DD236213A1 - Selbstloeschender wechselrichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen selbstloeschenden Wechselrichter in Mittelpunkt- oder Brueckenschaltung mit von einer Steuerschaltung steuerbaren Ventilen, denen jeweils eine Diode antiparallelgeschaltet ist. Mit der Erfindung soll ein selbstloeschender Wechselrichter geschaffen werden, bei dem mit verhaeltnismaessig geringem Aufwand und dennoch grosser Sicherheit gewaehrleistet ist, dass das Zuenden eines Gegentaktzweiges oder einer Brueckendiagonalen fruehestens jeweils dann erfolgt, wenn die zur Erreichung der Blockierfaehigkeit der Gegenseite notwendige Freihaltezeit mit Sicherheit abgelaufen ist. Erreicht wird dies erfindungsgemaess dadurch, dass zumindest zwei gegentaktig gesteuerten Ventilen je eine die Spannung zwischen Anode und Katode des steuerbaren Ventils insbesondere hinsichtlich ihrer Polaritaet auswertende und ein entsprechendes Binaersignal erzeugende Schaltungsanordnung zugeordnet ist, deren Eingang jeweils mit der Katode und der Anode verbunden ist und deren Ausgang auf die Steuerschaltung arbeitet.

Description

eines Gegentaktzweiges oder der steuerbaren Ventile einer Brückendiagonalen frühestens jeweils dann erfolgt, wenn die zur Erreichung der Blockierfähigkeit der Gegenseite notwendige Freihaltezeit mit Sicherheit abgelaufen ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Beispieles und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: die erfindungsgemäße Beschaltung zweier im Gegentakt gesteuerten Thyristoren eines selbstlöschenden

Wechselrichters im Blockschaltbild, Fig. 2: in einem Diagramm den prinzipiellen zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen Anode und Katode eines

antiparallelgeschalteten Thyristor-Dioden-Paares des Wechselrichters, Fig. 3: eine besonders günstige Ausführungsform der die Spannung zwischen Anode und Katode der jeweils gegentaktig

gesteuerten Thyristoren insbesondere hinsichtlich ihrer Polarität auswertenden Schaltungsanordnung. Fig.4 und Fig. 5: weitere Ausführungsformen, Fig. 6: die Grundschaltung eines Wechselrichters in Mittelpunktschaltung mit den Thyristoren zugeordneten Löschschwingkreisen,

Fig. 7: die Grundschaltung eines Wechselrichters in Brückenschaltung mit den Thyristoren zugeordneten Löschschwingkreisen, Fig. 8: die Grundschaltung eines Wechselrichters in Brückenschaltung mit reihenkompensierter Last zur Selbstlöschung und Fig.9: die Grundschaltung eines Wechselrichters in Brückenschaltung mit Selbstlöschung durch einen Reihenschwingkreis in Parallelschaltung zur Last.

Gemäß Fig. 1 ist einem ersten Thyristor 1, der mit einer Diode 2 antiparallel beschaltet ist, eine Schaltungsanordnung 3 und einem zweiten Thyristor 4, dem eine Diode 5 antiparallel geschaltet ist, eine Schaltungsanordnung 6 zugeordnet. Die beiden jeweils mit einer Diode beschalteten Thyristoren 1,4 sind Bestandteil eines selbstlöschenden Wechselrichters und werden über ihre Steuerelektroden von einer Steuerschaltung 7 gegentaktig angesteuert.

