DE1289908B - Selbstgefuehrter und selbstgesteuerter Wechselrichter - Google Patents

Description

Ein selbstgeführter Wechselrichter erfordert bekanntlich in der Regel besondere Schaltmittel, welche die Kurvenform der Wechselspannung bestimmen und den für die Ablösung der gesteuerten Ventile erforderlichen Kommutierungsvorgang sicherstellen. Diese Schaltmittel sind Kondensatoren und Drosselspulen, wobei letztere bei Vorliegen einer ohmschen und induktiven Belastung entbehrlich sein können. Derartige Wechselrichter haben jedoch den Nachteil, daß die Höhe und die Kurvenform der Wechselspannung belastungsabhängig ist. Ebenso ist die sogenannte Freiwerdezeit der Ventile, welche die Wiederherstellung der Sperrfähigkeit des jeweils abgelösten Ventils bestimmt, von der Belastung abhängig. Diese Nachteile können durch Vorsehen besonderer Hilfsstromkreise mit zusätzlichen gesteuerten Ventilen behoben werden. Dies bedingt aber einen erheblichen Aufwand.

Bei einer anderen bekannten Anordnung eines Wechselrichters, die einen zur Belastung in Reihe geschalteten Kondensator aufweist und bei welcher den steuerbaren Ventilen ungesteuerte Ventile antiparallel geschaltet sind, ist die gegebenenfalls durch zusätzliche Induktivitäten ergänzte Impedanz so bemessen, daß ein Schwingungskreis entsteht, dessen Schwingungsdauer ein wenig unterhalb der Periodendauer des zu erzeugenden Wechselstromes liegt. Dieser Wechselrichter hat die Eigenschaft, daß die Freiwerdezeil der steuerbaren Ventile von der Belastung unabhängig ist. Dagegen sind sowohl die ,₀ Höhe der Ausgangsspannung als auch die Frequenz dieser Spannung infolge der mit der Belastungsänderung sich ändernden Schwingkreisbestandteile mit dieser Belastung veränderlich.

Nach den französischen Patentschriften 1 28 i 553 und I 284 106 sind Wechselrichter mit steuerbare:! und dazu antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventilen beschrieben, bei denen parallel zur Wechselstrombelastung eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem veränderbaren ohmschen Widerstand liegt. Diese Reihenschaltung dient unter Verwendung der Kondensatorspannung dazu, die erforderliche Primärspannung eines Steuertransformaiors zur Steuerung der Ventile des Wechselrichters zu erhallen.

Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift 699 093 ein Wechselrichter bekannt, bei dem als Hauptventile je zwei antiparallelgeschaltete gesteuerte Ventile verwendet werden. Die Kommutierung wird bei dieser Anordnung über eine Spannungszwischenstufe vorgenommen, wozu über zwei parallel gesteuerte Ventilstrecken die Last zwischenzeitlich an diese Zwischenspannung gelegt wird. Parallel zur Belastung ist eine Grundbelastung angeschaltet, die aus der Reihenschaltung des Kommutierungskondensators und zwei antiparallelgeschaltetcn gesteuerten Ventilen besteht. Mit Hilfe dieser als Schalter eingesetzten Ventile wird der Kondensator während tier Kornmutierungszeiten an die Belastung angeschaltet und außerhalb der Kommutierungszeiten abgeschaltet. Während dieser Freibleibezeiten kann der Kondensator anderen Teilwechselrichtern zugeschaltet werden und deren Kommutierung bewirken. Die mit Hilfe dieses Wechselrichters erzeugte Ausgangsspannung kann höchstens bei ohmscher Last als annähernd konstant angesehen werden, setzt nicht steil zu der geforderten Rechteck form ein und weist am Anfang und Ende jedes Spannungsimpulses eine Spannungsüberhöhung auf. Die Ausgangswechselspannung ist also stark von der angeschalteten Belastung abhängig. Weiterhin erfolgt bei dieser bekannten Anordnung die Kommutierung lastabhängig, und darüber hinaus ist die Freiwerdezeit der Ventile ebenfalls lastabhängig.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Wechselrichter zu schaffen, bei dem ohne Erfordernis zusätzlicher Ventilsiromkreise die Höhe der Ausgangsspannung von der Belastung unabhängig und bei dem bis zu einer gewissen Belastungsgrenze auch die Frequenz der Ausgangsspannung und die Freiwerdezeit der gesteuerten Ventile lastunabhängig ist.

