CH655818A5

CH655818A5 - Selbstkommutierter wechselrichter.

Info

Publication number: CH655818A5
Application number: CH7243/81A
Authority: CH
Inventors: Lennart Aengquist
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1980-12-23
Filing date: 1981-11-11
Publication date: 1986-05-15
Also published as: SE8009118L; US4386396A; DE3149418A1; FI814106L; SE450317B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstkommutierten Wechselrichter mit Gleichspannungsklemmen zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle. Der Wechselrichter hat zwei Hauptzweige, die in Reihe miteinander zwischen zwei Gleichspannungsklemmen angeschlossen sind. Jeder Hauptzweig enthält einen Hauptthyristor, der mit einer Diode antiparallelgeschaltet ist, sowie eine in Reihe mit dem Hauptthyristor und der Diode angeordnete Kommutierungsinduktivität. Ein Löschkreis ist zum einen zwischen einem zwischen den beiden Hauptzweigen angeordneten Verbindungspunkt und zum anderen an mindestens eine der Gleichspannungsklemmen angeschlossen. Der Löschkreis enthält einen Löschkondensator und zwei an denselben angeschlossene antiparallelgeschaltete Löschthyristoren mit im Verhältnis zum Verbindungspunkt entgegengesetzten Leit-richtungen.

Fig. I zeigt einen früher bereits bekannten Wechselrichter dieser Art. Der Wechselrichter hat drei Gleichstromklemmen A, B und C. Die Klemmen A und B sind zum Anschluss an den positiven und negativen Pol einer Gleichspannungsquelle vorgesehen, die in der Figur in Form von zwei reihengeschalteten Spannungsquellen Uu und Ui dargestellt ist, jede mit der Span-UD

nung . Die Klemme C ist zum Anschluss an eine Mittelan-

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zapfung der Spannungsquelle vorgesehen. Der Wechselrichter hat zwei Hauptthyristoren HU und HL, welche in Reihe miteinander zwischen den Klemmen A und B angeschlossen sind. Die Thyristoren sind mit den Dioden DU und DL antiparallelge-5 schaltet. Der Thyristor und die Diode in jedem Zweig können in derselben Komponente zusammengebaut und eventuell integriert sein, d.h. in ein und demselben Körper aus halbleitendem Material ausgeführt sein. In Reihe mit jeder Antiparallelschal-tung liegt eine Kommutierungsinduktivität - Ldu bzw. Ldl- Die in Einheiten HU, DU, Ldu bilden einen ersten Hauptzweig, und die Einheiten HL, DL, Ldl bilden einen zweiten Hauptzweig. Der Verbindungspunkt F der beiden Hauptzweige ist der Phasenanschluss des Wechselrichters, in welchem man das vom Wechselrichter erzeugte, pulsierende Potential erhält. In der is Fig. 1 ist ein Belastungsobjekt L gezeigt, das zwischen dem Phasenanschluss F und dem Mittelpunkt der Gleichspannungsquelle zur Speisung des Belastungsobjektes mit Wechselspannung angeschlossen ist. Alternativ können beispielsweise zwei oder drei Phasengruppen (von denen jede gemäss Fig. 1 ausge-20 führt ist) vorgesehen werden, untereinander um 180° bzw. 120° phasenverschoben zu arbeiten, und ein ein- bzw. dreiphasiges Belastungsobjekt oder Wechselspannungsnetz kann dann an die Phasenanschlüsse der Phasengruppen angeschlossen werden. Ein Löschkreis ist zwischen dem Verbindungspunkt F und 25 der Mittelanzapfung der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Der Löschkreis besteht aus den beiden Löschthyristoren SU und SL, dem Löschkondensator Ck und einer Kommutierungsinduktivität Lk. Die beiden antiparallelgeschalteten Löschthyristoren SU und SL können natürlich durch einen doppeltge-3o richteten Thyristor (triac) oder durch eine andere in beiden Richtungen steuerbare Komponente oder Schaltung ersetzt werden. Die Kommutierungsinduktivität Lk kann fortgelassen und die ganze Kommutierungsinduktivität kann in die Induktivitäten Ldu und Ldi gelegt werden.