Im einzelnen ist die Katode des Thyristors 1 mit einem Anschlußpunkt 8 und die Anode desselben Thyristors 1 mit einem Anschlußpunkt 9 verbunden, an welche im Falle der Verwendung separater Löschkreise für die Thyristoren ein Löschkreis, beispielsweise bestehend aus der Reihenschaltung eines Kondensators und einer Induktivität, geschaltet ist (vgl. Fig.6 und 7). Ebenso ist der Thyristor 4 über Anschlußpunkte 10,11 mit einem solchen Löschkreis beschaltet. Während ferner die Anode des Thyristors 1 an einen Anschlußpunkt 12 und die Anode des Thyristors 4 an einen Anschlußpunkt 13 geführt ist, sind die Katoden beider Thyristoren 1,4 miteinander verbunden und liegen an einem Anschlußpunkt 26. Die Schaltungsanordnung 3 ist eingangsseitig über einen Anschlußpunkt 14 mit der Katode des Thyristors 1 sowie über einen Anschlußpunkt 15 mit der Anode dieses Thyristors 1 und ausgangsseitig über einen Anschlußpunkt 18 mit der Steuerschaltung 7 verbunden. Ebenso ist die Schaltungsanordnung 6 eingangsseitig über einen Anschlußpunkt 16 an die Katode des Thyristors 4 sowie über einen Anschlußpunkt 17 an die Anode des nämlichen Thyristors 4 geschaltet. Ausgangsseitig arbeitet die Schaltungsanordnung 6 über einen Anschlußpunkt 19 gleichfalls auf die Steuerschaltung 7, die ihrerseits am Ausgang Anschlußpunkte 20 bis 24 aufweist. Über die Anschlußpunkte 20 und 22 werden die Steuerelektroden der Thyristoren 1 und 4 im Gegentakt entweder direkt oder potentialgetrennt mit Zündimpulsen versorgt. Während bei einem Wechselrichter in Mittelpunktschaltung (Fig. 6) die beiden anderen Anschlußpunkte 21 und 23 nicht benötigt werden, ist jeder dieser Anschlußpunkte 21 bzw. 23 bei einem Wechselrichter in Brückenschaltung (Fig.7 bis 9) mit der Steuerelektrode eines weiteren Thyristors verbunden. In diesem Falle werden die Thyristoren paarig im Gegentakt mit Zündimpulsen beaufschlagt. Am Anschlußpunkt 24 wird die Steuerschaltung 7 über einen weiteren Anschlußpunkt 25 mit dem Anschlußpunkt 26 und somit mit dem Katodenpotential der Thyristoren 1 und 4 verbunden.

Mit den eingangsseitig gleichgepolten Schaltungsanordnungen 3 und 6 wird der in Fig. 2 vereinfacht dargestellte zeitliche Verlauf der Spannungen U an den Anoden der Thyristoren 1 und 4 bezogen auf deren Katoden erfaßt und bewertet. Dieser Verlauf der Spannungen U ist bei den Thyristor-Dioden-Paaren 1,2 bzw. 4, 5 zueinander 180° phasenverschoben. Die Schaltungsanordnungen 3 bzw. 6 bewerten die erfaßten Spannungsverläufe hauptsächlich hinsichtlich der Polarität und geben an ihren Ausgängen 18 bzw. 19 ein entsprechendes Binärsignal ab, das der Steuerschaltung 7 getrennt zugeführt wird. Wie in Fig. 2 dargestellt, steigt die Spannung U während des Wechselrichterbetriebes auf einen Wert Ud, der je nach Schaltung reichlich das Doppelte der Versorgungsspannung eines Thyristors betragen kann. Am durchgeschalteten stromführenden Thyristor, d. h. ab dem Zeitpunkt ti, liegt die Spannung U hingegen einheitlich bei einem Wert Un-von +2,0...2,5V. Der Zeitpunkt t! kennzeichnet dabei den Beginn der Leitphase des Thyristors unmittelbar nach dem Zünden desselben. Die Dauer der Leitphase ist durch die Resonanzfrequenz des jeweils wirksamen Reihenschwingkreises bestimmt und reicht bis zum Zeitpunkt t₂. Zum Zeitpunkt t₂ ist der Thyristor durch den vom Löschschwingkreis erzwungenen Stromverlauf stromlos. Der Strom geht dann in Rückwärtsrichtung auf die antiparallele Diode über, deren Vorwärtsspannungsabfall auf den Thyristor als Sperrspannung wirkt und deren Wert U_FD bei etwa -1,7...-2,5 V liegt. Der Thyristor muß nun unter dem Einfluß dieser Sperrspannung seine Blockierfähigkeit zurückerhalten haben, wenn zum Zeitpunkt t₃ die Gegenseite gezündet wird und die Anodenspannung wieder in Blockierrichtung etwa sinusförmig auf den Wert Ud ansteigt.