Diese Aufgabe wird bei einem selbstgeführten und selbstgesteuert«! Wechselrichter mit steuerbaren Ventilen und dazu antiparallelgeschalteten ungesteuerten Ventilen mit einer ohmschen, induktiven ■ oder kapazitiven Belastung des Wechselrichters mit einer parallel zur Belastung liegenden Grundbelastung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Grundbelastung aus der Reihenschaltung eines Kondensators und der Arbeitswicklung eines stromsteuernden Magnetverstärkers gebildet ist und daß die steuerbaren Ventile des Wechselrichters durch Spannungsimpulse gesteuert sind, deren Phasenlage aus den Nulldurchgängen der Kondensatorspannung der Grundbelastung abgeleitet ist.

Die derartig gebildete Grundbelastung erzwingt die zur Löschung der jeweils abzulösenden Ventile erforderlichen Nulidurchgäiige der Ventilströme und sichert den Ventilen eine genügend große Freiwerdezeit. Die Kommutierung erfolgt unabhängig von der Lust. Die Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Wechselrichters ist ebenfalls unabhängig von der Höhe, insbesondere von der Art der Belastung. Die Frequenz der rechteckförmigen Ausgangsspannung bleibt darüber hinaus bis zu einer gewissen Belastungsgrenze unabhängig von der Last. Durch den erfindungsgemäßen Wechselrichter entfallen die Ventile in der Konmnitierungseinrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen zweipuisigen selbstgeführten und selbstgesteuert Wechselrichter in Brückenschaltung. Die auftretenden Spannungen und Ströme sind in der Kurvendarstellung der F i g. 2 wiedergegeben.

In F i g. ί sind I, 2, 3, 4 vier steuerbare Halbleiterventile mit einem Vierschichtenaufbau, die die Steuereigenschafi eines Thyratrons besitzen. Sie sind in der Einphasen-Brückenschallung miteinander verbunden. Das für ihre Steuerung erforderliche Steuergerät, das in noch angegebener Weise von einer geeigneten Spannung des Wechselrichters beeinflußt sein soll, ist in Fig.! nicht wiedergegeben. Den steuerbaren Ventilen sind die mit S, 6,7,8 bezeichneten ungesieuerlen Hafbleuervcnlile antiparallel geschaltet. Die Speisung des Wechselrichters erfolgt durch sine Gleichspannungsquelle, deren Anschlußpol mit + und — und deren Gleichspannung mit U₁₁ bezeichnet ist. Die Belastung des Wechselrichters ist in dem befruchteten Beispiel ein mit 9 bezeichneter ohmscher Widerstand. Der Augenblickswert der an diesem Widerstand auftretenden Wechselspannung ist mit Jf₁₁, angegeben.

Die parallel zu dem als Belastung dienenden Widerstand 9 geschakeie Grundbelasiung besteht gemäß der Erfindung aus der Reihenschaltung eines Kondensators IO und der Arbeitswicklung eines strom-

steuernden Magnetverstärkers 11. Der auch als Transduktor zu bezeichnende Magnetverstärker kann in bekannter Weise aus zwei sogenannten Steuerdrosseln mit je einer als Arbeitswicklung dienenden Primärwicklung und einer als Sieuerwicklung 12 wirksamen Sekundärwicklung bestehen. Die Magnetkerne der Steuerdrosseln sollen eine rechleckförmige Magnelisierungssehleife besitzen, in ebenfalls bekannter Weise sind die Primärwicklungen gleichsinnig, die Sekundärwicklungen gegensinnig in Reihe geschähet. Da die Anordnung der Steuerdrossel!! als ein stromsleuernder Magnetverstärker wirkt, sind die Sekundärwicklungen über einen nicht wiedergegebenen Begrenzungswiderstand mit einer Hilfsgleichspannungsquelle verbunden. Durch diese soll der veränderbare Hilfsgleichstrom, der als Steuergleichstrom /_v wirksam ist. unterhalten werden.

