DE1046175B

DE1046175B - Wechselrichter mit Schalttransistoren

Info

Publication number: DE1046175B
Application number: DES46942A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Georg Sichling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-12-31
Filing date: 1955-12-31
Publication date: 1958-12-11

Description

DEUTSGHES

Die Erfindung betrifft einen mit Schalttransistoren arbeitenden Wechselrichter, der mit einem Scheinwiderstand belastet ist. Der Aufbau des Wechselrichters ist dabei im wesentlichen so ausgeführt, daß ζ. B. eine erste Gleichstromquelle über einen Transistor bzw. eine Transistoranordnung und eine zweite Gleichstromquelle entgegengesetzter Polarität über einen zweiten Transistor bzw. Transistoranordnung auf den Scheinwiderstand so wirkt, als ob eine Wechsel- oder Drehstromquelle an diesen angeschlossen wäre. An Stelle zweier getrennter, entgegengesetzt gepolter Gleichstromquellen kann auch eine einzige Gleichstromquelle vorgesehen sein, an die die Transistoren in Brückenschaltung angeschlossen sind.

Es ist bereits eine Transistorschaltung für Wirkwiderstände als Belastung vorgeschlagen worden, bei der die Transistoren für die Summe der Spannungen beider Gleichstromquellen bzw. für die doppelte Spannung bei einer Stromquelle ausgelegt werden müssen.

In Fig. 1 ist ein solcher Einphasenwechselrichter mit ohmscher Belastung dargestellt. Eine ohmsche Belastung 1 kann je nach öffnen des einen oder anderen Transistors 2 bzw. 3 einmal an die eine Gleichstromquelle E₁ oder an die andere entgegengesetzt gepolte Gleichstromquelle E₂ angeschlossen werden. Dabei wird sie in Phase mit der in Fig. 2 a dargestellten, abwechselnd wirkenden positiven und negativen Spannung U von einem Strom / gemäß Fig. 2 b einmal in der einen und einmal in der anderen Richtung durchflossen. Beide Transistoren arbeiten auf Grund der sie steuernden, nicht dargestellten Impulsgeber derart, daß abwechselnd ein Transistor geöffnet und gleichzeitig der andere Transistor geschlossen wird. Wenn ein Transistor, ζ. B. der Transistor 2, ganz geöffnet hat, tritt an dem Widerstand 1 die volle Spannung der Stromquelle E₁ auf, und da diese z. B. mit der Stromquelle E₂ in Reihe liegt, so liegt in diesem Falle am Transistor 3 die Summe beider Spannungen an. Entsprechendes gilt auch für den Transistor 2, wenn der Transistor 3 ganz geöffnet hat. Es müssen also die Transistoren 2 und 3, stets für die Summe der Spannungen beider Stromquellen ausgelegt sein.

Bei Anschluß einer Last mit induktivem und ohmschem Widerstand z. B. in Gestalt einer Drosselspule an Stelle der Wirklast 1 in Fig. 1 würden bekanntlich Spannung und Strom nicht mehr in Phase sein, so daß im Augenblick des Sperrens des einen Transistors und gleichzeitigen Öffnens des anderen Transistors der Strom nicht Null ist, da die Drosselspule diesen Strom zunächst aufrechthält. Damit dies möglich ist, muß an der Drosselspule eine Spannung auftreten, die in Reihe mit der Spannung der Stromquelle E₁ liegt und gegen die Spannung der Strom-

Anmelder:

Siemens-Sctiuckertwerke

Aktienges ellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Georg Sichling, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

