Einrichtung mit zwei im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichtern Im Schaltbetrieb arbeitende Wechselrichter sind bekannt. Diese bestehen aus zwei steuerbaren Schalt elementen (z.B. Transistoren), die die Gleichspan nung mit verschiedener Polarität abwechselnd an den Wechselstromverbraucher schalten. Die Ausgangs spannung eines solchen Wechselrichters zeigt Fig. 1.
Während der Zeit T1 ist das eine Element stromfüh rend geschaltet, während der Zeit TZ das andere. Die Zeiten T1 und T2 sind gleich gross. Der Nachteil dieses bekannten Wechselrichters besteht darin, dass die Amplitude der Ausgangsspannung konstant ist, wäh rend zur Frequenzänderung eine ,Änderung der Schalt frequenz selbst erforderlich ist.
Dieser Nachteil ist besonders unangenehm bei der frequenzvariablen Speisung eines aus einer Eiseninduktivität (z.B. Wechselstrommotor) bestehenden Verbrauchers. Mit Rücksicht auf die Sättigung und die Ausnutzung sind diese Verbraucher möglichst so zu speisen, dass das Verhältnis aus Amplitude und Frequenz, also die Spannungszeitfläche der speisenden Spannung kon stant ist.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde bereits ein Wechselrichter vorgeschlagen (Schweizer Patent 409 116), der sich von dem oben beschriebenen be kannten Wechselrichter wie folgt unterscheidet: Die Schaltfrequenz des Wechselrichters ist sehr gross gegenüber der Frequenz, mit der der Verbraucher zu speisen ist. Das Verhältnis der Schaltzeiten TI/T, ist nicht mehr konstant und gleich 1, sondern steuer bar. Die Steuerung dieses Verhältnisses erfolgt in Ab hängigkeit der Augenblickswerte einer Sollspannung.
Diese Sollspannung wird in der Regel eine Sinus spannung sein, so dass sich das Impulsbreitenverhält- nis (Schaltzeitenverhältnis) T,/T, sinusförmig ändert. Fig. 2 zeigt diese Verhältnisse. Der Mittelwert der rechteckförmigen Ausgangsspannung U, ist nicht mehr, wie in Fig. 1, konstant und gleich Null, sondern er ändert sich sinusförmig. Das bedeutet,
dass der hochfrequenten Ausgangsspannung U" eine sinus- förmige Unterwellenspannung U8' unterlagert wird. Diese Unterwellenspannung speist den Verbraucher. Die hochfrequenten Oberwellen werden entweder durch die Induktivität des Verbrauchers selbst oder durch vorgeschaltete Siebkreise weitgehend unter drückt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Weiterentwicklung des eben beschriebenen, bereits vorgeschlagenen Wechselrichters.
Um die Erfindung zu verstehen, ist zunächst auf die Steuerung des Impulsbreitenverhältnisses, d.h. der Schaltelemente, einzugehen. Dies geschieht anhand der Figuren 3, 4a, 4b, 5a und 5b. Es wurde festge stellt, dass der Wechselrichter von den Augenblicks werten einer Sollspannung gesteuert wird. Der Ein fachheit halber wird zunächst ein konstanter Wert als Sollspannung angenommen.
Er ist in Fig. 4a gestrichelt dargestellt und mit u. bezeichnet. Aus diesem Sollwert u. werden durch Addition und Substraktion eines Gleichstromwertes ein oberer und ein unterer Grenzsollwert u1 und u, gebildet. Man kann sich auch mit der Addition oder Subtraktion begnügen und als zweiten Grenzsollwert die Grösse u" selbst verwenden.
Man nimmt dann eine kleine Ungenauigkeit in Kauf.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der bereits vorgeschlagenen Schaltung. Die Last L ist einerseits an die Mittelanzapfung einer Gleichstromquelle 3 an geschlossen. Mit ihrem anderen Ende ist sie an zwei Schaltelemente 1 und 2 angeschlossen, die ihrerseits mit ihren freien Enden an den positiven bzw. negati ven Pol der Gleichstromquelle 3 angeschlossen sind. Die Blöcke 1 und 2 deuten die Schaltelemente symbo lisch an. Sie können in mannigfacher Weise durch be kannte mechanische und kontaktlose (z.B. Ventile, Halbleiter) Einrichtungen verwirklicht werden.
