterer Dioden 99 und und bildet den Übergang zu den stromkommutierte Parallel-Wechselrichter betreffenden Ausführungsbeispielen nach den Fig. 12 und 13.
• Die Wirkungsweise dieser beiden Schaltungen entspricht der nach Fig, 11, Mit T ist der Ausgang s trans forma tor bezeichnet, an dessen nicht gezeichnete Sekundärwicklung die Last angeschlossen ist.

Claims (3)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Schaltung zum Schutz der steuerbaren Ventile, insbesondere Thyristoren, eines stromkommutierten Wechselrichters gegen zu raschen Spannungsanstieg (du/dt) und gegen zu raschen Stromanstieg /di/dt), dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zln jedem Thyristor eine Drossel geschaltet ist, der ein Widerstand über zwei Dioden mit Durchlassrichtung im Sinne des Drosselstromes parallelgeschaltet ist, und daß jedem Thyristor über eine der vorangeführten Dioden ein Kondensator parallelgeschaltet ist. (Fig. 11, 12, 13).

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, für einen Serien-Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, daß für zwei Drosseln, die zwei Thyristoren in Serie geschaltet sind ein gemeineamer Widerstand mit zwei Dioden mit Durchlaßrichtung im Sinned es Drosselstromes parallelgeschaltet ist und daß jedem Thyristor über eine der vorangeführten Dioden ein Kondensator parallelgeschaltet ist. (Fig. 10).

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, für einen Serien-Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Thyrsitoren eine. Drossel mit Mittelanzacfung in serie geschaltet ist, deren beide Wicklungsteile magnetisch eng (steuerungsarm) gekoppelt sind, daß dieser Drossel ein Widerstand mit zwei Dioden nit Durchlaßrichtung im Sinne des Drosselstromes narallelgeschaltet ist und daß jedem Thyristor über eine der vorangeführten Dioden ein Kondensator parallelgeschaltet ist.

L e e r s e i t e