Serienschaltung von GTO-Thyristoren für Frequenzumrichter hoher Leistung

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1 Serienschaltung von GTO-Thyristoren für Frequenzumrichter hoher Leistung In der Entwicklung der Hochleistungsstromrichter bildete die Einführung der abschaltbaren GTO-Thyristoren (Gate-Turn-Off) einen großen Fortschritt. In konventionellen Schaltungen lassen sich damit Stromrichter bis etwa 0 MVA bauen. Für höhere Leistungen hat ABB nun die Serienschaltung von GTO-Thyristoren entwickelt. Diese Technologie bietet erhebliche Vorteile in bezug auf Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Der erste große Frequenzumrichter mit GTO-Thyristoren in Serienschaltung wird demnächst bei der Stadtwerke Bremen AG den kommerziellen Betrieb aufnehmen. N etzgeführte Stromrichter mit Thyristoren bewähren sich seit Jahrzehnten in vielfältigen Anwendungen. Kennzeichnend für derartige Stromrichterschaltungen ist, daß die Regelung durch eine zeitliche Verschiebung des Zündzeitpunktes erfolgt. Der Stromrichter bezieht immer Blindleistung aus dem Netz, die etwa proportional zur Wirkleistung wächst. Die Blindleistung und die auftretenden Oberschwingungen müssen gegebenenfalls durch aufwendige Filter kompensiert werden. Bedingt durch seine Funktionsweise, kann der Thyristorstromrichter zudem nicht unabhängig vom Netz betrieben werden, das die Frequenz und Phasenfolge vorgibt. Wesentliche Nachteile der Thyristorstromrichter sind somit, daß sie das Netz mit Blindleistung belasten und daß damit kein Inselnetz betrieben werden kann. Diese Nachteile hängen damit zusammen, daß der Strom nicht zu einem beliebigen Zeitpunkt abgeschaltet werden kann. Deshalb wurden in der Vergangenheit Schaltungen zur Erzeugung und Steuerung des notwendigen Löschstroms entwickelt, mit denen Thyristorstromrichter selbstgeführt betrieben wurden. Der zusätzliche Aufwand verteuerte jedoch die Anlage stark und wies auch betriebliche Nachteile auf. Mit GTOs (Abschaltthyristoren) läßt sich dieser Aufwand beträchtlich vermindern. GTO-Stromrichter sind selbstgeführt und lassen sich deshalb auch zur Speisung von Inselnetzen verwenden. Die Phasenlage zwischen Spannung und Strom kann in allen vier Quadranten beliebig festgelegt werden, so daß Wirk- und Blindleistung unabhängig voneinander einstellbar sind. Durch Serienschaltung versetzt gesteuerter Module oder durch Erhöhung der Taktfrequenz kann ferner eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt werden. Dr. Peter Steimer Dr. Horst Grüning Johannes Werninger Peter Dähler Gerhard Linhofer ABB Industrie AG Rüdiger Boeck Stadtwerke Bremen AG Als vielseitig einsetzbares Stellglied stellt der GTO-Stromrichter gegenüber dem Thyristorstromrichter einen wesentlichen Fortschritt dar. Doch GTO-Thyristoren weisen nicht nur Vorteile auf. Einerseits handelt es sich um eine aufwendigere Technologie. Andererseits stellen GTO-Stromrichter hohe Anforderungen an Beschaltung und Ansteuerung. Sie weisen auch größere Verluste auf als Thyristoren. In vielen Anwendungsfällen sind deshalb Thyristorstromrichter mit Kompensationseinrichtungen für die Blindleistung heute noch wirtschaftlicher als GTO-Stromrichter. U- oder I-Umrichter Selbstgeführte Stromrichter lassen sich mit Zwischenkreisen mit eingeprägter Gleichspannung oder eingesprägtem Gleichstrom realisieren. Da Umrichter mit Spannungszwischenkreis