Der Magnetverstärker erzwingt einen Wechselstrom in seiner Arbeitswicklung, der rechteckförmig verläuft, wobei die Höhe der Stromhalbschwingungen durch den Steuergleichstrom I_s bestimmt ist. Die Ummagneiisierung des Magnet verstärkers erfolgt nach Maßgabe der Spannungszeitfläche der an den Wicklungen liegenden Spannungen.

Die Summe der mit u_S! bezeichneten Spannung der zusammengesetzten Arbeitswicklungen der Steuerdrosseln und der in Reihe liegenden Kondensalorspannung /i_t- stimmt wiederum mit der am Widersland 9 auftretenden Wcchselspaimiingr/,,, des Wechselrichters überein.

Die durch den Magnetverstärker und den in Reihe geschalteten Kondensator gebildete Grundbelastung des Wechselrichters dient dazu, die für die jeweilige Löschung der abzulösenden Ventile der Brückenschaltimg erforderlichen Nulldurchgänge der Veiiliislröme zu erzwingen und eine genügend große Freiwerdezeit der Ventile zu sichern. Die Löschung der Ventile ist nur durch die Nebenbedingiing eingeschränkt, daß der Lastslrom des Wechselrichters im Widersland 9 kleiner als der Grundbelaslungsslroni sein muß.

Die Wirkungsweise des Wechselrichters soll an Hand der Kurvendarstellung der Spannungen und Ströme in F i g. 2 beschrieben werden.

In dieser Kurvendarstellung sind einige Zeitabschnitte der Zeil t unterschieden, die mit den Zeitwerlen r„, I₁ ... f„ markiert sind. Im Augenblick f₍₎ sollen die steuerbaren Ventile 1, 3, im Augenblick i_A sollen die steuerbaren Ventile 2, 4 gezündet werden. Die Zündung erfolg! mitteis des erwähnten in F i g. 1 nicht wiedergegebenen Steuergerätes in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen der Spannung h,- des Kondensators Ϊ0.

Die unter diesen Umständen entstehende Wechselspannung M₁₁, des Wechselrichters, die an dem Widersland 9 auftritt und deren Höhe der Halbschwingungen mit der Gleichspannung V₁₁ der Gleichspannuiigsquelle des Wechselrichters übereinstimmt, ist in der Kurve« dargestellt Der dieser Spannung entsprechende- und zu ihr proportionale Wechselstrom /„, im Widerstand 9 ist als Kurve c wiedergegeben.

In der Arbeitswicklung des Magnetverstärkers. worunter weiterhin die Reihenschaltung der Primärwicklungen beider Steuerdrossel verslanden wird, Hießt der als Kurve b dargestellte und mit i_M bezeichnete Slrom, der mit dem Strom /,-des Kondensators IO übereinstimmt. Der Strom verläuft gemäß seiner rechleckigen Kurvenform zeitweise konstant und wechselt sein Vorzeichen, sobald die Spannungszeitfiäche, die die jeweils in Frage kommende Wicklung des Magnetverstärkers aufzunehmen vermag, überschritten wird. Die als Kurve e wiedergegebene Kondensatorspannung u_c ist dementsprechend linear steigend oder fallend. Die zugehörige Spannung u_M an der Arbeitswicklung des Magnetverstärkers, die sich als Differenz der Wechselspannung »„, und der Kondensalorspannung H₁- ergibt, ist als Kurve/ dargestellt. Zu den Kurvenabschnitten von u_M, die linear fallend sind, gehört eine positive Halbschwingung des Stromes /_u, zu den linear steigenden Kurvenabschnitten von i/„ gehört eine negative Halbschwingung dieses Stromes.

