PRÜFSCHALTUNG FÜR HOCHLEISTUNGS-HALBLEITERELEMENT Die Erfindung betrifft eine PrüfSchaltung für ein Hochleis- tungs-Halbleiterelement in Stromrichtern für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, umfassend einen Hochspannungskreis mit einem Anschluss für das Hochleistungs-Halbleiter- element und einer mit dem Hochleistungs-Halbleiterelement verbindbaren Hochspannungsquelle. Sie betrifft weiter ein

Verfahren zur Prüfung eines Hochleistungs-Halbleiterelements .

Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) dient insbesondere der Energieübertragung mittels Gleichstrom über weite Entfernungen - in der Regel Entfernungen von rund 750 km aufwärts. Hierfür ist zwar ein vergleichsweise hoher technischer Aufwand für hochspannungstaugliche, aufwendige Stromrichter vonnöten, da elektrische Energie in Kraftwerken fast immer durch Synchron-Generatoren als Dreiphasenwechselstrom der Frequenz 50 Hz bzw. 60 Hz erzeugt wird. Allerdings führt die HGÜ ab bestimmten Entfernungen trotz des technischen Aufwands und der zusätzlichen Konverterverluste zu in der Summe gerin ^¬ geren Übertragungsverlusten als die Übertragung mit Dreiphasenwechselstrom.

Die in den Stromrichtern oder in Statischen Blindleistungs- kompensatoren verwendeten Hochleistungs-Halbleiterelemente, insbesondere die Thyristorventile, müssen Leistungsprüfungen unterzogen werden. Dies erfolgt entweder in einer so genann- ten Back-to-back-Verbindung, bei der Gleich- und Wechselrichter „Rücken an Rücken" stehen, also im Gegensatz zu anderen HGÜ Anlagen, bei denen - wie oben beschrieben - oft große Distanzen zwischen den Stationen liegen, räumlich kaum voneinander getrennt sind, oder mittels einer synthetischen Prüf- Schaltung, d. h. konstruierten PrüfSchaltungen, in denen der Prüfling angeschlossen werden kann und in die die Spannungsund Stromverläufe, denen der Prüfling im realen Betrieb unterliegt, nachbilden. Durch die immer weiter ansteigende Übertragungsleistung von heutigen HGÜ-Systemen müssen für die Prüfung benötigte Back- to-back-Prüfeinrichtungen allerdings vergleichsweise groß di ^¬ mensioniert und für die entsprechende Leistung ausgelegt sein. Synthetische PrüfSchaltungen, wie sie beispielsweise aus IEC 60700-1, „Thyristor valves for high voltage direct current (HVDC) power transmission, Parti: Electrical Testing" IEC (International Electrotechnical Commission) , Geneva, 2008; aus IEC 61954, „Static var compensators (SVC) - Testing of thyristor valves," IEC (International Electrotechnical Commission), Geneva, 2011; und aus IEEE (Institute of

Electrical and Electronics Engineers) , „IEEE 857, Guide for Testing of Thyristor Valves," IEEE, 1996 bekannt sind, benö ^¬ tigen hingegen nur 1 bis 2 % der Auslegungsgröße von ver- gleichbaren Back-to-back-PrüfSystemen, indem sie einen separaten Hochstrom- und Hochspannungskreis verwenden, die je ^¬ weils mit dem Prüfling verbindbar sind (d. h. über einen entsprechend ansteuerbaren Schalter oder ein Ventil mit diesem verbunden sind) .

Die bisher bekannten synthetischen PrüfSchaltungen umfassen hierbei einen oder mehrere LC-Schwingkreise zur Erzeugung der Hochspannung und daneben einen Hochstromkreis, der seinen Strom über einen Transformator aus dem Versorgungsnetz be- zieht. Hierbei sind leicht unterschiedliche Konzepte auf der genannten Basis „Schwingkreis/Hochstrom" bekannt. Ein bekanntes Konzept der Anmelderin nutzt einen Freilaufpfad, der aus der Hochspannungsquelle getrieben wird, zur Überlagerung des Hochstromes. Andere bekannte Systeme nutzen ihren Schwing- kreis nur zum Ein- und Ausschalten des Prüflings, während in der Hochstrom-Phase die Hochspannung mit einem Hilfsventil vom Prüfling getrennt wird.

