DE3219050A1 - Frequenz-umrichter - Google Patents

Description

BR OWN,BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT Mannheim 13. Mai 1982

Mp.-Nr. 554/82 ZPT/P3-Bi/Bt

Frequenz-Umrichter

Die Erfindung betrifft einen Frequenz-Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Frequenz-Umrichter, die die von einem Wechsel- oder Drehstromnetz konstanter Spannung und konstanter Frequenz gelieferte elektrische Energie in ein Wechseloder Drehstromsystem mit variabler Spannung und variabler Frequenz umwandeln, sind bekannt. Der als Einspeiseschaltung dienende Gleichrichter ist meist sehr einfach als Diodenbrückenschaltung aufgebaut. Ein weitaus höherer Aufwand muß dagegen im Wechselrichter getrieben werden. Hier müssen steuerbare Leistungshalbleiter verwendet werden, die abwechselnd mit variabler Frequenz und zu variablen Zeitpunkten gezündet werden. Zum Löschen der steuerbaren Leistungshalbleiter sind spezielle Löschschaltungen nötig. Man unterscheidet hierbei zwischen einer Summenlöschung, wobei ein einziger Löschkreis für die Löschung aller Leistungshalbleiter im Wechselrichter verantwortlich ist, und einer

Einzellöschung, wobei jedem steuerbaren Leistungshalbleiter eine eigene Löschschaltung zugeordnet ist. Es ist auch bekannt, die beiden Thyristoren einer Wechselrichterphase mit einer gemeinsamen Löschschaltung zu ^s löschen.

Es ist auch schon eine Vielzahl von Löschschaltungen bekannt geworden. Obwohl alle Löschschaltungen das selbe Ziel verfolgen, nämlich einen stromführenden steuerbaren Leistungshalbleiter so lange stromlos zu machen, daß dieser seine Sperrfähigkeit wieder erlangen kann, bringen die unterschiedlichen Löschschaltungen unterschiedliche Belastungen der im Löschkreis liegenden Bauelemente. Von erheblicher Bedeutung ist die durch den Löschkreis verursachte Verlustleistung, d.h. der Anteil der elektrischen Energie, der in den Bauelementen des Löschkreises in Wärme umgesetzt wird. Von ebenso großer Bedeutung ist die Freihaltezeit, d.h. die Zeit zwischen dem Stromloswerden des Hauptthyristors und dem Wiederanlegen von Spannung in Blockierrichtung. Bei manchen Löschschaltungen ist der Einfluß des mechanischen Aufbaus wegen der parasitären Induktivitäten der Leitungsführung erheblich. Ebenfalls von Bedeutung ist der mechanische Aufbau und die Zahl der benötigten Bauelemente, da hiervon Größe, Gewicht, Preis und Montageaufwand abhängen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenz-Umrichter der eingangs genannten Art anzugeben, der nur eine geringe Zahl von Bauelementen im Wechselrichter benötigt, der eine weitgehende Freizügigkeit bei der Anordnung der Bauelemente sowohl in mechanischer als auch in schaltungstechnischer Hinsicht erlaubt und der zudem eine geringe Verlustleistung erzeugt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Unter dem Begriff "rückwärtsleitender Thyristor" soll im Rahmen der Erfindung nicht nur das beispielsweise aus der Zeitschrift "BBC-Nachrichten" 1981, Seite 7H bis 83 bekannte Bauelement, welches aus einem schnellen Thyristor und einer antiparallelen Diode, die auf einer Siliziumscheibe monolithisch integriert sind, verstanden werden, sondern auch ein Halbleiterbauelement in Modulbauweise mit den Eigenschaften eines rückwärtsleitenden Thyristors, bei dem in einem gemeinsamen Gehäuse auf einer Bodenplatte ein Halbleiterchip mit den Eigenschaften eines Rückwärts-Nicht-Sperrenden-Thyristors und wenigstens ein weiterer Halbleiterchip mit den Eigenschaften einer Diode aufgelötet und untereinander induktivitätsarm antiparallel verschaltet sind, wie es in der DE-Patentanraeldung P 32 09 173.7 beschrieben ist.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß der Löschstrom nur über zwei Ventile - steuerbare Halbleiterbauelemente bzw. -module - fließt, wobei jedes Ventil nur einen pn-übergang besitzt, welcher einen Spannungsabfall und damit Verlustleistung erzeugt, daß die Hauptventile erst am Ende ihrer Laststrom führenden Periode mit dem" Umschwingstrom belastet werden, wodurch die bei anderen Schaltungen erhöhten Einschaltverluste durch hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit vermieden werden, daß Spannungsabfälle auf Leitungsteilen zum Löschkreis keinen Einfluß auf die Freihaltezeit haben, so daß der Wechselrichter auf minimale Umschwingzelten des Löschkreises dimensioniert werden kann, wodurch auch der Aufwand für Umschwingdrossel und Löschkondensator gering bleibt, daß die Freiwerdezeit der Hauptventile und der zugehörigen Löschventile in der gleichen Größenordnung liegt und daß die Reihenfolge der einzelnen Bauelemente

