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Die Erfindung bezieht sich auf eine
N-Punkt-Stromrichterschaltung mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten
Stromrichtetventilen, die jeweils n-1 abschaltbare
Halbleiterschalter aufweisen, und mit einem n-1 elektrisch in Reihe
geschalteten Kondensatoren aufweisenden Spannungszwischenkreis,
der elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen
Anschlüssen der reihengeschalteten Stromrichterventile
geschaltet ist.
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Für drehzahlveränderbare Antriebe im Hochleistungsbereich
stehen heute neben dem Gleichstromantrieb der
Drehstromantrieb mit dem netzgeführten Direktumrichter und dem
maschinengeführten Stromrichtermotor im Vordergrund. Der
eingeschränkte Drehzahlbereich des Direktumrichterantriebs sowie
die eingeschränkte Qualität des Drehstrommoments
(Drehmomentfälligkeit und Dynamik) beim Stromrichtermotor begrenzten
bisher bei vielen Anwendungen das weitere Vordringen des
wartungsfreundlicheren und robusteren Drehstromantriebs. Mit dem
Prinzip des U-Umrichters können diese Einschränkungen bzw.
Nachteile überwunden werden, dass Problem dabei war bisher
der eingeschränkte Leistungsbereich. Mit den heute
verfügbaren abschaltbaren Halbleiterschaltern ist jedoch inzwischen
die Megawattgrenze überschritten. Bauelemente mit 4,5 kV
Sperrspannung und 3 kA maximal abschaltbaren Strom sind im
praktischen Einsatz, damit sind Wechselrichter mit Leistungen
bis zu 2,5 MW mit nur sechs abschaltbaren Halbleiterschaltern
erreichbar.
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Für eine weitere Erhöhung der Leistungsgrenzen wäre in der
konventionellen Schaltung des U-Umrichters der Übergang auf
die Reihen- und/oder Parallelschaltung von abschaltbaren
Halbleiterschaltern erforderlich. Dies würde vor allem bei
den Beschaltungsnetzwerken für Symmetrierung der Spannung und
Ströme zu zusätzlichen technischen Problemen, erheblich mehr
Aufwand und erhöhten Verlusten führen.
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Als Alternative hierzu bietet sich zunächst die entkoppelte
Reihenschaltung zweier Stromrichterventile nach dem Konzept
des Dreipunkt-Wechselrichters an. Man verdoppelt dadurch den
erreichbaren Leistungsbereich, wobei durch zwei zusätzliche
Dioden jeder abschaltbare Halbleiterschalter voll ausgenutzt
werden kann. Darüber hinaus erreicht man selbst bei
reduzierter Pulsfrequenz eine deutlich bessere Kurvenform der
Ausgangsspannung, was den Wirkungsgrad verbessert sowie
Stromoberschwingungen und damit Oberwellenmomente verringert.
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Aus der Veröffentlichung "Medium Voltage Inverter using High-
Voltage IGBTs" von A. Mertens, M. Bruckmann, R. Sommer,
abgedruckt in EPE '99 - Lausanne, ist eine
Dreipunkt-Stromrichterschaltung bekannt, die zwei reihengeschaltete
Stromrichterventile mit jeweils zwei abschaltbaren Halbleiterschaltern
und einem mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten
Kondensatoren aufweisenden Spannungszwischenkreis aufweist. Die
Verbindungspunkte zweier abschaltbarer Halbleiterschalter
jeweils eines Stromrichterventils ist mittels einer
Mittelpunktdiode mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren
des Spannungszwischenkreises elektrisch leitend verbunden.
Dieser Verbindungspunkt bildet den Mittelpunkt dieser
Dreipunkt-Stromrichterschaltung. Als abschaltbarer
Halbleiterschalter sind Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT)
vorgesehen. Mit dieser Dreipunkt-Stromrichterschaltung kann mit
3,3 kV IGBTs eine Ausgangsspannung mit einem Wert von 2,3 kV
erzeugt werden. Für die Generierung einer Ausgangsspannung
mit einem Wert von 3,3 kV oder 4,16 kV werden pro
Stromrichterventil vier Halbleiterschalter verwendet. Man könnte auch
sagen, dass anstelle der abschaltbaren Halbleiterschalter mit
der Reihenschaltzahl Eins nun wegen der hohen Sperrspannung
Halbleiterschalter mit der Reihenschaltzahl Zwei verwendet
werden.