In beiden Varianten sind die Ausschalt-Parameter des Prüf- lings von den Einschalt-Parametern abhängig und schränken so die Einstellung der Prüfbedingungen stark ein. Bedingt durch die Nachladung der Schwingkreise in Zusammenhang mit dem Hochstromkreis sind die aktuellen synthetischen PrüfSchaltungen von der Netzfrequenz abhängig, d. h. auch Prüflinge, die später in einem 60-Hz-Netz betrieben werden, können bei der Prüfung nur bei 50 Hz belastet werden, so dass Anpassungen der Parameter nötig sind. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine PrüfSchaltung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die eine besonders flexible Einstellung der Prüfbedingungen erlauben und insbesondere unabhängig von der Netzfrequenz funktionieren .

Diese Aufgabe wird bezüglich der PrüfSchaltung erfindungs ^¬ gemäß gelöst, indem die Hochspannungsquelle eine Mehrzahl von in einer ersten Reihe geschalteten spannungsgeführten Stromrichtermodulen umfasst.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders flexible Einstellung der Prüfbedingungen durch die Verwendung einer flexibleren Spannungsquelle während der Prüfung möglich wäre. Hierbei hat sich herausgestellt, dass ins- besondere die bislang verwendeten, auf netzgeführten Stromrichtern (englisch: Line-commutated Converter, kurz LCC) basierenden Systeme nicht die benötigte Flexibilität aufweisen, da sie zwingend von der Netzfrequenz abhängig sind. Eine Unabhängigkeit von der Netzfrequenz wird dadurch gegeben, dass eine frei steuerbare Hochspannungsquelle mit spannungsgeführ ^¬ ten Stromrichtermodulen (englisch: Voltage-Source Converter, kurz VSC) verwendet werden. Hierunter wird ein Modul verstanden, das eine Gleichspannungsquelle in der Art einer Batterie umfasst, dessen Spannungswert an den Anschlüssen durch ent- sprechende Ansteuerung von ebenfalls im Modul enthaltenen

Schaltern mit einer Steuerspannung variiert werden kann. Mit diesen Modulen ist es möglich, die realen Betriebs-Spannungs- Verläufe für ein zu prüfendes LCC-Ventil praktisch beliebig (mit der Diskretisierung der Spannung eines der Module) nach- zubilden. Es ist keine Hardwareanpassung für 50-Hz- oder 60- Hz-Anwendung mehr nötig.

Bevorzugt umfasst die PrüfSchaltung weiterhin eine in eine zweite Reihe geschaltete Mehrzahl von spannungsgeführten Stromrichtermodulen, die mit der Primärseite eines Hochstromtransformators verbindbar ist und bei dem die Sekundärseite des Hochstromtransformators mit dem Hochleistungs-Halbleiter- element verbindbar ist. Dadurch kann auch eine Hochstromprü- fung des Prüflings erfolgen. Durch den Hochstromtransforma ^¬ tor, der mit einem Wicklungsverhältnis von drei oder mehr ausgebildet ist, kann ein an der Primärseite fließender Strom vervielfacht werden. Durch die Ansteuerung des Hochstromtransformators mittels der Spannung aus der zweiten Reihe von spannungsgeführten Stromrichtermodulen, die natürlich ebenso frei steuerbar sind, kann auch eine vollkommen flexible

Stromprüfung des Prüflings erfolgen.

Vorteilhafterweise ist die zweite Reihe von Stromprüfungs- modulen mit der ersten Reihe in Serie geschaltet. Dies ermög ^¬ licht ein gemeinsames Aufladen der beiden Reihen mit der benötigten Spannung.

Die im Folgenden beschriebenen Strukturen von spannungsge- führten Stromrichtermodulen gelten bevorzugt für jedes der spannungsgeführten Stromrichtermodule. Die spannungsgeführten Stromrichtermodule sind vorzugsweise identisch ausgebildet.

Vorzugsweise umfasst das jeweilige spannungsgeführte Strom- richtermodul einen Kondensator und vier Transistoren in einer Vollbrücke, d. h. jeweils zwei in gleicher Richtung seriell geschaltete Transistoren, zwischen denen einer der externen Anschlüsse angeordnet ist, sind in gleicher Richtung mitei ^¬ nander und zum Kondensator parallel geschaltet. Hierdurch er- gibt sich eine Form in der Art eines H.