Mit der Erfassung und Bewertung der Spannungsverläufe unmittelbar an den im Gegentakt betriebenen Thyristor-Dioden-Paaren 1,2 bzw. 4,5 durch die Schaltungsanordnungen 3 bzw. 6 und der Zuführung entsprechende Binärsignale zur Steuerschaltung 7, wo diese Signale über logische Verknüpfungselemente entsprechend Berücksichtigung finden, wird dafür Sorge getragen, daß durch das Gewähren der mit Sicherheit notwendigen Freihaltezeit an einem gerade nicht mehr Vorwärtsstrom führenden Thyristor seine Blockierfähigkeit wieder hergestellt wird und damit dieser Thyristor frühestens nach Ablauf dieser Mindestzeit durch Zünden der Gegenseite wieder mit Blockierspannung belastet wird. Somit kann die Schaltfrequenz des Wechselrichters ihren höchstzulässigen Wert nicht übersteigen und eine die Thyristoren gefährdende zu schnelle Zündfolae kommt nicht zustande.

Eine vorteilhafte, weil wenig aufwendige Ausführungsform sieht vor, daß die Schaltungsanordnungen 3 und 6 jeweils aus einem eingangsseitig mit einem Widerstand 311 bzw. 611 und antiparallelgeschalteten Dioden 312,313 bzw, 612,613 beschalteten Operationsverstärker 314 bzw. 614 bestehen, dessen Ausgang mit dem Anschlußpunkt 18 bzw. 19 verbunden ist. Die Widerstands-Dioden-Kombination 311,312,313 bzw. 611, 612,613 hat die Aufgabe, Spannungspitzen auf ein zulässiges Niveau zu begrenzen. Der Operationsverstärker 314,bzw. 316 wird als Komparator mit Schalthysterese betrieben (Fig. 3). Wenn an die Störsicherheit besonders hohe Anforderungen gestellt werden, ist es günstig, jeweils zwischen die Schaltungsanordnung 3 bzw. 6 und die Steuerschaltung 7 einen Optokoppler 27 bzw. 28 zu schalten, wodurch die Steuerschaltung 7 von der eigentlichen Wechselrichterschaltung galvanisch getrennt ist (Fig.4).