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Ebenfalls sind die Mittelpunktsdioden durch
Halbleiterschalter mit der Reihenschaltzahl Zwei ersetzt worden. Dreipunkt-
Stromrichterschaltungen mit einer Mittelpunktsklemmung sind
im Handel als NPC (Neutral Point Clamped) bekannt.
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Diese NPC-Umrichterkonfiguration weist folgende Nachteile
auf:
- - Anschluss an den Mittelpunkt erfolgt über die
Mittelpunktsdioden. Für eine weitere Spannungserhöhung wird die
Reihenschaltung der Bauelemente angefordert. Die
Reihenschaltung der Dioden ist nicht unproblematisch. Solange
parallel zur Diode ein IGBT zugeschaltet ist, wird die
Spannung an der Diode durch die aktive Maßnahme des IGBTs
begrenzt. Die Mittelpunktsdioden müssen zusätzlich
beschaltet werden.
- - Die Beschaltung der Mittelpunktsdioden bringt nächste
Schwierigkeiten mit sich. Die Ladung aus der Beschaltung
wird beim Einschalten von inneren Ventilen in den
Freilaufkreis entladen, der aus inneren Ventilen und
Mittelpunktsdioden besteht. Diese Freilaufströme belasten
zusätzlich diese Ventile und erschweren den Einsatz der
Beschaltung.
- - Die Realisierung von Fünfpunkt-Umrichtern erfordert
wiederum die Reihenschaltung der Dioden und deren
Beschaltung.
- - Die Kommutierungsfolge muss auch im Fehlerfall eingehalten
werden.
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Neben dieser NPC-Umrichterkonfiguration gibt es noch eine
Umrichterkonfiguration, deren Mittelpunkt nicht geklemmt ist.
Eine derartige Konfiguration wird als Floating Point
bezeichnet. Bei dieser FP-Umrichterkonfiguration sind immer zu zwei
elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern
wenigstens ein Kondensator elektrisch parallel geschaltet. Mit
Erhöhung der Anzahl der elektrisch in Reihe geschalteten
Halbleiterschalter erhöht sich die Anzahl der Kondensatoren um
Eins. D. h., bei einer Fünfpunkt-Stromrichterschaltung werden
zehn Kondensatoren im Spannungszwischenkreis verwendet. Die
Schaltung einer derartigen Fünfpunkt-Stromrichterschaltung
ist aus der Veröffentlichung "The Universal Medium Voltage
Adjustable Speed Drive" von Y. Shakweh & E. A. Lewis,
abgedruckt in EPE '99 - Lausanne, bekannt. In der dortigen Fig. 4
ist auch eine Fünfpunkt-Stromrichterschaltung in der
Topologie NPC dargestellt. Dieser Darstellung kann entnommen
werden, dass 3 × 4 Klemmdioden benutzt werden. Mittels dieser
Dioden kann der wechselspannungsseitiger Anschluss dieser
Fünfpunkt-Stromrichterschaltung mit den fünf Potentialen des
Spannungszwischenkreises verbunden werden.
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Auch die FP-Umrichterkonfiguration weist Nachteile auf:
- - Es ist ein spezielles Steuerverfahren zum Aufladen von
internen Kondensatoren notwendig.
- - Es werden viele Kondensatoren benötigt.
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Aus der Veröffentlichung "The Universal Medium Voltage
Adjustable Speed Drive" von Y. Shakweh & E. A. Lewis,
abgedruckt in EPE '99 - Lausanne, ist eine weitere Möglichkeit
für einen Mittelspannungs-Umrichter veranschaulicht. Bei
dieser weiteren Möglichkeit werden mehrere sogenannter
H-Stromrichterbrücken elektrisch in Reihe geschaltet. Eine derartige
Schaltung ist auch als Multilevelkaskade bekannt, die
folgende Nachteile aufweist:
- - Für jede H-Brücke muss eine potential getrennte
Einspeisung vorgesehen werden. Dazu werden komplizierte
Transformatoren mit mehreren Wicklungen benötigt.