Ist B die magnetische Induktion in dem betreffenden Magnetkern, so ist nach Induktionsgesetz

worin K eine Konstante vorstellt. Dementsprechend verläuft die Induktion etwa parabelförmig, wobei im ersten Zeitabschnitt von /₍₎ bis t> das positive Maximum von z. B. B\ mit dem Nulldurchgang von u_M bei T₁ und das im darauffolgenden Zcitabschnitt von I₂ bis I₄. auftretende negative Maximum von B₁ mit dem nächsten Nulldurchgang von u_M bei /, zusammenfällt.

Geht man davon aus, daß im Zeitaugenblick f₀ beide Steuerdrosseln des Magnetverstärkers gesättigt sind, so erfolgt in dem Zeitabschnitt von /„ bis f, eine LJmmagnelisierung in einer der beiden Steuerdrosseln, beispielsweise von der negativen Sättigung bis zu dem vorgenannten positiven Maximum der Induktion ß und von t_t bis I₂ die Rückmagnetisierung, die bei I₂ wieder mit der negativen Sättigung endigt. Die Höhe der positiven Induktion ö ist durch die Spannungszeitfläche von u_M bestimmt. Der Verlauf der Induktion B\ bzw. B> ist in dem Kurvenveriauf / gestrichelt angedeutet.

Vom Zeitaugenblick I₁ an kann die betreffende Steuerdrossel keine Spannung mehr aufnehmen. Deshalb springt der Strom i_M = i_c, wie Kurve b erkennen läßt, im Zeilaugenblick. t₂ von positiven zu negativen Werten, und nunmehr ist die zweite Steuerdrossel in der Lage, Spannung aufzunehmen.

Die Kondensatorspannung verläuft linear abnehmend.

Wie der Kurvenveriauf rf erkennen läßt, springt

der Gesamtstrom i_t- + /_w, der die Ventile 1 und 3 durchfließt, von dem bisherigen positiven Wert zu einem negativen Wert. Mit seinem Nultdurchgang erlischt der Strom in den gesteuerten Ventilen 3 und 3 ohne Kommutierungsvorgang. Der negative Strom 'V + '»· ^w'^rt^ ^{von nun an von} tleii antiparallelgcschalteteii ungesteuerten Ventilen 5 und 7 übernomrisen.

Dieser Zustand verbleibt, bis im Zeitaugenblick t₄ die gesteuerten Ventile 2 und 4 gezündet werden, durch welche die ungesteuerten Ventile 5 und 7 abgelöst werden.

Inzwischen hat sich die Polarität der Spannung

des Kondensators 10 geändert, was in Verbindung mit dem Wechsel der Belastungsspannung zu der Feststellung führt, daß von nun an die Sparmungsverhältnissc entsprechend dem ersäen Zciiabschnitf von I₀ bis i₄, nur mit geänderten! Vorzeichen der

fts Spannungen herrschen, so daß sich alle Vorgänge in der bereits beschriebenen Weise sinngemäß wiederholen.

Die dem Wechselrichter eigentümliche ßetriebs-

weise, nämlich die von der Belastung bis zu einer gewissen Belastungsgrenze unabhängige Löschung der Ventile ohne Auftreten einer negativen Sperrspannung und die Einhaltung einer hinreichend großen Freiwerdezeit der Ventile, ist von der Art der Belastung unabhängig. Der Wechselrichter ist auch bei Vorliegen einer induktiven oder kapazitiven Wechselstromlast gleich gut verwendbar.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Selbstgeführter, selbstgesteuerter Wechselrichter mit steuerbaren Ventilen und dazu antiparallel-

   geschalteten ungesteuerten Ventilen mit einer ohmschen, induktiven oder kapazitiven Belastung , des Wechselrichters mit einer parallel zur Belastung liegenden Grundbelastung, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundbelastung aus der Reihenschaltung eines Kondensators (10) und der Arbeitswicklung eines stromsteuernden Magnetverstärkers (11) gebildet ist und daß die steuerbaren Ventile (1, 2, 3, 4) durch Spannungsimpulse gesteuert sind, deren Phasenlage aus den Nulldurchgängen der Kondensatorspannung der Grundbelastung abgeleitet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen