AT301692B

AT301692B - Wechselrichter

Info

Publication number: AT301692B
Application number: AT1156370A
Authority: AT
Original assignee: Kurt Seidl Dipl Ing Dr Techn
Priority date: 1970-12-23
Filing date: 1970-12-23
Publication date: 1972-09-11

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, der aus in Hauptstromkreisen liegenden elektronischen
Steuerelementen mit nur einer Durchlassrichtung, z. B. Thyristoren, aufgebaut ist, anderen Steuereingängen eine Impulssteuerung angeschlossen ist, wobei jedem dieser elektronischen Steuerelemente ein Rücklaufstrom- kreis mit einem antiparallel liegenden Gleichrichter zugeordnet ist.

Dieser Wechselrichter hat die Aufgabe, elektrische Energie in Form einer Gleichleistung (Gleich- spannung-Gleichstrom) in elektrische Energie einer Wechselleistung (Wechselspannung-Wechselstrom) um- zuformen. Dies erfolgt über Ventile, die vorerst mit Hilfe von Quecksilberdampfgefässen (Stromrichtertechnik) und in letzter Zeit über Halbleiterventile (Leistungselektronik) verwirklicht werden.

Ein Wechselrichter dieser bekannten Art wird in Fig. l dargestellt. Es ist ein Einphasen-Wechselrichter mit
Zwangskommutierung, dessen Aufbau neben den beiden Hauptventilen V, Vj, einer Kommutierungs- drossel LK, der Transformatormittelanzapfung und den für die Blindleistungslieferung massgebenden, anti- parallel geschalteten Rücklauf- oder Freilaufventilen BV1'BVz erläutert. Wie bekannt, ist es möglich, diese
Anordnung über einen Gleichstromzwischenkreis, der durch eine Längsdrossel Lp und einen Querkondensator Cp zur Glättung ausgerüstet sein kann, an einen Gleichrichter anzuschliessen, so dass ein Umrichter mit Zwischenkreis beschrieben ist.

Bei dieser Art von Wechselrichter ist lediglich nur ein Zündzeitpunkt frei wählbar, damit sind durch die eingeprägten Eigenschaften der Schaltung jeweils die Leistungsverhältnisse hinsichtlich Wirk- und Blindleistung festgelegt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung so auszubilden, dass die
Leistungsverhältnisse dieser Grössen frei wählbar werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss bei Wechselrichtern der eingangs als bekannt vorausgesetzten Bauart derart gelöst, dass neben den Hauptstromkreisen, die in den Rücklaufstromkreisen liegenden Gleichrichter hin- sichtlich ihres Einschaltzeitpunktes als auch hinsichtlich ihres Ausschaltzeitpunktes steuerbare Elemente, z. B.

Steuer-und löschbare Thyristoren, aufweisen, wobei sämtliche Elemente durch die Impulssteuerung derart gesteuert werden, dass jedes dieser Elemente im Haupt- wie im Rücklaufstromkreis während einer Halbperiode der Ausgangsspannung pulsweise durchgeschaltet ist, wobei durch die Zeit der Durchschaltung der in den Hauptstromkreisen liegenden Elemente die Wirkleistung und durch die der in den Rücklaufstromkreisen liegenden Elementen die Blindleistung bei vorgegebener Last festgelegt sind.

Bei einer solchen erfindungsgemäss ausgebildeten Wechselrichterschaltung wird es möglich, dass innerhalb eines periodischen Stromverlaufes auftretende Stromspitzen kompensiert werden, wobei für den Wirkleistungbedarf und den Blindleistungsbedarf Regelkreise in Wirksamkeit treten, die in bestimmten konstanten Zeitabschnitten (At) ihre Aufgabe erfüllen. Das Besondere ist, dass (At) ein Bruchteil der Periodendauer sein muss. Bei einer Ausgangsfrequenz des Wechselrichters von 10 bis 100 Hz käme z. B. für A t etwa eine Frequenz von 2 kHz in Frage.

