DE1413533C3 - Selbstgeführter, fremdgesteuerter Wechselrichter mit Ausgangstransformator - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen selbstgeführten, fremdgesteuerten Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein solcher Wechselrichter ist aus der DT-PS 82 532 bekannt. Dort wird ein Impulsgeber in Abhängigkeit von der Kraftflußdichte des Wechselrichtertransformators gesteuert. Dieser Impulsgeber steht mit den vorhandenen Primärwicklungen des Wechselrichtertransformators in Verbindung und bewirkt, daß die Frequenz der abgegebenen Wechselspannung einerseits und ihre Spannung andererseits in weiten Grenzen veränderbar ist.

Die Ausgangsspannung eines Wechselrichters soll möglichst kein Gleichspannungsglied enthalten, eine Forderung, die im Gegensatz zum rotierenden Generator nicht von selbst erfüllt ist. Ein Gleichspannungsglied kann beispielsweise durch Ungenauigkeiten in der Zündung von Wechselrichter-Ventilen oder durch unterschiedliche Spannungsabfälle in den Ventilen selbst zustande kommen. Da der hierdurch im Ausgangstranformator hervorgerufene Ausgleichsstrom besonders bei magnetisch hochwertigem Kernmaterial nur sehr kurzzeitig als Magnetisierungsspitze auftritt, genügen bereits kleine Gleichspannungen, um eine beachtliche Vergrößerung des primären Effektivstromes und vor allem des von den Ventilen zu führenden Spitzenstromes zu bewirken.

Der gleiche Effekt tritt vorübergehend bei jedem Einschalten der Anlage auf. Eine Ausnahme ist lediglich dann gegeben, wenn die Dauer der Ausschaltung zufällig ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Wechselspannung war, so daß der Transformator seinen Induktionsverlauf in dem Punkt der Periode fortsetzt, in dem er unterbrochen wurde.

Weiterhin müßte bei exakter Auslegung des Transformators, aber unzulässiger Erhöhung der Gleichspannung, die ganze Anlage nur wegen der durch einen vergrößerten Magnetisierungsstrom möglichen Schaden vom Netz getrennt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen selbstgeführten, fremdgesteuerten Wechselrichter anzugeben, bei dem die Ausgangswechselspannung eine möglichst kleine Gleichspannungskomponente enthält.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung wird sichergestellt, daß Magnetisierungsströme oberhalb einer beliebig vorgebbaren Größe night mehr auftreten können, so daß in der Wechselrichter-Ausgangsspannung keine Gleichspannungskomponente auftritt.

Zur Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 2 zeigt Kurvenbilder über der Zeit t.

In F i g. 1 ist gezeigt, wie ein ein festgesetztes Maß überschreitender Überschuß des Magnetisierungsstromes eines Ausgangstransformators 2 eines Wechselrichters als Korrekturgröße für den zugehörigen Taktgeber der Wechselrichtersteuerung verwendet werden kann. Der Wechselrichter selbst enthält eine Brückenschaltung 1 von steuerbaren Wechselrichter-Schaltelementen. Letztere sind mit 11 ... 14 bezeichnet und können durch Gasentladungs- oder Halbleiterventile gebildet sein. Mit Hilfe der Brückenschaltung 1 wird die Primärwicklung 21 des Ausgangstransformators 2 periodisch beaufschlagt. An der zugehörigen Sekundärwicklung 22 ist das zu speisende Wechselspannungsnetz U^ angeschlossen. Die Speisung der Brückenschaltung 1 erfolgt wiederum aus einem Gleichspannungsnetz U₀.