quelle E₂ gerichtet ist. Da der gespeiste Transistor 2 für die doppelte Spannung der Stromquelle E₁ ausgelegt ist, verträgt er diese Beanspruchung, solange die Spannung an der Drosselspule kleiner oder gleich der Spannung der Stromquelle E₁ oder E₂ ist. Sobald die Spannung der Drosselspule jedoch diesen Wert überschreitet, wird der Transistor 3 in umgekehrter Richtung beansprucht, und der Strom fließt nun über ihn in die Stromquelle E₂ und lädt diese auf. Die Spannung an dem betreffenden Transistor ist dann zusammen mit dem Spannungsabfall im Ladestromkreis größer als die Summe der Spannungen von E₂ und E₁, so daß die Sperrspannung des Transistors also entsprechend höher ausgelegt werden muß, als dem doppelten Wert der Spannung von E₁ bzw. E₂ entspricht. Ob der Transistor 3 überhaupt von einem Strom durchflossen werden kann, hängt von seiner Basis-Emitter-Schaltung ab. In dieser Hinsicht können z. B. bei transformatorischer Kopplung unter Umständen Schwierigkeiten auftreten, da der Transistor 3 in umgekehrter Richtung zunächst von selbst gesperrt wird.

Für den Fall, daß die Last außer dem ohmschen Widerstand noch eine kapazitive Komponente aufweist, erfolgt eine Überlastung des geöffneten Transistors am Anfang der betreffenden Periode, da dieser nicht in der Lage ist, den kapazitiven Strom zu liefern. Es entsteht also ein Spannungsabfall am Transistor, welcher eine übermäßige Erwärmung desselben hervorruft.

809 698/199

Zur Vermeidung einer derartigen Überbeanspruchung der an mindestens eine Gleichstromquelle angeschlossenen Transistoren eines Wechselrichters hei Anschluß einer Belastung mit Scheinwiderstand werden gemäß der Erfindung in den Gleichstromkreisen und/oder den Wechselstromkreis der Transistorschaltung kompensierende Blindwiderstände und die Transistoren bzw. die im Gleichstromkreis liegenden kompensierenden Blindwiderstände überbrückende Gleichrichter mit einer der Stromfluß richtung im be- ίο treffenden Transistor entgegengesetzten Durchlaßrichtung vorgesehen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Wechselrichters mit induktiver Belastung dargestellt, und an Hand der Fig. 3a bis 3d ist die Wirkungsweise desselben näher erläutert.

Gemäß der Fig. 3 besteht die Belastung des Wechselrichters mit den Transistoren 2 und 3 und den Gleichstromquellen E₁ und B₂ aus einer Induktivität 4 und einem ohmschen Widerstand 5. Jeder Stromquelle sind je ein Kondensator 9 bzw. 10 parallel geschaltet. Die Steuerleitungen für die beiden Transistoren sind der Einfachheit halber weggelassen worden. Jeder Transistor wird durch einen Nebenweg überbrückt, welcher Gleichrichter 6 und 7 enthält, deren Durchlaßrichtung der normalen Stromrichtung in den Transistoren entgegengesetzt ist. Die Bedeutung dieser Gleichrichter wird später erläutert werden.

In den Fig. 4a, 4b, 4c sind die Stromkurven im stationären Fall dargestellt für verschiedene Werte des Quotienten aus der Periodendauer der Wechselspannung und der Zeitkonstante der induktiven Last. Der Quotient ist dabei mit α bezeichnet und mathe-

matisch folgendermaßen definiert: α = -=-; hierin be- „

J-2

deutet T die Periodendauer der Wechselspannung und T₂ die Zeitkonstante der induktiven Last. Die Zeitkonstante T₂ ist wiederum folgendermaßen definiert:

T₂ = -=·, wobei L und R den induktiven und den

ohmschen Anteil des Widerstandes dieser Last darstellen.

Zur Erläuterung der in den Fig. 3a bis 3d dargestellten Wirkungsweise des neuen Wechselrichters wird die Fig. 4 a herangezogen. Wird nach Fig. 2 c zur Zeit t₁ der Transistor 2 in Fig. 3 geöffnet, dann liegt die Spannung der Stromquelle E₁ an der Drossel 4. Der Drosselstrom Ji fließt jedoch gemäß Fig. 3 a der Spannung entgegen und lädt den Kondensator 9 auf. Nimmt man an, daß der Kondensator verhältnismäßig groß ist, dann wird sich die Spannung der Stromquelle JS₁ nur wenig ändern, so daß unter der Bedingung, daß die Spannung der Stromquelle E₁ konstant bleibt, der errechenbare Verlauf von Ji erhalten bleibt. Die Spannungszunahme wert des Drosselstromes J_L läßt sich die Größe des Kondensators 9 bestimmen nach der Gleichung