universeller einsetzbar sind und die Halbleiterbauelemente besser ausnützen, wird in den folgenden Ausführungen nur auf diese Bezug genommen. Aufbau und Leistung der GTO-Stromrichter Ein GTO-Stromrichter ist aus Phasenmodulen aufgebaut, die ihrerseits aus je zwei Zweigen bestehen. Sie sind in in ihrer Funktion vereinfacht als Schalter dargestellt. Zwei bzw. drei Phasenmodule bilden in Brückenschaltung das Grundelement des GTO-Stromrichters für ein einphasiges bzw. dreiphasiges Netz. Damit kann sowohl positive, negative als auch null Spannung an den Ausgang des Stromrichters (Transformatorwicklung, Motorwicklung usw.) gelegt werden. Die heute gebräuchlichsten GTO-Thyristoren erlauben, pro Brückenschaltung maximal etwa 5 MVA zu übertragen. Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten Der Großteil der bisherigen Anwendungen von GTO-Stromrichtern betrifft drehzahlgeregelte Antriebe in der Industrie und auf ABB Technik 5/996

2 Fahrzeugen. Die Leistungen bewegen sich hauptsächlich im Bereich von einigen 00 kw bis zu mehreren MW. Um weit größere Leistungen, bis 00 MW und mehr, geht es auf dem Gebiet der elektrischen Energieübertragung. Darunter fallen beispielsweise Netzkupplungen. Schon heute besteht auch ein Bedarf an schnell regelbaren statischen Kompensatoren zur effizienten Blindleistungs- und Spannungsregelung sowie zur Flickerkompensation. Unter der Bezeichnung FACTS (Flexible AC Transmission Systems) wird derzeit weltweit an der Weiterentwicklung leistungselektronischer Systeme gearbeitet, mit denen der Energiefluß in großen Verbundsystemen optimal beherrscht werden kann. Die wichtigsten Entwicklungsziele sind die Verminderung der Verluste, die Vermeidung unerwünschter Kreisströme, der Schutz vor Überlastung einzelner Leitungen infolge von Ausfällen im Netz, die Erhöhung der Übertragungsstabilität sowie der gerichtete Lastfluß im Zusammenhang mit Vertragsvereinbarungen. Im Vordergrund stehen eine verbesserte regelbare Serie- und Shuntkompensation und die universale Lastflußregelung (UPFC, Unified Power Flow Controller). In allen diesen Systemen nehmen leistungsstarke GTO-Stromrichter eine zentrale Stellung ein. Bausteine eines Stromrichters Andere Möglichkeiten bestehen in der Parallel- und Serienschaltung von zahlreichen GTO-Brückenschaltungen. Ein Beispiel dafür ist der statische Bahnstromumrichter Giubiasco [, ] mit H-Brücke für einphasigen Stromrichter Zweig Phasenmodul Schaltbilder für Stromrichter großer Leistung ^= parallelen H-Brücken im Zwischenkreis, die netzseitig über einen Transformator in Serie geschaltet sind a. Damit wird pro Teilanlage eine Leistung von 5 MVA erreicht. Nachteilig ist der große Aufwand a Parallel-/Serienschaltung Kondensatoren des der Anlage Giubiasco Gleichspannungs-Zwischenkreises b Parallelgeschaltete GTO-Thyristoren GTO-Stromrichter (H-Brücke) c GTO-Thyristoren in Serienschaltung Hochspannungs-Halbleitersicherungen Netztransformator Schaltungen für Stromrichter großer Leistung Aus physikalischen und wirtschaftlichen Gründen geht die Entwicklung der abschaltbaren Leistungshalbleiter hin zu höheren Abschaltleistungen nur langsam voran. Man behilft sich deshalb bei größeren Leistungen zum Beispiel durch Verteilung der Gesamtleistung auf mehrere Teilanlagen. Derartige Anlagen sind wesentlich aufwendiger als solche mit einem einzigen großen Umrichter. Sie sind bei der Anschaffung und im Betrieb teurer, weisen einen weniger guten Wirkungsgrad und eine geringere Verfügbarkeit der vollen Leistung auf und benötigen zudem mehr Platz. a ~ b c ABB Technik 5/996 5

