Schaltungsanordnung mit einem selbstgeführten Wechselrichter Das Problem, aus einer Gleichspannung eine Wech sel- oder Drehspannung veränderlicher Frequenz und veränderlicher Spannung zu machen, hat im Laufe der Zeit immer grössere praktische Bedeutung erlangt, bei spielsweise für die Speisung kollektorloser, in der Dreh zahl steuerbarer Motoren aus einer konstanten Gleich- spannungsquellz. Verlangt wird in diesen Fällen ein selbstgeführter Wechselrichter, d. h.
ein Wechselrichter, der nicht auf eine schon vorhandene Wechselspannung arbeitet, sondern diese aus sich selbst heraus erzeugen muss. Derartige Wechselrichter sind verwirklicht wor den mit Hilfe von Thyratrons, Transistoren oder ge- steuerten wobei :die Kommutierung durch Kondensatoren sichergestellt wurde.
Handelt es sich um Verbraucher mit induktiver Stromkomponente, so hat man parallel zu den Wechselrichterventilen anti- parallele Ventile geschaltet, welche vorübergehende Rücklieferung von Strom in die Gleichstromquelle er möglichen.
Zu besonders b ünstigen Wechselrichteranordnungen gelangt man, wenn man den Ko:m:mutierun;gsvorgan!g un- abhän!gig von dem Zustand des Verbrauchernetzes macht, was beispielsweise dadurch verwirklicht werden kann, dass zwischen den Wechs:
elstromverbraucher und die Wechselstromventile Sperrventile eingeschaltet werden. Statt dessen kann man auch als Phasenventile steuerbare Hallblekerzellen verwenden, die durch Kondensatorstösse löschbar gemacht sind. Ein solcher, schon bekannter Wechselrichter ist in Fig. 1 angedeutet.
Es handelt sich hier um einen dreiphasigen Wechselrichter in Brücken schaltung, .der aus einer Gleichstromquelle U, einen Wechselstrommotor M speist. 1 bis 6 sind die Phasen ventile des Wechselrichters, die sowohl durch einen Gitterimpuls gezündet, als auch durch einen anderen Impuls, beispielsweise durch Kondensatonstösse, ge löscht werden können. (In der Zeichnung isst diese dop pelte Steuerfähigkeit durch zwei Striche seitlich am Zel lensymbol angedeutet.
Beispiele für eine derartige steuer bare Zelle mit Löscheinrichtung zeigen die Fig. 3 und 4.) Ein aus den ungeste:uerten Zellen 7 bis 12 bestehender Gleichrichter arbeitet von der erzeugten Drehspannung auf die Spannung U, zurück. Um die Frequenz der er zeugten Drehspannung zu ändern, wird man den Rhyth mus der Zünd- und Löschimpulse der Ventile 1 biss 6 entsprechend wählen.
Dabei ergibt sich eine Drehspan nung von rechteckigem Verlauf während der Halbwelle, wobei die Amplitude der Drehspannung gleich U" ist. Will man bei abnehmender Frequenz dem Motor eine entsprechende kleinere Spannung zuführen, so kann man die Ventile 1 biss 6 jeweils während ihrer 120 Brenn dauer nicht dauernd einschalten, sondern nach dem Prinzip der Pulsregelung nur mit einem bestimmten ver änderlichen Einschaltverhältnis. Auf diese Weise über lagert sich der erzeugten Frequenz f :
des Drehstromes eine Pulsfrequenz f"" welche wesentlich höher ist und infolgedessen durch einen aus L und C bestehenden Tiefpass vom Verbraucher M abgeriegelt werden kann.
Die in Fig. 1 angedeuteten Reaktanzen 13 bis 18 sind erforderlich, um das Abfliessen der Kondens,ator- löschstösse in das Drehstromnetz zu verhindern. Sie sind so klein, dass sie keinen wesentlichen Blindwiderstand für die Grundfrequenz f bedeuten.
Wie Fig. 1 erkennen lässt, braucht man für eine :dreiphasige Brückenschaltung sechs löschbare Ventile 1 bis 6.
