DE1413516A1 - Selbstgefuehrter Pulswechselrichter - Google Patents

Description

Licentia Patent«7drwaltiings-Greis.-^:b«_lH-.;_t- : . Frankfurt (Main)₉Theodor-Stern=>Kai 1.

(Br. Stäi) Lehmann/Wo PB-Nr. Lm 31 928*

Selbstgeführter Pulswechselrichter <,

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Das Problem^, aus einer Gleichspannung eine 7/echsel- oder Drehspannung veränderlicher !Frequenz und veränderlicher Spannung zu machen, hat im Laufe der Zeit immer größere praktische Bedeutung erlangt, beispielsweise für die Speisung kollektorloser, in der Drehzahl steuerbarer Motoren aus einer konstanten Gleichspannungsquelleo Verlangt wird in diesen Fällen ein selbstgeführter Wechselrichter9 dJu ein Wechselrichter, der nicht auf eine schon vorhandene Wechselspannung arbeitet, sondern diese aus sich selbst heraus erzeugen muß* Derartige Wechselrichter sind ver wirklieht worden mit Hilfe von Thyratrons, Transistoren oder Ha?^leiterz"slleji» wobfi die Kommutierung durch

n sichergestellt wurde _o Handelt es sich um Verbraucher J

i zr.il; induktiver Stromkomponenfce₉ so hat man parallel zu den WechL~

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selrtöhtorvöntrilsn antiparallele Ventile geschaltete welche vorübergehendes Rüekiieferung von Strom in die Gleichströmquelle; 3rmSglicheiio - _\ ..,.

Zu besonders-günstigen Wechselriehteranordnungeii gelangt λ->a _v wenn man den Kommutierungsvorgang unabhängig von dem Zustand des Yerbraucherjaetzes macht, was beispielsweise dadurch verwirklicht werden kann₉daß zwischen den Wechsd.sferomverbrameher und die

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'.Veehselsfcromvöntlla Sperrventile eingeschaltet werden» Stattdessen kann man auch ale Phasenventile steuerbare Halbleiterzellen ver-V/endQn₉ die durch Kondensatorstöße löschbar gemacht sind· Ein sol- « "eher* schon bekannter Wechselrichter ist in Fig· 1 angedeutet. Es handelt sich hier um einen dreiphasigen Wechselrichter in Brücken-

schaltung,- der aus einer Gleichstromquelle U einen Wechselstrom-IS

motor M speist» 1 bis 6 sind die Phasenventile des Wechselrichters₉ die sowohl durch einen Gitterimpuls gezündet, als auch durch einen anderen Impuls, beispielsweise durch Kondensatorstöße, gelöscht werden können« (In der Zeichnung 1st diese doppelte Steuerfähigkeit durch zwei Striche. seitlich am Zellensymbol angedeutet. Beispiele für eine derartige steuerbare Zelle mit Löscheinrichtung zeigen die Figo 3 und 4·,) Eia aus den ungesteuerten Zellen 7 bis 12 bestehender Gleichrichter arbeitet von der erzeugten Drehspannung auf die Spannring U zuzniek* Uja die Frequenz der erzeugten Drahspannung ssu ändern, wird man den Rhythmus der Zünd= und Losch» impulse der-Ventile ^Λ. bis 6 entsprechend wählen» Dabei ergibt sioh eins Drehspannuag von reshteckigem Verlauf während der Halbwelle j wobei die Amplitude der Drehspannung gleich U ist«. Will man bsi abnehmende? Frequenz dem Motor eine entsprechende kleinere Spannung zuführen_t, so kann man die Ventile i bis 6 jeweils während ihrer i20° Brenndauer nisht dauernd einschalten,, sondern nach dem Prinzip der Pulfirsgelung nur mit einem bestimmten veränderlicheii Jilnsehaltverhältiiiao Auf diese Weise überlagert sich der erzeugten