Die seitlich an den Blöcken 1 und 2 angebrachten Pfeile deuten an, dass die Schalter steuerbar sind. Es ist je weils einer der beiden Schalter durchgeschaltet und der andere geöffnet. Die Schaltelemente werden wie folgt gesteuert: Der über die Last L fliessende Strom iL wird nach entsprechender Umformung in eine ge eignete Spannung mit den beiden Grenzsollwerten u, u. u., verglichen. Sobald der Strom den Wert ul erreicht hat, erfolgt eine Umschaltung, sobald der Strom bis auf den Wert u2 gefallen ist, erfolgt die Zurückschal tung.
Dieser fortlaufend sich wiederholende Vorgang ist in den Figuren 4a und 4b abgebildet. 4b zeigt die an der Last liegende Spannung, die identisch mit den Schaltzuständen der beiden Schalter ist. Der Strom ir, bewegt sich auf Abschnitten aus Exponentialfunk- tionen. Die Exponentialfunktionen werden durch das Verhältnis von Induktivität und Wirkwiderstand des Lastkreises bestimmt. Wenn ausnahmsweise eine reine Wirklast gespeist wird, können Zusatzinduktivitäten vorgeschaltet werden.
Der ansteigende Ast des Stro mes iL in Fig. 4a verläuft flacher als der abfallende; das liegt daran, dass beim Ansteigen der Strom dem stationären Endzustand näher ist (oberer Teil der Exponentialkurve) als beim Abfallen. Der auf die Last L wirkende Mittelwert der Spannung ist in Fig. 4b mit Ua,' bezeichnet. Ihm entspricht der Mittelwert des über die Last L fliessenden Stromes.
Wenn die Sollwertspannung nicht konstant ist, sondern sinusförmig schwankt, dann ergeben sich die in den Figuren 5a und 5b dargestellten entsprechenden Verhältnisse. Aus dem Sollwert u. werden wieder durch Addition und Substraktion eines konstanten Wertes die Grenzsollwerte u1 und u. gebildet. Dem sinusförmig schwankenden Mittelwert des Stromes iL ist ein Oberwellenstrom überlagert (Fig. 5a).
Die an der Last liegende Spannung ist in. Fig. 5b darge stellt. Infolge des sinusförmig schwankenden Schalt zeitenverhältnisses Tl/T2 ist der hochfrequenten Spannung U eine niederfrequente Unterwellenspan- nung U.,' unterlagert. Sie bestimmt den sinusförmigen Grundwellenstrom des Verbrauchers.
Der Wechselrichter ist um so hochwertiger, je ge ringer die Oberwelligkeit des Stromes ist. Die Ober welligkeit ist um so geringer, je höher das Verhältnis der Oberwellenfrequenz zur Grundwellenfrequenz ist.
Aus Fig. 4a erkennt man, auf welche Weise die Oberwelligkeit herabgesetzt werden kann. Dies ist möglich: 1. Durch Herabsetzung der im Kreis wirksamen Induktivität (bei konstantem Wirkwiderstand) . 2. Durch Verringerung des Abstandes zwischen den Grenzsollwerten u1 und u2.
Die Induktivität ist im allgemeinen durch den Verbraucher zwingend vorgegeben. Also lässt sich nur durch Zusammenrücken der Grenzsollwerte die Ober- welligkeit herabsetzen. Dieser Massnahme ist aber eine obere Grenze gesetzt, die durch die Schaltge schwindigkeit der Schaltelemente bestimmt ist. Die Schaltzeiten T,. oder TZ dürfen bestimmte Mindest werte nicht unterschreiten, wenn ein sicheres Arbeiten der- Schaltelemente gewährleistet sein soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu finden, die eine weitere Herabsetzung des Oberwellengehaltes ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfin dung eine Einrichtung mit zwei im Schaltbetrieb ar beitenden Wechselrichtern vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei Wechselrichter zuein ander parallel geschaltet sind und über eine gemein same Saugdrossel auf den Verbraucher arbeiten, wo bei der obere Grenzsollwert des einen Wechselrichters selbsttätig so gesteuert wird. dass die entsprechenden Umschaltungen beider Wechselrichter gegeneinander auf zeitliche Mittellage verschoben sind.
