Beschreibung

Pulswiderstand

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pulswiderstand für einen Umrichter im höheren Spannungs- und Leistungsbereich.

Für geregelte elektrische Antriebe und Energieversorgungsan ^¬ lagen werden in höheren Spannungsbereichen zunehmend Umrich- ter mit eingeprägter Gleichspannung verwendet. Ein solcher

Umrichtertyp wird auch als U-Umrichter bezeichnet. Zu den hö ^¬ heren Spannungsbereichen sind die genormten Mittelspannungen 2,3kV, 3,3kV, 4,16kV und 6,9kV zu zählen.

In der FIG 1 ist ein Ersatzschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten U-Umrichters dargestellt, von dem wegen der übersichtlichkeit nur ein lastseitiger dreiphasiger Stromrichter 2 veranschaulicht ist. Wegen des hohen Spannungsbe ^¬ reiches weisen die Stromrichterventile T1-T6 dieses lastsei- tigen dreiphasigen Stromrichters 2 jeweils mehrere elektrisch in Reihe geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter 4 auf, denen jeweils eine Diode 6 antiparallel geschaltet sind. Da jedes Stromrichterventil T1-T6 drei abschaltbare Halbleiter ^¬ schalter 4 aufweist, wird diese Stromrichtertopologie auch als Zweipunkt-Stromrichter mit der Reihenschaltzahl Drei bezeichnet. Jeweils zwei Stromrichterventile Tl, T2 bzw. T3,T4 bzw. T5,T6 bilden einen Brückenzweig 8, der einen Phasenbau ^¬ stein des Zweipunkt-Stromrichters 2 darstellt. Jeder Verbin ^¬ dungspunkt 10 zweier Stromrichterventile Tl, T2 bzw. T3,T4 bzw. T5,T6 bildet einen Anschluss Ll bzw. L2 bzw. L3 für den Anschluss einer dreiphasigen Last, beispielsweise eines Dreh ^¬ strommotors. Die drei Phasenbausteine 8 des dreiphasigen Stromrichters 2 sind mittels zweier Sammelschienen P ₀ und N ₀ elektrisch parallel geschaltet. Zwischen diesen beiden Sam- melschienen P ₀ und N ₀ ist ein Gleichspannungs-Zwischenkreis- kondensator C _zw geschaltet, der beispielsweise aus einem oder einer Anzahl mehrerer elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteter Kondensatoren besteht. An diesem Gleich-

spannungs-Zwischenkreiskondensator C _zw liegt eine Gleichspannung Ud. In diesem Ersatzschaltbild eines Zweipunkt-Strom ^¬ richters mit der Reihenschaltzahl Drei sind als abschaltbare Halbleiterschalter 4 Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) vorgesehen. Die Reihenschaltzahl ist abhängig von der an Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator C _zw anstehenden Gleichspannung U _d und der Sperrfähigkeit im Handel erhältli ^¬ cher IGBT' s.

Bei einer temporären Energierückspeisung in den Gleichspan- nungs-Zwischenkreiskondensator C _zw kann die am Gleichspan- nungs-Zwischenkreiskondensator C _zw anstehende Gleichspannung Ud derart ansteigen, dass ein zulässiger Maximalwert dieser Gleichspannung überschritten wird. Ein derartiger Fall tritt insbesondere beim Bremsbetrieb eines an den Anschlüssen Ll, L2 und L3 angeschlossenen Drehstrommotors auf. Auch andere Ursa ^¬ chen, die im Allgemeinen von kurzer Dauer sind, beispielsweise schnelle Schwankungen der Netzspannung eines speisenden Netzes oder Lastschwankungen, können zu derartigen überspan- nungen führen. Um diese Problematik zu beherrschen, sind folgende Maßnahmen bekannt :

- Anschluss eines rückspeisefähigen Stromrichters, der e- lektrisch parallel zum Gleichspannungs-Zwischenkreis- kondensator C _zw geschaltet wird. Dadurch kann die überschüssige Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis- kondensator C _zw in ein aufnahmefähiges Netz zurückgeführt werden .

- Anschluss eines pulsgesteuerten Widerstandes an den Sam- melschienen Po, N ₀ des Gleichspannungs-Zwischenkreises, wo ^¬ mit die überschüssige Energie des Gleichspannungs-Zwi- schenkreiskondensators C _zw in Wärme umgewandelt wird.

In der FIG 2 ist ein Ersatzschaltbild eines pulsgesteuerten Widerstandes, der auch als Pulswiderstand bezeichnet, darge ^¬ stellt. Dieser bekannte Pulswiderstand besteht aus einem Stellglied 12 und einem Widerstandselement 14. Als Stellglied 12 wird ein Phasenbaustein 8 verwendet, bei dem die abschalt-

baren Halbleiterschalter 4 des unteren Stromrichterventils T8 nicht benötigt werden. Die Realisierung des oberen Stromrich ^¬ terventils T7 dieses Phasenbausteins 8 entspricht der Reali ^¬ sierung des Stromrichterventils Tl bzw. T3 bzw. T5 des last- seitigen dreiphasigen Stromrichters 2 nach FIG 1. Zum Ver ^¬ ständnis sind im Ersatzschaltbild die abschaltbaren Halblei ^¬ terschalter 4 des unteren Stromrichterventils T8 des Stell ^¬ gliedes 12 des Pulswiderstandes nicht explizit dargestellt. Diese können jedoch im Phasenbaustein 8 vorhanden sein, wer- den jedoch bei der Funktion "Bremsen" nicht angesteuert. E- lektrisch parallel zum unteren Stromrichterventil T8 mit der Reihenschaltzahl Drei ist das Widerstandselement 14 geschal ^¬ tet. Dieses Widerstandselement 14 weist einen ohmschen und einen induktiven Teil 16 und 18 auf. Der induktive Teil 18 veranschaulicht seine parasitäre Induktivität. Dieser Pulswi ^¬ derstand weist für hohe Spannungen folgende Nachteile auf:

a) Die Ströme i _P und i _N in den Zuleitungen 20 und 22 des Pulswiderstandes weisen eine sehr hohe Stromsteilheit di/dt auf, die zur Abstrahlung elektromagnetischer Störun ^¬ gen führen .

b) Um auftretende Spannungen an den abschaltbaren Halbleiter ^¬ schaltern 4 zu begrenzen, müssen die Zuleitungen 20 und 22 räumlich kurz und induktivitätsarm ausgeführt werden.

c) Dieser Pulswiderstand hat Zweipunktverhalten und erzeugt im periodischen Pulsbetrieb eine hohe Wechselstromkompo ^¬ nente des Stromes i _P und i _N in den Zuleitungen 20 und 22.

d) Dieser Pulswiderstand benötigt zu seiner Funktion einen Gleichspannungskondensator C _zw in möglichst unmittelbarer, räumlicher Nähe. D.h., dass dieser Pulswiderstand unmit ^¬ telbar räumlich in der Nähe des Gleichspannungs-Zwischen- kreiskondensators C _zw angeordnet sein muss.

Die Nachteile der Punkte a) und b) sind insbesondere störend, wenn der pulsgesteuerte Widerstand 14 als optionaler Zusatz

zum Stromrichter 2 eingesetzt werden soll. Der Nachteil gemäß Punkt c) führt zu einer erhöhten Welligkeit der Gleichspannung Ud des Gleichspannnungs-Zwischenkreiskondensators C _zw des Zweipunkt-Stromrichters 2 mit der Reihenschaltzahl Drei. Die- se erhöhte Welligkeit verursacht unerwünschte Rückwirkungen auf die Funktion anderer an den Sammelschienen P ₀ ,N ₀ angeschlossener Stromrichter. Durch den Nachteil gemäß Punkt d) kann dieser Pulswiderstand nicht bei Stromrichtertopologien verwendet werden, die keinen Gleichspannungs-Zwischenkreis- kondensator C _zw aufweisen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Pulswiderstand anzugeben, der die aufgeführten Nachteile nicht mehr aufweist .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An ^¬ spruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass anstelle von abschaltbaren Halbleiterschaltern nun wenigstens zwei zweipolige Subsysteme verwendet werden, kann das Widerstandselement des Pulswiderstandes direkt in Reihe zu den elektrisch in Reihe geschalteten Subsystemen geschaltet werden. Durch die Wahl der Anzahl der Subsysteme kann man die Feinstufigkeit der Steuerbarkeit eines Brems- Stromes bestimmen. Da die zweipoligen Subsysteme jeweils ei ^¬ nen unipolaren Speicherkondensator aufweisen, benötigt dieser erfindungsgemäße Pulswiderstand keinen Gleichspannungskonden ^¬ sator mehr. Somit entfällt auch die Bedingung, dass dieser Pulswiderstand in unmittelbarer räumlicher Nähe eines Gleich- spannungs-Zwischenkreiskondensators eines lastseitigen Strom ^¬ richters angeordnet sein muss. D.h., dieser erfindungsgemäße Pulswiderstand kann mittels zweier Zuleitungen, beispielswei ^¬ se Leitungslitzen, mit einer positiven und negativen Sammelschiene eines lastseitigen Stromrichters verbunden sein.

Durch das Zu- und Wegschalten von Subsystemen des erfindungsgemäßen Pulswiderstandes wird ein Bremsstrom in Stufen gesteuert, d.h., der erfindungsgemäße Pulswiderstand weist kein

Zweipunktverhalten mehr auf. Dadurch entstehen in den Zuleitungen des Pulswiderstandes keine hohen Wechselstromkomponenten des Stromes mehr.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Pulswiderstandes sind die Speicherkondensatoren der elektrisch in Reihe geschalteten Subsysteme derart bemessen, dass eine in parasitä ^¬ ren Induktivitäten der Zuleitungen und des Widerstandselementes gespeicherte Energie klein gegenüber einer in diesen Speicherkondensatoren gespeicherten Energie ist. Dadurch wird eine resultierende überspannung beim Abschalten eines Brems ^¬ stromes minimal. Diese Bedingung wird dadurch erreicht, dass die Speicherkondensatoren genügend groß bemessen sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pulswiderstandes sind die Speicherkondensatoren der elektrisch in Reihe geschalteten Subsysteme derart bemessen, dass die aus Widerstandselement und Speicherkondensatoren gebildete Zeit ^¬ konstante klein gegenüber der Dauer eines jeden Schaltzustan- des der Subsysteme ist. Dadurch wird verhindert, dass die

Spannungen an den unipolaren Speicherkondensatoren der elektrisch in Reihe geschalteten Subsystemen unnötig während eines jeden Schaltvorganges schwanken. Diese Bedingung wird ebenfalls durch genügend große Speicherkondensatoren erfüllt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung näher Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulswiderstandes schematisch veranschaulicht ist .

FIG 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines lastseitigen Stromrichters eines aus dem Stand der Technik bekannten U-Umrichters, in der FIG 2 ist ein Ersatzschaltbild eines bekannten pulsge- steuerten Widerstandes dargestellt, die

FIG 3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemä ^¬ ßen Pulswiderstandes, und die

FIG 4 und 5 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung eines Subsystems .

Gemäß dem Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Pulswider- Standes nach FIG 3 sind vier Subsysteme 24 und ein Wider ^¬ standselement 14 elektrisch in Reihe geschaltet. Die Anzahl der Subsysteme 24 sind in dieser Darstellung beispielhaft. D.h., die Anzahl der Subsysteme 24, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, ist beliebig. Beispielsweise bestimmt die Anforderung an einer Feinstufigkeit der Steuerbarkeit eines Bremsstromes i _B die Anzahl der verwendeten Subsysteme 24. Dieser Pulswiderstand wird mittels einer Zuleitung 26 und 28 mit einer Sammelschiene P ₀ und N ₀ eines lastseitigen Strom ^¬ richters 2 elektrisch leitend verbunden. Bestimmte Anforde- rungen an diesen Zuleitungen 26 und 28 wie bei den Zuleitungen 20 und 22 des bekannten Pulswiderstandes gemäß FIG 2 wer ^¬ den beim erfindungsgemäßen Pulswiderstand nicht gestellt.

Um den Bremsstrom i _B zu steuern, müssen nur die einzelnen Subsysteme 24 zu- oder weggeschaltet werden, wobei alle gleichzeitig oder nacheinander zu- oder weggeschaltet werden. Im Ruhezustand, wenn der Bremsstrom i _B Null ist, sind alle Subsysteme 24 in einem Schaltzustand, in denen die Klemmen ^¬ spannungen Ux ₂ I der Subsysteme 24 jeweils unabhängig von der Klemmenstromrichtung von Null verschiedene Werte annehmen und jedes Subsystem 24 je nach Klemmenstromrichtung Energie aufnimmt bzw. abgibt. Dieser Schaltzustand wird gemäß der DE 101 03 031 Al als Schaltzustand II bezeichnet. Um den ma ^¬ ximalen Bremsstrom i _Bm ax zu realisieren, werden alle Subsyste- me in einem Schaltzustand gesteuert, in denen die Klemmen ^¬ spannungen Ux ₂ I der Subsysteme 24 jeweils unabhängig von der Klemmenstromrichtung den Wert Null annehmen. Dieser Schaltzustand wird gemäß der DE 101 03 031 Al mit Schaltzustand I be ^¬ zeichnet. Um feinstufige Zwischenwerte des Bremsstromes (0<i _B <i _Bmax ) zu realisieren, werden in n Subsystemen 24 nur eines bis n-lSubsysteme 24 in dem Schaltzustand I geschaltet. Die verbleibenden Subsysteme 24 werden im Schaltzustand II belassen .

Entsprechend dem aus DE 101 03 031 Al bekannten Verfahren zur Symmetrierung der an den Speicherkondensatoren 40 der n Subsystemen 24 anstehenden Spannungen U ₀ werden innerhalb einer Reihenschaltung von n Subsystemen 24 jeweils die Subsysteme 24 mit den höchsten Kondensator-Spannungen U ₀ bevorzugt in den Schaltzustand I geschaltet.

Um diese Kondensatorspannungen U _c nicht unnötig stark während der Schaltvorgänge schwanken zu lassen, ist es vorteilhaft und sinnvoll, die Dauer jedes Schaltzustandes klein gegen die aus den ohmschen Widerstandelement 14 und den Speicherkondensatoren 40 der n Subsystemen 24 gebildete Zeitkonstante zu wählen. Dies wird durch genügend große Speicherkondensatoren 40 der n Subsysteme 24 erreicht. Eine zweite Möglichkeit be- steht darin, die Schaltfrequenz genügend hoch zu wählen.

Um eine beim Abschalten des Bremsstromes i _B resultierende überspannung der Speicherkondensatoren 40 der n Subsysteme 24 zu minimieren, ist es anzustreben, die in den parasitären In- duktivitäten 30 und 18 der Zuleitungen 26,28 und des Widerstandselementes 14 gespeicherten Energien klein gegen die in den Speicherkondensatoren 40 der n Subsystemen 24 gespeicherten Energien zu halten. Dies kann immer durch genügend groß bemessene Speicherkondensatoren 40 der n Subsystemen 24 er- reicht werden.

Die FIG 4 zeigt eine aus der DE 101 03 031 Al bekannte einfa ^¬ che Schaltungsanordnung für das Subsystem 24 des Pulswiderstandes nach FIG 3. Die Schaltungsanordnung nach FIG 5 stellt eine funktional völlig gleichwertige Variante dar. Dieses be ^¬ kannte zweipolige Subsystem 24 weist zwei abschaltbare Halb ^¬ leiterschalter 32 und 34, zwei Dioden 36 und 38 und einen u- nipolaren Speicherkondensator 40 auf. Die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 32 und 34 sind elektrisch in Reihe ge- schaltet, wobei diese Reihenschaltung elektrisch parallel zum Speicherkondensator 40 geschaltet ist. Jedem abschaltbaren Halbleiterschalter 32 und 34 ist eine der beiden Dioden 36 und 38 derart elektrisch parallel geschaltet, dass diese zum

korrespondierenden abschaltbaren Halbleiterschalter 32 oder 34 antiparallel geschaltet ist. Der unipolare Speicherkonden ^¬ sator 40 des Subsystems 24 besteht entweder aus einem Kondensator oder einer Kondensatorbatterie aus mehreren solchen Kondensatoren mit einer resultierenden Kapazität C ₀ . Der Verbindungspunkt von Emitter des abschaltbaren Halbleiterschal ^¬ ters 32 und Anode der Diode 36 bildet eine Anschlussklemme Xl des Subsystems 24. Der Verbindungspunkt der beiden abschalt ^¬ baren Halbleiterschalter 32 und 34 und der beiden Dioden 36 und 38 bilden eine zweite Anschlussklemme X2 des Subsystems 24.

In der Ausführungsform des Subsystems 24 gemäß FIG 5 bildet dieser Verbindungspunkt die erste Anschlussklemme Xl. Der Verbindungspunkt von Drain des abschaltbaren Halbleiterschal ^¬ ters 34 und Kathode der Diode 38 bildet die zweite Anschluss ^¬ klemme X2 des Subsystems 24.

Im Schaltzustand I ist der abschaltbare Halbleiterschalter 32 eingeschaltet und der abschaltbare Halbleiterschalter 34 aus ^¬ geschaltet. Um den Schaltzustand II zu erreichen, sind der abschaltbare Halbleiterschalter 32 ausgeschaltet und der aus ^¬ schaltbare Halbleiterschalter 34 eingeschaltet. Im Schaltzu ^¬ stand I ist die Klemmenspannung U _x2 i des Systems 24 gleich Null, wogegen im Schaltzustand II die Klemmenspannung U _x2 i gleich der am Speicherkondensator 40 anstehenden Kondensatorspannung Uc ist.

Durch die Wahl der Anzahl der elektrisch in Reihe geschalte- ten Subsysteme 24 des Pulswiderstandes nach FIG 3 kann dieser erfindungsgemäße Pulswiderstand mit einfachen Mitteln an jede beliebige genormte Mittelspannung angepasst werden. Mit der Wahl der Anzahl von Subsystemen 24 des Pulswiderstandes nach FIG 3 wird ebenfalls die an jedem Speicherkondensator 40 an- stehende Kondensatorspannung U ₀ vorbestimmt. Diese Kondensa ^¬ torspannung Uc bestimmt auch die Spannungsfestigkeit der bei ^¬ den abschaltbaren Halbleiterschalter 32 und 34. Als abschaltbarer Halbleiterschalter 32 und 34 werden wie in den Figuren

4 und 5 dargestellt Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet. Ebenfalls können MOS-Feldeffekttransisto- ren, auch als MOSFET bezeichnet, verwendet werden.

Mit diesem erfindungsgemäßen Pulswiderstand lassen sich alle zuvor genannten Nachteile a) bis d) vermeiden. Dieser Pulswiderstand nach der Erfindung weist darüber hinaus noch die folgenden Vorzüge auf:

- Feinstufige Steuerbarkeit des Bremsstromes i _B in mehreren Zwischenstufen, entsprechend der Anzahl der reihengeschalteten Subsysteme 24. - Einheitliche Realisierung mit den aus der

DE 101 03 031 Al bekannten Subsystemen.

Die Summe dieser Eigenschaften rechtfertigt, insbesondere für Umrichter im höheren Spannungs- und Leistungsbereich, die höhere Anzahl an Bauelementen.