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In der Veröffentlichung "A New Multilevel Inverter Topology
with a Hybrid Approach", von Bum-Seok Suh, Yo-Han Lee, Dong-
Seok Hyun und Thomas A. Lipo, abgedruckt in EPE '99 -
Lausanne, wird eine modifizierte Multilevelkaskade offenbart.
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Mit der vorgestellten Modifikation ist eine gradzahlige
Mehrpunkt-Topology möglich.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Mehrpunkt-
Stromrichterschaltung anzugeben, die einfach zu realisieren
ist, eine verbesserte Ausgangsspannungsqualität aufweist und
über eine Notlaufeigenschaft verfügt.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 mit dem kennzeichnenden Merkmal des
Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Dadurch, dass mittels n-2 Querzweigen, die jeweils
antiseriell geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter aufweisen,
wenigstens ein wechselspannungsseitiger Anschluss der
Stromrichterschaltung mit n Potentialen des
Spannungszwischenkreises verbindbar ist, erhöht sich die Verfügbarkeit einer
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung. Bei einem Fehler innerhalb der
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung werden die reihengeschalteten
Stromrichterventile abgeschaltet und die abschaltbaren
Halbleiterschalter wenigstens eines Querzweiges eingeschaltet.
Dadurch verringert sich die Spannung an den
reihengeschalteten Stromrichterventilen. Bei einer
Dreipunkt-Stromrichterschaltung reduziert sich die Sperrspannung an den
reihengeschalteten Stromrichterventilen auf die halbe
Zwischenkreisspannung.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung ist der einfache Aufbau eines
Phasenbausteins. Da die Kommutierungspfade gleich sind, kann man den
Aufbau in wenigstens drei parallel zueinander angeordneten
Säulen realisieren. In der ersten Säule sind die
abschaltbaren Halbleiterschalter des ersten Stromrichterventils
untergebracht, in der zweiten Säule sind die abschaltbaren
Halbleiterschalter eines Querzweiges und in der dritten Säule
sind die abschaltbaren Halbleiterschalter des zweiten
Stromrichterventils untergebracht. Sind mehrere Querzweige einer
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung vorgesehen, so erhöht sich
die Anzahl der parallel zueinander angeordneten Säulen um die
Anzahl der weiteren Querzweige. Somit kann man einen
induktivitätsarmen Aufbau einer Mehrpunkt-Stromrichterschaltung
erreichen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung ist jeder Querzweig dermaßen zwischen einem
Potential des Spannungszwischenkreises und einem
Verbindungspunkt zweier reihengeschalteter abschaltbaren
Halbleiterschalter geschaltet, das immer n-1 abschaltbare
Halbleiterschalter einen Strom führen, wobei n gleich die Anzahl der
Potentiale des Spannungszwischenkreise ist. Dadurch wird die
Anzahl der verwendeten abschaltbaren Halbleiterschalter der
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung verringert, wobei jedoch ein
Belastungsunterschied für einzelne abschaltbaren
Halbleiterschalter in Kauf genommen werden muss.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung werden alle Querzweige zwischen
dem wechselspannungsseitigen Anschluss der reihengeschalteten
Stromrichterventile und einem Potential des
Spannungszwischenkreises angeschlossen. Dadurch werden alle abschaltbaren
Halbleiterschalter der Mehrpunkt-Stromrichterschaltung
gleichbelastet.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer
erfindungsgemäßen N-Punkt-Stromrichterschaltung schematisch
veranschaulicht sind.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße
Dreipunkt-Stromrichterschaltung, die
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Fig. 2 zeigt den zugehörigen mechanischen Aufbau einer
Dreipunkt-Stromrichterschaltung, die
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Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer
Vierpunkt-Stromrichterschaltung nach der Erfindung, wobei in der
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Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer
Vierpunkt-Stromrichterschaltung nach der Erfindung veranschaulicht ist,
und die
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Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer
Fünfpunkt-Stromrichterschaltung nach der Erfindung.
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In der Fig. 1 ist eine Dreipunkt-Stromrichterschaltung gemäß
der Erfindung näher dargestellt. Eine
Dreipunkt-Stromrichterschaltung weist zwei Stromrichterventile SRV1 und SRV2 auf,
die jeweils zwei abschaltbaren Halbleiterschalter V1a und V1b
bzw. V2a und V2b aufweisen. Die beiden Stromrichterventile
SRV1 und SRV2 sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei
deren Verbindungspunkt ein Last-Anschluss L der Dreipunkt-
Stromrichterschaltung bildet. Das freie Ende des
Stromrichterventils SRV1 bildet einen positiven
Gleichspannungs-Anschluss P, wogegen das freie Ende des Stromrichterventils
SRV2 einen negativen Gleichspannungs-Anschluss N bildet.