Durch diesen Vorgang ist es möglich, unter anderem im Hinblick einer Blindstromkompensation mit Hilfe eines derartigen Wechselrichters eine sehr schnelle Felderregung eines Asynchronmotors, eine wechselstromseitige Belieferung durch eine HGÜ (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) oder zur Blindstromkompensation von Induktionsöfen und vor allem bei Lichtbogenöfen, wo in Bruchteilen von Sekunden Blindstromstösse aufzuheben sind, zu erzielen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Impulssteuerung zur Regelung der Wirkleistung einen Regelkreis bildet, dessen Stellort durch die Steuereingänge der in den Hauptstromkreisen liegenden elektronischen Steuerelementen gebildet ist, der als Istwertgeber einer Messeinrichtung zur Erfassung der Ausgangswirkleistung bzw. die Ausgangsspannung sowie einen Sollwertgeber hiefür erhält. Damit ist der Nachteil der bei einer Periode nur einmal mögliche Eingriff am Beginn derselben beseitigt und es kann je nach Wahl der Impulssteuerfrequenz eine erhöhte Dynamik des Wechselrichters erzielt werden.

Eine ergänzende Verbesserung ist, dass durch die Impulssteuerung zwecks Beeinflussung der Wirkleistung die Durchschaltzeiten der in den Hauptstromkreisen liegenden Elemente und bzw. oder zwecks Beeinflussung der Blindleistung die in den Rücklaufstromkreisen liegenden Steuerelemente veränderbar sind. Damit wird nicht nur im Einsatzpunkt, sondern auch in der Amplitude bzw. im Verlauf der Ausgangsgrössen eine erhöhte Dynamik erreicht.

Ein in Verbindung damit liegender Vorteil besteht darin, dass zur Beeinflussung der Blindleistung die Impulssteuerung einen weiteren Regelkreis bildet, dessen Stellort durch die Steuereingänge der in den Rücklaufstromkreisen liegenden elektronischen Steuerelemente gebildet ist und der als Istwertgeber eine Messeinrichtung für die Phasenverschiebung zwischen Wechselrichterausgangsspannung und dessen Strom enthält. Die damit erzielte grössere Wechselrichterdynamik gestattet z. B. bei gleichzeitiger Sollwerterhöhung und Blindleistungssteuerung eine Stosserregung auf die Belastung des Wechselrichters auszuüben bzw. diesen Erregerstoss genauso schnell, also kürzer als nach einer Periode, wieder zurückzunehmen.

Im Hinblick der genannten Vorteile ist es eine wesentliche Ergänzung, dass ein Sollwertgeber für die Ausgangsspannung, getrennt jeweils für die Ausgangsfrequenz und die Amplitude, angeordnet ist. Damit ist der Nachteil einer zwangsläufigen Verbindung beseitigt und der erstrebte Frequenzverlauf bzw. Spannungs- und Stromverlauf unabhängig voneinander einzustellen. Insbesondere ist die Möglichkeit gegeben, neben unerwünschten Oberschwingungen auch Unterschwingungen zu beseitigen.

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tgangswechselspannung --UA-- seinen Sollwertverlauf, wobei der Istzustand durch die Phasenverschiebung, die im Phasenvergleich --PH-- ermittelt wird, die Regelgrösse zur Beeinflussung der Freilaufthyristoren-BVl, Bu 2--, wie beschrieben, zur Verfügung stellt.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemässe Wirkungsweise näher erläutert. Im Zeitverlauf der Eingangsspannung -- erkennt man die konstanten Zeitintervalle-A t-, die durch die Pulsfrequenz des Tongenerators --TG- ihren Einsatzpunkt-tz--finden. Bei Wirkleistungsbedarf zündet jeweils das Ventil--Vl bzw. V2--.

Der Wirkleistungsregelkreis bewirkt eine Löschung dieser Ventile --tL--, so dass eine Spannungszeitfläche
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kleinerung der Ausschaltzeit-TA--, denn (A t) = TE + TA = const.

Bei angeforderter Blindleistung zünden jeweils die Ventile-BV undBV -. wobei der Zündpunkt ent- sprechend des Signals im Blindstromkreis mit-tl-- festgelegt erscheint und die Löschung des Fieilaufthyristors im Zeitpunkt-t 2--erfolgt (Gestrichelte Linie)..-t-muss mit dem Einsatz des darauf anschliessenden Be- triebes des Hauptthyristors-tz-, also am Beginn der Einschaltzeit zusammenfallen.