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Frequenz 1" des Brehstrocies eine Pulsfrequenz f _{Q s} welche wesentlich höher ist und infolgedessen dursh einen aus L und C bestehenden Tiefpaß vom Verbraucher M abgeriegelt werden kanne-Die in Fig, 1 angedeuteten Reaktanzen 13 bis 18 sind erforderlich» um das Abfließen der Kcndensatorlöschstöße in das Drehstromnetz zu verhindern«, Sie sind εο klein, daß sie keinen wesentlichen Blindwiderstand für die Grundfrequenz f bedeute»„ '.Vie Fig. 1 erkennen läßt ι braucht nan für eine dreiphasige Brückenschaltung sechs löschbare Ventile 1 bis 6«, . '

fiach der Erfindung läßt sich dieser Aufwand dadurch verringern, daß, wie in Fig. 2, die Ventile 101 bis 106 nur mit einem Steuergitter zum Einschalten ausgerüstet werden und daß vor den Wechselrichter in die Gleichstromleitung löschbare Ventile 115 * eingeschaltet sind. Die Ventile 101 bis 106 übernehmen dann nur die Rolle einee Verteilers der ImpulsstrSme auf die drei Wechselst romphas en isi rc wünschten Rhythmus der Frequenz f, während die Ventile 113 dursh ihr Einschaltverhältnis den Mittelwert der Hartnvellenspsimung bestimmen,- J^veckmässiGerweise synchronisiert ä man die Zünd- uric l-'schiiiipulse der Ventile 113 derart mit der Steuerung der Vei.;A^'e 101 "bis 106,, daß letztere beim periodischen Umschalten auf άί·Ί verschiedenen Phasen durch Sperrung von 113 gerade stroialos sxr.i. Iu diesem Fa.11 existiert für den eigentlichen Wechselrichter keine Trittcrenze, da eine überdeckung der Stromflußdauer zweier Phasen während des Phasenwechsels nicht „ auftritt ο Ebenso wie in Fig.- 1 ist in Figo 2 auch ein ungesteuer-

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ter Gleichrichter 107 bis 112 vorgesehen, so daß ein in L und II* ' fließender *3trom bei der Sperrung von 113 durch zwei der Ventile 107 bis 112 in die Gleichspannung U zurückfließen kann, so daß keine Überspannungen auftreten« Um letzteres sicherzustellen, ist es erforderlich, die Zuleitungen zum '.Vechselrichter und sum Gleichrichter und zur Gleichspannung U reaktanzarm auszuführen« Erfolgt \

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, die Speisung nicht durch eine Batterie, sondern beispielsweise

durch einen Gleichrichter, so muß u.U. der Gleichrichter mit eine« W Kondensator abgeblockt werden , um das Fließen der Impulsströme '[ zu ermöglichen.

In Fig. 3 ist eine einphasige Anordnung nach der JtSrfindung _; dargestellt. In dieser Figur ist zwischen den Klemmen A und B * . eine Schaltung für die Löschtriode angedeutet. Zur Löschung des Hauptventiles 120 wird ein Kondensator 121 über ein Hilfeventil 122 eingeschaltet,;, so daß er sich rückwärts über 120 entlädt. Die eingezeichnete Polarität der Kondensatorspannung ergibt sich in

bekannter Weise durch den Umschwingkreis 123, 124. Die Steuerung i der Ventile 120 und 122 erfolgt durch ein Steuergerät St, welches \ gleichzeitig die Wechselrichterventile 131 und 134· steuert« Dem Steuergerät St wird über ein Gtrommeßglied 140 der Istwert des Stromes ijigt zugeführt, außerdem die Sollwerte I₈₀Ti und f für den

Verlauf des Stromes und für die Frequenz« Damit der Tiefpaß aus L ί

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und C möglichst wirksam ist,muß die Pulsfrequenz f möglichst " fl hoch sein. In Fig. 4 ist eine Gegentaktlöschschaltung angedeutet« welche in den heutigen steuerbaren Siliziumzellen Pulsfrequenzen '. C