Nach der Erfindung lässt sich dieser Aufwand ver mindern. Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanord nung mit einem solbstgoführten, in Frequenz und Span nung steuerbaren Wechselrichter und einem daran enge schloss denen Verbraucher. Erfindungsgemäss sind in oder zwischen die Gleichstromzuleitungen zu :den Phasenven tilen steuerbare Löschventile eingeschaltet, welche be wirken, dass :
der zu fliessende Gleichstrom periodisch eingeschaltet und wieder ausgeschaltet wird, @so dass der Wechselrichter im Pulsbetrieb .arbeitet, wobei die Pha senventile derart gesteuert werden, dass sich die ge wünschte Frequenz der Wechselspannung ergibt und die Löschventile den Mittelwert der Gleichspannung be stimmen.
Die Fig. 2 bis 6 zeigen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die Phasenventile 101 bis 106 (Fig. 2) übe:
rn hmen nur .die Rolle eines Verteilers der Impuls ströme auf die drei Wechselstromphasen im gewünsch ten Rhythmus der Frequenz f, während die Löschventile 113 durch ihr Einschaltverhältnis den Mittelwert der Halbwellenspannung bestimmen. Zweckmässigerweise synchronisiert man die Zünd- und Löschimpulse der Löschventile 113 derart mit der Steuerung der Phasen ventile<B>101</B> bis 106, dass letztere beim periodischen Um schalten auf die verschiedenen Phasen durch Sperrung von Löschventilen 113 gerade stromlos sind.
In diesem FaL existiert für den eigentlichen Wechselrichter keine Trittgrenze, da eine Überdeckung der Stromflussdauer zweier Phasen während des Phasenwechsels nicht auf tritt.
Ebenso wie in Fig. 1 ist in Fig. 2 auch .ein urige steuerter Gleichrichter 107 bis 112 vorgesehen, so dass ein in L und M fliessender Strom beider Sperrung von 113 durch zwei der Ventile 107 bis 112 in die Gleichspan nung U@. zurückfliessen kann, so dass keine übersp.an- nungen auftreten. Um letzteres sicherzustellen, ist eis er forderlich,
die Zuleitungen zum Wechselrichter und zum Gleichrichter und zur Gleichspannung Ug. reaktanzarm auszuführen. Erfolgt die Speisung nicht durch eine Bat terie, sondern beispielsweise durch einen Gleichrichter, so muss u. U. der Gleichrichter mit einem Kondensator abgeblockt werden, um das Fliessen der Impulsströme zu ermöglichen.
In Fig. 3 ist eine einphasige Anordnung nach der Erfindung dargestellt. In dieser Figur isst zwischen den Klemmen A und Beine Schaltung für die Löschtriode angedeutet. Zur Löschung des Hauptventile;s 120 wird ein Kondensator 121 über ein Hilfsventil 122 einge schaltet, sodass er sich rückwärts über 120 entlädt. Die eingezeichnete Polarität der Kondensato:rspannung er gibt sich in bekannter Weise durch den Umschwingkreis 123, 124.
Die Steuerung der Ventile 120 und 122 er folgt. durch ein Steuergerät St, welches gleichzeitig die Wechselrichterventile 131 und 134 steuert. Dem Steuer gerät St wird über ein Strommessglied 140 .der Istwert des Stromes isst zugeführt, ausserdem die Sollwerte i",i, und f für den Verlauf das Stromes und für die Frequenz.
Damit der Tiefpass aus L und C möglichst wirksam ist, muss die Pulsfrequenz f. möglichst hoch .sein. In Fig. 4 ist eine Gegentaktlöschschaltung angedeutet, welche in den heutigen steuerbaren Siliziumzellen Pulsfrequenzen bis 10 000 Hz zulässt. Mit derartig hohen Frequenzen f" isst es möglich, Arbeitsfrequenzen f im Bereich von f=0 bis beispielsweise f=200 für Drehstrommotomen zu er zeugen.
Dies hat den Vorteil, dass der Anlaufvorgang der Motoren mit grossem Drehmoment ohne Schwierig keiten erfolgen kann und dass anderseits das Gewicht der Motoren infolge der hohen Endfrequenz klein wird.
Dabei ist es erforderlich, beim Anlaufen die Wechsel richterfrequenz praktisch bis nahe an Null herunterzu- steuern und ebenso die Spannung am Motor auf einen Bruchteil der Nennspannung bzw.
den Motorstrom mit dem Steuergerät St auf den gewünschten Anfahrwert, beispielsweise das Doppelte oder Dreifache des Nenn stromes, einzure@geln. Bei hohen Frequenzen kann man entsprechend der Feldschwächung bei Gleichstrom motoren die Spannung im Verhältnis zur Frequenz klei ner als normal wählen, so dass d er Fluss des Motors und entsprechend auch das Drehmoment sich verringern.