C =

Jett-0,78

A U₁ = ±

■dt

60

entspricht der horizontal schraffierten Fläche in Fig. 4 a. Von t₂ ab entlädt sich der Kondensator 9 gemäß Fig. 3 b wieder, wobei

h AU₂ = AU₁= — I Jr.'dt

den Zeitpunkt t_z bestimmt. Aus der zulässigen Spannungsüberhöhung Δ U' — AU₁ = Δ U₂ und demEffektiv-AU-ti-2π· 0,707
Während der Zeit zwischen t₃ und i₄ liefert die Stromquelle JS₁ den Drosselstrom, und vom Zeitpunkt t_i ab wird der Transistor 2 gesperrt und der Transistor 3 geöffnet, wie dies in Fig. 3 c dargestellt ist. Der Drosselstrom J_L fließt nun in den Kondensator 10 während der Zeit zwischen i₄ und i₅ und lädt ihn auf, im Zeitraum zwischen t₅ und i₆ wird er dann wieder entladen. Vom Zeitpunkt t_e ab liefert gemäß Fig. 3 d wieder die Stromquelle E₂ den Drosselstrom. Für den Kondensator 10 gelten dieselben Bedingungen wie oben für Kondensator 9. Ferner ist zu ersehen, daß bei reinem Blindstrom die StromquellenJkeineLeistung abgeben müssen. Der zeitliche Verlauf des Stromes Ji und sein Höchstwert zum Zeitpunkt t_i hängt noch von

der Größe α = -=- ab.
¹%

Wie aus den Fig. 4b und 4c zu ersehen ist, nimmt der Strom mit kleiner werdendem α ab und die Phasenverschiebung zwischen der Spannung gemäß Fig. 2c und dem Drosselstrom J_L zu; sie erreicht bei α = 0 den Wert 90°.

Um zu verhindern, daß der Transistor überhaupt in der anderen Richtung beansprucht wird, sind die erwähnten Gleichrichter 6., 7 vorgesehen, die den Drosselstrom von den Transistoren fernhalten. Dadurch fließt der Strom der Induktivität 4 nach dem Sperren des Transistors 2 also über den Gleichrichter 7 in die Stromquelle £₂ und lädt diese auf. Um die Bedeutung der Gleichrichter 6, 7 zu erkennen, sei nochmals auf den Zeitpunkt eingegangen, in dem der Transistor 2 gesperrt und gleichzeitig der Transistor 3 geöffnet wird. Wegen der Induktivität 4 wird der Strom in der ursprünglichen Richtung aufrechterhalten, der weiterhin über den Transistor 2 zu fließen versucht. Da dieser jedoch abgesperrt ist, müßte der Strom plötzlich unterbrochen werden oder über die entgegenwirkende Stromquelle JS₂ und den Transistor 3 fließen. Im ersteren Falle würden am Ende jedes Spannungsabschnittes sehr große Spannungsspitzen an der Induktivität auftreten, die die Transistoren zerstören würden, während im letzteren Falle die Spannung, die dieser Strom an der Induktivität hervorruft, dann etwas größer sein würde als die Spannung der Stromquelle E₂; sie würde zusammen mit der Spannung der Stromquelle JS₂ den Transistor 2 beanspruchen, wogegen der Transistor 3 in umgekehrter Richtung als im Normalfalle beaufschlagt und dadurch geöffnet würde. Diese Beanspruchung des Transistors 3 wäre an sich möglich, wenn der äußere Basis-Emitter-Widerstand niederohmig genug ist oder wenn besondere Symmetrieschaltungen vorgesehen sind, wie diese bereits früher vorgeschlagen wurden.

Im allgemeinen ist jedoch die Emitter-Basis-Verbindung hochohmig, und es muß deshalb verhindert werden, daß ein Strom in umgekehrter Richtung über den Transistor 2 bzw. 3 fließt, da dann der Transistor thermisch beansprucht würde. Durch die Parallelschaltung der erwähnten Gleichrichter 6 und 7 wird dies vermieden, da sie für den induktiven Strom sozusagen einen Kurzschluß des jeweils in Frage kommenden Transistors darstellen und ihn so vor Überlastung schützen. Zusätzlich kann zur Vermeidung des Auftretens von Überspannungen durch Kompensierung des induktiven Stromanteiles der In-

duktivität4 eine Kapazität 8 im Wechselstromkreis angeordnet sein.