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Ibis 10 000 Hz zuläßt« Mit derartig hohen Frequenzen f ict es mög-

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lieh, Arbeitsfrequenzen f im Bereich von f » O bis beispielsweise f » 200 für Drehstrommotoren zu erzeugen» Dies hat den Vorteil,daß der Anlaufvorgang der Motoren mit großem Drehmoment ohne Schwierig*· keiten erfolgen kann und daß andererseits das Gewicht der Motoren : " -infolge der hohen Endfrequenz klein wird. Dabei ist es erforderlich, beim Anlaufen die Wechselrichterfrequenz praktisch bis nahe an Hull herunterzusteuern und ebenso die Spannung am Motor auf einen Bruchteil der Nennspannung bzw. den Motorstrom mit dem Steuergerät St auf den gewünschten Anfahrwert, beispielsweise das Doppelte oder j Dreifache des Nennstromes, einzuregeln« Bei hohen Frequenzen kann \ man entsprechend der Feldschwächung bei Gleichstrommotoren die ; Spannung im Verhältnis zur Frequenz kleiner als normal wählen, so daß der Fluß des Motors und entsprechend auch das Drehmoment sich verringernο

Xn Fig« 5 ist eine weitere Möglichkeit zur Ausführung der E^itindUBg am Beispiel eines einphasigen ^chselrichters in Brücken« schaltung, dargestellt * Hier sind die Jiöschventile nicht in Reihe mlti dem WeehselricA*&r» sondern parallel as» ihm ancjeQrdjiet* I» ten

Zuleitungen von de* Gleichstrombatterie liegen zwei kleine Luft-

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Die Iasehsohaltung ist auf gebaut wie in G wird abweeliselnd über die steuerMren Ventile 150 1^:Sfj- izwo über die Ventile 15*1 und T5&L gekündet* DadurcJl ist «er fflöglich» an die WecJjsea^ichterirentile 1^1 bit 1^* periodisch im takt der Zitadumg d«s Eom&ens&tom i negatiiife Spannuag

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welche die Jeweils stromführ-enden Ventile des Wechselrichters löscht, so daß der in diesem Zeitpunkt im Motor M fließende Strom über die Gleichrichterventile 135 und 138 gegen die Gleichspannung _β U weiterfließen muß _o Die Drosseln ^ sorgen dafür, daß der Kondensator C mit der günstigsten Frequenz umgeladen wird und daß kein direkter KuSsschluß der Gleichspannungsquelle ü über den Konden-

sator C erfolgte Damit die Spannung am Kondensator C nicht auf unerwünscht hohe «Verte überschwingt» liegt parallel zu ihm ein übertrager 15*» der auf eine Gleichrichterschaltung 155 arbeitet« Dftß Übersetzungsverhältnis vom 15* ist so ge wählt, daß bei ein«r gewissen Spannung dea Kondensators gleich oder größer als 0 der Gleichrichter 155 wirksam wird und unter Rückarbeitung auf ϊ_ die Spannung am Kondensator abschneidet« Unter Umständen kann die Sskundärseite dea Umspanners 15* auf des Gleichrichter 135 bis geschaltet werden „so daß die Gleichrichterschaltung 155 eingespart wird..,Parallel zum Verbraucher wird gegebenenfalls eim lkadensator C angeordnet-,um die ISäshim^ <t©r ¥entile 131 und 13* zu iordern« Die beschriebenen -Schaltungen, ermöglichen es nicht^daß aswel

des WacHsölrichiers gleichzeitig arbeiten^ da nur eine ein-Löscheinriclitimg für alle Phasen gemeinsam vorgesehen; ist ο Statt kann man auch für die beiden ¥entile $e einer Phase eine

to der Crleichstromzuleitung anbringen oder/iaan baut mehrphasige '.'/echselrichter aus einphasigen Brückenschaltungen

für die Erfindung eignen sich besonders die heute bereits große Leisbunesn gebauten steuerbaren Siliziumzellen_fdie