Elektrisch parallel zu den Anschlüssen P und N ist ein
Spannungszwischenkreis ZW elektrisch parallel geschaltet, der bei
einer Dreipunkt-Stromrichterschaltung zwei elektrisch in
Reihe geschaltete Kondensatoren C1 und C2 aufweist. Deren
Verbindungspunkt bildet einen Mittelpunkt-Anschluss MP.
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Gemäß der Erfindung ist nun der wechselspannungsseitige Last-
Anschluss L mittels eines Querzweiges QZ1 mit dem
Mittelpunkt-Anschluss MP verbindbar. Dazu weist dieser Querzweig
QZ1 zwei antiseriell geschaltete abschaltbare
Halbleiterschalter V3 und V4 auf. Durch die antiserielle Schaltung
dieser beiden abschaltbaren Halbleiterschalter V3 und V4 kann
ein Strom vom Mittelpunkt-Anschluss MP zum Last-Anschluss L
und umgekehrt fließen. Dabei ist entweder der abschaltbare
Halbleiterschalter V4 oder der abschaltbare
Halbleiterschalter V3 aufgesteuert.
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Als abschaltbare Halbleiterschalter V1a, V1b, V2a, V2b, V3
und V4 werden in der dargestellten Ausführungsform Insulated-
Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet, die eine antiparallel
geschaltete Inversdiode aufweist. Anstelle von IGBTs
können auch andere Halbleiterschalter verwendet werden. Diese
müssen abschaltbar sein und eine antiparallele Diode
aufweisen. Die Wahl eines geeigneten Halbleiterschalters hängt
einerseits von der Gleichspannung UZW des
Spannungszwischenkreises ZW und andererseits vom Gleichstrom iL ab.
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Eine derartige Stromrichterschaltung wird auch als
Brückenzweig bzw. Phasenbaustein bezeichnet. Beim Aufbau einer
dreiphasigen Dreipunkt-Stromrichterschaltung werden dann drei
Stromrichterschaltungen gemäß Fig. 1 gebraucht, die
gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltet werden. Aus
diesem Grund kann der Kapazitätswert des
Spannungszwischenkreises ZW einer dreiphasigen Anordnung auf drei
Spannungszwischenkreise ZW aufgeteilt werden.
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In der Fig. 2 ist ein mechanischer Aufbau der Dreipunkt-
Stromrichterschaltung nach Fig. 1 näher dargestellt. Bei
diesem mechanischen Aufbau sind jeweils die abschaltbaren
Halbleiterschalter V1a, V1b und V2a und V2b der
Stromrichterventile SRV1 und SRV2 und die abschaltbaren Halbleiterschalter
V3 und V4 des Querzweiges QZ1 in einem Spannverband
angeordnet. Diese drei Spannverbände SV1, SV2 und SV3 sind räumlich
parallel zueinander angeordnet, da die Kommutierungspfade der
einzelnen abschaltbaren Halbleiterschalter gleich sind. Wegen
der Anordnung in mehreren Spannverbänden liegt es nahe
abschaltbare Halbleiterschalter in Scheibenform zu verwenden.
Bei dieser parallelen Anordnung der Spannverbände SV1, SV2
und SV3 sind diese derart in Längsrichtung ausgerichtet, dass
der Verbindungspunkt der drei Stromrichterzweige, der den
Last-Anschluss L bildet, auf einer Seite der
Parallelanordnung der Spannverbände SV1, SV2 und SV3 ist. Dadurch kann auf
der gegenüberliegenden Seite dieser Parallelanordnung die
Kondensatoren C1 und C2 des Spannungszwischenkreises ZW
elektrisch leitend mit den Anschlüssen der drei
Spannungsverbänden SV1, SV2 und SV3 verbunden werden.