Eine andere mögliche Ausführungsform sieht vor, daß die Schaltungsanordnungen 3 und 6 ausschließlich mit passiven Schaltelementen aufgebaut sind, indem jeweils ein mit seiner Primärwicklung über eine Diode 322 bzw. 622 und einen hierzu parallelgeschalteten Widerstand 321 bzw. 621 mit den Anschlußpunkten 14,15 bzw. 16,17 verbundener Übertrager 323 bzw. 623 .vorgesehen ist, dessen Sekundärwicklung unter Zwischenschaltung einer Zenerdioden-Dioden-Widerstandskombination 324, 325,326 bzw. 624,625,626 auf den Optokoppler 27 bzw. 28 arbeitet. Die Widerstand-Dioden-Kombination 321,322 bzw. 621,622 bewirkt eine definierte Abschwächung der an den Anschlußpunkten 14,15 bzw. 16,17 auftretenden positiven Spannung auf ein solches Niveau am Übertrager 323 bzw. 623, daß dieser etwa symmetrisch magnetisiert wird, wenn der Wechselrichter in Aktion ist. Die Schaltungselemente 321 bis 326 bzw. 621 bis 626 sind so mit dem zugeordneten Optokoppler 27 bzw. 28 zusammengeschaltet, daß dessen Lichtemitterdiode jeweils während der Sperrphase des bzw. der zugehörigen Thyristoren aktiv ist. Da die antreibende Spannung für diesen Zustand im Verhältnis zum Spannungsabfall an den Lichtemitterdioden und an den Dioden 322,622 relativ gering ist und exemplarabhängigen Schwankungen unterliegt, sind die Übertrager 323 und 623 für eine entsprechende Aufwärtstransformation dimensioniert. Die Zenerdioden-Dioden-Widerstandskombinationen 324,325,326 und 624,625,626 begrenzen jeweils die Sperrspannung an den Lichtemitterdioden auf einen zulässigen Wert. Die erfindungsgemäße Beschallung zweier im Gegentakt gesteuerten Thyristoren 1,4 mit den auf die Steuerschaltung 7 arbeitenden Schaltungsanordnung 3 und 6 ist sowohl bei selbstlöschenden Wechselrichtern in Mittelpunktschaltung (Fig. 6) als auch bei selbstlöschenden Wechselrichtern in Brückenschaltung (Fig.7 bis 9) anwendbar. Bei den Wechselrichtern in Brückenschaltung fließt der Laststrom abwechselnd über die Diagonalzweige. Die Voraussetzuung dafür ist, daß die Diagonalzweige im Gegentakt und die beiden Schaltstrecken eines Diagonalzweiges im Gleichtakt gesteuert werden. Daher genügt es, bei Brückenschaltungen nur je eine Schaltstrecke der Diagonalzweige mit der Schaltungsanordnung 3 bzw. 6 zu versehen, wobei es in jedem Fall günstig ist, diejenigen Thyristoren auszuwählen, deren Katoden miteinander verbunden sind und am negativen Pol der in der Zeichnung mit 29 bezeichneten Speisespannungsquelle des Wechselrichters liegen. Die in den Figuren 7 bis 9 dargestellten Wechselrichter in Brückenschaltung unterscheiden sich lediglich in der Art der Löschung der Thyristoren. Während beim Wechselrichternach Figur 7 jedem Thyristor ein separater Löschkreis zugeordnet und zwischen den Anschlußpunkten 12 und 13 als Last ein Transformator 30 eingeschaltet ist, dient beim Wechselrichter gemäß Figur 8 die reihenkompensierte Last der Selbstlöschung, indem zwischen die Anschlußpunkte 12 und 13 eine Reihenschaltung bestehend aus einem Kondensator 31, einer Induktivität 32 und der Last 30 geschaltet ist. Beim Wechselrichter gemäß Figur 9 wird die Selbstlöschung dadurch erreicht, daß die aus Kondensator 31 und Induktivität 32 bestehende Reihenschaltung der Last 30 parallelgeschaltet ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Selbstlöschender Wechselrichter in Mittelpunkt-oder Brückenschaltung mit von einer Steuerschaltung steuerbaren Ventilen, denen jeweils eine Diode antiparallelgeschaltet ist, gekennzeichnet dadurch, daß zumindest zwei gegentaktig gesteuerten Ventilen (1,4) je eine die Spannung (U) zwischen Anode und Katode des steuerbaren Ventils (1,4) insbesondere hinsichtlich ihrer Polarität auswertende und ein entsprechendes Binärsignal erzeugende Schaltungsanordnung (3 bzw. 6) zugeordnet ist, deren Eingang jeweils mit der Katode und der Anode verbunden ist und deren Ausgang auf die Steuerschaltung (7) arbeitet.

2. Selbstlöschender Wechselrichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltungsanordnungen (3, 6) denjenigen gegentaktgesteuerten Ventilen (1,4) zugeordnet sind, deren Katoden einen gemeinsamen Verbindungspunkt (26) zur Speisequelle (29) des Wechselrichters haben.

3. Selbstlöschender Wechselrichter nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltungsanordnungen (3,6) je einen Komparator (314,614) enthalten, dessen paarige Eingangsanschlüsse gleichgepolt an eine Widerstands-Dioden-Kombination (311,312,313 bzw. 611,612,613) angeschlossen und über diese mit der Katode und der Anode der zugeordneten steuerbaren Ventile (1 bzw. 4) verbunden sind.

4. Selbstlöschender Wechselrichter nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltungsanordnungen (3,6) je einen Übertrager (323 bzw. 623) enthalten, dessen Primärwicklung über eine Diode (322 bzw. 622) und einen hierzu parallelgeschalteten Widerstand (321 bzw 621) mit der Katode und der Anode des zugeordneten steuerbaren Ventils (1 bzw. 4) verbunden ist und dessen Sekundärwicklung gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Zenerdioden-Dioden-Widerstandskombination (324,325,326 bzw. 624, 625,626) auf die Steuerschaltung (7) arbeitet.

5. Selbstlöschender Wechselrichter nach Anpruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß jeweils zwischen die Schaltungsanordnung (3 bzw.