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im Löschstromkreis praktisch frei wählbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist in Serie mit jedem Hauptthyristor eine die Stromanstiegsgeschwindig-. keit (di/dt) begrenzende Drossel geschaltet.

Gemäß einer bevorzugten Variante ist die Umschwingdrossel in Serie zum Hauptthyristor geschaltet. Hierbei wirkt die Umschwingdrossel gleichzeitig als Schutzdrossei zur Verringerung der Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms.

Eine Verringerung der Zahl von Einzeldrosseln ist dadurch möglich, daß die die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzenden Drosseln durch eine gemeinsame Drossel in der Gleichstromzuleitung ersetzt werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigen:

ί Fig. 1 ein komplettes vereinfachtes Ersatzschaltbild

^!ί eines Frequenz-Umrichters,

■| Fig. 2 eine erste Schaltungsvariante im Wechselrich-

^j ²⁵ ter des Frequenz-Umrichters.

Fig. 3 eine zweite Schaltungsvariante im Wechselrichter des Frequenz-Umrichters.

In Fig. 1 erkennt man einen Brücken-Gleichrichter, gebildet aus sechs Gleichrichterventilen V1,...V6, der die an Klemmen 1,2,3 anliegende Netzspannung konstanter Amplitude und konstanter Frequenz gleichrichtet. Mit Hilfe einer Siebdrossel L1 wird die am Ausgang des Gleichrichters stehende wellige Gleichspannung gesiebt und steht an den Klemmen eines Ladekondensators C1 als

weitgehend konstante Spannung zur Verfügung. Siebdrossel

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L1 und Ladekondensator C1 bilden den Gleichspannungszwischenkreis.

Die am Kondensator C1 anstehende Gleichspannung gelangt über eine Sicherung F2, an einen dreiphasigen Wechselrichter in sperrspannungsfreier Schaltung mit Einzel- · löschung der Wechselrichterventile. Im Wechselrichter ist lediglich der für die Drehstromphase R zuständige Zweig ausführlich gezeichnet; die für die Drehstromphasen 3 und T zuständigen Zweige sind lediglich symbolisch als zünd- und löschbare Halbleiterventile V12,...V15 dargestellt. ... *

Betrachtet man den für die Phase R zuständigen Zweig des Wechselrichter, so erkennt man ausgehend von Pluspol des Spannungszwischenkreises eine erste, die Stromanstiegsgeschwindigkeit (di/dt) begrenzende Drossel L11, einen ersten rückwärtsleitenden Thyristor V11, einen zweiten rückwärtsleitenden Thyristor V16 und eine zweite, die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzende Drossel L16.

Parallel zu jedem rückwärtsleitenden Thyristor V11, V16 ist ein Löschkreis geschaltet, bestehend aus je einem Löschkondensator C21, C26, je einer Umschwingdrossel L21, L26 und je einem rückwärtsleitenden Thyristor V21, V26. Hauptthyristoren V11, V16 und Löschthyristoren V21,V26 sind jeweils in an sich bekannter Weise mit RC-Gliedern beschaltet, was jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der zu den Ausgangsklemmen R,S,T fließende Strom wird mit Meßwandlern Wr, Ws, Wt gemessen.

Die Wechselrichterschaltung funktioniert folgendermaßen. Bei gesperrtem Hauptventil V11 ist der Löschkondensator C21 über die Schutzdrossel LII, die Umschwingdrossel L21 und den Diodenteil des Löschventils V21 so aufgeladen, daß an seinem oberen Belag positives, an seinem unteren

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Belag negatives Potential anliegt. Wird das Hauptventil V11 gezündet, so fließt Laststrom vom Pluspol des Spannungszwischenkreises über die Schutzdrossel L11 und den Thyristorteil des Hauptventi'.s V11 zum Anschluß R und von dort zur angeschlossenen, nicht dargestellten Last. Am Ende der Laststromperiode wird das Löschventil V21 gezündet. Lösehkondensator C21 und Umschwingdrossel L21 bilden einen LC-Schwingkreis und die im Lösehkondensator C21 gespeicherte Ladung treibt einen Strom durch die Thyristorteile der Ventile V11 und V21, bis der untere Belag des Löschkondensators C21 auf positives, der obere Belag auf negatives Potential aufgeladen ist. Jetzt beginnt der Strom im LC-Löschkreis in umgekehrter Richtung zu fließen, wobei der Thyristorteil des Löschventils V21 seine Sperrfähigkeit wieder erlangt, während der Strom über den Diodenteil weiterfließt. Sobald der Löschstrom die Größe des im Thyristorteil des Hauptventils V11 fließenden Laststroms erreicht hat, verliert der Thyristorteil des Hauptventils V11 seine Leitfähigkeit. Der Löschstrom selbst fließt über den Diodenteil des Hauptventils V11 weiter, bis der obere Belag des Löschkondensators C21 wieder auf positives, der untere Belag auf negatives Potential aufgeladen ist. Damit ist der Löschvorgang abgeschlossen; über das Hauptventil V11 fließen weder Last- noch Löschstrom.

In Fig. 2 erkennt man eine erste Schaltungsvariante, bei der die Drosseln zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit durch eine gemeinsame Drossel 8 in der Gleichstromzuleitung ersetzt sind. Die Drossel 8 ist durch eine Diode V8 so überbrückt, daß elektrische Energie aus dem Lastkreis in den Ladekondensator C1 zurückgespeist werden kann.

in Fig. 3 erkennt man eine weitere Schaltungsvariante eines Zweigs des Wechselrichters. Die Umschwingdrosseln

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L21 bzw. L26 sind unmittelbar in Serie zum Hauptventil geschaltet und dienen sowohl als ümschwingdrossel für den Löschkreis als auch als Schutzdrossel zur Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms durch die . Hauptventile.

Als weiteren Unterschied zeigt Fig. 3 die Ausbildung der Haupt- und Löschventile VI1, V16 bzw. V21, V26 als Halbleitermodul mit den Eigenschaften eines rückwärts leitenden Thyristors. Je ein Halbleiterchip mit den Eigenschaften eines Rückwärts-Nicht-Sperrenden-Thyristors und wenigstens je ein weiterer Halbleiterchip mit den Eigenschaften einer Diode sind in einem gemeinsamen Gehäuse auf einer gemeinsamen Bodenplatte befestigt und induktivitätsarm untereinander antiparallel verschaltet. Da bei einem derartigen Modul die Thyristor- und Diodenchips getrennt hergestellt werden können,., können ihre elektrischen Eigenschaften unabhängig voneinander auf den speziellen Anwendungsfall technologisch optimiert werden. Auch kann das Stromleitvermögen der Dioden im Verhältnis zum Stromleitvermögen des Thyristors durch die Anzahl der Diodenehips im Gehäuse in weiten Grenzen variiert werden.

Claims (3)

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   Ansprüche

   1 J Frequenz-Umrichter, bestehend aus einem Gleichrichter (V1,...V6) als Einspeiseschaltung, einem Gleichspannungszwischenkreis (L1,C1) und einem Wechselrichter (V11...V16, V21...V26) in sperrspannungsfreier Schaltung mit Einzellöschung der Wechselrichter-Ventile, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zweig des Wechselrichters aus rückwärtsleitenden Hauptthyristoren (V1J,V16) besteht und daß parallel zu jedem Hauptthyristor (V11,V16) eine Löschschaltung angeordnet ist, die aus der Serienschaltung eines rückwärtsleitenden Löschthyristors (V21,V26) mit einem Löschkondensätor (C21,C26) und einer Umschwingdrossel (L21,L26) besteht. -_s
2. 2. Frequenz-Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit jedem Hauptthyristor (V11,V16) eine die Stromanstiegsgeschwindigkeit (di/dt) begrenzende Drossel (L11...L16) geschaltet ist.
3. 3. Frequenz-Umrichter nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, daß die Umschwingdrossel (L21..L26) in Serie zum Hauptthyristor (V11,V16) geschaltet ist.

   l». Frequenz-Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzenden Drosseln durch eine gemeinsame Drossel (8) η der Gleichstromzuleitung gebildet sind.