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In der Fig. 3 ist nun eine erste Ausführungsform einer
Vierpunkt-Stromrichterschaltung dargestellt. Diese Vierpunkt-
Stromrichterschaltung unterscheidet sich von der Dreipunkt-
Stromrichterschaltung nach Fig. 2 dadurch, dass die
Stromrichterventile SRV1 und SRV2 jeweils einen dritten abschaltbaren
Halbleiterschalter V1c bzw. V2c aufweisen. Außerdem ist ein
zweiter Querzweig QZ2 vorgesehen, wobei die beiden Querzweige
QZ1 und QZ2 jeweils drei abschaltbare Halbleiterschalter V3,
V4, V5 und V6, V7, V8 beinhalten. Ferner weist der
Spannungszwischenkreis einen dritten Kondensator C3 auf. Dadurch ist
die Gleichspannung UZW des Spannungszwischenkreises ZW in
vier Potentialstufen unterteilt. Diese Potentialstufen sind
die Potentiale des positiven und negativen Gleichspannungs-
Anschlusses P und N, das Potential des Verbindungspunktes PP1
der reihengeschalteten Kondensatoren C1 und C2 und das
Potential des Verbindungspunktes PP2 der reihengeschalteten
Kondensatoren C2 und C3 des Spannungszwischenkreises ZW. Diese
Verbindungspunkte PP1 und PP2 sind jeweils mit einem
Querzweig QZ1 und QZ2 mit dem Last-Anschluss L der Vierpunkt-
Stromrichterschaltung verbindbar. Dabei sind die
abschaltbaren Halbleiterschalter V3, V4, V5 und V6, V7, V8 der beiden
Querzweige QZ1 und QZ2 jeweils derart elektrisch in Reihe
geschaltet, dass im Querzweig QZ1 und QZ2 jeweils ein Strom in
beiden Richtungen fließen kann.
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Würde man anstelle einer Vierpunkt-Stromrichterschaltung eine
Fünfpunkt-Stromrichterschaltung benötigen, so würde sich die
Anzahl der abschaltbaren Halbleiterschalter pro
Stromrichterventil SRV um Eins erhöhen. Die Anzahl der Querzweige QZ und
die Anzahl deren abschaltbaren Halbleiterschalter würden sich
ebenfalls um Eins erhöhen, genauso wie die Anzahl der
Kondensatoren C des Spannungszwischenkreises ZW. D. h., mit der
Erhöhung der Anzahl der Punkte einer
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung erhöht sich nicht nur die Anzahl der abschaltbaren
Halbleiterschalter in den Spannverbänden SV1, SV2, SV3, . . .,
sondern auch die Anzahl der Querzweige QZ1, QZ2, QZ3, . . ..
Somit kommt ein neuer Spannverband zu der bestehenden Anordnung
hinzu. Der Vorteil dieser Schaltungsvariante einer Mehrpunkt-
Stromrichterschaltung besteht darin, dass die
Spannungsbelastung aller abschaltbaren Halbleiterschalter der
Stromrichterventile SRV1, SRV2, . . ., und der Querzweige QZ1, QZ2, . . .,
gleich ist.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform einer Mehrpunkt-
Stromrichterschaltung besteht in der verbesserten
Verfügbarkeit der Stromrichterschaltung bzw. des darauf aufgebauten
Umrichters. Diese verbesserte Verfügbarkeit der
Stromrichterschaltung entsteht dadurch, dass bei einem Ausfall eines
abschaltbaren Halbleiterschalters V eines Stromrichterventils
SRV bei einer Dreipunkt-Stromrichteranordnung die
Halbleiterschalter V3 und V4 des Querzweiges QZ1 eingeschaltet und die
Ventile V des gestörten Stromrichterventils SRV ausgeschaltet
werden. Damit ist der Last-Anschluss L mit dem Mittelpunkt-
Anschluss MP der Dreipunkt-Stromrichterschaltung verbunden
und an den Halbleiterschaltern V der Stromrichterventile SRV
fällt die halbe Zwischenkreisspannung UZW ab, die ohne
weiteres von den abschaltbaren Halbleiterschaltern V1a, V1b, V2a
und V2b gehalten werden kann.