Vorzugsweise ist der jeweilige, insbesondere jeder Transistor ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Diese eignen sich besonders für die hier vorgesehene Anwendung im Hochleistungsbereich, da sie über eine hohe Vorwärts-Sperr- spannung (derzeit bis 6, 6 kV) verfügen und hohe Ströme (bis etwa 3 kA) schalten können. Das jeweilige, vorzugsweise jedes spannungsgeführte Strom ^¬ richtermodul ist vorzugsweise für eine Nennspannung von mehr als 800 V und/oder einen Nennstrom von mehr als 500 A ausgelegt. Hierdurch wird eine übermäßig große Anzahl von Modulen vermieden. Bei niedrigeren Nennspannungen müssten zur Erreichung der notwendigen Spannungen von mehr als 50 kV für die Prüfung sonst zu viele Module verwendet werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die PrüfSchaltung mehr als zehn, bevorzugt mehr als dreißig spannungsgeführte Strom ^¬ richtermodule. Einerseits können mit einer höheren Anzahl hö ^¬ here Gesamtspannungen über die jeweilige Reihe erreicht wer ^¬ den, andererseits können durch eine hohe Anzahl feinere dis ^¬ krete Spannungssprünge beim Erzeugen einer Spannungskurve für die Prüfung erreicht werden.

Die PrüfSchaltung umfasst weiterhin vorteilhafterweise einen netzgespeisten Gleichrichter, der mit der Hochspannungsquelle verbindbar ist. Mittels eines derartigen Gleichrichters kön- nen die in den Reihen angeordneten spannungsgeführte Stromrichtermodule bzw. die in ihnen angeordneten Kondensatoren aufgeladen werden.

Dem Gleichrichter ist dabei bevorzugt ein Hochspannungstrans- formator vorgeschaltet, der weiter bevorzugt für eine Aus ^¬ gangsspannung von mehr als 25 kV ausgelegt ist. Hierdurch können die für die Prüfung benötigten Spannungen in der Hochspannungsquelle einfach erreicht werden. Das in der PrüfSchaltung geprüfte Hochleistungs-Halbleiter- element ist vorzugsweise ein Thyristor, wie er in einem netzgeführten Stromrichter insbesondere für die Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung zur Anwendung kommt. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein

Verfahren zur Prüfung eines Hochleistungs-Halbleiterelements , bei dem eine Prüfverlaufsspannungskurve für eine Hochspan ^¬ nungsprüfung des Hochleistungs-Halbleiterelements vorgegeben wird, und bei dem die vorgegebene Prüfverlaufsspannungskurve durch Ansteuerung von spannungsgeführten Stromrichtermodulen in einer ersten Reihe nachgebildet wird. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Prüf erlaufsspannungskurve für eine Hoch ^¬ spannungsprüfung des Hochleistungs-Halbleiterelements vorge ^¬ geben (Prüfplan) . Hierbei werden beim Ein- und Ausschalten des Prüflings unabhängig die Spannungen korrekt eingestellt, und die Prüfverlaufsspannungskurve bildet auch die in der Sperrphase typischen Spannungssprünge, die im Anlagenbetrieb durch die Kommutierungen der Nachbarventile entstehen, abgebildet. Die vorgegebene Prüfverlaufsspannungskurve wird dann durch Ansteuerung der spannungsgeführten Stromrichtermodule der ersten Reihe nachgebildet. Dies erfolgt durch entspre ^¬ chende Ansteuerung der Steuerelektronik der spannungsgeführten Stromrichtermodule die entweder keine oder wahlweise po ^¬ sitive/negative Spannung des Kondensators an ihren Ausgängen anlegen können. Durch entsprechende Kombination von Schaltstellungen wird durch die Addition der Spannungen in der Reihe die gewünschte Spannung zum gewünschten Zeitpunkt einge ^¬ stellt. Maximum ist hierbei die Addition aller Spannungen, und die Spannung kann nur in diskreten Abständen von einer Spannung eines der Kondensatoren der spannungsgeführten

Stromrichtermodule eingestellt werden.

Bevorzugt wird auch eine Prüfverlaufsstromkurve für eine Hochstromprüfung des Hochleistungs-Halbleiterelements vorge ^¬ geben, die sodann im Rahmen der Prüfung durch Ansteuerung der spannungsgeführten Stromrichtermodule der zweiten Reihe nachgebildet wird. Da diese mit dem Hochstromtransformator verbunden sind, kann hierdurch ein hoher Strom durch den Prüfling erreicht werden, dessen Verlauf ebenfalls durch die be ^¬ liebige Ansteuerbarkeit der spannungsgeführten Stromrichtermodule vollkommen flexibel ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch den Einsatz der VSC-Module die Prüf- Hochspannung flexibel zu jedem Zeitpunkt der Periode einge ^¬ stellt werden kann. Der Spannungsbereich beläuft sich von nahezu 0 V bis zur maximal ausgelegten Spannung der Prüfschaltung, in der Anwendung der Anmelderin ca. ±70 kV. Hierdurch können alle Prüfschritte nach Normen IEC 60700-1 und IEC 61954 von „Minimal-Spannungsbetrieb" über „Nennbetrieb" bis hin zum „Maximal-Spannungsbetrieb" in einem Prüfdurchlauf ab ^¬ gearbeitet werden. Erneute Dimensionierungen einer Schwing- kreisschaltung oder die Anpassung von Hilfsventilen für jeden einzelnen Prüfschritt sind nicht nötig. Die neue Schaltung ist auch frequenzunabhängig, da die Leistung aus den Modulkondensatoren genommen wird, die quasi kontinuierlich nachgeladen werden.