Die Steuereinrichtung 3 der Brückenschaltung 1 enthält einen an sich bekannten Multivibrator. Dabei sind mit 33 und 34 zwei Transistoren, mit 35 und 36 Belastungswiderstände, mit 37 und 38 zeitbestimmende Kondensatoren und mit 91 ... 95 Zeitkonstanten und Potentialverhältnisse festlegende Ohmsche Widerstände bezeichnet. Die Summe der Widerstände 35 und 92 bestimmt im wesentlichen die Aufladezeitkonstante des Kondensators 38, während die Summe der Widerstände 36 und 91 im wesentlichen die Aufladezeitkonstante des Kondensators 37 bestimmt. Die Widerstände 91 und 92 bestimmen im wesentlichen jeweils die Entladezeitkonstante der Kondensatoren 37 und 38. Das Widerstandsnetzwerk des Multivibrators ist so bemessen, daß die Entladezeitkonstante der Kondensatoren 37 und 38 klein gegenüber der Aufladezeitkonstante dieser Kondensatoren 37 und 38 ist. Die Dauer einer Halbperiode der Mukivibratorschwingung ist von der Aufladezeitkonstante des jeweiligen Kondensators 37 bzw. 38 bestimmt. Als Speisespannung des Multivibrators kommen die umzuformende Gleichspannung Uq, ein über .Spannungsteiler erzeugter Teil

dieser Gleichspannung U₀ oder eine stabilisierte Hilfsspannung in Frage.

An Ausgangsklemmen 31 und 32 des Multivibrators 3 werden Steuerspannungen abgenommen und über ein aus einem Kondensator 51 und einem ohmschen Widerstand 52 bestehendes Differenzierglied der Primärwicklung 41 eines Impulsübertragers 4 zugeführt. Die vom Impulsübertrager 4 abgegebenen Steuerimpulse werden jeweils für zwei steuerbare Ventile 11 und 14 bzw. 12 und 13 wirksam. Um diese abwechselnde Wirksamkeit zu erreichen, sind zwischen den Sekundärwicklungen 42 ... 45 des Impulsübertragers 4 und die Steuerelektroden der steuerbaren Ventile 11 ... 14 jeweils Sperrdioden 46 ... 49 geschaltet.

Zur Verwirklichung der Erfindung ist ein Erfassungstransformator 6 vorgesehen, dessen Magnetisierungsbedarf klein gegenüber dem Magnetisierungsbedarf des Ausgangstransformators 2 ist. Der kleine Magnetisierungsbedarf läßt sich durch Verwendung eines hochwertigen Kernmaterials mit schmaler steiler und ausgeprägten Sättigungsknicken versehener Magnetisierungsschleife erreichen. Die Primärwicklung 61 des Erfassungstransformators 6 ist mit der Primärwicklung 21 des Ausgangstransformators 2 in Reihe geschaltet. Entsprechend ist die Sekundärwicklung 62 des Erfassungstransformators 6 mit der Sekundärwicklung 22 des Ausgangstransformators 2 in Reihe geschaltet. Der demgemäß den Primär- und Sekundärstrom des Ausgangstransformators führende Erfassungstransformator 6 ist in seiner Primär- und Sekundärwicklung 61 und 62 dem Ausgangstransformator 2 angeglichen. Bei vernachlässigbarem Magnetisierungsstrom des Erfassungstransformators 6 ist dann ein in der Tertiärwicklung 63 des Erfassungstransformators 6 fließender Strom ein Maß für den Magnetisierungsstrom des Ausgangstransformators 2.

Der Erfassungstransformator 6 überträgt zwar unmittelbar kein eventuell vorhandenes stationäres Gleichstromglied des Magnetisierungsstromes des Ausgangstransformators 2; jedoch können auch in der Tertiärwicklung 63 des Erfassungstransformators 6 mit einer bestimmten Polarität auftretende Stromspitzen zur Beurteilung, ob ein Gleichstromglied vorhanden ist und eine zulässige Größe überschreitet, herangezogen werden, und diese werden nun zur Umsteuerung der Wechselrichterschaltelemente herangezogen. Derartige Stromspitzen sind wegen der nichtlinearen Magnetisierungskurve im Sättigungsbereich stets vorhanden.

Die Tertiärwicklung 63 des Erfassungstransformators 6 ist mit einem Bürdenwiderstand 7 belastet. Der Strom der Tertiärwicklung 63 erzeugt im Bürdenwiderstand 7 eine Spannung, die im Normalbetrieb des Wechselrichters einen bestimmten Wert nicht überschreitet.