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trißch so trägheitslos sind«daß sie durch verhältnismässig kleine Kondensatoren auch bei großem Strom gelöscht werden können₀ Durch : Parallel- und Reihenschaltung derartiger Zellen lassen sich Leistungen bis su mehreren 1000 kW verwirklichen, so daß die Erfindung nicht nur für kleine und mittlere motorische Antriebe« sondern auch für große in Frage kommtο Durch den übergang von der bekannten Anordnung in Figo 1 auf die Anordnung toder Fig. 2 wird dabei eine beträchtliche Aufwandeinsparung und Vereinfachung der Steuerung erzielt· . ■ I

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Claims (1)

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   1) Selbstgeführter,, in frequenz und Spannung steuerbarer Wsshse? richten dadurch, gekennzeichnet, daß in die Gleichstrom- · Zuleitungen :rt, den Pliasenventilen steuerbare Löechventile eingeschaltet sind_f welche den zufließenden Gleichstrom periodisch einsehalten und wieder ausschalten,so daß der »Vechselrichter !.'.ι Puli3betrieb arbeitet _s wobei die Phasenventile derart gesteuert werden,daß sich die gewünschte Frequenz der ^rtechselspannung er-

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   ibt und die Löschventile durch ihre Einschaltverhältnisse den Mittelwert der Gleichspannung bestimmen«

   2) Anordnung riech Anspruch 1_e dadurch gekennzeichnet,daß die Steuerung der Löschventile derart mit der Steuerung der Prescnventile synchronisiert ist_sdaß die Phasenventile in den Zeltpunkten der UmGchaltung von Phase zu Phase stromlos sindο

   5) Anordnung nach Anspruch 1 und 2 zur Speisung von induktiven Verbrauchern_e z.Bc Drehstrommotoren_$ dadurch gekennzeich- jnet,daß zur Blindstrom- und Energierücklieferung ein Gleichrich- |

   ψ ier parallel sum '"eshselrichter geschaltet ist,der auf die *■'*#

   J J Gleichstromquelle zuivckarbeiteto ' |j»

   4) Anordnung nach Anspruch 1 bis 3t dadurch gekennzeichnet,

   daß die Zuleitungen zwischen Gleich- und Wechselrichter reaktanz- ! «■ ara 3ind und auch die Gleichstromquelle reaktanzarm ist oder - * '. durch Kondensatorer reaktanzarm gemacht iste - "«

   5) Anordnung räch -Anspruch 1 bis 4_S dadurch gekennzeichnet, * ^ daß vor dem Wechselstvosiverbraucher ein Tiefpaß eingeschaltet

   00 9 80 8/0 3:43

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   ist9 der öle Pulsfrequenz vom Verbraucher ganz oder teilweise

   6) Anordnung nach Anspruch 1 bis 5»dadurch gekennzeichnet, daß al.=3 Ventile steuerbare Halbleiterzellen verwendet werden,wobei "die Lösehventile in an sich bekannter Weise durch Kondensatorstöße gelöscht 7/erdeno

   7) Anordnung nach Anspruch 1 bis 6 zum Antrieb von Drehstromkät'igaotoren₉ Synchronmotoren oder kellektorlosen Gleichstrom- | ISO to SNBn₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung für die Frequenz und iü? den Mittelwert der Wechselspannung derart miteinander gedoppelt sind₃daß der Motor bei veränderter Frequenz mit gewünschteiiij beispielsweise konstantem Fluß arbeitete

   . 8) Anordnung nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß des Lösoiwentil durch einen Regler derart gesteuert wird,daß ii:h rif d«v Wachselstromseite ein gewünschter zeitlicher Verlauf

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