Bis zu Prüfströmen von ca. 1 kA ist kein Hochstromkreis er ^¬ forderlich, für größere Ströme kann eine Hochstromquelle mit Netztransformator (wie bisher) über ein Hochstrom-Hilfsventil oder ein ebenfalls über VSC-Module gespeister Hochspannungs- transformator Anwendung finden. Durch die Nutzung eines Hochstromtransformators ist die Dimensionierung des Hochstrom ^¬ kreises sehr einfach: Da der Hochstromtransformator aus den Speicherkondensatoren der VSC-Module gespeist wird, ergeben sich sehr geringe Rückwirkungen auf das speisende Netz. Es werden lediglich die Verluste von Prüfling und PrüfSchaltung aus dem Netz entnommen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen Schaltplan einer synthetischen PrüfSchaltung,

FIG 2 einen Schaltplan eines VSC-Moduls, und FIG 3 eine graphische Darstellung von Spannung und Strom in einer Simulation der synthetischen Prüfschaltung .

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei- chen versehen.

FIG 1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer synthetischen PrüfSchaltung 20 für ein Hochleistungs-Halbleiterele- ment 11, wie es in Stromrichtern für die Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung zur Anwendung kommt. In der linken Hälfte der FIG 1 ist ein übliches 20-kV-Wechselstromnetz gezeigt, welches durch eine dreiphasige Spannungsquelle 1 re ^¬ präsentiert wird, in der FIG 1 dargestellt durch drei jeweils um 120 Grad phasenverschobene Spannungsquellen 1 in paralle ^¬ len Stromwegen. Das 20-kV-Wechselstromnetz weist ebenfalls eine Netzimpedanz 2 auf, die mit Z _n bezeichnet ist und eben ^¬ falls in jedem der drei parallelen Stromwege an die Spannungsquellen 1 anschließend dargestellt ist.

In den drei Stromwegen folgt als nächstes ein bedarfsweise schaltbar überbrückbarer Ladewiderstand 17 für die noch im Folgenden anhand der FIG 1 und FIG 2 noch erläuterten VSC-Module 16 ( spannungsgeführte Stromrichtermodule) zu Beginn des Betriebs. Das 20-kV-Wechselstromnetz speist eine Hochgleichspannungsquelle 21, welche ausgehend vom Wechselstromnetz zu ^¬ nächst einen Dreiphasentransformator 3 speist. Die Hochgleichspannungsquelle 21 weist eine mit Z _k bezeichnete Kommu ^¬ tierungsimpedanz 4 auf, die im Anschluss an den Dreiphasen- transformator 3 anschließend dargestellt ist.

Die Hochgleichspannungsquelle 21 weist im Ausführungsbeispiel einen ungesteuerten Sechspulsgleichrichter 5 auf, der als Diodenbrücke in der Bauform B6 mit sechs Dioden ausgebildet ist. Andere Ausführungsformen können hierbei selbstverständ ^¬ lich auch andere Gleichrichter verwenden, so z. B. mit größeren Anzahlen von Dioden oder gesteuerte Gleichrichter. Die Hochgleichspannungsquelle 21 fungiert als Ladesystem für die VSC-Module 16 während des Prüfbetriebs und stellt die Gleich- Spannung U _D c zur Verfügung .