Überschreitet beispielsweise bei Störungsfällen der Magnetisierungsstrom des Ausgangstransformators 2 seinen normalen Spitzenwert, dann überschreitet auch die Spannung am Bürdenwiderstand 7 einen bestimmten Normalwert. Dies kann mit Hilfe von sogenannten Referenzelementen erfaßt werden. Als solche Elemente kommen Zenerdioden in Frage, wie sie hier mit 81 und 82 bezeichnet sind. Sobald eine bestimmte Spannung am Bürdenwiderstand 7 erreicht ist, werden die vorgenannten Referenzelemente 81 und 82 leitend, so daß schlagartig der eine Transistor 33 bzw. 34 gesperrt wird und der andere Transistor 34 bzw. 33 geöffnet wird. Dies bewirkt einen Spannungssprung an den Klemmen 31 und 32 des Multivibrators. Über den Differenzierkondensator 51 und den Impulsübertrager 4 werden den Steuerelektroden der steuerbaren Ventile 11 und 14 oder 12 und 13 praktisch verzögerungsfrei Steuerimpulse zugeführt.

Selbst bei einer beträchtlichen Erhöhung der Speisegleichspannung U₀ kann der Wechselrichter, ohne selbst Schaden zu nehmen, am Gleichspannungsnetz angeschlossen bleiben. Über den Magnetisierungsstrom des Ausgangstransformators 2 wird lediglich die Frequenz der vom Wechselrichter erzeugten Wechselspannung U_n, erhöht.

In F i g. 2 sind Stromverläufe / über der Zeit t gezeigt. Mit I₁ ist der die Primärwicklung 21 durchfließende Strom bezeichnet. /., gibt den die Sekundärwicklung 22 durchfließenden rechteckförmigen Strom an. Die Differenz von I₁ und I₂ stellt den Magnetisierungsstrom I₁₁ des Ausgangstransformators 2 dar. Die den Magnetisierungsstrom Ι_μ eingrenzenden strichpunktierten Linien geben die Ansprechwerte der jeweiligen Zenerdiode 81 bzw. 82 an.

In F i g. 2 gibt der Teil A einen Normalbetrieb an.

Der Teil B zeigt einen mit der Zeit t — f₀ einleitenden Einschaltvorgang. Im Teilß erreicht der Magnetisierungsstrom/,, alsbald einen Grenzwert, bei dem das eine der Referenzelemente anspricht und so eine praktisch unverzögerte Umsteuerung der als Wechselrichterschaltelemente dienenden steuerbaren Ventile bewirkt. Anschließend wird sich der Magnetisierungsstrom I₁₁ im Normalfall in den vorgesehenen Grenzen halten.

Der neue Wechselrichter eignet sich besonders zur Übertragung größerer Leistungen, wie sie beispielsweise bei der Speisung von Bahnmotoren benötigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Selbstgeführter, fremdgesteuerter Wechselrichter mit Ausgangstransformator und Steuereinrichtung, bei dem die Primärwicklung des Ausgangstransformators von durch die Steuereinrichtung gesteuerten Wechselrichterschaltelementen in der einen oder der anderen Stromrichtung aus einer Gleichstromquelle beaufschlagt ist und den Ma- ιό gnetisierungsstrom des Ausgangstransformators erfassende Mittel und Mittel zur Beeinflussung der Steuerung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Magnetisierungsstromes des Ausgangstransformators (2) ein Erfassungstransformator (6) mit gegenüber dem Magnetisierungsstrom des Ausgangstransformators (2) kleinem Magnetisierungsstrom vorgesehen ist, mit drei Wicklungsteilen (61, 62, 63) versehen ist, dessen erster Wicklungsteil (61) mit der Primärwicklung (21) und dessen zweiter Wicklungsteil (62) mit der Sekundärwicklung (22) des Ausgangstransformators (2) in Reihe geschaltet ist, während über den dritten Wicklungsteil (63) als Differenz der von erstem (61) und zweitem (62) Wicklungsteil bewirkten Durchflutungen der Magnetisierungsstrom des Ausgangstransformators (2) erfaßbar ist, und daß zur Beeinflussung der Steuerung Mittel (81, 82) vorgesehen sind, die nur bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes des Magnetisierungsstromes des Ausgangstransformators (2) die Fremdsteuerung durch eine verzögerungsfreie Umsteuerung der Wechselrichterschaltlemente unwirksam machen.