In Fig. 2 ist dieser eben angedeutete Verlauf, von der Gleichstromseite aus betrachtet, dargestellt. Ent- sprechendes zeigt sich im daruntergezeichneten zeitlichen Verlauf der Ausgangswechselspannung-UA-, wo- bei man den zeitlichen Verlauf einerseits als gepulste Kurve, anderseits als ideale Sinuskurve dargestellt, er- kennt. Der reale Spannungsverlauf über der Zeit ergibt sich auf Grund der Gesamtimpedanz im Erzeuger- und
Verbraucherstromkreis des Wechselrichters.

Fig. 3 und 3 stellt jeweils die Schaltung des erfindungsgemässen Wechselrichters. vor, wobei einerseits als
Ventile Transistoren (npn)-TH1, TH2 und Tpi. Tpg-und anderseits Vakuumröhren-RH1, RH2 und RFl, RF2- herangezogen werden. Die zugehörige Steuereinheit-StF, StH-vermittelt durch zeitliche Rechteckimpulse an der Basis bzw. am Steuergitter den zeitlichen Verlauf der Ausgangsgrösse so, dass auch in dieser Weise ein
Spannungsverlauf erzielt wird, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Die stetige Regelung der Regelkreise innerhalb des Zeitintervalls-A t-in Fig. 2 mit dem jeweiligen An- fang-tz-und dessen Ende-tL-ergibt mit der Quantisierung des gesamten Ablaufes eine hybride Regelung, die zwei Vorteile besitzt.

Einerseits können unerwünschte gegenseitige Beeinflussungen der beiden Regelkreise wegen der damit geschaffenen Entkoppelung nicht zur Auswirkung kommen, was die Stabilität des Betriebes unterstützt, anderseits wird durch die Kürze des Zeitintervalls t-die Dynamik der Regelkreise gezwungen die Voraussetzung einer überschnellen Regelung zu erzielen.

Um etwaige Zeitverzögerungen im Regelkreis entgegenzuarbeiten bzw. zusätzliche Justiersollwerte zu erzielen, wird eine Sollwertführung prädikativ bzw. vorgebend eingeführt. Sie besteht erfindungsgemäss einerseits aus einer Veränderung der führenden Sinus-Wechselspannung oder ihrer Phasenverschiebung. Mit diesen Mitteln lassen sich Übergangszeiten im Regelkreis durch vorgegebene Anhebung der Momentansollwerte ausgleichen.

Dieses Verfahren wirkt ähnlich einer Stosserregung zur Schnellveränderung der gewünschten Blindleistung.

Selbstredend lassen sich die genannten Eingriffsmpglichkeiten automatisieren bzw. selbsttätig von einem gestellten Wert oder einem Betriebswert abhängig machen. Zum Beispiel abhängig vom Gesamtstrom und seinen impedanten Spannungsabfall, um diesen zu kompensieren, oder den cos p der Anlage wunschgemäss zu gestalten.

Damit ergibt sich die Möglichkeit einer überdies sehr schnell steuerbaren Spannungs- bzw. Blindleistungslieferung ohne zusätzlichen Aufwand im Hauptstromkreis.

Bei Anwendung des gleichen Steuerprinzips an den Hauptventilen-V und Vu-- gilet der gleiche Erfolg einer Schnellsteuerung der Wirkleistung, so dass von einem flinken Wechselrichter gesprochen werden kann.

Erfindungsgemäss kann diese Einrichtung überall dort Verwendung finden, wo Wechselrichter mit antiparallelen Rücklaufdioden eingesetzt wurden. Zum Beispiel bei allen Arten von Parallelwechselrichtern, solche wie beschrieben mit Mittelanzapfung, solche mit halbierter Gleichstromquelle und solche mit Brückenschaltung
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Die Erfindung kann überdies zur Symmetrierung von Schieflast an einem Drehstromnetz verwendet werden, was z. B. zur Beseitigung der scharfen Phase bei Lichtbogenöfen führt, wenn die Phasensollwerte zweckmässig vorgegeben werden oder an einem parallelgeschalteten Kompensationswechselrichter zur Anwendung kommt.