In Fig. 5 ist eine weitere Möglichkeit zur Ausführung der Erfindung am Beispiel eines einphasigen Wechsel richters in Brückenschaltung dargestellt. Hier sind die Löschventile nicht in Reihe mit dem Wechselrichter, sondern parallel zu ihm angeordnet.
In den Zuleitungen von der Gleichstrombafitene liegen zwei kleine Luftdros- seln
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Die Löschschaltung ist aufgebaut wie in Fig. 4.
Der Kondensator C wird abwechselnd über die steuer baren Ventile 150 und 153 bzw. über die Ventile 151 und 152 gezündet. Dadurch ist es möglich, an die Wechselrichterventile 131 bis 134 periodisch im -Takt der Zündung des Kondensators C negative Spannung zu legen,
welche die jeweils stromführenden Ventile des WechseItchters löscht, so dass der in diesem Zeitpunkt im Motor M fliessende Strom über die Gleichrichter ventile 135 und 138 gegen die Gleichspannung U,,. weiterfliessen muss.
Die Drosseln
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sorgen dafür, dass der Kondensator C mit der günstigsten Frequenz umge laden wind und dass kein direkter Kurzschluss der Gleichspannungsquelle U,. über den Kondensator C er folgt.
Damit die Spannung am Kondensator C nicht auf unerwünscht hohe Werte überschwingt, liegt parallel zu ihm ein Übertrager 154, der auf eine Gleichrichtenschal- tung 155 arbeitet. Das Übersetzungsverhältnis von 154 ist so gewählt,
dass bei einer gewissen Spannung des Kondensators gleich oder grösser als U-. der Gleichrich ter 155 wirksam wird und unter Rückarbeitung auf Uri die Spannung am Kondensator abschneidet. Unter Um ständen kann die Sekundärseite des Umspanners 154 auf den Gleichrichter <B>135</B> bis 138
geschaltet werden, so dass die Gleichrichterschaltung 155 eingespart wird. Parallel zum Verbraucher wird gegebenenfalls ein Kon densator C angeordnet, um die Löschung der Ventile 131 und 134 zu fördern.
Die beschriebenen Schaltungen ermöglichen es nicht, dass zwei Phasen des Wecllselrichtens gleichzeitig arbei ten, da nur eine einzige Löscheinrichtung für alle Phasen gemeinsam vorgesehen ist.
Statt dessen kann man auch für die beiden Ventile je einer Phase eine Löscheinrich- tung in der Gleichstromzuleitung anbringen oder man baut mehrphasige Wechselrichter aus einphasigen Brük- kenschaltungen auf.
Für die beschriebenen Schaltungen eignen sich be sonders die heute bereits für grosse Leistungen gebauten steuerbaren Siliziumzellen, die elektrisch so trägheitslos sind, dass sie durch verhältnismässig kleine Kondensa toren auch bei ,
grossem Strom gelöscht werden können. Durch Parallel- und Reihenschaltung derartiger Zellen lassen sich Leistungen bis zu mehreren 1000 kW ver wirklichen, so dass die Schaltung nicht nur für kleine und mittlere motorische Antriebe, :sondern auch für grosse in Frage kommt.
Durch den Übergang von der bekannten Anordnung :n Fig. 1 auf die Anordnung der Fig. 2 wird dabei eine beträchtliche Aufwandseinsparung und Vereinfachung der Steuerung erzielt.
Die Erfindung kann dadurch vorteilhaft weitergebil det werden, dass neben Betriebszuständen, in denen zier Verbraucher im Takt der Pulsfrequenz an die :speisende Gleichspannung gelegt wird und bei Rückstrom bzw.
Blindstrom .auf die speisende Gleichspannung zurück arbeitet, .auch Betriebszustände vorgesehen sind, in denen der Verbraucherstrom im Freilauf fliesst. Das Fliessen eines Stromes im Freilauf lässt sich durch eine geeignete,
noch zu erläuternde Schaltung und deren ge- eignete Steuerung erreichen. Ein derartiger Betriebszu- stand hat den Vorteil, dass der Hin- und Rücktransport von Leistungen verringert und ;
dadurch die Beanspru- chung -der verschiedenen Teile des Wechselrichters her abgesetzt und der Wirkungsgrad verbessert wird. Ein diesbezügliches schematisches Ausführungsbei spiel der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt.