35 Die Funktion des Wechselrichters geht aus den in Fig. 2 gezeigten schematischen Kurven hervor, die für Leerlauf gelten, und welche die Löschkondensatorspannung uc, den Löschkreisstrom is und die Spannung uld über der Kommutierungsinduktivität Ldu zeigen. Ursprünglich leitet der Thyristor HU, und 40 der Löschkondensator ist auf die Spannung ud = Ud aufgeladen. Bei t = ti wird der Löschthyristor SU gezündet, der Hauptthyristor HU wird gelöst, und der Schwingkreis Lk-Ck-Ldu vollendet eine halbe Periode eines Schwingungsverlaufs. Der Umschwingungsstrom fliesst durch die Komponenten Lk, Ck, 45 SU, DU, Lud und Ul . Die Spannung ui d über der Induktivität

Lo Ud

Ldu hat die Amplitude und wird also von den

Lp + Lk 2

Werten der Kommutierungsinduktivitäten bestimmt. Lu ist der 5o Wert der Kommutierungsinduktivitäten Ldi und Ldu- Bei t = t2 wird der Thyristor HL gezündet, und der Schwingkreis Lk-Ck-Ldi führt eine halbe Periode einer Schwingung aus. Bei t = ti ist die Umschwingung vollendet, und dann ist uc = -Ud-Bei t = Î4 wird mit einer neuen Kommutierung begonnen, 55 indem der Thyristor SL und danach, bei t = t«, der Thyristor HU gezündet wird. Bei t = tr, ist die Kommutierung beendet.

Die Verzögerung zwischen der Zündung eines Löschthyristors und der darauffolgenden Zündung eines Hauptthyristors ist in der Fig. 2 mit t(i bezeichnet.

fio Bei dem hier beschriebenen Wechselrichter ist der Endwert der Löschkondensatorspannung nach beendeter Kommutierung im grossen und ganzen von der Grösse des Belastungsstroms in des Wechselrichters unabhängig, wenn die Zeitverzögerung td einen geeigneten, konstanten Wert erhält. Diese Wechselrichter-f»5 art ist normalerweise stabil, und irgendwelche besonderen Glieder zur Rückspeisung der Kommutierungsleistung sind nicht erforderlich und normalerweise auch nicht vorhanden. Die Schaltung hat jedoch einen Nachteil, und zwar den, dass die Kon

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densatorendspannung leicht asymmetrisch wird, d.h. einen hohen Wert (uc > Ud) nach jeder zweiten Kommutierung und einen niedrigen Wert (uc < UD) nach den dazwischenliegenden Kommutierungen annimmt. Dieser Zustand wird in Fig. 3 gezeigt, und derselbe kann es mit sich bringen, dass das Löschvermögen während der Halbperioden, wo uc negativ ist, so niedrig wird, dass der Belastungsstrom nicht kommutiert werden kann. Der einzige Mechanismus, der die Kondensatorspannung gegen Symmetrie steuert, sind bei Leerlauf die Umschwingungsverlu-ste der Schaltung, die insbesondere bei Hochleistungswechselrichtern klein sein müssen. Die Steuerung gegen Symmetrie wird daher oftmals so schwach, dass das Kommutierungsvermögen verlorengeht. Eine Asymmetrie der Kondensatorspannung kann durch Pulsationen in der Spannung der Gleichspannungsquelle, durch den Laststrom oder durch Asymmetrien im Kreisaufbau verursacht werden.

Beispielsweise sind Pulsationen der Zwischengliedspannung bei Wechselrichtern für höhere Leistung schwer zu vermeiden. Dieses gilt besonders bei der Speisung des Zwischengliedes von einem Einphasennetz, wie z.B. beim Antrieb eines Fahrzeugs. Bei jeder Kommutierung wird die Kondensatorspannung dann leicht in Richtung gegen Asymmetrie etwas verschoben. Diese Verschiebungen werden akkumuliert, was zur Folge hat, dass die Kondensatorspannung schnell so asymmetrisch wird, dass das Kommutierungsvermögen verlorengeht, was in einer Betriebsunterbrechung resultiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter der anfangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Löschkondensatorspannung unter allen Betriebsverhältnissen wohldefiniert und symmetrisch ist, und bei welchem daher das Kommutierungvermögen und somit die Funktionsfähigkeit desselben sichergestellt sind.

Was einen Wechselrichter nach der Erfindung kennzeichnet, geht aus den beiliegenden Patentansprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachstehend unter Hinweis auf die beiliegenden Figuren 1 bis 7 näher beschrieben. Fig. 1 zeigt einen früher bekannten Wechselrichter. Fig. 2 zeigt einige der im Wechselrichter vorkommenden Grössen als Funktionen der Zeit bei idealisierten symmetrischen Betriebsverhältnissen. Fig. 3 zeigt dieselben Grössen bei asymmetrischer Löschkondensatorspannung. Fig.4 zeigt einen Wechselrichter nach der Erfindung. Fig. 5 zeigt bestimmte Betriebsgrössen in dem Wechselrichter nach Fig. 4 als Funktion der Zeit. Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Fig. 7 zeigt ein Exempel für ein Steuerglied an einem Wechselrichter nach der Erfindung.

Die Figuren 1 bis 3 sind vorstehend beschrieben worden.

Fig. 4 zeigt einen Wechselrichter nach der Erfindung. Derselbe unterscheidet sich von dem Wechselrichter nach Fig. 1 dadurch, dass die beiden Kommutierungsinduktivitäten Ldu und Lui mit Hilfswicklungen Lmi und Lbi versehen wurden. Die Wicklung Ldu ist in Reihe mit einer Diode BU zwischen den Klemmen C und A angeschlossen, und die Wicklung Lm ist in Reihe mit der Diode BL zwischen den Klemmen B und C angeschlossen. Die Dioden sind so gepolt, dass sie die von der Gleichspannungsquelle kommende Gleichspannung sperren. Die Induktivitäten sind beispielsweise wie Luftspulen ausgeführt, und die Induktivität der Hauptwicklungen kann beispielsweise 10 - 20|iH betragen. Zweckmässigerweise gibt man den Hilfswicklungen eine etwas höhere Windungszahl als den Hauptwicklungen. Der Kupplungsfaktor zwischen der Haupt- und Hilfswicklung einer Induktivität wird zweckmässig verhältnismässig hoch gewählt (z.B. k = 0,8 oder k = 0,9). Bei dem Wechselrichter in Fig. 4 ist die Induktivität Lk fortgelassen, und die ganze Kommutierungsinduktivität entspricht den Induktivitäten Ldu und Ldi • Dieses ist insbesondere bei Hochleistungswechselrichtern vorteilhaft, da man dann bei einer Durchzündung im Wechselrichter mässige Fehlströme erhält.

Im übrigen stimmen der Wechselrichter und seine Funktion mit dem in Fig. 1 gezeigten Wechselrichter überein.

Bei Zündung des Löschthyristors SU wird die Spannung

UD

s über der Wicklung Ldu im ersten Augenblick uld = uc .

M 2

In der Wicklung Lbu wird dann eine Spannung ulb = — - Uld

Ld induziert, wo M die Gegeninduktivität zwischen Haupt- und io Hilfswicklung und Ld die Induktivität der Hauptwicklung ist.

Ud Ld Ud

Wenn ulb > , d.h. wenn ut- > (1 H ) ist, fliesst

2 M 2

ein Strom durch die Diode BU und die Hilfswicklung Lbu zur is Gleichspannungsquelle (Uu). Wenn die Kondensatorspannung dazu neigt, zu hoch zu werden, wird also der Überschuss an Energie im Kommutierungkreis zur Gleichspannungsquelle zurückgeführt. Hierdurch wird der Kreis stabilisiert, und eine Asymmetrie der Kondensatorspannung wird verhindert, ai Fig. 5 zeigt die Grössen uc, is und iß als Funktion der Zeit bei dem Wechselrichter nach Fig. 4. Bei t = tj wird angenommen, dass die Kondensatorspannung im Verhältnis zu Ud zu hoch ist, was beispielsweise dadurch verursacht sein kann, dass Ud seit der vorherigen Kommutierung kleiner geworden ist. 25 Wenn der Löschthyristor SU gezündet wird, wird die Überschussenergie des Kondensators mit Hilfe der Begrenzungsglieder BU-Lbu schnell zur Quelle zurückgeführt. Die Kondensatorspannung sinkt schnell auf uc = Ud, wonach der Kommutierungverlauf auf die früher beschriebene Weise weitergeht, und .io bei beendeter Kommutierung ist uc — Ud, d.h. das Aufkommen einer Asymmetrie wurde verhindert. Am Ende der nächsten Kommutierung (mit der bei t = t4 begonnen wurde) wird angenommen, dass die Kondensatorspannung auf dem Weg zu einem allzu hohen Endwert relativ Ud ist, was beispielsweise 35 dadurch verursacht sein kann, dass Ud seit der vorherigen Kommutierung wieder angestiegen ist. Am Ende der Um-schwingung, wenn ut = Ud ist, greift dann das Begrenzungsglied BU-Lbu ein, der Strom in Ldu wird zur Hilfswicklung Lbu geleitet, und der Überschuss an magnetischer Energie wird zur 40 Gleichspannungsquelle zurückgeführt.

Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die den Vorteil hat, dass sie keine Mittelanzapfung an der Gleichspannungsquelle (U) erfordert. Der Löschkondensator ist in zwei Teile Cku bzw. Cki aufgeteilt, an deren Verbindungspunkt E die Löschkondensatoren angeschlossen sind. Die Begrenzungsglieder BU-Lbu bzw. BL-Lm sind zwischen den Klemmen A und B angeschlossen. Die Windungszahl der Hilfswicklungen wird in diesem Fall ungefähr doppelt so gross (zweckmässigerweise mehr als doppelt so gross) wie die Windungszahl der Hauptwicklungen gewählt. Der Phasenanschluss F wird an einen entsprechenden Anschluss an einem Belastungsobjekt oder einem Wechselspannungsnetz angeschlossen. Die Schaltung nach Fig. 6 funktioniert in allen wesentlichen Teilen wie die Schaltung nach Fig. 4.

Fig. 7 zeigt ein Steuerglied für einen einphasigen Wechselrichter nach der Erfindung. Ein Oszillator OSC gibt eine Rechteckspannung ui mit einer Frequenz ab, die gleich der Frequenz der gewünschten Wechselrichterausgangsspannung ist. Die m Spannung ui wird zwei monostabilen Gliedern MV1 und MV2 mit dynamischen Eingängen (der Eingang des Gliedes MV2 ist negiert) zugeführt. An jedem Übergang 0 — 1 in der Spannung Ui gibt das Glied MV1 einen Impuls pi mit der Länge Ti ab, und an jedem Übergang 1 — 0 gibt das Glied MV2 einen Im-f.5 puls pi mit der Länge Ti ab. Diese Impulse werden teils den Löschthyristoren SU und SL zur Zündung dieser Thyristoren und teils den Verzögerungsgliedern TD1 und TD2 mit der Zeitverzögerung tu zugeführt. Die Ausgangssignale der Verzöge

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rungsglieder werden den bistabilen Gliedern MV3 und MV4 zugeführt, die von den Ausgangssignalen der Verzögerungsglieder auf Eins gestellt werden und dabei Steuerimpulse an die Hauptthyristoren HU und HL abgeben. Das Glied MV3 wird von dem Ausgangssignal pi des Gliedes MV2 auf Null gestellt, und das Glied MV4 wird von dem Ausgangssignal pi des Gliedes MVI auf Null gestellt. Die Steuerimpulse pi und pi an die Löschthyristoren können kurz sein, und ti kann beispielsweise in der Grössenordnung von 10 p.s liegen. Die Steuerimpulse an die Hauptthyristoren bekommen eine Zeitdauer, die ungefähr einer halben Periode der Spannung ui, d.h. der Ausgangsspannung des Wechselrichters entspricht.

s Vorstehend ist ein Wechselrichter mit nur einer Phasengruppe beschrieben worden. Auf bekannte Weise kann jedoch ein Wechselrichter aus zwei, drei oder mehreren Phasengruppen der beschriebenen Art aufgebaut werden.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Selbstkommutierter Wechselrichter mit Gleichspannungsklemmen (A, B, C) zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle (Uu, Ul); zwei Hauptzweige des Wechselrichters sind in Reihe miteinander zwischen zwei Gleichspannungsklemmen angeschlossen; jeder Hauptzweig enthält einen Hauptthyristor (HU, HL), der mit einer Diode (DU, DL) antiparallelgeschaltet ist, sowie eine in Reihe mit dem Hauptthyristor und der Diode angeordnete Kommutierungsinduktivität (Ldu, Ldl; ein Löschkreis ist zwischen einerseits einem zwischen den beiden Hauptzweigen angeordneten Verbindungspunkt (F) und andererseits mindestens einer der Gleichspannungsklemmen angeschlossen und enthält einen Löschkondensator (Ck) und zwei an diesen angeschlossene, untereinander antiparallelgeschaltete Löschthyristoren (SU, SL) mit im Verhältnis zum Verbindungspunkt entgegengesetzten Leitrichtungen; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kommutierungsinduktivitäten mit einer Hilfswicklung (Lbu, Lbl) versehen ist, die über eine Diodenschaltung (BU, BL) zwischen zwei der Gleichspannungsklemmen angeschlossen ist.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kommutierungsinduktivitäten Hilfswicklungen (Lbu, Lbl) haben, von denen jede über eine Diodenschaltung (BU, BL) zwischen zwei Gleichspannungsklemmen angeschlossen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Hilfswicklung (Lbu, Lbl) in Reihe mit einer Diode (BU, BL) zwischen zwei Gleichspannungsklemmen angeschlossen ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, der zwei Gleichspannungsklemmen (A, B) hat; zwei Löschkondensatoren (Cku, Cki ) sind in Reihe miteinander zwischen den Gleichspannungsklemmen angeschlossen; die Löschthyristoren (SU, SL) sind miteinander antiparallelgeschaltet und zwischen dem genannten Verbindungspunkt (F), welcher der Phasenanschluss des Wechselrichters ist, und dem Verbindungspunkt (E) der Löschkondensatoren angeschlossen; dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kommutierungsinduktivitäten (Ldu, Ldl) Hilfswicklungen (Lbu, Lbl) haben, von denen jede in Reihe mit einer Diode (BU, BL) zwischen den beiden Gleichspannungsklemmen (A, B) angeschlossen ist.