Ähnliche Möglichkeiten können bei einer Phasenwandlung angewendet werden, die unter dem Umstand steht, dass z. B. angeschlossene Einphasenleistung mit doppelter Frequenz der Drehstromphasenleistung pulsiert.

Zusammenfassend sei erwähnt, dass die erfindungsgemässe Schnellsteuerbarkeit durch die Kürze der erzielbaren Zeitintervalle (bei derzeitiger Halbleitertechnik etwa maximal 25 kHz) ermöglicht wird. Neben diesem Umstand ist als weiterer Vorteil der Wegfall bzw. die Herabminderung jener Oberwellen zu werten, deren Periode grösser als zwei Steuerintervalle auftritt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Wechselrichter, der aus in Hauptstromkreisen liegenden elektronischen Steuerelementen mit nur einer Durchlassrichtung, z. B. Thyristoren, aufgebaut ist, an deren Steuereingängen eine Impulssteuerung angeschlossen ist, wobei jedem dieser elektronischen Steuerelemente ein Rücklaufstromkreis mit einem antiparallel liegen- EMI3.2 den Hauptstromkreisen die in den Rücklaufstromkreisen liegenden Gleichrichter hinsichtlich ihres Einschaltzeitpunktes als auch hinsichtlich ihres Ausschaltzeitpunktes steuerbare Elemente, wie z.

B. steuer- und löschbare Thyristoren, aufweisen, wobei sämtliche Elemente durch die Impulssteuerung derart gesteuert sind, dass jedes dieser Elemente im Haupt- wie im Rücklaufstromkreis während einer Halbperiode der Ausgangsspannung pulsweise durchgeschaltet ist, wobei durch die Zeit der Durchschaltung der in den Hauptstromkreisen liegenden Elemente die Wirkleistung und durch die der in den Rücklaufstromkreisen liegenden Elemente die Blindleistung <Desc/Clms Page number 4> bei vorgegebener Last festgelegt sind.

2. Wechselrichter nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulssteuerung zur Regelung der Wirkleistung einen Regelkreis bildet, dessen Stellort durch die Steuereingänge der in den Hauptstromkreisen liegenden elektronischen Steuerelemente gebildet ist, der als Istwertgeber eine Messeinrichtung zur Erfassung der Ausgangswirkleistung bzw. Die Ausgangsspannung sowie einen Sollwertgeber hiefür erhält.

3. Wechselrichter nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Impulssteuerung zwecks Beeinflussung der Wirkleistung die Durchschaltzeiten der in den Hauptstromkreisen liegenden Elemente und bzw. oder zwecks Beeinflussung der Blindleistung die in den Rücklaufstromkreisen liegenden Steuerelemente veränderbar sind.

4. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Blindleistung die Impulssteuerung einen weiteren Regelkreis bildet, dessen Stellort durch die Steuereingänge der in den Rücklaufstromkreisen liegenden elektronischen Steuerelemente gebildet ist und der als Istwertgeber eine Messeinrichtung für die Phasenverschiebung zwischen Wechselrichterausgangsspannung und dessen Strom enthält.

5. Wechselrichter nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwertgeber für die Ausgangsspannung, getrennt jeweils für die Ausgangsfrequenz und die Amplitude angeordnet ist.

6. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass konstante Zeitintervalle durch einen Tongenerator vorgegeben werden und innerhalb deren der jeweilige Zünd- und Löschvorgang der Pulsung abläuft bzw. jedesmal neu angestossen wird.

7. Wechselrichter nach den Ansprüchen l, 3 und 5, wobei die elektronischen Steuerelemente zünd- und löschbare Thyristoren sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Lösch-und Zündzeitpunkt unter Be- rücksichtigung des Respektabstandes zusammenfällt.

8. Wechselrichter nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine prädikative Sollwertführung für die Wechselrichterausgangsspannung für beliebige Zeitverläufe bzw. mit geregelten Eingriffen vorgesehen ist.