Wird die Stromquelle E₂ nicht durch eine Energiequelle gebildet, die gleichzeitig einen Speicher darstellt, wie z. B. eine Batterie oder ein Generator, sondern durch einen Gleichrichter, der den Energiefluß entgegen seiner Durchlaßrichtung verhindert, dann muß parallel zu dieser Stromquelle (E₁, E₂) ein gesonderter Speicher zur Aufnahme der Drosselenergie vorgesehen sein, wie er im vorliegenden Falle durch den Kondensator 9 bzw. 10 gebildet ist.

In den Fig. 5 a bis 5 f sind die \^erhältnisse bei einer Gleichstrombrückenschaltung aus vier Transistoren 20 bis 23 mit je einem antiparallelen Gleichrichter 24 bis 27 und einem im Brückenzweig liegenden Wechselstrommotor M als Last dargestellt. Der Motorstrom ist im vorliegenden Beispiel induktiver Blindstrom. Zur Aufnahme des induktiven Blindstromes ist ein Kondensator 28 den Transistoren 20, 21 bzw. 23, 23 parallel geschaltet. In den Fig. 5 a bis 5d sind die Stromflüsse über Kondensator, Transistor, Gleichrichter und Last durch die eingetragenen Pfeile angegeben, die während den entsprechenden Zeiträumen der in Fig. 5 e und S f dargestellten Spannungs- und Stromkurven fließen. Die periodische Aufladung und Entladung des Kondensators 28 in Abhängigkeit von Spannung und Strom ist in Fig. 5 f gezeigt.

Fig. 6 zeigt den Fall einer kapazitiven Belastung. Die Belastung ist durch einen Wirkwiderstand 11 und eine Kapazität 12 gegeben. Im übrigen sind übereinstimmende Teile des Wechselrichters mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehen. Wenn nur der obengenannte Scheinwiderstand 11, 12 vorhanden wäre, dann würde am Anfang jeder Periode gemäß Fig. 6 a eine Spannungsspitze am geöffneten Transistor 2 bzw. 3 auftreten, da dieser nicht in der Lage ist, den notwendigen kapazitiven Strom zu liefern. Der betreffende Transistor würde also überlastet werden. Zur Kompensierung des kapazitiven Blindstromes werden deshalb Induktivitäten 13, 14 oder 15 vorgesehen, die entweder im Wechselstromkreis (Induktivität 15) oder in Gleichstromkreisen vor den Transistoren (Induktivitäten 13 und 14) angeordnet sind. Vorteilhaft können auch gleichzeitig alle der genannten Induktivitäten verwendet werden. Durch 4-5 Einschaltung der genannten Induktivitäten, von denen die im Gleichstromkreis liegenden durch Gleichrichter 16 bzw. 17 überbrückt sind, wobei die Durchlaßrichtung der Gleichrichter der Fließrichtung der im gleichen Kreis liegenden Transistoren 13, bzw. 14 entgegengesetzt ist, wird eine solche Spannungsspitze vermieden und eine rechteckige Spannungswelle erreicht (gestrichelt eingezeichnet in Fig. 6 a).

In den Fig. 7 a bis 7f ist schließlich noch eine Brückenschaltung gemäß Fig. 5 a dargestellt mit einem Wechselstrommotor M₁ der den Wechselrichter kapazitiv belastet. Zum Unterschied von Fig. 6 gilt hier die kapazitive Belastung vorzugsweise nur für die Grundwelle. In diesem Falle dienen zur Kompensation des Blindstromes dieselben Gleichrichter und Kondensatoren wie im Falle der Fig. 5 a bis 5 d. Der Umladevorgang ist in Fig. 7 e dargestellt, und auch hier gilt, daß bei reinem Blindstrom die Stromquelle nicht beansprucht wird. In Fig. 7f ist die Spannung am Kondensator 28 dargestellt.