Zur Erzie lung der zeitlichen Mittellage wird eine Steuerung vor geschlagen, die dadurch gekennzeichnet sein kann, dass vom Augenblick der durch den oberen Grenz- sollwert bedingten Umschaltung des einen Systems an dieser Grenzsollwert um einen zeitlich linear anwach senden Wert vergrössert wird, vom Zeitpunkt der ent sprechenden Umschaltung des andern Systems an wieder zeitlich linear verkleinert wird und im Zeit punkt der nächsten durch ihn selbst bedingten Um schaltung wieder auf den unmodifizierten Wert zu rückgeführt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. In ihr sind zwei Wechselrichter la, 2a und 1b, 2b der anhand der Figuren 3-5 erläuternden Art parallel geschaltet und durch eine Saugdrossel 4 miteinander verbunden. Die Last L ist an die Mittenanzapfungen der Gleichspan nungsquelle 3 und der Saugdrossel 4 angeschlossen.
Die Steuerung dieser Wechselrichteranordnung soll anhand der Figuren 7a-7e erläutert werden. Wie in Figur 4b und 4a wird des leichteren Verständnisses wegen wieder eine in ihren Augenblickswerten kon stante Sollwertspannung u9 angenommen.
In Fig. 7a sind die Grenzsollwerte u1 und u2 des aus den Schalt elementen la und 2a bestehenden Wechselrichters abgebildet. Zwischen den beiden Grenzen schwankt der im linken Teil der Saugdrossel 2 fliessende Strom iLa. Der Einfachheit halber sind die exponentiellen Ver- läufe durch Geraden ersetzt. Fig. 7c zeigt die ent sprechenden Grössen für den aus den Schaltelementen 1b und 2b bestehenden Wechselrichter.
Bei diesem Wechselrichter ist nun der obere Grenzsollwert u1' steuerbar. In Fig. 7b sind die Schaltzustände der Schaltelemente la und 2a dargestellt, in Fig. 7d der Schaltzustand der Schaltelemente 1b und 2b. Die Figuren 7b und 7d beschreiben gleichzeitig die Span- nungen der Punkte b und c gegenüber dem Punkte d (Fig. 6).
Im linken Teil der Fig. 7c wird von einem kon stanten oberen Grenzsollwert u,' ausgegangen. Die Steuerung setzt im Zeitpunkte tb, ein. In diesem Zeit punkte findet eine Umschaltung des Schaltelementen paares 1b und 2b statt. Von diesem Zeitpunkte an wird der obere Grenzsollwert u,' um einen zeitlich linear anwachsenden Wert vergrössert.
Diese Ver grösserung wird so lange fortgesetzt, bis eine durch den oberen Grenzsollwert u, bedingte Umschaltung des anderen Systems l11, 211 stattfindet (Zeitpunkt t112). Von diesem Zeitpunkte an wird der linear anwach sende obere Grenzsollwert des Systems 1b, 2b wieder zeitlinear verkleinert.
Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis der ansteigende Strom iLb den kleiner werdenden Grenzsollwert u1' erreicht (Zeitpunkt tb2). Mit der in diesem Augenblick erfolgenden Umschal tung des Systems 1b, 2b wird auch der obere Grenz- sollwert u1' wieder auf den unmodifizierten Wert zu rückgeführt, also auf den Wert, der sich durch Addi tion der konstanten Spannung zu dem Sollwert u5 er gibt (Punkt e im Zeitpunkt tb2)
. Der eben beschriebene Vorgang wiederholt sich fortlaufend. Auf diese Weise spielt sich das System 1b, 2b mit seinen Umschaltun gen auf die zeitliche Mittenlage des Systems l11, 211 ein.
