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Wechselrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung Die Erfindung bezieht
sich auf einen Wechselrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung, bei dem in jeder
Brückenhälfte parallel zur Primärwicklung des Wechselrichtertransformators geschaltet
je ein Kommutierungskondensator und zwischen einem Kommutierungskondensator und
der Primärwicklung in jedem Brückenzweig eine Kommutierungsdiode angeordnet ist
und bei dem ferner für jeden Brückenzweig eine Blindstromdiode vorgesehen ist, welche
in Durchlaßrichtung einen Strompfad entgegen der Durchlaßrichtung der Reihenschaltung
eines Thyristors und einer Kommutierungsdiode des betreffenden Brückenzweiges zur
Betriebsspannungsquelle bildet.
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Bei derartigen Wechselrichtern ist nicht ohne weiteres sichergestellt,
daß sowohl ein spannungsmäßiges Überschwingen als auch ein übertragen von Überspannungen
von den Löschkondensatoren auf die Thyristoren unterbleibt.
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Es sind Wechselrichter mit Transistoren in Brükkenschaltung, beispielsweise
für Antriebe kleiner Leistung, bekannt. Wegen der stetigen und reversiblen Steuerbarkeit
der Transistoren brauchen bei derartigen Wechselrichtern notwendigerweise keine
Kommutierungskondensatoren vorgesehen werden. Wechselrichter mit Thyristoren haben
gegenüber Transistor-Wechselrichtern den wesentlichen Vorteil, daß sie wegen der
hohen Belastbarkeit der Thyristoren für entsprechend große Leistungen ausgelegt
werden können. Da das elektrische Schaltverhalten von Thyristoren dem der Thyratrons
entspricht, müssen bei diesen Wechselrichtern, ebenso wie bei Thyratron-Wechselrichtern,
Kommutierungskondensatoren vorgesehen werden.
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Das Problem der Betriebssicherheit wird indessen wegen der schnellen
Schaltbarkeit und der großen Durchschlagsempfindlichkeit von Thyristoren wesentlich
verschärft. So vermögen schon geringe Induktivitäten innerhalb der Anordnung bei
schnell geschalteten Strömen hohe überspannungen zu erzeugen.
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Ferner kann schon die Größe der Streuinduktivitäten des Wechselrichtertransformators
beim Kommutieren des Laststromes ein Überschwingen der Spannung an den Kommutierungskondensatoren
und an den dabei in Sperrichtung beanspruchten Thyristoren über den zweifachen Wert
der Betriebsspannung hinaus ermöglichen.
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In F i g. 1 ist ein bezüglich der Anordnung der steuerbaren und nichtsteuerbaren
Ventile bekannter Wechselrichter in Brückenschaltung mit Thyristoren dargestellt,
bei dem der Wechselrichtertransformator aus einer Primärwicklung 1 und einer Sekundärwicklung
1', die den Wechselrichterausgang bildet, besteht. An jedem der beiden Endpunkte
der Primärwicklung 1 des Wechselrichtertransformators sind zwei Brückenzweige angeordnet,
die jeweils aus einem Thyristor 2', 3 bzw. 2, 3' und einer Kommutierungsdiode 8',
9 bzw. 8, 9' bestehen. Während die Kathoden der beiden Thyristoren 2 und 3 miteinander
verbunden sind und über einer Gleichstromdrossel 5 am negativen Pol der Gleichspannungsquelle
11 liegen, sind die Anoden der beiden Thyristoren 2' und 3' miteinander über eine
Gleichstromdrossel 5'
an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle 11 geschaltet.
An die Verbindung des Thyristors 2 bzw. 3 bzw. 2' bzw. 3' mit der jeweils in Reihe
geschalteten Kommutierungsdiode 8 bzw. 9 bzw. 8' bzw. 9' einer jeden Brückenhälfte
ist ein Kommutierungskondensator 4 bzw. 4' geschaltet. Zu der Gleichstromdrossel
5 bzw. 5' und den zu derselben und dem jeweiligen Ende der Primärwicklung des Wechselrichtertransformators
in. Reihe liegenden, jeweils aus Thyristor und Kommutierungsdiode bestehenden Brükkenzweig
ist jeweils eine weitere Diode als Blindstromdiode 6 bzw. 7 und 6' bzw. 7' parallel
geschaltet. Außerdem ist sowohl der Gleichstromdrossel 5 als auch der Gleichstromdrossel
5' je eine Diode 10 bzw. 10' als Freilaufdiode parallel geschaltet.