Die Spannung an den Kondensatoren 9 und 10 in Fig. 3 bei Belastung durch einen Motor an Stelle der induktiven Last 4, 5 ist in Fig. 8 und 8 a bei induktiver Last und in Fig. 9 und 9 a bei kapazitiver Last gezeigt, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Es gehören zusammen / und U_c, Γ und U/ sowie /" und U_e".

Die Kompensation der Blindleistung durch Gleichrichter und Kondensatoren bedingt einen verhältnismäßig großen Aufwand. Um dies nach Möglichkeit zu vermeiden, ist es deshalb zweckmäßig, wenn möglich einen cos φ = 1 zu fahren. Es ist zu diesem Zweck bereits vorgeschlagen worden, daß bei Synchronmotoren eine Kompensation durch Änderung des Erregerfeldes bzw. der Netzspannung vorgenommen werden kann. Auch ein derartiger Synchronmotor wird jedoch zweckmäßig mit einer der oben vorgeschlagenen Einrichtungen beim Wechselrichter betrieben, um die Blindströme, die bei Drehzahl- bzw. Laständerungen oder anderen dynamischen Zuständen auftreten, übernehmen zu können. Zur Regelung kann entweder die Phase des Blindstromes direkt genommen werden oder auch die Spannung an den Kondensatoren z. B. 9, 10 in Fig. 3 herangezogen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Wechselrichter, der mit an mindestens eine Gleichstromquelle angeschlossenen Schalttransistoren arbeitet, an welche eine Last derart angeschlossen ist, daß sie in Abhängigkeit von der Steuerung der Transistoren von Strömen wechselnder Richtung durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Überlastung der Transistoren (2, 3, und 20 bis 23) bei Speisung einer Last (4, 5. bzw. 11, 12 bzw. M) mit Scheinwiderstand in den Gleichstromkreisen und/oder dem Wechselstromkreis der Transistorschaltung kompensierende Blindwiderstände (8, 9, 10 bzw.

13, 14, 15 bzw. 28) und die Transistoren bzw. die im Gleichstromkreis liegenden kompensierenden Blindwiderstände überbrückende Gleichrichter (6, 7 bzw. 16, 17 bzw. 24 bis 27) mit einer der Stromflußrichtung im betreffenden Transistor entgegengesetzten Durchlaßrichtung vorgesehen sind.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem in bezug auf die Gleichstromkreise zwei Transistoren sowie zwei Gleichstromquellen hintereinandergeschaltet sind und die Last zwischen beiden Transistoren und Gleichstromquellen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Last mit einem induktiven Blindwiderstandsanteil (4) außer einem gegebenenfalls diesem Anteil parallel geschalteten kapazitiven Blindwiderstand (8) und gegebenenfalls den Gleichstromquellen (.E₁, E₂) parallel liegenden Kondensatoren (9, 10) jedem Transistor (2, 3) ein Gleichrichter (6, 7) gegenparallel geschaltet ist.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem in bezug auf die Gleichstromkreise zwei Transistoren sowie zwei Gleichstromquellen hintereinandergeschaltet sind und die Last zwischen beiden Transistoren und Gleichstromquellen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Last mit kapazitivem Anteil (12) diesem und/oder den Transistoren (2, 3) kompensierende induktive Blindwiderstände (13,

14, 15) vorgeschaltet sind.

4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den induktiven Blindwiderständen (13, 14) in den Gleichstromkreisen je ein Gleichrichter (16, 17) gegenparallel geschaltet ist.

5. Wechselrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von kapazitiven, den Gleichstromquellen (E₁, E₂) parallel liegenden Blindwiderständen Stromquellen mit ge-

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eigneter Eigenkapazität, wie beispielsweise Batterien, Maschinen usw., verwendet sind.

6. Wechselrichter nach Anspruch 1 mit einer an eine Gleichstromquelle angeschlossenen Transistorbrückenschaltung und einem Wechselstrommotor

als Belastung im Brückenzweig, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Transistor (20 bis 23) ein Gleichrichter (24 bis 27) gegenparallel geschaltet ist und der speisenden Gleichstromquelle (E) ein Kondensator (28) parallel liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen