DE1269715B

DE1269715B - Schutzschaltung fuer einen Wechselrichter mit mindestens einem gesteuerten Gleichrichter

Info

Publication number: DE1269715B
Application number: DEP1269A
Authority: DE
Inventors: Theodorus Hehenkamp
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1964-08-11
Filing date: 1965-08-07
Publication date: 1968-06-06
Also published as: GB1056627A; BE668054A; AT259074B; DK119167B; CH435433A; NL143757B; FR1450862A; NL6409205A; JPS4641978B1; US3379954A; ES316283A1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H 02h

Deutsche Kl.: Hai-2

Nummer: 1269 715

Aktenzeichen: P 12 69 715.3-32

Anmeldetag: 7. August 1965

Auslegetag: 6. Juni 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für einen Wechselrichter mit mindestens einem gesteuerten Gleichrichter, z. B. einem Thyratron oder einem Halbleitergleichrichter, und einem Eingangsfilter mit einer Reiheninduktivität und einem über diese mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Parallelkondensator, welches Filter die -erzeugte Wechselspannung von der Gleichspannungsquelle fernhalten soll.

Wechselrichter mit mindestens einem gesteuerten Gleichrichter zum Umwandeln der Spannung einer Gleichspannungsquelle in eine Wechselspannung sind z. B. aus der österreichischen Patentschrift 226 830 bekannt. Es ist üblich, ihre Eingangsklemmen durch einen Kondensator von z. B. 100 μΡ zu überbrücken, um die erzeugte Wechselspannung von der Gleichspannungsquelle fernzuhalten. Bei Anlagen, die mehrere an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle angeschlossene Wechselrichter enthalten, hat es sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, jeden Wechselrichter über ein Eingangsfilter, das eine Reiheninduktivität und den erwähnten, parallel zur Gleichspannungsquelle geschalteten Kondensator enthält, anzuschließen, um die erzeugte Wechselspannung auch von der /Leitung zur Gleichspannungsquelle fernzuhalten. Zu diesem Zweck genügt bereits eine Reiheninduktivität vom gleichen Wert wie die der zu entkoppelnden Leitung, z. B. von der Größenordnung von 10 bis 100 μΗ.

Die Wechselrichter und insbesondere ihre gesteuerten Gleichrichter werden meistens mit einer Schmelzsicherung, vorzugsweise einer Präzisionsschmelzsicherung, gegen Störungen, wie überlastung, Kurzschluß im Belastungskreis und nicht rechtzeitiges Erlöschen oder Zünden eines gesteuerten Gleichrichters, geschützt. Im Betrieb hat es sich jedoch herausgestellt, daß der größere Teil der Störungen vorübergehender Natur ist. Bei Eisenbahnbeleuchtungsanlagen mit Wechselrichtern sind z. B. mehr als 90% der Störungen auf fehlerhafte Stecker- oder Leuchtenkontakte, vorübergehende Kurzschlüsse in Verbindungssteckern oc'^r Leuchten oder parasitäre Impulse, die z. B. beim Umschalten von Batteriespeisung auf Gleichstromgeneratorspeisung oder umgekehrt erzeugt werden, zurückzuführen. Die Folge dieser Störungen ist ein großer Verbrauch von Schmelzsicherungen, wobei es manchmal schwierig sein kann, eine geschmolzene Sicherung auszutauschen, und dies jedenfalls das Eingreifen eines Fachmannes erfordert.

Die Erfindung bezweckt, eine Schutzschaltung des eingangs beschriebenen Typs anzugeben, bei der der

Schutzschaltung für einen Wechselrichter mit
mindestens einem gesteuerten Gleichrichter

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:
Theodorus Hehenkamp,
Emmasingel, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 11. August 1964 (64 09 205) - -

Wechselrichter selbst gegen Störungen vorübergehender Natur gesichert ist, so daß solche Störungen nicht zum Durchbrennen einer Schmelzsicherung führen können. Sie beruht auf dem Gedanken, das meistens bereits vorhandene Eingangsfilter auch als Sicherungslöschkreis zu benutzen.

Die Schutzschaltung nach der Erfindung enthält somit auch ein Eingangsfilter mit einer Reiheninduktivität und einem über diese parallel zur Gleichspannungsquelle geschalteten Kondensator zum Fernhalten des erzeugten Wechselstromes von der Gleichspannungsquelle und von der Leitung zur Gleich-Spannungsquelle. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Reiheninduktivität größer als das 4,62fache des Wertes der induktiven Eingangsreaktanz des Wechselrichters ist und daß der gesteuerte Gleichrichter bei einer Störung im Wechselrichter oder in seinem Speise- oder Belastungskreis durch eine in der Reihenschaltung der Reiheninduktivität und des Parallelkondensators entstehende, die Spannung über dem Parallelkondensator durch Null hindurchführende, gedämpfte Schwingung löschbar

ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 ist das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Schutzschaltung nach der Erfindung, und F i g. 2 ist ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schutzschaltung nach der Erfindung.

809 558/130

Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält einen Wechselrichter des in der österreichischen Patentschrift 226 830 beschriebenen Typs. Dieser Wechselrichter hat zwei gesteuerte Halbleitergleichrichter 1 und 1'. Er hat die Aufgabe, die Gleichspannung einer Quelle 2 in eine höhere Wechselspannung höherer Frequenz, z. B. einer Frequenz von 6800 Hz, für die Speisung mehrerer Leuchtstofflampen 12, 12', 12" usw. über Vorschaltinduktivitäten 11, 1Γ bzw. 11" umzuwandeln. Die Lampen 12, 12', 12" können durch dauernden Kurzschluß mittels der Schalter 13, 13' bzw. 13" einzeln gelöscht werden, und die Induktivität der Belastung, die aus den Lampen und ihren Vorschaltinduktivitäten besteht, wird von einem Kondensator 10 ausgeglichen, der parallel zur Sekundärwicklung 5 eines Ausgangstransformators 3, 4, 5 geschaltet ist.

Die Anoden der Gleichrichter 1 und Γ sind unmittelbar mit der positiven Eingangsklemme des Wechselrichters und ihre Kathoden über je eine entsprechende Hälfte der Primärwicklung 3 des Gegentaktausgangstransformators 3, 4, 5 und über eine gemeinsame Drosselspule 7 mit einem Kern 8 aus einem ferromagnetischen Material mit der negativen Eingangsklemme verbunden. Der Kern 8 trägt ferner zwei Sekundärwicklungen 9 und 9' für die Erzeugung einer geringen negativen Vorspannung für die Steuerelektroden der Gleichrichter 1 bzw. Γ. Die Wicklungen 9 und 9' sind einerseits mit der Kathode des entsprechenden Gleichrichters 1 bzw. Γ und andererseits über einen Gleichrichter 14 bzw. 14' mit dem Steuerkreis 16, 25, 26 bzw. 16', 25', 26' für diesen Gleichrichter und mit einem Elektrolytkondensator 15 bzw. 15' verbunden, der parallel zur Reihenschaltung der Wicklung 9 bzw. 9' und des Gleichrichters 14 bzw. 14' geschaltet ist.

Die Primärwicklung 3 des Ausgangstransformators wird von einem Kondensator 6 überbrückt, mit dem sie den kapazitiven Teil eines ersten Schwingungskreises mit Reihenresonanzcharakter bildet, dessen induktiver Teil aus der Drosselspule 7, 8 besteht. Dieser erste Schwingungskreis wird abwechselnd über den Gleichrichter 1 und den Gleichrichter Γ an die Eingangsklemmen des Wechselrichters angeschlossen. Die Gleichrichter 1 und Γ werden abwechselnd von einem Impuls leitend gemacht, der von dem Strom erzeugt wird, der einen parallel zum kapazitiven Teil 3, 6 des ersten Schwingungskreises geschalteten zweiten Schwingungskreis 19, 20, 21, 22, 23, 24, 27 durchfließt, welcher mindestens einen Widerstand 22 in Form einer Glühlampe, durch den er unterkritisch gedämpft wird, und ein nichtlineares Element enthält, das aus einer Wicklung 23 besteht, die auf einem Kern 24 aus ferromagnetischem Material mit rechteckiger Hysteresisschleife, z. B. aus einem Ferrit, angeordnet ist. Dieser Schwingungskreis enthält weiter eine erste Induktivität 20, die in Reihe mit der Wicklung 23 parallel zur Reihenschaltung des Widerstandes 22 (der von einem Begrenzer 27 überbrückt wird, der aus der Reihenschaltung von sechs Zenerdioden besteht) und eines Kondensators 19 geschaltet ist, und schließlich eine zweite Induktivität 21, die in Reihe mit den erwähnten Parallelzweigen geschaltet ist.

Im Betrieb klappt d <: Kern 24 einen Augenblick nach dem Nulldurchgang dss den Teil 20, 23 des zweiten Schwingungskreises durchfließenden Stromes aus einem Sättigungszustand in den entgegengesetzten Sättigungszustand um, wodurch in den auf ihm angeordneten Sekundärwicklungen 25 und 25' Impulse erzeugt werden. Diese Impulse werden über Dioden 26 bzw. 26' abwechselnd in der jeweiligen Durchlaßrichtung den Widerständen 16 bzw. 16' und den gesteuerten Gleichrichtern 1 bzw. 1' zwischen ihren Steuerelektroden und ihren Kathoden zugeführt, wodurch die Gleichrichter zünden. Die Schaltfrequenz des Wechselrichters wird im wesentlichen

ίο von den Werten der Blindwiderstands- und Wirkwiderstandselemente des zweiten Schwingungskreises 19 bis 24, 27 bestimmt, wobei die Dauer jeder Leitungsperiode jedes der Gleichrichter 1 und Γ höchstens gleich einer halben Schwingungsperiode des ersten Schwingungskreises 3, 6, 7, 8 ist.

Die F i g. 1 zeigt ferner einen sehr einfachen Zündkreis, der aus einem Kondensator 17 besteht, der von einem Entladewiderstand 18 überbrückt und zwischen Emitter und Anode der Gleichrichter 1 geschaltet ist. Beim Einschalten des Wechselrichters wird hierdurch ein Stromstoß durch den ersten Schwingungskreis 3, 6, 7, 8 und somit auch durch den zweiten Schwingungskreis 19 bis 24, 27 erzeugt, so daß in den Wicklungen 9 und 9' ein erster Impuls erzeugt wird.

Der Wechselrichter ist über eine Reiheninduktivität 28, eine Schmelzsicherung 29 und einen Ein-Aus-Schalter 30 an eine Gleichspannungsquelle 2 angeschlossen; ferner ist ein Elektrolytkondensator 31 von z. B. 100 uF parallel zu den Eingangsklemmen geschaltet. Dieser Parallelkondensator hat die Aufgabe, die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung von der Gleichspannungsquelle 2 fernzuhalten, und die Reiheninduktivität 28 verbessert die Filterwirkung dieses Kondensators. Die Induktivität 28 ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Wechselrichter aus derselben Gleichspannungsquelle gespeist werden müssen, weil sie dann einer gegenseitigen Kopplung der Wechselrichter über die gemeinsame Speiseleitung entgegenwirkt. Zu diesem Zweck genügt

bei der verhältnismäßig hohen Frequenz der Wechselspannung von z. B. 6800 Hz bereits eine verhältnismäßig kleine Induktivität 28 von der Größenordnung der induktivität der Speiseleitung. Bei einer Speiseleitung mit einer Induktivität von 10 bis 100 μΗ ist es z. B. üblich, eine Induktivität 28 von der gleichen Größenordnung, z. B. von 100 ;xH. zu verwenden. Gemäß der Erfindung ist der Wert der Reiheninduktivität 28 größer als das 4.62fache des Wertes der induktiven Eingangsreaktanz des Wechselrichters. und der gesteuerte Gleichrichter 1. Γ ist bei einer Störung im Wechselrichter oder in seinem Speise- oder Belastungskreis durch eine in der Reihenschaltung der Reiheninduktivität 28 und des Parallelkondensators 31 entstehende, die Spannung über dem Parallelkondensator 31 durch Null hindurchführende gedämpfte Schwingung löschbar.

Solche Störungen vorübergehender Natur können dreierlei Art sein:

1. Kurzzeitig unterbrochener Belastungskreis

Eine Strom- und'oder Spannungsüberlastung des bzw. der gesteuerten Gleichrichters bzw. Gleichrichter läßt sich durch geeignete Bemessung des Wechselrichters vermeiden. Wenn die Spannung der Speisequelle 2 während einer Unterbrechung des Belastungskreises ungewöhnlich hoch ist, kann jedoch der Fall eintreten, daß der gesteuerte Gleichrichter oder einer der gesteuerten Gleichrichter am Ende

seiner vom Kreis 3, 4, 5. 6. 7, 8 bestimmten Leitungsperiode nicht erlischt, wodurch die Schmelzsicherung 29 durchbrennt. Dies läßt sich mit Hilfe des aus dem Eingangsfilter 28, 31 bestehenden Schwingungskreises verhindern. Wenn dieser Schwingungskreis unterkritisch gedämpft ist, geht der den nicht erloschenen Gleichrichter durchfließende Strom trotzdem noch einmal durch Null, so daß der Gleichrichter nach etwa drei Viertel der verhältnismäßig sehr langen Periode dieses Schwingungskreises erlischt. Zu diesem Zweck muß also der Wert der Reiheninduktivität 28 mindestens das 4,62fache der Summe der Induktivität der Drosselspule 7, 8 und der einer Hälfte der Primärwicklung 3 des Transformators 3, 4. 5 betragen.

2. Kurzzeitiger Kurzschluß des Belastungskreises

Der zum Zeitpunkt des Kurzschlusses leitende gesteuerte Gleichrichter erlischt nicht am Ende seiner Leitungsperiode, so daß die Schmelzsicherung 28 schmilzt. Auch dies läßt sich dadurch vermeiden, daß der Wert der Reiheninduktivität 28 so gewählt wird, daß er mindestens das 4.62fache der Summe der Induktivität der Drosselspule 7, 8 und der wirksamen Induktivität der Hälfte der Primärwicklung 3 des Transformators 3 bis 5 beträgt. Diese wirksame Induktivität ist dabei gleich der Induktivität der Parallelschaltung der Eigeninduktivität einer Hälfte der Primärwicklung 3 und des entsprechenden Teiles der Streuinduktivität des Transformators 3 bis 5 und damit praktisch gleich einem Viertel der gesamten Streuinduktiviiät dieses Transformators.

3. Kurzzeitiger und rascher Abfall der Spannung

der Speisequelle 2

Jeder Abfall dieser Spannung hat eine Herabsetzung der Ausgangsspannung des Wechselrichters bei ebenfalls herabgesetzter Arbeitsfrequenz zur Folge. Die herabgesetzte Ausgangsspannung bringt eine Verkürzung der verfügbaren Erholungszeit mit sich. Dies bedeutet, daß, wenn die Belastung erhalten bleibt, d. h. wenn im vorliegenden Falle die Leuchtstofflampen 12, 12' usw. nicht erlöschen, einer der gesteuerten Gleichrichter am Ende seiner Leitungsperiode nicht mehr erlöschen kann. Dies kann bei raschem Abfall der Spannung der Speisequelle 2 eintreten und sogar bei einem kurzzeitigen Abfall zum Durchbrennen der Schmelzsicherung 29 führen. Auch dies läßt sich dadurch vermeiden, daß der Wert der Lüngsinduktivität so groß gewählt wird, daß er mindestens das 4,62fache der Summe der Induktivität der Drosselspule 7. 8 und der wirksamen Induktivität der Hälfte der Primärwicklung des Transformators 3 bis 5 beträgt. In diesem Falle liegt der Wert der wirksamen Induktivität zwischen der Induktivität der Hälfte der Wicklung 3 bei unbelastetem Transformator 3 bis 5 (1. Fall) und einem Viertel der gesamten Streuinduktivität dieses Transformators (2. Fall).

An Hand des Ersatzschaltbildes der F i g. 2 wird jetzt rechnerisch gezeigt, daß die eben erwähnte Löschbedingung tatsächlich erfüllt ist, wenn der Wert der Reiheninduktivität 28 mindestens das 4.62fache der im Hauptstromkreis jedes gesteuerten Gleichrichters 1 oder Γ wirksamen Induktivität 7' ist. die im beschreibenden Ausführungsbeispiel und bei Null-Last praktisch gleich der Summe der Induktivität der Drosselspule 7. 8 und der Eigeninduktivität einer Hälfte der Primärwicklung 3 des Transformators 3 bis 5 ist.

Alle soeben erörterten Störungen bedeuten schließlich einen Kurzschluß der Gleichspannungsquelle 2 über die Reihenschaltung der Reiheninduktivität 28, der Eingangsreaktanz T des Wechselrichters (die im ungünstigsten Falle gleich der Summe der Induktivitäten der Drosselspule 7, 8 und der einer Hälfte der Primärwicklung 3 des Transformators 3 bis 5 ist) und eines Schalters, der aus dem gesteuerten Gleichrichter oder einem der gesteuerten Gleichrichter des Wechselrichters besteht. Offensichtlich erlischt der Gleichrichter wieder, wenn zu einem Zeitpunkt der die Eingangsreaktanz 7' und den Gleichrichter durchfließende Strom I- wieder Null wird.

Der Verlauf des Stromes /^h durch die Reiheninduktivität 28 nach dem Schließen des Schalters 1 entspricht der Gleichung

_v _

d'28 ₊ _Ö3J_

df

wobei V₁ die Spannung der Quelle 2, L₂₈ der Wert der Reiheninduktivität 28, Q_n die Ladung des Kondensators 31 und C₃₁ dessen Kapazität ist.
Weiter ist

hn — 'V + '.!l

wobei /- der Strom durch die Eingangsreaktanz und I₁₁ der Auflade- bzw. Entladestrom des Kondensators 31 ist.