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Beim Einschalten der Betriebsspannungsquelle 11 gelangt der Betriebsstrom
beispielsweise über die Gleichstromdrossel 5, den durchgeschalteten Thyristor
2' und der Kommutierungsdiode 8' an die Primärwicklung 1 des Wechselrichtertransformators,
von da über die Kommutierungsdiode 8, den durchgeschalteten Thyristor 2 und die
Gleichstromdrossel 5 zurück zur Betriebsspannungsquelle 11. Die an der Primärwicklung
anliegende nahezu konstante Spannung läßt den magnetischen Fluß im Wechselrichtertransformator
fast linear anwachsen. Der in der Primärwicklung fließende Strom steigt entsprechend
der
Magnetisierungskurve als Funktion des magnetischen Flusses mit der Zeit an. In der
$ekundärwicklung 1' wird damit eine dem Anstieg des magnetischen Flusses und der
Windungszahl proportionale annähernd konstante Spannung induziert.
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Der Umschaltvorgang wird nun dadurch gesteuert, daß durch einen besonderen
Taktgeber die Thyristoren 3 und 3' gezündet werden. Mit der Zündung des Thyristors
3 bzw. 3' ist gleichzeitig die Löschung bzw. Sperrung des sich noch im durchgeschalteten
Zustand befindenden Thyristors 2 bzw. 2' notwendig, da sonst kein Wechselrichterbetrieb
möglich ist. Diese Löschung wird jedoch nur dadurch erzielt, daß die in Durchlaßrichtung
an dem 74#hyristor 2 bzw. 2' anliegende Spannung, wenn auch nur kurzzeitig, unter
den Wert der Löschspannung fällt. Eine einwandfreie Löschung wird stets durch Anlegen
einer in Sperrichtung wirkenden Spannung erreicht. Diese Sperrung ist kurzzeitig
als Ladespannung des Kommutierungskondensators 4 bzw. 4' vorhanden. Die Zündung
des Thyristors 3 bzw. 3' bewirkt ein gleichzeitiges Anliegen der Ladespannung des
jeweiligen Kommutierungskondensators 4 bzw. 4' am Thyristor 2 bzw. 2' in Sperrichtung,
so daß derselbe gesperrt wird.
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Die Kommutierungskondensgtoren 4 und 4' laden sich beim Umschaltvorgang
um. Ist, wie angenommen, die Betriebsspannung über die Brückenzweige mit den Thyristoren
2, Z' an die Primärwicklung des Wechselrichtertransformators geschaltet, so laden
sich die Kondensatoren 4 und 4' auf, und zwar in der Weise, dafi der Anschlußpunkt
des Xommutierungsköndensators 4' zum Th@ristör 2' 'das positive Potential der Betriebsspannungsquelle
und der Verbindungspunkt des KQnlmutierüngskandensatars 4 zum Thynstor 2 das negative
Potential der Betriebs-Spannungsquelle aufweist. Werden nun die @thyristoreu 3 bzw.
3' gezündet, so liegt der jeweilige Kommutierungskondensator 4 b,7v. 4' mit seiner
positiven Aufladung potentialmäßig hoch und sperrt den entsprechenden Thxristor
2 bzw. 2'.
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- Die Umschaltung wird demnscll nicht allein durch einen vorhandenen
die Einsteuerung der Thyristoren bewirkenden Taktgeber hervorgerufen, sondern hängt
in hohem Maße davon ab, daß die Korpmutierung nommen, die Thyristoren 2 und 2' seien
mittels der Kondensatoren 4 bzw. 4'- störungsfrei vor sich geht. Ein einwandfreies
Arbeiten der Kommutierungskondensatoren ist aber nur gewährleistet, wenn die Ladespannung
voll und ganz zur Löschung des betreffenden Thyristors ausgenützt werden kann. Tritt
'beispielsweise transformatorseitig ein Kurzschluß von poch so kurzer Dauer auf,
so wird die Ladeenergie des Kommutiernagskondensators zum Transformator abfließen
und zur Umschaliung, d. h., Sperrung des entsprechenden Thyristors fehlen, wenn
die Kommutierungsdioden $, 9 bzw. 8', 9' nicht in der Anordnung vorgesehen sind.
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Thyristoren können aber auch ohne Steuerimpulse an der Steuerelektrode
durchgezündet werden. Überschreitet die am Thyristor in Durchlaßrichtung anliegende
Spannung den zuzulassenden Wert um einen bestimmten Betrag (beispielsweise ummehr
als 20: %), so kommt es zur Durchzündung, obwohl an der Steuerelektrode keim Steuerimpuls
anliegt. Ein solches Durchzünden kaum für den betroffenere Thyri-Star schädigende
Wirkung zeigen.
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Der Einfachheit halber sei beispielsweise ange-und die Anordnung befände
sich im Betriebszustand. Wird zu diesem Zeitpunkt aus irgendwelchen von Fehlern
oder Störungen verursachten Gründen der Thyristor 3' gezündet und damit durchgeschaltet,
so wird über den Kommutierungs4ondensator 4' der Thyristor 2' gelöscht und die Betriebsspannungsquelle
ist über die durchgeschalteten Thyristoren 2 und 3', die Kommutierungsdioden 8 und
9' und die Gleichstromdrosseln 5 und 5' kurzgeschlossen.
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Da üblicherweise in technischen Anlagen als überstromschutz Schmelzsicherungen
zu den Thyristoren in Reihe geschaltet sind, wird der auftretende Kurzschlußstrom
eine der beiden betroffenen Schmelze Sicherungen zum Ansprechen bringen. Wird weiter
angenommen, daß die zum Thyristor 2 gehörende Schmelzsicherung anspricht, so ergibt
sich über den Kommutierungskondensator 4 eine Überspannung auf den nicht durchgeschalteten
Thyristor 3, die den doppelten Wert der Betriebsspannung erreichen kann.
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Da solche Überspannungen zur Durehz44dung ohne Steuerimpuls führen,
stellt sieh die Erfindung die Aufgabe, bei Wechselrichtern der eingangs genannten
Art diese unerwünschten Effekte zu beseitigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Blindstrqrndioden
jeweils an'- . V_ er-Bindung zwischen einem Thyristor und seiner zugehörigen
Kommutierungsdiode richtungsgleich mit diesen angeschlossen sind.
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An Hand eines Ausführpngsbeispiels ist der schaltungstechnische Aufbau
der Erfindung in B 1 g. 2 dargestellt uqd die Wirkungsweise erläutert. 1q F i g.
2 sind die der F i g. T. entsprechenden Teile m_ it dem gleichen Bezugszeichen'
beziffert.
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Die beim bekannten Wechselrichter nach F i g. 1 direkt an den Anschlußpunkt
zur Primäryyicklung des Weehselrichtertransformators geschalteten Blindstromejioden
6 und 7 bzw. i#' und 7' sind demgegenüber. erfindungsgemäß jeweils an die betreffende
Ver-Bindung zwischen einem Thyristor und der zugehörigen Kommütierungsdiode geschaltet.
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In der Anordnung nach F i g. 1. könnten die Blindstromdioden b und
7 bzw. (' und 7' wohl den durch die in der Primärwicklung des Wechselrichtertransfqrnjatqrs
induzierte Spannung bewirkten Strom zur Betriebsspannungsquelle zurückführen, aber
nicht die bei Ansprechen einer. Sicherung auftretende überhöhte Spannung ausgleichen,
da zwischen dem Punkt des überhöhten Potentials und der zur Ausgleichung richtig
gepolten Blindstromdiode ¢ (Z, f' bzw. T) stets eine Kommutierungsdiqde 8 (9, 8'
bzw. 9') in Sperrichtung geschaltet ist.
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Nach der Erfindung liegt jeweils, die zugehörige Blindstrqmdiode 6
(7, 6' bzw. T) an der Verbindung zwischen einem Thyristor 3' (2', 3 bzw. 2,) und
der zugehörigen Kommutierungsdiode 9' ($', 9 bzw. 8). Dadurch wird die Blindstromführung
nicht gehindert, weil die Kommutierpngsdioden 9, 9' bzw. 8, 8' richtungsgleich in
Reihe mit den Blindstromdioden 6, 6' bzw. 7, 7 zur Primärwicklung des Wechselrichtertransforpiators
geschaltet sind. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Blindstrqmdioden
verhindert, daß einer der Kommutierungskondensatoren gegenüber einem Pol der Betriebsspannungsqtlelle
einen grpßeren Potentiahunterschied als die Betriebsspannungsquelle selbst aufweist.
Mit dieser Angrdnung wird somtit Ahne technischen
Mehraufwand gegenüber
dem Bekannten die Möglichkeit zur Entstehung unerwünschter überspannungen beseitigt.