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Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, dessen Lastkreis einen Parallelschwingkreis aus der Induktivität des Verbrauchers und einer Kompensationskapazität enthält, mit gesteuerten Ventilen, insbesondere Thyristoren, in Brückenschaltung, von denen jeweils die Ventile diagonaler Brückenzweig gleichzeitig gesteuert sind. Der Wechselrichter wird im allgemeinen über einen Gleichstromzwischenkreis an den Ausgang eines steuerbaren Stromrichters angeschlossen.
Solche statischen Fequenzumformer mit Thyristoren sind bekanntlich gut geeignet zur induktiven Erwärmung von elektrisch leitendem Material, insbesondere zum Schmelzen, Glühen und Härten von Metall. Die Eingangsleitung des Wechselrichters enthält im allgemeinen eine Glättungsinduktivität, die zur Entkopplung der Gleichspannungsquelle vom Wechselrichter dient.
Bei einem derartigen, einen Parallelschwingkreis speisenden Wechselrichter können sich unter Umständen Schwierigkeiten bei der Inbetriebnahme ergeben, weil Eigenfrequenz und Dämpfung des Schwingkreises nicht ohne weiteres bekannt sind. Zum Anschwingen des Schwingkreises müssen nämlich verschiedene physikalische Bedingungen gleichzeitig eingehalten werden. In einer bekannten Anordnung ist deshalb eine besondere Starteinrichtung vorgesehen, die aus einer dem Eingang des Wechselrichters parallelgeschalteten Vorstromeinrichtung für die Glättungsdrossel im Zwischenkreis und einer im Lastkreis angeordneten Anschwingeinrichtung besteht. Die Vorstromeinrichtung enthält eine Reihenschaltung eines Widerstandes mit einem geeigneten Schalter, z. B. einem Thyristor.
Kurz vor dem Startmoment des Wechselrichters wird der Schalter eingeschaltet und die speisende Gleichspannungsquelle liefert über die Glättungsinduktivität des Gleichstromkreises einen Vorstrom, der durch die Grösse des Widerstandes bestimmt wird. Die Starteinrichtung im Lastkreis des Wechselrichters enthält einen Startkondensator, der von einer Fremdspannungsquelle eine geeignete Ladung erhält und im Startmoment über einen geeigneten Schalter, z. B. einem Thyristor, auf den Parallelschwingkreis geschaltet wird. Zum Anschwingen des Parallelschwingkreises wird der Start-Hilfskondensator auf den Schwingkreis zugeschaltet. Dadurch entsteht am Schwingkreis eine abklingende Schwingung, die von der Steuerung erfasst wird und geeignete Zündimpulse für die Wechselrichterthyristoren liefert.
Bereits mit der ersten Halbschwingung werden die Thyristoren der zugeordneten Diagonale der Brückenschaltung gezündet und übernehmen den in der Glättungsinduktivität fliessenden Gleichstrom. Diese
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darstellt.
Die Erfindung geht nun aus von der Erkenntnis, dass wesentliche zusätzliche Einrichtungen für die Inbetriebnahme der genannten Anordnung vermieden werden können, wenn dafür gesorgt ist, dass im Startaugenblick die Anschwingbedingungen für den Parallelschwingkreis erfüllt sind. Dazu muss dem Schwingkreis während einer Schwingung mehr Energie zugeführt werden als bei der vorhergehenden Schwingung an Verlusten aufgetreten sind. Der Kompensationskondensator muss im Zündzeitpunkt der für die entgegengesetzte Stromrichtung zuständigen Thyristoren eine ausreichende Ladung und das richtige Vorzeichen haben. Ausserdem müssen die erlöschenden Ventile eine ausreichende Schonzeit erhalten.
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Diese Bedingungen sind erfüllt, wenn erfindungsgemäss zur Inbetriebnahme des Wechselrichters die Ventile diagonaler Brückenzweig bei wenigstens annähernd Strom-Null in der Kapazität gezündet werden. Zur Inbetriebnahme des Wechselrichters braucht man deshalb lediglich den Stromnulldurchgang im Kompensationskondensator zu erfassen. Zu diesem Zweck kann unmittelbar der Strom gemessen werden oder der Stromnulldurchgang kann mittelbar erfasst, beispielsweise aus dem Scheitelwert der Spannung abgeleitet werden. Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass der Kompensationskondensator im Stromnulldurchgang gerade seine höchste Ladung hat und damit die ausreichende Energiezuführung zum Schwingkreis sichergestellt ist.
Werden bei Strom-Null im Kondensator die Thyristoren der andern Brückendiagonale gezündet, so springt der Strom im Kondensator in der Gegenrichtung auf den doppelten Momentanwert des Zwischenkreisstromes und schwingt dann angenähert sinusförmig weiter.
Nach Beendigung des Anschwingvorganges ist es ohne weiteres möglich, die Steuerung des Wechselrichters so zu beeinflussen, dass er mit möglichst gutem Leistungsfaktor arbeitet. Dazu werden die Zündimpulse für die Thyristoren gegen den Nulldurchgang der Schwingkreisspannung verschoben, von dem sie lediglich einen ausreichenden Abstand einhalten müssen, um ein Wechselrichterkippen zu vermeiden. Da sich im praktischen Betrieb des Wechselrichters dessen Schwingkreisdaten und damit dessen Betriebsfrequenz ändern können, so kann zweckmässig eine Schonzeitregeleinrichtung vorgesehen sein.
Das Betriebsverfahren nach der Erfindung kann an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden.
In Fig. 1 ist die Schaltung eines Wechselrichters mit einem Parallelschwingkreis schematisch veranschaulicht. In Fig. 2 sind Strom und Spannung des Schwingkreises in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm dargestellt. Fig. 3 zeigt einen Stromkreis mit einzelnen Bauelementen der Fig. l.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Wechselrichter mit gesteuerten Ventilen-2 bis 5--, die vorzugsweise Thyristoren oder auch jeweils eine Gruppe von Thyristoren sein können, dessen Lastkreis einen Parallelschwingkreis aus einer Induktivität --9--, beispielsweise dem Induktor eines Induktionsschmelzofens, und einem Kompensationskondensator --10-- enthält. Der Wechselrichter ist über einen Gleichstromzwischenkreis an eine Gleichspannungsquelle --7-- angeschlossen, die als Gleichrichter dargestellt ist und beispielsweise ein gesteuerter Stromrichter sein kann. Der Gleichstromkreis enthält eine Glättungsinduktivität deren Induktivität als gross gegen die Schwingkreisinduktivität --9-- angesehen werden kann.
Nach Fig. 2 soll zur Inbetriebnahme der Anordnung nach Fig. 1 zur Zeit-to--den Ventilen - 2 und 3--ein Zündimpuls vorgegeben werden. Dann fliesst im Gleichstromzwischenkreis von der Gleichspannungsquelle --7-- über die Drossel --6-- und die Thyristoren-2 und 3-sowie parallel über die Induktivität --9-- und den Kondensator --10-- ein stetig ansteigender Strom - iz-) dessen Teilstrom-ic-den Kondensator auflädt. Mit zunehmender Ladung, d. h. mit
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Kondensator-10-nimmtInduktivität --9-- behält ihren fliessenden Strom--iL--bei, der sich über den Kondensator - -10-- schliesst, sobald die Thyristoren--2 und 3-- erlöschen.
Zusätzlich fliesst der Strom --iz-- in der Drossel-6-uber die Thyristoren-4 und 5--, so dass der Strom im Kondensator - auf den doppelten Wert des Laststromes-iL-anspringt. Die Änderung des Kondensatorstromes--ic--zur Zeit--ti-ist in der Fig. 2 als sprunghafte Änderung dargestellt. Die Änderung wird aber wegen der Induktivitäten in den kommutierenden Stromkreisen mit endlicher Steilheit verlaufen. Anschliessend schwingt die Energie des Kondensators --10-- über die Drossel - um. Zur Zeit-t2--ist der Kondensatorstrom-ic-wieder Null, so dass die beiden andern Thyristoren-2 und 3-fur die entgegengesetzte Stromrichtung wieder gezündet werden können.
Die Zündung der Thyristoren im Startbetrieb erfolgt somit jeweils im Scheitelwert der Kondensatorspannung --uc--.
Um eine möglichst hohe Amplitude der ersten Halbschwingung zu erzielen, ist es zweckmässig, die Gleichspannung für den Startvorgang möglichst hoch zu wählen. Sie kann aber bereits nach wenigen Schwingungen zurückgenommen werden, um unzulässig hohen Zwischenstrom ohne Schwingkreisspannung zu verhindern. Dazu kann eine Begrenzungsregelung für den Zwischenkreisstrom und die Schwingkreisspannung dienen.
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Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, dass von der Gleichspannungsquelle --7-- über den Gleichstromzwischenkreis mit der Induktivität --6-- ein stetig ansteigender Strom--iz--geliefert wird. Unter Umständen können im Gleichstromzwischenkreis bereits Mittel vorhanden sein, beispielsweise eine an sich bekannte Vorstromeinrichtung für die induktivität--6--, die dem Wechselrichtereingang einen beispielsweise konstanten Strom vorgeben. Auch für eine derartige Anordnung kann das Verfahren nach der Erfindung vorteilhaft angewendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, dessen Lastkreis einen Parallelschwingkreis aus der Induktivität des Verbrauchers und einer Kompensationskapazität enthält, mit gesteuerten Ventilen in Brückenschaltung, von denen jeweils die Ventile diagonaler Briickenzweige gleichzeitig gesteuert sind,
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