Für den rechten, geschlossenen Kreis T. 1. 31 der

F i g. 2 gilt
35

dt

C₃₁ ·

wobei L-. die induktive Eingangsreaktanz des Wechselrichters ist.

Die Differentiation ergibt

di^{2 T} Q₁
d²/-' , d²/₃₁

df²

und

d²/,.

dr L"-C₃, '
Aus (Γ) und (2') ergibt sich
d²i₃₁

■is ( T-

-⁸ V df²

0 =

und aus (4) und (3')

0 =

L-

• '31

df²

oder

31

^•28

df²

₁I ■ C₃₁

'31 ·

Die Lösung dieser Differentialgleichung hat die Form

(₃, = A cos 01t + B sin <·> t,

oder, da

2 ^28

" ⁼ 1—

^28 + L_T

¹T ^L 31

,„2 ₌ L*L+_

Bei f = O ist i₃₁ = O, woraus A=O folgt. Anderer-

seits ist Ö31 = S hi df = cos w f; bei f = 0 ist

wiederum g₃₁ = C₃₁ · V₂ = —-, woraus sich B= -W- C₃₁ · V₂ und schließlich

i₃₁ = — (M C₃₁-V₂- sin ίο t (6)

ergibt.

Aus (Γ) und (6) folgt

— sin wf= — w f ist; dies ist der Fall, wenn -^-

d²/

28

'31

(O V₂

df² L₂₈" C₃i L₂₈

und, durch Integration,

sin w f

df L₂₈

COS lot + K₁

'28 =

ω L₂₈

sin ω t + K₁1 + K₂ . (7)

df
so daß

K₁ =

V₂

-¹IB

'28 = ~

² sin ω t + -τ-²- f. (8)

«j L₂₈

Es ist

¹T — '28 ~ '31

Λ—ι-²— t + (OC₃₁-V₂ sin to t

' V₂

I₁, = I₂₈- I₃₁ = — sin (o t

ω L₂₈

mindestens so groß ist, daß die Kurve, die die Funktion -— sin ο t darstellt, von der Geraden, die die Funktion — w f darstellt, zwischen w f = .τ und _f„ f = -^- gerade noch berührt wird. Dieser Berührungspunkt liegt bei wf = 1,43.τ = 4,5, wobei sin (o t = 0,975, so daß J^- größer als -£— = 4,62 sein muß:

0,975

^- > 4,62

20 Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Induktivität der Drosselspule 7 etwa gleich 20 μΗ, die Induktivität einer Hälfte der Primärwicklung 3 gleich 160 μΗ, und es wurde eine Reiheninduktivität von etwa 2 mH verwendet, so daß die im vorstehenden abgeleitete Bedingung:

Bei f = 0 ist I₂₈ = 0 und somit K₂ = 0.

Bei f = 0 ist auch 30

= 0,

■^28

L₇,

> 4,62

35

40

45

f₇, = V₂ (ω C₃₁ j—) sin ω t + -ρ²- f.

\ <" ^28 / ^28

Es wird aber i_r zu Null, wenn

(w C₃i ζ—) sin wf= ζ— "' L₂₈ / i.28

55

60 reichtlich erfüllt war.

In der Praxis wurden durch die Maßnahme nach der Erfindung bei Eisenbahnbeleuchtungsanlagen die Betriebsstörungen um einen Faktor von mehr als 10 herabgesetzt.

Claims

Patentanspruch:

Schutzschaltung für einen Wechselrichter mit mindestens einem gesteuerten Gleichrichter, z. B. einem Thyratron oder einem Halbleitergleichrichter, und einem Eingangsfilter mit einer Reiheninduktivität und einem über diese mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Parallelkondensator, welches Filter die erzeugte Wechselspannung von der Gleichspannungsquelle fernhalten soll, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Reiheninduktivität (28) größer als das 4,62fache des Wertes der induktiven Eingangsreaktanz des Wechselrichters ist und daß der gesteuerte Gleichrichter (1, 1') bei einer Störung im Wechselrichter oder in seinem Speise- oder Belastungskreis durch eine in der Reihenschaltung der Reiheninduktivität (28) und des Parallelkondensators (31) entstehende, die Spannung über dem Parallelkondensator (31) durch Null hindurchführende, gedämpfte Schwingung löschbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
österreichische Patentschrift Nr. 226 830.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 558/130 5.68 0 Bundesdruckerei Berlin