Die Gleichspannung U _D c ist über ein Sperrventil 6 an eine Reihe seriell geschalteter VSC-Module 16 angelegt. Diese bil ^¬ den die eigentliche Hochspannungsquelle 28 für den im Folgen- den noch erläuterten Prüfbetrieb und werden durch die Hochgleichspannungsquelle 21 lediglich vorab aufgeladen. Das Sperrventil 6 ist als Thyristor in Sperrrichtung mit der Bezeichnung V _B , _U ausgebildet und sperrt die Gleichspannung U _D c während der im Folgenden noch erläuterten Spannungsprüfung von den VSC-Modulen 16 ab. Zwischen zwei VSC-Modulen 16 der Reihe ist eine Erdung 18 vorgesehen, die den Trennpunkt zwi ^¬ schen Hochspannungskreis 22 (VSC-Module 16 zwischen Sperrven ^¬ til 6 und Erdung 18) und Hochstromkreis 23 (VSC-Module 16 zwischen Erdung 18 und positivem Pol der Hochgleichspannungs ^¬ quelle 21) bildet. Die VSC-Module 16 werden damit in eine erste Reihe 29 des Hochspannungskreises 22 und eine zweite Reihe 30 des Hochstromkreises 23 getrennt. Im nur schematisch dargestellten Schaltplan ist die Anzahl der VSC-Module 16 hierbei nicht festgelegt, unterschiedliche Ausführungsbeispiele können unterschiedliche (feste) Anzahlen von VSC-Modulen 16 vorsehen: Es ist eine Mehrzahl von n _V sc,u VSC-Modulen 16 im Hochspannungskreis 22 und eine Mehrzahl von n _V sc, i VSC-Modulen 16 im Hochstromkreis 23 vorgesehen, wobei die Gesamtzahl der VSC-Module damit n _V sc = n _V sc,u + nvsc, i be ^¬ trägt. Über der Reihe 29 der n _V sc,u VSC-Module 16 im Hochspan ^¬ nungskreis 22 liegt die Spannung U _V sc,u an, Über der Reihe 30 der n _V sc, i VSC-Module 16 im Hochstromkreis 23 liegt die Span- nung U _V sc, i an.

Das Hochleistungs-Halbleiterelement 11, welches den auch mit VUT (Valve under Test) bezeichneten Prüfling darstellt, ist an den Anschlüssen 31 in einer sogleich beschriebenen Schal- tung mit dem Hochspannungskreis 22 verbunden, indem diese den n _V sc, _u VSC-Modulen 16 im Hochspannungskreis 22 zwischen Sperr ^¬ ventil 6 und Erdung 18 über eine Kommutierungsdrossel 10 mit der Induktivität L _Ku parallel geschaltet ist. Die Schaltung des über die Anschlüsse 31 angeschlossenen

Prüflings (im Ausführungsbeispiel ein Thyristor) umfasst da ^¬ bei ein seriell vor dem Hochspannungs-Halbleiterelement 11 angeordnetes Sättigungsdrosselventil 12 mit der Induktivität L _V D, welches die Stromanstiegsgeschwindigkeit zum Prüfling zu Beginn des Stromflusses begrenzt und erst durch Eintreten der Sättigung seine Induktivität im Wesentlichen verliert. Wei ^¬ terhin ist zu dem Prüfling und seinem vorgeschalteten Sättigungsdrosselventil 12 ein Steuerkondensator 15 mit der Kapa ^¬ zität C _K parallel geschaltet. Der in FIG 1 dargestellte Schaltplan zeigt zudem als Ersatzschaltbild parallel zum Prüfling geschaltet einen Widerstand 13 und einen Kondensator 14, die den Ersatzwiderstand R _ERS bzw. die Ersatzkapazität C _ERS des Prüflings darstellen. Er ^¬ satzwiderstand R _ERS bzw. Ersatzkapazität C _ERS des Prüflings sind in der FIG 1 zwar als reale Bauteile dargestellt, sind aber - wie bei Ersatzschaltbildern üblich - im Gegensatz zu den übrigen beschriebenen Bauteilen nicht in der realen

Schaltung vorhanden, sondern stellen lediglich eine Repräsentation von intrinsischen Eigenschaften des Prüflings zu Zwecken der Darstellung und Berechnung dar. Der zur Kommutierungsdrossel 10 fließende Strom wird mit Ivsc, _u bezeichnet, der zum Prüfling fließende Strom mit Ivu _T und die über die Schaltung des Prüflings anliegende Spannung mit U _VUT ·

Die n _V sc, i VSC-Module 16 im Hochstromkreis 23 sind über ein antiparalleles, mit V _B ,i2 bezeichnetes Sperrthyristorpaar 8 mit der Primärseite eines Hochstromtransformators 9 verbun- den. Mit anderen Worten: Ein Pol der Primärseite des Hochstromtransformators 9 ist mit der Erdung 18, der andere Pol über das Sperrthyristorpaar 8 mit dem positiven Pol der Hochspannungsquelle 21 verbunden. Auf der Primärseite des Hoch ^¬ stromtransformators 9 liegt die Spannung ui an, hier fließt der Strom i i .

Der Hochstromtransformator 9 ist durch eine geringere Windungszahl in der Spule der Sekundärseite gegenüber der Spule der Primärseite gekennzeichnet, so dass die an der Sekundär- seite erzeugte Spannung U2 zwar niedriger, der hier fließende Strom 2 jedoch höher ist. Die Sekundärseite des Hochstrom ^¬ transformators 9 ist über einen weiteren, mit V _B ,i2 bezeichne ^¬ ten Sperrthyristor 7 in Schaltrichtung mit der Schaltung des Prüflings verbunden, d. h. ein Pol der Sekundärseite des Hochstromtransformators 9 ist wiederum mit der Erdung 18 ver ^¬ bunden, der andere Pol des Hochstromtransformators 9 über den Sperrthyristor 7 mit dem Eintritt der Schaltung des Prüflings, d. h. dem Sättigungsdrosselventil 12. Wie bereits beschrieben bilden die insgesamt n _V sc VSC-Module 16 zentrale Elemente innerhalb der synthetischen Prüfschal ^¬ tung 20. Sie sind identisch ausgebildet. Ihr Aufbau wird an ^¬ hand der FIG 2 erläutert.

FIG 2 zeigt den Schaltplan eines der VSC-Module 16. Das VSC- Modul 16 hat zwei externe Anschlüsse 24, bezeichnet mit A und B, und umfasst im bevorzugten Ausführungsbeispiel vier nor ^¬ malleitende Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch: Insulated-Gate bipolar Transistor, kurz IGBT) 25, denen jeweils eine Freilaufdiode 26 zum Schutz vor einer Überspannung beim Abschalten parallel geschaltet ist. Prinzipiell sind aber auch andere Arten von Transistoren verwendbar .

Die IGBTs 26 sind mit einem Kondensator 27 mit der Kapazität Cvsc als zentrales Element in der Art einer Vollbrücke ver ^¬ schaltet, d. h. jeweils zwei in gleicher Richtung seriell ge ^¬ schaltete IGBTs 25, zwischen denen einer der externen An- Schlüsse 24 angeordnet ist, sind in gleicher Richtung mitei ^¬ nander und zum Kondensator 27 parallel geschaltet. Die IGBTs 25 stellen Schalter S ₁ ...S ₄ dar, die mittels einer nicht wei ^¬ ter dargestellten Steuerelektronik einzeln ansteuerbar/ schaltbar sind. Dadurch kann die am Kondensator 27 anliegende Spannung U _c in beliebiger Richtung auf die externen Anschlüsse 24 zwischen A und B geschaltet werden. Zwischen den Anschlüssen 24 A und B liegt demnach je nach Schaltzustand der Schalter S ₁ ...S ₄ , d. h. der IGBTs 25, entweder +U _C , -U _c oder 0 V an. Jede Stromrichtung ist dabei möglich.

Nachdem anhand der FIG 1 und der FIG 2 die Struktur der synthetischen PrüfSchaltung 20 beschrieben wurde, wird nunmehr im Folgenden das Prüfverfahren unter anderem anhand der FIG 3 beschrieben. Die Funktionsweise und die Interaktion der ver- schiedenen Komponenten aus der FIG 1 und der FIG 2 werden dabei ebenfalls beschrieben.

Die Hochgleichspannungsquelle 21 im linken Bereich der FIG 1 ist wie bereits beschrieben an ein dreiphasiges 20-kV-Dreh- Stromnetz angeschlossen sowie mit der Reihenschaltung der VSC-Module 16 verbunden. Die Hochgleichspannungsquelle 21 hat somit die Aufgabe, die VSC-Module 16 abhängig von den Verlus ^¬ ten in der synthetischen PrüfSchaltung 20 aufzuladen.