6) und die Steuerschaltung (7) ein Optokoppler (27 bzw. 28) eingeschaltet ist.

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen selbstlöschenden Wechselrichter in Mittelpunkt- oder Brückenschaltung mit von einer Steuerschaltung steuerbaren Ventilen, denen jeweils eine Diode antiparallelgeschaltet ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Wechselrichter mit in Mittelpunkt- oder Brückenschaltung angeordneten steuerbaren Ventilen, die mit Selbstlöschung arbeiten, sind allgemein bekannt. Als Mittel zum Löschen der steuerbaren Ventile dienen in der Regel entweder den steuerbaren Ventilen jeweils paralellgeschaltete Reihenschwingkreise, die entsprechend und symmetrisch zu dimensionieren sind, oder die kapazitiv reihenkompensierte Last mit induktivem Anteil, die durch eine Reiheninduktivität ergänzt sein kann. Bei Wechselrichtern dieser Art ist es von außerordentlicher Bedeutung, daß das Zünden eines Gegentaktzweiges oder einer Brückendiagonalen frühestens jeweils dann erfolgt, wenn die zur Erreichung der Blockierfähigkeit der Gegenseite notwendige Freihaltezeit mit Sicherheit abgelaufen ist. Dieser Forderung wird bei einer bekannten Wechselrichterschaltung dadurch entsprochen, daß mit einer prozeßabhängig gesteuerten Schaltfrequenz gearbeitet wird, die einen maximalen Wert unterhalb der Resonanzfrequenz des durch die reihenkompensierte Last realisierten Reihenschwingkreises nicht überschreiten darf. Diese prinzipielle Fremdsteuerung birgt jedoch den Nachteil in sich, daß im Fehlerfall, d.h. bei Ansteuerung des Wechselrichters mit einer unzulässig großen Schaltfrequenz, eine hohe Gefährdung der Thyristoren durch Steuerung auf Kurzschluß eintritt. Diese Gefährdung ist dann besonders schwierig zu beherrschen, wenn durch die zu schnelle Zündfolge aufgrund der zu kurz ausfallenden Freihaltezeit zuvor gelöschte Thyristoren infolge unzureichender Blockierfähigkeit restaktiviert in den vorwärts leitenden Zustand zurückkippen, da dann nur ein geringer Teil der Thyristortablette für die Stromleitung zur Verfügung steht. Es ist auch eine Halbbrücken-Resonanz-Wechselrichterschaltung bekannt, bei der die Zündimpulse selbstgesteuert von den Nulldurchgängen des quasi sinusförmigen Laststromverlaufs abgeleitet werden (DE-OS 2604260). Die Erfassung des Laststromverlaufs erfolgt dabei mit Hilfe eines Stromwandlers oder Transformators, der in den Laststromkreis eingeschaltet ist. Eine Steuerschaltung sorgt dafür, daß die beiden Steuersignale ihren Zustand erst nach einer Zeitspanne, die mindestens so lang wie die Ausschaltzeit des Schalters mit der längsten Ausschaltzeit ist, ändern, nachdem der Richtungswechsel des Stroms durch die Lasterfolgt ist. Bei diesem Schaltungsprinzip erfolgt jedoch neben der Übertragung des Nutzsignals auch eine Weiterleitung von Störungen zur Steuerschaltung, wodurch Probleme hinsichtlich einer störfreien Funktionsweise, insbesondere bei höherem Leistungsumsatz, auftreten. Darüber hinaus ist dieses Prinzip nur bei den Wechselrichterschaltungen anwendbar, die mit der reihenkompensierten Last als Mittel zur Selbstlöschung arbeiten.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, einen selbstlöschenden Wechselrichter anzugeben, welcher die angegebenen Nachteile nicht aufweist und bei dem insbesondere die Zündfolgefrequenz der steuerbaren Ventile so beeinflußt ist, daß eine Gefährdung der steuerbaren Ventile durch Steuerung auf Kurzschluß weitestgehend vermieden ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem mit verhältnismäßig geringem Aufwand und dennoch großer Sicherheit gewährleistet ist, daß das Zünden des steuerbaren Ventiles