3 für den netzseitigen Transformator. Die mit der vollen Zwischenkreisspannung belasteten GTOs müssen durch Sicherungen geschützt werden, damit bei Ausfall (Kurzschluß) eines Elementes der Fehlerstrom begrenzt wird. Parallelschaltung von GTOs Um die Nachteile von Schaltungen mit sehr vielen GTO-Brückenschaltungen zu umgehen, strebt man bei sehr hohen Leistungen die Parallelschaltung von Teilstromrichtern an. Eine direkte Parallelschaltung von GTOs b ist wegen der ungleichen Stromaufteilung nicht realisierbar. Bei mehreren Erregereinrichtungen von rotierenden Umformern, die derzeit auf den neuesten Stand gebracht werden, verwendet ABB deshalb Teilstromrichter mit Parallelschaltdrosseln. Serienschaltung von GTOs Die Serienschaltung von Thyristoren bewährt sich in HGÜ-Anlagen schon seit Jahrzehnten. Analog dazu bringt auch die Serienschaltung von GTOs c im Vergleich zu anderen möglichen Schaltungen sowohl in bezug auf die Anlagewie auch auf die Betriebskosten die größten Vorteile. Grundsätzlich läßt sich die Zwischenkreisspannung entsprechend der Zahl der in Serie geschalteten GTOs erhöhen. Allerdings muß der gleichmäßigen Spannungsverteilung zwischen den Halbleitern besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Daß die Serienschaltung von GTOs bisher nicht verwendet wurde, hängt mit den ungleichen Verzugszeiten und der ungleichen Spannungsverteilung während des Abschaltvorgangs zusammen. verdeutlicht die Verhältnisse beim Abschalten ohne Maßnahmen bezüglich der Serienschaltung. Es brauchte verschiedene wichtige Innovationsschritte, um die geforderte Zuverlässigkeit und einen hohen Wirkungsgrad gewährleisten zu können. Absolut gleichzeitiges Ausschalten Beim Ausschalten teilt sich die Zwischenkreisspannung über den GTOs auf. Damit kein Halbleiter über sein Spannungsmaximum belastet wird, müssen die in Serie liegenden GTOs genau gleichzeitig abgeschaltet werden. Dazu bestehen folgende Möglichkeiten: Selektion der Halbleiter: Dabei werden nur Elemente möglichst gleicher Charakteristik zusammengeschaltet. Dies erschwert die Reservehaltung beträchtlich. Anpassung der Ansteuereinheiten: Ein ähnliches Resultat wie bei der Selektion der Halbleiter erreicht man auch durch die Anpassung der Ansteuereinheiten. Geregelte Ansteuerung: Die Gleichzeitigkeit der Schaltvorgänge läßt sich auch mit einer geregelten Ansteuerung erreichen. Bei diesem Verfahren wird der Abschaltbefehl für jeden GTO zeitlich individuell so abgegeben, daß die Spannungsübernahme an allen GTOs innerhalb weniger als 500 Nanosekunden erfolgt. Eingehende Laboruntersu- Abschaltvorgang bei drei GTO-Thyristoren in Serienschaltung ohne Maßnahmen zur Verbesserung der Spannungsverteilung. Beim zuerst abschaltenden GTO-Thyristor fließt der Strom in die Beschaltung und lädt den Kondensator mit i c = C s du/dt auf. Dies führt zu einer transienten Überspannung am GTO-Thyristor. U, U, U Teilspannungen RCD ( R s, C s, D s ) Beschaltung D Antiparallele Dioden RCD U D u R s D s C s U u RCD U t µs 6 ABB Technik 5/996

4 chungen von ABB haben gezeigt, daß dieses Verfahren mit nichtgruppierten GTOs, ja sogar mit GTOs verschiedener Fabrikate funktioniert. Es bedingt jedoch eine eigene, aufwendige Elektronikeinheit für jeden GTO-Thyristor sowie eine spezielle Inbetriebsetzung des Stromrichters. Harte GTO-Ansteuerung: Eine im Aufwand der Ansteuerung wesentlich einfachere Methode, die zudem dem Schaltvorgang des GTO am besten angepaßt ist, ist die sogenannte harte Ansteuerung, die von ABB in enger Zusammenarbeit mit der Stadtwerke Bremen AG entwickelt wurde. Harte Ansteuerung bedeutet, daß der Gatestrom I G eine wesentlich höhere Steilheit (000 A/µs) und Amplitude aufweist als bei konventionellen Ansteuerungen (0 A/µs). Ein Blick in das Innere eines GTO- Thyristors zeigt, warum die harte Ansteuerung Vorteile bietet: Ein Halbleiterelement besteht aus einigen tausend parallelgeschalteten Einzel-GTOs auf einer Waferfläche. Beim Abschalten durch eine konventionelle Ansteuerung schnürt sich der Strom auf einige noch leitende Einzel- GTOs ein. Die Folge davon ist eine schlechte Ausnützung der Waferfläche und die Gefahr von «Hot Spots», also örtlicher Überhitzung. Untersuchungen zeigten, daß bei harter Ansteuerung die Abschaltung über die ganze Waferfläche praktisch homogen erfolgt und mit gleichen Elementen wesentlich höhere Ströme abgeschaltet werden können. Somit läßt sich die Waferfläche besser ausnützen. Durch die harte Ansteuerung werden die Reaktionszeiten der GTOs und deren Streuung auf etwa einen Zehntel des Wertes mit konventioneller Ansteuerung reduziert. Dadurch ist die Serienschaltung von GTOs ohne Selektion der Halbleiter und ohne Anpassung oder Regelung der Ansteuereinheiten machbar. Weil die Abschaltung homogen über den ganzen GTO erfolgt, ist dieser auch robuster, und kritische Werte, wie die maximale Spannungsanstiegsgeschwindig- keit (du/dt), können erhöht werden. Als Folge davon kann man die Beschaltungskapazität reduzieren, was wiederum die Verluste des Stromrichters verringert. Um die notwendige hohe Steilheit zu erreichen, muß nach di G /dt = U / L σg U GU Ersatzschaltbild für die GTO-Thyristoransteuerung GU Ansteuereinheit (Gate Unit) I A GTO-Thyristorphasenstrom U Speisespannung der Ansteuerung I G Gatestrom L σ G Streuinduktivität im Gatekreis GTO-Thyristor (vorne) mit Ansteuereinheit L σg GTO I G die Streuinduktivität L σg im Gatekreis sehr gering gehalten werden. Auch die Erhöhung der Spannung U ist grundsätzlich möglich und wurde untersucht. Wegen der erhöhten Verlustleistung, des Hardwareaufwands und der daraus folgenden Zuverlässigkeitsproblematik ist sie jedoch nicht vertretbar. I A 5 ABB Technik 5/996 7

5 Niederinduktive Ansteuereinheit Schon bei herkömmlicher Ansteuerung wurde großer Wert auf die niederinduktive Auslegung der Gateanschlüsse der GTO- Thyristoren gelegt. So ist eine solche Ansteuereinheit bereits mit internen Stromschienen ausgerüstet. Sie wird durch starke Koax-Spezialleitungen über möglichst kurze Distanz (0,5 bis m) mit dem GTO verbunden. Die Verringerung der Gatekreis-Induktivität um den Faktor 00 erfordert deshalb eine grundsätzlich andere Auslegung. Schaltschema des Phasenmoduls Nicht nur die Ansteuereinheit, sondern auch der GTO selbst mußte neu gestaltet werden, denn sein Beitrag zur Induktivität beträgt bei herkömmlicher Technik bereits das Zehnfache des neuen Zielwertes. In enger Zusammenarbeit mit einem namhaften Halbleiterhersteller konnte die neue Konfiguration innerhalb eines Jahres realisiert werden. Ansteuereinheit und GTO bilden nun eine Baueinheit 5, so daß das Verbindungskabel entfällt. Der Gatestrom fließt direkt von den Steuertransistoren der Ansteuereinheit Kondensatorenbatterie Beschaltung im Zwischenkreis 5 Freilaufdiode Antiparallele Diode 6 Freilaufwiderstand Strombegrenzungsdrossel 7 Transformatorwicklung GTO über die Platine zum GTO, der ihn über einen ringförmigen Anschluß auf seinem ganzen Umfang aufnimmt. Die Stromsteilheit von 000 A/µs ist auf diese Weise fast ohne besondere Vorkehrungen erreicht worden. Redundante GTOs Aus Gründen der Verfügbarkeit ist es zweckmäßig, mehr GTO-Thyristoren in Serie zu schalten, als notwendig ist. Damit wird die Anlage gleich in mehrfacher Hinsicht verbessert: Bei Ausfall eines GTO, einer Diode oder eines Beschaltungselementes läuft die Anlage ohne Unterbrechung weiter, da das defekte Element auf Grund seiner Bauweise einen Kurzschluß darstellt. Der Ausfall wird von einer speziell dafür entwickelten Elektronik über Lichtwellenleiter erfaßt. Das defekte Element kann später bei der periodischen Wartung gezielt ausgetauscht werden. Durch zusätzlich eingebaute redundante GTOs wird die Spannungsbelastung jedes Elementes (auch der Beschaltung) verringert. Es ist bekannt, daß die Lebensdauer der Einzelelemente stark von der Spannungsbelastung abhängt. Wird diese durch Erhöhung der Halbleiteranzahl zum Beispiel um ein Drittel verringert, erhöht sich die mittlere Lebensdauer der GTOs um etwa den Faktor 0. Wegen der Gefahr von Folgefehlern wird die ganze Anlage kontrolliert abgeschaltet, wenn in einem Zweig die redundant eingebaute Anzahl Halbleiter ausgefallen ist. Damit wird das Durchzünden verhindert, d.h. das ungewollte Leitendwerden einer Phase und damit die Entladung der Energie aus den Zwischenkreiskondensatoren. Die Strategie der redundanten GTOs erlaubt, den Umrichter sicherungslos zu bauen. Dadurch entfallen einerseits die von Hochspannungs-Halbleitersicherungen verursachten Kosten, Verluste und Ausfälle, und andererseits ist eine besonders niederinduktive Bauweise möglich. 8 ABB Technik 5/996

6 Niederinduktives Phasenmodul Aus konstruktiver Sicht ist das Phasenmodul 6 das Grundelement des Umrichters. Er wirkt als Umschalter, der abwechselnd positive und negative Spannung an die Last legt. Beim Umschalten (Kommutieren) muß die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie W = L σg I A durch die Beschaltung aufgenommen werden. Um die damit verbundenen Verluste niedrig zu halten, wird auch das Phasenmodul möglichst niederinduktiv gebaut, beipielsweise in U- förmiger Anordnung mit geringer Fläche (grauer Balken in 6 ). Bei der betrachteten Konstruktion umfaßt ein Phasenmodul zwei Zweige. Jeder Zweig besteht aus zwei liegenden Halbleiterstapeln, der Ansteuereinheit und der Beschaltung 7. Auf Grund dieser Anordnung können Halbleiter schnell und einfach ausgewechselt werden. Der eine Stapel enthält die GTOs, der andere die antiparallelen Dioden und die Freilaufdioden. Die Beschaltung und die Strombegrenzungsdrosseln sind unter den Stapeln, die Ansteuereinheiten (Gate Units) über diesen angebracht. Besonderer Wert wurde bei der Konstruktion auf ein modulares Konzept gelegt. Dadurch kann dieselbe Ausführung auch bei unterschiedlicher Zwischenkreisspannung in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. In 8 erkennt man den modularen Aufbau aus Grundeinheiten, bestehend aus zwei GTOs, antiparallelen Dioden und der Beschaltung. Große Aufmerksamkeit hat man bei allen Anlageteilen auf eine optimale Servicefreundlichkeit gelegt. Die Module wurden so konstruiert, daß sämtliche Komponenten leicht zugänglich sind. Trotzdem ist das Phasenmodul kompakt und weist eine hohe Nutzleistung pro GTO-Platz auf. Umfassende Prüfungen Der Nachweis der Funktionstüchtigkeit der GTO-Serienschaltung und der damit verbundenen Innovationsschritte erforderte umfassende Berechnungen, Simu- Niederinduktiver Phasenbaustein 7 Ansteuereinheit Halbleiterstapel Beschaltung lationen und Leistungsversuche, die zusammen mit der Stadtwerke Bremen AG durchgeführt wurden. Bei dem ersten konkreten Projekt, einem 6-50 Hz-Frequenzumrichter zwischen den 0-kVvon 00 MVA, flossen zudem die Erfahrungen der Anlage Giubiasco [] unterstützend in die Konzepte und Auslegungen ein. In einem folgenden Schritt wurden an Netzen der Deutschen Bahn AG und der einer kompletten H-Brücke mit zwei Stadtwerke Bremen AG mit einer Leistung Stromrichterphasen mit je sechs GTOs in ABB Technik 5/996 9

7 Die Anlage befindet sich zur Zeit in der Inbetriebsetzungsphase und wird im Herbst dieses Jahres den kommerziellen Betrieb aufnehmen. Literaturhinweise [] Gaupp, O.; Linhofer, G.; Lochner, G.; Zanini, P.: Leistungsstarke statische Frequenzumrichter für den Bahnverkehr durch die Alpen. ABB Technik 5/95, 0. [] Mathis, P.: Statischer Umrichter Giubiasco der Schweizerischen Bundesbahnen. Elektrische Bahnen 6/95, Eingebauter GTO-Thyristorstapel mit den darüber liegenden Ansteuereinheiten 8 Serie Prüfungen zur systematischen Absicherung aller Betriebszustände durchgeführt. Beispielsweise wurde ein Dauertest von 00 h mit durchwegs überhöhten Daten ohne jegliche Ausfälle erfolgreich abgeschlossen: 50 % höherer Effektivwert des Phasenstroms, 50 % höhere Frequenz, Zwischenkreisspannung entsprechend der transienten Überspannung in der Anlage, Module ohne Redundanz. Die Beherrschung aller Fehlerfälle wurde nicht nur simuliert, sondern die Komponenten und Module wurden auch im Hochstromlabor geprüft. Dabei zeigte sich, daß selbst bei Versagen aller Schutzfunktionen weder Komponenten noch Module mechanisch beschädigt werden. Das gesamte Testprogramm wurde im Dezember 995 mit Erfolg abgeschlossen. Ausblick Für selbstgeführte Umrichter hoher und höchster Leistung ist ein weltweit zunehmender Bedarf absehbar. ABB verwendet dafür bewährte GTOs in Serienschaltung. Die Probleme der gleichmäßigen Spannungsverteilung während der Schaltvorgänge wurden mit Hilfe der von ABB entwickelten harten Ansteuerung gelöst. In Verbindung mit der niederinduktiven Bauweise der Phasenmodule entstehen auf diese Weise Stromrichteranlagen hoher Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit. Im Mai 99 erhielt ABB von der Stadtwerke Bremen AG den Auftrag, eine vollstatische Frequenzkupplung mit 00 MVA Leistung zu liefern. Die Anlage wurde mit einem Umrichterblock mit GTO-Thyristoren in Serienschaltung nach dem hier beschriebenen Prinzip realisiert. Redaktionelle Bearbeitung Dr. Hans-Peter Eggenberger Meilen/Schweiz Adressen der Autoren Dr. Peter Steimer Dr. Horst Grüning Johannes Werninger Peter Dähler Gerhard Linhofer ABB Industrie AG CH-500 Turgi/Schweiz Telefax: + (0) Rüdiger Boeck Stadtwerke Bremen AG Theodor-Heuss-Allee 0 D-85 Bremen Telefax: +9 (0) ABB Technik 5/996