Während des Anfahrprozesses der synthetischen PrüfSchaltung 20 sind die Kondensatoren 27 der VSC-Module 16 nicht geladen und somit nicht ansteuerbar. Die verwendeten VSC-Module 16 der Anmelderin im Ausführungsbeispiel haben eine Nennspannung von 1,6 kV und einen Nennstrom von 1 kA. In dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sind 54 VSC-Module 16 vor ^¬ gesehen und die Spannung der Hochgleichspannungsquelle 21 be ^¬ trägt 50 kV. Im Anfahrprozess sind die Ladewiderstände 17 aktiv, das

Sperrventil 6 wird gezündet und aufgrund der beschriebenen Struktur laden sich somit die Kondensatoren 27 der VSC-Module 16 auf eine Spannung U _c = U _D c / n _V sc = ca. 920 V auf. Sobald in jedem der VSC-Module 16 eine Spannung von etwa 800 V erreicht wird, wird die Steuerelektronik der VSC-Module 16 aktiv und die IGBTs 25 der VSC-Module 16 sind als Schalter S1. . .S4 steuerbar. Die VSC-Module 16 können somit graduell auf die gewünschte Nennspannung von 1,6 kV gebracht werden, indem bereits geladene VSC-Module 16 in ihrer Polung verändert wer- den, so dass sich ihre Spannung beim Laden der übrigen VSC- Module 16 zur Spannung der Hochgleichspannungsquelle 21 ad ^¬ diert .

Sobald der Anfahrprozess beendet ist, wird die Hochgleich- spannungsquelle 21 ausgeschaltet und das Sperrventil 6 geht in einen Sperrzustand. Durch entsprechende zeitliche Ansteue- rung der Steuerelektronik der VSC-Module 16 im Hochspannungskreis 22 kann der Prüfling nunmehr mit beliebigen Spannungsverläufen beschaltet werden, die innerhalb der Grenzen von +n _V sc,u * 1/6 kV und -n _V sc,u * 1/6 kV liegen und mit 1,6 kV dis- kretisiert sind.

Die FIG 3 zeigt in einer graphischen Darstellung einen derartigen Spannungs- und Stromverlauf. In dem Graph sind über ei- nen Zeitraum von 0 bis 0, 022 Sekunden die Spannungen U _V sc,u (Spannung über der Reihe 29 der VSC-Module 16 im Hochspannungskreis 22) und UVUT (Spannung über die Schaltung des Prüf ^¬ lings) auf einer Skala von -32 kV bis +64 kV und der Strom Ινυτ (Strom über die Schaltung des Prüflings) auf einer Skala von -4000 A bis +8000 A aufgetragen. Nicht aufgetragen ist die Spannung über der Reihe 30 der VSC-Module 16 im Hochstromkreis 22, diese wird jedoch anhand der folgenden Be ^¬ schreibung offenbart. Der Graph wurde anhand einer Simulation ermittelt.

Das beschriebene Verhalten des Hochspannungskreises 22 ist im rechten Teil der FIG 3, ab einem Zeitraum >8 ms dargestellt. Der Hochstromkreis 23 ist im Bereich von >8 ms nicht aktiv und eine typische Ventilspannungskurve U _V sc,u _/ wie sie in

Stromrichtern für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung während des Wechselrichterbetriebs auftritt, wird durch die Ansteuerung der Steuerelektroniken der VSC-Module 16 im Hochspannungskreis 22 und dadurch resultierende Betätigung der jeweiligen Schalter S1. . .S4 erzeugt. Mit dieser Hochspannungskurve kann der Prüfling umfassend getestet werden.

Der Hochstromkreis 23 operiert in ähnlicher Weise: Durch die VSC-Module 16 im Hochstromkreis 23 können analog zum Hoch- spannungskreis 22 beliebige Spannungsverläufe U _V sc,i an der Primärseite des Hochstromtransformators 9 über die entspre ^¬ chende Ansteuerung der Steuerelektroniken erzeugt werden. Da die Nennspannung eines verwendeten IGBTs 25 lediglich 1 kA beträgt, erhöht der Hochstromtransformator 9 den Strom auf den benötigen Maximalwert von etwa 6 kA. Das Sperrthyristorpaar 8 sperrt die Spannung der VSC-Module 16 vom Hochstromtransformator 9 ab, während diese geladen werden. Der Sperrthyristor 7 sperrt die Spannung des Hochspannungskreises 22 vom Hochstromkreis 23 ab, wenn letzterer nicht aktiv ist.

Sobald mittels entsprechender Ansteuerung der Steuerelektroniken der VSC-Module 16 im Hochstromkreis 23 eine positive Spannung an den Primärkreis des Hochstromtransformators 9 an- gelegt wird, und der Prüfling gezündet wird, beginnt der Pri ^¬ märstrom ii gemäß der folgenden Gleichung anzusteigen:

Hierbei ist U _V sc, i(t)der Spannungsverlauf über der Reihe 30 der n _V sc, i VSC-Module 16 im Hochstromkreis 23 und L _t die Kurz- schluss-Blindinduktivität des Hochstromtransformators 9. Mit dem Primärstrom ii steigt auch der Sekundärstrom ₂ mit

12 = ii * N _t an, wobei N _t das Wicklungsverhältnis des Hoch ^¬ stromtransformators 9 ist.

Um ein realistisches Schaltverhalten des Prüflings zu emulie ^¬ ren, wird der Prüfling gezündet, während der Hochspannungs- kreis 22 aktiv ist. Im Graph der FIG 3 erfolgt dies bei ca. 2 ms . In der Folge steigt der Strom bis auf ca. 1 kA an, was dem maximalen Strom der VSC-Module 16 entspricht, erkennbar an der Stufe zwischen ca. 2 ms und ca. 2,3 ms im Graph der FIG 3.

Sodann wird die Spannung U _V sc,u auf 0 V gesetzt und der Strom fließt als Freilaufström durch den Prüfling und die VSC-Module 16 des Hochspannungskreises 22. Bei ca. 2,3 ms im Graph der FIG 3 wird der Hochstromkreis 23 aktiv geschaltet und baut die gewünschte Stromstärke von etwa 6 kA auf. Sobald diese maximale Stromstärke erreicht ist, wird die Spannung Uvsc, i auf 0 V gesetzt und der Strom fließt als Freilaufström durch den Prüfling und die VSC-Module 16 des Hochstromkreises 23. Somit ergibt sich der vollständige, durch den Prüfling fließende Strom I _TOT als Summe aus den Strömen des Hochspan ^¬ nungskreises 22 und des Hochstromkreises 23.

Aufgrund der Verluste im Sperrthyristor 7 und dem Sperrthyristorpaar 8 sinkt der Strom während der aktiven Phase des Hochstromkreises 23 ab. Daher ist es während der aktiven Pha ^¬ se des Hochstromkreises 23 wiederkehrend erforderlich, den Hochstromtransformator 9 mit positiver Spannung zu versorgen, um den Strom wieder auf den gewünschten Wert zu bringen. Dies erfolgt wiederum durch kurze entsprechende Ansteuerung der VSC-Module 16 des Hochstromkreises 23 und kann einige Male abhängig von der Stärke des Stromabfalls erfolgen, d. h. wenn der Strom unter einen bestimmten, nicht mehr akzeptablen vor- gegebenen Wert sinkt. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies zweimal bei ca. 3,8 ms und 5,6 ms im Graph der FIG 3.

Zum Abschluss der Hochstromprüfung des Prüflings wird eine negative Spannung an der Primärseite des Hochstromtransforma- tors 9 angelegt. Dies erfolgt im Ausführungsbeispiel bei ca. 7 ms im Graph der FIG 3. Der Strom beginnt nach der oben angegebenen Gleichung zu sinken. Sobald der Strom des Hochstromtransformators 9 auf 0 A absinkt, geht der Sperrthyris ^¬ tor 7 in einen Sperrzustand. Daraufhin wird aus dem Hochspan- nungskreis 22 eine negative Spannung U _V sc, u am Prüfling ange ^¬ legt, wiederum durch entsprechende Ansteuerung der VSC-Module 16 des Hochspannungskreises 22. Dies erfolgt im Ausführungs ^¬ beispiel bei ca. 7,5 ms im Graph der FIG 3. Infolge der negativen Spannung sinkt der Strom im Hochspannungskreis 22 und erreicht 0 A nach einem kurzen Sperrverzö- gerungsstrom. Hierdurch geht der Prüfling in einen Sperrzustand und die Prüfung kann mit der bereits beschriebenen Hochspannungsprüfung fortgesetzt werden.

Bezugs zeichenliste

1 dreiphasige Spannungsquelle

2 Netzimpedanz

3 Dreiphasentransformator

4 Kommutierungsimpedanz

5 Sechspulsgleichrichter

6 Sperrventil

7 Sperrthyristor

8 Sperrthyristorpaar

9 Hochstromtransformator

10 Kommutierungsdrossel

11 Hochleistungs-Halbleiterelement

12 Sättigungsdrosselventil

13 Widerstand

14 Kondensator

15 Steuerkondensator

16 VSC-Modul

17 Ladewiderstand

18 Erdung

20 synthetische PrüfSchaltung

21 Hochgleichspannungsquelle

22 Hochspannungskreis

23 Hochstromkreis

24 Anschluss

25 IGBT

26 Freilaufdiode

27 Kondensator

28 Hochspannungsquelle

29 erste Reihe

30 zweite Reihe

31 Anschluss