Die Spannung an der Last L ergibt sich durch Bildung der Differenz der Spannungen nach Fig. 7b und 7d. Sie ist in Fig. 7e dargestellt. Im linken Teil von Fig. 7e, also zu der Zeit zu der eine zeitliche Mittenlage der Umschaltungen beider Systeme noch nicht erreicht ist, enthält die Spannung noch negative Anteile. Im rechten Teil ist die an der Last liegende Spannung für den Fall dargestellt, dass eine zeitliche Mittenlage der Umschaltungen beider Systeme vor liegt.
Bei gleichen Schaltzeiten T1 und T. ist die Ober welligkeit der Ausgangsspannung bei dem Wechsel richter bedeutend geringer als bei dem Wechselrichter nach Fig. 3. Die Ausgangsspannung des Wechsel richters nach Fig. 3 ist, immer unter Zugrundelegung gleicher Schaltzeiten T1 und T2, mit dem Verlauf von Figur 7b bzw. 7d identisch. Durch Vergleich der Figu ren 7e und 7d erkennt man, dass nicht nur die Fre quenz der Oberwellen durch die Anordnung auf das Doppelte erhöht wird, sondern dass auch die Ampli tude der Oberwellen etwa auf den halben Wert herab gesetzt wird.
Der Oberwellengehalt des über die Last fliessenden Stromes, der in den Figuren nicht abge bildet ist, ist also auf etwa ein Viertel des bei der be reits vorgeschlagenen Anordnung vorhandenen Strom oberwellengehalts gesunken.
In den Figuren 711 - 7e wurde eine in den Augen blickswerten konstante Sollspannung us zugrunde ge legt. Wenn die Sollspannung us eine zeitlich veränder liche Spannung ist, dann spielen sich die Vorgänge ganz entsprechend ab. Auf die Darstellung im einzel nen wird wegen der Kompliziertheit verzichtet. Sie er gibt sich aus den Figuren 711 - 7e genauso wie die Der- Stellung in den Figuren 5a und 5b aus den Figuren 4a und 4b.
Die erläuterte Steuerung des oberen Grenzsollwer- tes kann in entsprechender Weise auch auf den unte ren Grenzsollwert angewendet werden. Es können auch beide Grenzsollwerte eines Systems gleichzeitig gesteuert werden. Schliesslich können auch die Grenz- sollwerte beider Systeme steuerbar sein.
Die selbsttätig ablaufende Steuerung der Grenz- sollwerte wird dadurch stabil, dass man nach jeder durch die steuerbare Grenze bedingte Umschaltung diesen Grenzsollwert auf den unmodifizierten Grenz- sollwert zurückführt (Punkt e in Fig. 7c).
Die beschriebene Steuerung des Grenzsollwertes kann dadurch bewirkt werden, dass mit den Schalt impulsen von den beiden Systemen eine bistabile Kipp- stufe betrieben wird, die z.B. über einen Miller-Inte- grator zu der gewünschten Sägezahnkurve integriert wird. Der Schaltimpuls des Systems 1b, 2b führt aus- serdem die Kippstufe durch Entladung des Integra- tionskondensators auf den normalen Ausgangspunkt zurück.
Die gezeigte Anordnung benötigt eine grössere Zahl von Schaltelementen. Dieser geringfügige Nachteil verschwindet dort völlig, wo ohnehin mit Rücksicht auf die Stromstärken mit mehreren parallelen Schalt elementen gearbeitet wird.
Wenn die Anordnung nach der Erfindung zur Speisung eines Motors verwendet wird, dann ist für jede Phasenwicklung eine Anordnung nach Fig. 6 er forderlich. Gerade bei Motoren ist es sehr wichtig, dass der Oberwellengehalt der speisenden Spannung bzw. des speisenden Stromes klein ist. Geht man davon aus, dass ein bestimmter Oberwellengehalt nicht über schritten werden darf, so ist hierdurch eine Grenze für die Frequenz gesetzt bis zu der der Wechselrichter verwendbar ist. Diese Grenze wird bei der beschrie benen Einrichtung erheblich nach oben verschoben.
Das bedeutet, dass bei der Speisung eines Motors der einstellbare Drehzahlbereich erheblich vergrössert wird.