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Somit ist es nicht mehr notwendig, bei einem
durchgeschlagenen Halbleiterschalter V in einem Stromrichterventil SRV die
Stromrichterschaltung zu stoppen. Das beschädigte
abschaltbare Halbleiterventil V kann weiter mit einem intakten
abschaltbaren Halbleiterschalter den Strom schalten. Wenn z. B.
der Halbleiterschalter V1a des Stromrichterventils SRV1
durchgeschlagen ist, dann darf nach der Fehlererkennung das
Stromrichterventil SRV2 nicht mehr eingeschalten werden, weil
sonst der intakte Halbleiterschalter V1b im
Stromrichterventil SRV1 eine zu hohe Spannung sperren muss. Das
Halbleiterventil V1b kann mit dem abschaltbaren Halbleiterschalter V3
des Querzweiges QZ1 weitergeschaltet werden.
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Um den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung eines
dreiphasigen Umrichters symmetrisch zu erhalten, müssen alle Phasenbausteine
dieses dreiphasigen Umrichters in gleichen
Schaltbetriebsmodus gehen. D. h., in allen Phasen wird nur zwischen
dem oberen Stromrichterventil SRV1 und dem Halbleiterschalter
V3 des Querzweiges QZ1 geschaltet. Dadurch funktioniert der
dreiphasige Umrichter wie ein Zweipunkt-Umrichter mit halber
Zwischenkreisspannung UZW und kann dabei den Nennstrom und
die halbe Ausgangsspannung an eine angeschlossene Last
weitergeben. Somit können die Anwendungen mit konstanten Moment
weiterbetrieben werden.
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Die erfindungsgemäße Stromrichterkonfiguration mit direkter
Verbindung des Last-Anschlusses L an den Mittelpunkt-
Anschluss MP und der Reihenschaltung von abschaltbaren
Halbleiterschaltern V bietet folgende Vorteile:
- - Alle Kommutierungspfade im Umrichter sind gleich, und die
Belastung der abschaltbaren Halbleiterventile bleibt auch
gleich. Dieses erlaubt eine einfache Anwendung modularer
Bauweise.
- - Man benötigt keine aufwendige Beschaltung, keine
zusätzliche Steuerung und keine Nullstromerkennung. Die
Ausgangsspannung ist wie bei einer herkömmlichen
Dreipunkt-Stromrichterschaltung stufenförmig.
- - Bei einem NPC-Umrichter mit Mittelpunktsventilen ist die
Anwendung der Beschaltung äußerst schwierig. Durch die
kreisförmige Verbindung der Mittelpunktsventile existiert
bei zugeschaltetem Mittelpunkt ein Freilaufkreis. Führt
man die Mittelpunktsventile mit Beschaltung für Ein- und
Ausschaltentlastung aus, können bei Schaltvorgängen
Freilaufströme im Mittelkreis eingeprägt werden, die zur
zusätzlichen Belastung der Mittelpunktsventile führen. Mit
der direkten Verbindung gemäß der Erfindung existiert kein
Freilaufkreis, so dass der Einsatz von Beschaltungen
vereinfacht wird.
- - Durch die erhöhte Anzahl von in Reihe geschalteten
abschaltbaren Halbleiterventilen in einem
Stromrichterventil, wird bei Ausfall eines abschaltbaren Halbleiterschalters
nicht automatisch das vollständige Stromrichterventil
ausfallen, weil die Spannung von einem abschaltbaren
Halbleiterschalter auf zwei andere aufgeteilt werden kann. Die
Schaltvorgänge mit halber Zwischenkreisspannung sind noch
weiter möglich. Die Stromrichterschaltung kann so bei
reduzierter Ausgangsleistung und vollen Moment eine Last
weitersteuern.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Mehrpunkt-Stromrichterschaltung
könnte die erhöhte Anzahl von abschaltbaren
Halbleiterschaltern im Vergleich zu einem herkömmlichen
NPC-Stromrichterschaltung mit Mittelpunktsdioden sich störend auswirken. Dies
wird durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
N-Punkt-Stromrichterschaltung behoben.