Es handelt sich um einen Wechselrichter in dreiphasiger Brücken schaltung, der aus einer Gleichspannung U", die bei spielsweise eine Batterie, einen Gleichrichter an einem Wechselstromneitz oder auch einen anderen Gleichstrom generator darstellen kann, einen Asynchronmotor mit Käfigläufer M mit einstellbarer Frequenz und einstell- barer Spannung durch alle vier Quadranten zu betreiben gestattet.
Der eigentliche Wechselrichter besteht aus den steuerbaren Halbleitern<B>301</B> bis 306, zu denen anti parallel ungesteueute Halbleiter 321 bis 326 geschaltet sind.
Die Stromzuführung zu den steuerbaren Halbleitern 301 bis 306 erfolgt über Drosseln L1 und L., die Zwangs- kommutierungdes Stromes von einer Phase in die andere erfolgt durch eine Gegentaktlöschschal;tung, bestehend aus den Kommubierungsitrioden <B>311</B> bis 314 und den Kondensatoren Cl und C2. Die Drosseln L1 und L2 :
sind mit Abschneidedioden Dl und D2 versehen, welche über Wandler T1 und T2 die in den Drosseln aufgespeicherte Energie in die Speisequelle über die Dioden D3 und D4 zurückliefern, wobei das ü'bensetzungsverhältnis von T1 und T, die Höhe der Spannung bestimmt,
bis zu der die Kondensatoren Cl und C2 aufgeladen werden. An die drei Wechselstromphasen U, V, W sind Kondensatoren C3, C4, C5 angeschlossen.
Der Sternpunkt O dieser Kon densatoren ist mit der Mitte O' der Kommutierungskon- densatoren und mit der Mitte O" der Pufferkondensa toren Q und C, verbunden, welche durch Widerstände R" und R, überbrückt sind. Wenn die Mitte O"' der Spannung Ug zugänglich ist, kann O" mit O"' verbun den werden.
' Der Wechselrichter arbeitet in folgender Weise: Bei spielsweise werden die steuerbaren Halbleiter 301 und 304 geöffnet, so dass an U und V die Spannung Ufi liegt.
Wenn der Strom infolge zu hoher Spannung zu stark an steigt, wird durch die Steuerung die Kommutierungsein- richtung betätigt, beispielsweise werden bei eingezeich neter Polarität der Kommutierungskondensatoren die Kommutierungsitrioden 312 und 313 gezündet,
so dass 304 und 301 durch einen Rückstromstoss aus den Kon densatoren Cl und C. gelöscht werden. Die Mittel- anzapfung O' in Verbindung mit dem Sternpunkt O der Kondensatoren Q, C4 und C5 sorgt dabei dafür,
dass sich die Spannung der Kondensatoren Cl und C2 je zur Hälfte auf die isteuerbaren Halbleiter 301 und 304 ver teilt, so dass letztere sicher löschen. Da der Motor M induktiv ist, will der Motorstrom weiterfliessen, und zwar fliesst er über die Rückstromventile 322 und 323 gegen die Spannung U, zurück. Dabei sinkt der Strom ab.
Erreicht der Motorstrom einen unteren Grenzwert, so werden die steuerbaren Halbleiter 301 und 304 wie der .gezündet und das Spiel wiederholt ich, ;sodass der Motorstrom im Mittel auf einem vorgebbaren Wert ge halten werden kann.
Wenn im Takt der gewünschten Frequenz andere Motorphasen wirksam werden sollen, beispielsweise die Phasen U-W, .so wird nicht 301 und 304 wiedergeizündet, sondern 301 und 306. Durch den beschriebenen Pulsbetrieb wird .der Strom in U-W in gleicher Weise auf den vorgebbaren Wert eingeregelt.
Beim Sperren der steuerbaren Halbleiter 301 und 306 sinkt der jeweilige Motorstrom schnell ab, da er gegen die ganze Speisespannung Ug arbeitet.
Dies kann da durch verhindert werden, dass nicht beide gerade im Be trieb befindlichen Trioden, beispielsweise 301 und 304, durch die Gegentaktlöschschaltung gelöscht werden, son dern nur eine von ihnen, beispielsweise 301. Dies ist dann der Fall, wenn nicht die beiden Kommutierungs- trioden 312 und 313, sondern nur die Triode 313 ge zündet wird.