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In der Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Vierpunkt-
Stromrichterschaltung nach der Erfindung schematisch
dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der
Ausführungsform gemäß Fig. 3 dadurch, dass die vorhandenen
Querzweige QZ1, QZ2 jeweils nur zwei abschaltbare
Halbleiterschalter V3, V4 und V6, V7 aufweisen. Außerdem verbinden
diese Querzweige QZ1 und QZ2 die Potentiale der
Verbindungspunkte PP1 und PP2 des Spannungszwischenkreises ZW nicht mehr mit
dem Last-Anschluss L der Stromrichterschaltung, sondern mit
zwei Punkten SP1 und SP2. Der Punkte SP1 ist ein
Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter V1b, V1c
des Stromrichterventils SRV1, wogegen der Punkt SP2 ein
Verbindungspunkt der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter V2a
und V2b des Stromrichterventils SRV2 ist. Durch diese
Verschaltung der beiden Querzweige QZ1 und QZ2 reduziert sich
die Anzahl der abschaltbaren Halbleiterschalter V einer
Mehrpunkt-Stromrichterschaltung. Ein direkter Vergleich mit der
Ausführungsform gemäß Fig. 3 zeigt, dass zwei abschaltbare
Halbleiterschalter V5 und V8 eingespart werden. Demgegenüber
werden dadurch die abschaltbaren Halbleiterschalter V wieder
unterschiedlich belastet. Der Belastungsunterschied der
Stromrichterventile SRV1 und SRV2 ist gegenüber den bekannten
Mehrpunkt-Stromrichterschaltungen gering. Der Vorteil der
reduzierten Anzahl von abschaltbaren Halbleiterschaltern V
macht sich erst bei einer höheren Punktzahl der
Stromrichterschaltung bemerkbar.
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In der Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform einer Fünfpunkt-
Stromrichterschaltung nach der Erfindung dargestellt. Die
Stromrichterventile SRV1 und SRV2 weisen jeweils vier
abschaltbare Halbleiterschalter V1a bis V1d und V2a bis V2d
auf. Eine Fünfpunkt-Stromrichterschaltung weist drei
Querzweige QZ1, QZ2 und QZ3 auf, die die Potentiale der
Verbindungspunkte PP1, PP2 und PP3 des Spannungszwischenkreises ZW
mit den Punkten SP3 und SP4 und den Last-Anschluss L
verbinden. Der Punkt SP3 ist ein Verbindungspunkt der beiden
abschaltbaren Halbleiterschalter V1b und V1c des
Stromrichterventils SRV1, wogegen der Punkt SP4 ein Verbindungspunkt der
beiden abschaltbaren Halbleiterschalter V2b und V2c des
Stromrichterventils SRV2 ist. Damit bei der Durchschaltung
eines Potentials der Spannungszwischenkreises ZW die Anzahl
der anzusteuernden abschaltbaren Halbleiterschalter V immer
gleich ist, weisen die Querzweige QZ1 und QZ3 zwei
abschaltbare Halbleiterschalter V3, V4 und V6, V7 und der Querzweig
QZ2 vier abschaltbare Halbleiterschalter V9, . . ., V12 auf. Bei
einer Fünfpunkt-Stromrichterschaltung gemäß der ersten
Ausführungsform würden die Querzweige QZ1, QZ2 und QZ3 jeweils
vier abschaltbare Halbleiterschalter V aufweisen. Somit
reduziert sich die Anzahl der abschaltbaren Halbleiterschalter V
um vier abschaltbare Halbleiterschalter V. Der
Belastungsunterschied der abschaltbaren Halbleiterschalter V ist
gegenüber bekannten Mehrpunkt-Stromrichterschaltungen immer noch
kleiner. Bei einer Vierpunkt- oder
Fünfpunkt-Stromrichterschaltung ist die Belastung der inneren Halbleiterschalter
V1c und V2a oder V1c, V1b, V2a, V2b genauso groß wie bei
einer Dreipunkt-Stromrichterschaltung mit einer NCP-Topologie.
Mit der erfindungsgemäßen direkten Verbindung verschiedener
Potentialstufen mit dem Last-Anschluss L bzw. mit unterschiedlichen
wechselspannungsseitigen Anschlüssen SP1, SP2
bzw. SP3, SP4 lässt sich ein System mit höherer Anzahl von
Spannungsstufen realisieren. Somit lässt sich eine Mehrpunkt-
Stromrichterschaltung einfach aufbauen. Mit dem Anstieg der
Anzahl der Spannungsstufen erhöht sich auch die Verfügbarkeit
der Stromrichterschaltung. Weiterhin verfügt die Mehrpunkt-
Stromrichterschaltung über eine Notlaufeigenschaft, die ohne
zusätzlichen Hardware-Aufwand realisiert wird.