In diesem Fall legt sich die Spannung von C2 über C3 rückwärts an die Triode 301 und löscht sie, während die Triode 304 ihren Strom weiterführt. So entsteht dadurch der im Bild gestrichelt angedeutete Freilaufkreis, in dem die beiden stromführenden Motorphasen ihren Strom im Freilauf weiterführen können. Der Strom klingt dann nur langsam ab,
so dass erst nach längerer Zeit durch Wiederzünden von 301 die Motorphasen wieder an die Spannung Ug gelegt werden und der Strom wieder her aufgetrieben wird. Man gewinnt auf diese Weise den Vorteil, dass nicht unnötigerweise Energie zwischen der Speisequelle Ug und dem Motor hin- und herpendelt, was mit unnötigen Verlusten verbunden ist und was die Ventile beansprucht und den Wirkungsgrad verringert, ausserdem auch die Pulsfrequenz heraufsetzt.
Hohe Puls frequenz bedeutet jedoch zusätzliche Beanspruchung der Halbleiterventile und Verluste in den Drosseln L1 und L2 und in den zugehörigen Abschneideschaltungen.
Die zu dem beschriebenen Verfahren erforderliche Steuerung der Trioden ist im Bild nicht dargestellt, sie kann in bekannter Weise durch eine digitale, logische Schaltung verwirklicht werden. Zweckmässigerweise wird dabei gleichzeitig eine Regelung des Motorstromes vor genommen, so dass unabhängig vom Betriebszustand des letzteren ein gewünschter Motorstrom zustande kommt.
Die Schaltung des Bildes gestattet es ohne weiteres auch, den Motor abzubremsen und dabei seine Energie in die Speisequelle Ug zurückzuliefern. Umkehrung der Dreh richtung kann erreicht werden -durch Umkehrung der Phasenfolge in der Steuerung.
Zweckmässigerweis.e wird der Wechselrichter mixt einer Frequenz betrieben, welche um eine bestimmte günstige Schlupffrequenz grösser ist als die jeweils augenblickliche Umdrehungsfrequenz des Motors. Letzteres kann dadurch verwirklicht werden, dass man die Mato.rumlauffrequenz über ein Differential auf einen Frequenzgeber gibt; wobei das Gehäuse des Differentials mit Schlupffrequenz angetrieben wird.
Ver wendet man einen Synchronmotor, so muss die Wech.sel richterfrequenz mit der Umdrehungsfrequenz des Motors übereinstimmen, was ebenfalls durch .einen RTI ID="0003.0215" WI="16" HE="4" LX="1787" LY="1741"> Frequenz- geber auf der Welle des Motors erreicht werden kann. Das gewünschte Drehmoment wird dabei durch zweck mässige Winkeleinstellung des Frequenzgebers auf der Welle des Motors erreicht.
Die Aufgabe der Erfindung kann auch auf andere Weise als im Bild verwirklicht werden, beispielsweise dadurch, dass man -statt einer Brückenschaltung zwei ge trennte Mittelpunktschaltungen verwendet, die unab hängig voneinander gelöscht und gezündet werden kön nen, sodass ,sich ebenfalls Freilaufkreise ergeben.
Auch zweiphasiger oder mehr als dreiphasiger Betrieb .ist sinn- entsprechend möglich.
,Da der Pulsbetrieb, insbesondere wenn er mit hoher Frequenz erfolgt, zusätzliche Beanspruchungen der steuerbaren Ventile mit sich bringt, ist es erwünscht, dass die Pulsfrequenz nicht zu hoch ist.
Anderseits werden bei zu geringer Pulsfrequenz die Stromschwankungen im Motor zu gross, .so dass der Effektivwert des Motor stromes fühlbar grösser wird als der Effektivwert der Grundwelle, der allein für das Drehmoment massgebend isst. Aus diesem Grunde kann es zweckmässig sein,
ent weder die Wicklungen des Motors oder auch die Bat teriespannung .in einer oder mehreren Stufen umzuschal- ten, d. h. sie der jeweiligen Drehzahl des Motors anzu- passen. Sowohl Induktionsmotoren als auch Synchron motoren benötigen nämlich eine um so kleinere Span nung, je kleiner die Drehzahl ist.