DE1488122A1

DE1488122A1 - Self-guided inverter with a commutation device

Info

Publication number: DE1488122A1
Application number: DE19641488122
Authority: DE
Inventors: Skudelny Dr-Ing Hans-Christoph; Depenbrock Dr-Ing Manfred
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1964-08-28
Filing date: 1964-08-28
Publication date: 1968-12-12
Also published as: BE668839A; CH422978A; DE1488122B2

Description

" "Selbstgeführter Wechselrichter mit einer Kommutierungs-Pi, nrichtnng" Selbstgeführte Wechselrichter, die mit steuerbaren Ventilen, vorzugsweise Gasentladungsventilen oder diesen gleichwertigen steuerbaren Halbleiterventilen ausgestattet sind, erfordern bekanntlich sogenannte Kommutierungseinrichtungen, die dazu dienen, bei jeder Neuzündung eines gesteuerten Ventils den Stromnalldurchgang eines jeweils abzulösenden, stromführenden Ventils zu erzwingen. Dies geschieht durch einen gegenläufigen Kommutierungsstrom, der aus der mit einem Energiespeicher versehenen Kommutierungseinrichtung gespeist ist. In der Regel ist der Energiespeicher ein Kondensator, der in den zwischen den Kommutierungen liegenden Pausen zweckdienlich aufgeladen wird. Ferner ist in der Regel in dem Kommutierungsstromkreis eine Drossel oder eine Drosselanordnung eingeschaltet, die je nach ihrer Ausbildung eine verschiedene Wirkungsweise der Kommutierungseinrichtung ermöglicht. Bei Ausbildung der Drosseln für eine bestimmte, vom Kommut`ierungsstrom wenig abhängigen Induktivität kann die Eigenschaft des Stromkreises als Schwingkreis zur zweckdienlichen Wirkung kommen. Bei Ausstattung der Drossel mit einem Kern mit rechteckförmiger Magnetisierungsschleife kann eine strombegrenzende Wirkung der Drosseln zur Geltung kommen und ausgenutzt werden, die gegebenenfalls durch eine zusätzliche Vormagnetisierung noch beeinflusst werden kann. Inn bekannten Wechselrichteranordnungen, die mit je einem steuerbaren Ventil je Ventilzweig ausgestattet sind, haben den Nachteil, daß sie eine Mindestbelastung erfordern, also nicht in Leerlauf betrieben werden können, und daB sie keine Belastung mit einem gegen'die Ausgangswechselspannung phasenversrchobenen Wechselstrom zulassen. Zur Beseitigung dieses Nachteils sind schon in der Anfangszeit der Stromrichtertechnik den gesteuerten Ventilen urgesteuerte Ventile antiparallel geschaltet und nötigenfalls noch weitere Schaltungselemente vorgesehen worden. Diese können beispielsweise einer Grundbelastung des Wechselrichters dienen. Es ist ferner bekannt, daß bei selbstgeführten Wechselrichtern mit gesteuerten Ventilen und diesen antiparallel geschalteten urgesteuerten Ventilen letztere den gesteuerten Ventilen nicht unmittelbar oder direkt antiparallel geschaltet sein dürfen, da sonst der Kommutierungsvorgang sich nicht in der erforderlichen Weise ausbilden kann. Aus diesem Grunde sind bei diesen Anordnungen die als Kommutierungsdrosseln bezeichneten Drosseln der Kommutierungseinrichtung zwischen je zwei antiparallel geschalteten Ventilen eingefügt. Eine bekannte Schaltung eines selbstgeführten Wechselrichters zur Erzeugung einer Einphasen-Wechselspannung veränderbarer Frequenz ist in Fig. 1 dargestellt. Sie zeigt eine Anordnung in Brückenschaltung. Diese besteht aus vier gesteuerten Ventilen 1,2,3,4 und vier zu diesen antiparallel geschalteten, urgesteuerten Ventilen 5,6,7,8- Zwischen den Verzweigungspunkten C und D der gesteuerten Ventile ist die Primärwicklung 9 eines Transformators angeschlossen. Die Sekundärwicklung 1o dieses Transformators ist mit der Beiästung 11, die beliebiger Art sein kann, verbunden. Die Kommutierungseinrichtung dieses Wechselrichters besteht aus einem Kondensator 12, der zur primären Transformatorwicklung 9 parallel geschaltet ist, und aus zwei Drosseln 13 und 14, die einerseits mit den Verzweigungspunkten A und B der Brückenanordnung der gesteuerten Ventile und andererseits mit der Gleichspannungsquelle des Wechselrichters, deren Pole die Bezeichnung + und - aufweisen, verbunden sind. Die ungesteuerten Ventile 5,6,7,8 sind, wie,man weiter erkennt, einerseits unmittelbar mit den Polen A' und B' der Gleichspannungsquelle und andererseits, mit Anzapfungen der Primärwicklung des,Transformators, die den Wicklungsabschnitt 9' bilden, verbunden.,Dadurch steht in den durch je ein gesteuertes und ein ungesteuertes Ventil und einer Kommutierungsdrossel gebildeten Stromkreisen zeitweise eine Spannung zur Verfügung, die nach jeder eingetretenen Aufmagnetisierung des Kernes dieser Drossel die bei einem Stromfluss von stets gleicher Richtung erforderliche Abmagnetisierung dieses Kernes herbeiführte Eine andere bekannte Wechselrichterschaltung zeigt Fig. 2."" Self-commutated inverter with a commutation Pi, nrichtnng "Self-commutated inverters, which are equipped with controllable valves, preferably gas discharge valves or these equivalent controllable semiconductor valves, require so-called commutation devices, which are used to replace the current passage of a valve each time a controlled valve is re-ignited This is done by a commutation current in the opposite direction, which is fed from the commutation device provided with an energy storage device. As a rule , the energy storage device is a capacitor which is expediently charged in the pauses between the commutations In the commutation circuit, a choke or a choke arrangement is switched on, which, depending on its design, enables the commutation device to operate in different ways True, the inductance, which is little dependent on the commutation current, can have a useful effect on the property of the circuit as a resonant circuit. If the choke is equipped with a core with a rectangular magnetization loop, a current-limiting effect of the chokes can come into play and be used, which can possibly be influenced by an additional premagnetization. Known inverter arrangements, which are each equipped with a controllable valve per valve branch, have the disadvantage that they require a minimum load, that is, cannot be operated in idle mode, and that they do not allow a load with an alternating current phase-shifted against the alternating output voltage. To eliminate this disadvantage, even in the early days of converter technology, primary-controlled valves were connected in antiparallel to the controlled valves and, if necessary, further circuit elements were provided. These can be used, for example, for a basic load on the inverter. It is also known that in self-commutated inverters with controlled valves and these primary controlled valves connected anti-parallel, the latter must not be connected directly or directly anti-parallel to the controlled valves, since otherwise the commutation process cannot develop in the required manner. For this reason, in these arrangements, the chokes of the commutation device, referred to as commutation chokes, are inserted between two anti-parallel connected valves. A known circuit of a self-commutated inverter for generating a single-phase AC voltage of variable frequency is shown in FIG. It shows an arrangement in a bridge circuit. This consists of four controlled valves 1, 2, 3, 4 and four primary controlled valves 5, 6, 7, 8, connected in antiparallel with them. The primary winding 9 of a transformer is connected between the branch points C and D of the controlled valves. The secondary winding 1o of this transformer is connected to the branch 11, which can be of any type. The commutation device of this inverter consists of a capacitor 12, which is connected in parallel to the primary transformer winding 9, and two chokes 13 and 14, on the one hand with the branch points A and B of the bridge arrangement of the controlled valves and on the other hand with the DC voltage source of the inverter, their poles labeled + and - are connected. The uncontrolled valves 5,6,7,8 are, as can also be seen, on the one hand directly connected to the poles A 'and B' of the DC voltage source and on the other hand, with taps of the primary winding of the transformer, which form the winding section 9 '. As a result, a voltage is temporarily available in the circuits formed by one controlled and one uncontrolled valve and a commutation choke, which, after each magnetization of the core of this choke, brings about the demagnetization of this core, which is necessary with a current flow in the same direction.Another known inverter circuit Fig. 2 shows.

Bei dieser sind für die vier Ventilzweige der gesteuerten Ventile 1,2.3,4 zwei Kommutierungsdrosseln 19,2o mit Mittelanzapfung vorgesehen. In je einer Wicklungshälfte dieser Drosseln werden bei Zündung je eines ablösenden gesteuerten Ventils durch je einen der Kondensatoren 15,16.,17,18 kurzschlußartig ansteigende Ströme hervorgerufen, die in der jeweils anderen Wicklungshälfte Spannungen induzieren, die so gerichtet sind, daß die durch sie entstehenden Kommutierungsströme die abzulösenden Ventile zum Stromnulldurchgang zwingen. Die hierbei erforderliche, aus zwei Hilfsübertragern und Hilfsventilen bestehende Einrichtung zur Abmagnetisierung der Drosselkerne ist in Fig. 2 fortgelassen. Die Anordnung ist hinsichtlich der Kondensatoren und,Drosselwicklungen verhältnismäßig aufwendig. Beide genannten Wechselrichterschaltungen und zahlreiche weitere Schaltungen haben gemeinsam, daß die zur Kommutierung erforderlichen Spannungen im Stromkreis der gesteuerten und ungesteuerten Ventile durch Wechselstrom führende Schaltungselemente,hervorgerufen werden. Es gibt eine Reihe von Anwendungsfällen der Wechselrichter, für die die Notwendigkeit einer Wechselstromausbildung zur Herstellung der Kommutierungsspannungen ein erschwerendes Moment darstellt. Dies ist beispielsweise bei denjenigen Wechselrichtern der Fall, deren Ventile unsymmetrisch ausgesteuert sind, so daß Wechselspannungen mit veränderlicher Gleichspannungskomponente entstehen. Eine derartige Steuertechnik wird beispielsweise bei impulsweise betriebenen Wechselrichtern mit relativ hoher Impulsfolgefrequenz angewendet, bei deren die veränderliche Gleichspannungskomponente der Spannungsimpulse eine Ausgangswechselspannung gewünschter Frequenz abgibt. Bei Anwendung einer derartigen Steuerung ist es auch nicht möglich, die Ausgangswechselspannung des Wechselrichters mit einem Transformator zu übertragen, da dieser zeitweise gesättigt würde. Diesen Umständen trägt der Gegenstand nach der Erfindung Rechnung. Sie bezieht sich auf einen selbstgeführten Wechselrichter mit gesteuerten Gasentladungsventilen oder steuerbaren Halbleiterventilen und zu diesen antiparallel geschalteten unigesteuerten Ventilen, mit einer Kommutierungseinrichtung, die aus einem oder mehreren Kondensatoren und mit diesen und mit dem gesteuerten Ventilen in Reihe geschalteten, als Kommutierungsdrosseln bezeichneten Drosseln besteht, und mit einer zur Speisung des Wechselrichters dienenden Gleichspannungsquelle.In this case, the controlled valves are for the four valve branches 1,2,3,4 two commutation chokes 19,2o with center tap provided. In each one The winding halves of these chokes are each controlled by a detaching one when it is ignited Valve by one of the capacitors 15, 16., 17, 18 rising like a short circuit Currents that induce voltages in the other half of the winding, which are directed in such a way that the commutation currents produced by them are the ones to be replaced Force valves to zero current. The one required here, from two auxiliary transformers and auxiliary valves is an existing device for demagnetizing the throttle cores in Fig. 2 omitted. The arrangement is with regard to the capacitors and, inductor windings relatively expensive. Both of these inverter circuits and numerous other circuits have in common that the voltages required for commutation in the circuit of the controlled and uncontrolled valves by alternating current Circuit elements are caused. There are a number of Use cases of the inverter for which the need for an alternating current training represents an aggravating factor for producing the commutation voltages. This is the case, for example, with those inverters whose valves are asymmetrical are controlled so that alternating voltages with variable direct voltage components develop. Such a control technique is operated, for example, when operated in pulses Inverters with a relatively high pulse repetition frequency applied, at which the variable DC voltage component of the voltage pulses an output AC voltage the desired frequency. It is also when such a control is used not possible to use the AC output voltage of the inverter with a transformer to be transmitted, as this would be temporarily saturated. The object bears these circumstances according to the invention bill. It refers to a self-commutated inverter with controlled gas discharge valves or controllable semiconductor valves and closed these antiparallel unactuated valves, with a commutation device, the one or more capacitors and with these and with the controlled Valves connected in series, called commutation chokes exists, and with a DC voltage source serving to supply the inverter.

Die Erfindung besteht darin, daß neben der Gleichspannungs- " quelle zur Speisung des Wechselrichters eine weitere, als Hilfsgleichspannungsquelle bezeichnete Gleichspannungsquell@e, die in Reihe mit den urgesteuerten Ventilen liegt und allein oder in Verbindung mit der vorgenannten Gleichspannungsquelle zur periodischen Rückmagnetisierung der Kommutierüngsdrosseln dient. vorgesehen ist. Einige Schaltungsbeispiele von Wechselrichtern nach der Erfindeng sind in den Fig. 3 bis 7 wiedergegeben. Die erste Schaltung nach Fig. 3 besteht aus vier gesteuerten Ventilen 1,2,3,4a in Brückenschaltung, die in Reihe mit den Kommutierungsdrosseln 13 und 14 mit der dem Wechselrichter speisenden Gleichspannungsquelle 21 verbunden sind. Zu diesen Ventilen sind die vier ungesteuerten Ventile 5,6,7,8 antiparallel geschaltet, wobei diese ebenfalls in Brückenschaltung verbundenen Ventile wechselstromseitig mit den steuerbaren Ventilen direkt verbunden sind. Gleichstromseitig sind die ungesteuerten Ventile an eine Hilfsgleichspannungsquelle 22 an-, geschlossen. Die gemeinsame Wechselstromseite der Ventile enthält den Kommutierungskondensator 12 und die Wechselstrombelastung 11, die ohne Zwischenschaltung eines Transformators durch die Wechselrichter-Anordnung gespeist ist. Die weitere in Fig. 4 dargestellte Schaltung enthält die gleiche Ventilanordnung und die gleiche Anordnung der Kommutierungseinrichtung, nur sind die vorgenannten zwei getrennten Gleichspannungaquellen zu einer Reihenschaltung der speisenden Gleichspannungsquelle 21 mit zwei kleinen Hilfsgleichspannungsquellen 22a und 22b zusammengefaßt. Die Gleichspannungsquellen können Batterien, Gleichstrommaschinen ,oder Gleichrichter sein. Eine weitere Möglichkeit der Bildung von Gleichspannungsquellen besteht darin, die zusätzlichen Hilfsgleichspannungen einer Anordnung von sogenannten Gleichstromtransformatoren zu entnehmen. Im vorliegenden Falle sind dies Stromwandler, deren Primärwicklungen von den Strömen in den ungesteuerten Ventilen 5,6, 7,8 durchflossen sind und deren Sekundärwicklungen mit Hilfsventilen in Reihe geschaltet sind, so daß die darin fließenden Senkundärströme ebenso wie die Primärströme nur eine Stromrichtung haben können. Die mit den Hilfsventilen in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen sind an die speisende Gleichspannungsquelle des Wechselrichters angeschlossen, so daß während der Stromflußzeit in der Primärwicklung eine Gleichspannung auftritt, die als Hilfsgleichspannung im Stromkreis des jeweils beteiligten ungesteuerten Ventils ausgenutzt werden kann. Einige Schaltungsbeispiele mit derartigen Gleichstromwandlern zur Bildung der Hilfsgleichspannungen sind in Fig. 5 bis 7 dargestellt. Die Schaltung nach Fig. 5 zeigt den gleichen Grundaufbau wie die Anordnung nach Fig. 1, mit dem Unterschied, daß in die Stromkreise der ungesteuerten Ventile 5,6,7,8 die Primärwicklungen der Gleichstromwandler 25 und 26 eingeschaltet sind. Jeder dieser Wandler hat zwei Primär- und zwei Sekundärwicklungen. Die Sekundärwicklungen sind in Reihe mit Hilfsventilen 27 und 28 mit der Gleiehspannungsquelle 21 verbunden. Die Wicklungen 25a, 25b sind die Primärwicklungen des einen Wandlers, dessen Sekundärwicklungen mit 25c und 25d bezeichnet sind. Die Wicklungen 26a, 26b sind die Primärwicklungen des anderen Wandlers, dessen Sekundärwicklungen die Bezeichnungen 26c und 26d haben. Die bezüglichen Hilfsventile sind mit 27c, 27d bzw. 28e, 28d bezeichnet. l F Unter der Wirkung dieser Wandler in Verbindung mit den HilfQ, ventilen entstehen an den Primärwicklungen zeitweise Gleichspannungen, die in der gleichen Weise wirksam sind, wie beispie:#sweise die Hilfsgleichspannungen von 22a und 22b der Schaltung Fig. 4.The invention consists in that, in addition to the DC voltage source for feeding the inverter, another DC voltage source, called an auxiliary DC voltage source, is in series with the primary controlled valves and is used alone or in conjunction with the aforementioned DC voltage source to periodically reverse magnetize the commutation chokes. Some circuit examples of inverters according to the invention are shown in Figures 3 to 7. The first circuit according to Fig 14 are connected to the DC voltage source feeding the inverter. The four uncontrolled valves 5,6,7,8 are connected in antiparallel to these valves, whereby these valves, which are also connected in a bridge circuit, are directly connected to the controllable valves on the alternating current side a n an auxiliary DC voltage source 22 connected, closed. The common alternating current side of the valves contains the commutation capacitor 12 and the alternating current load 11, which is fed by the inverter arrangement without the interposition of a transformer. The further circuit shown in FIG. 4 contains the same valve arrangement and the same arrangement of the commutation device, only the aforementioned two separate DC voltage sources are combined to form a series circuit of the feeding DC voltage source 21 with two small auxiliary DC voltage sources 22a and 22b. The DC voltage sources can be batteries, DC machines, or rectifiers. Another possibility of creating direct voltage sources is to take the additional auxiliary direct voltages from an arrangement of so-called direct current transformers. In the present case, these are current transformers whose primary windings are traversed by the currents in the uncontrolled valves 5, 6, 7, 8 and whose secondary windings are connected in series with auxiliary valves so that the secondary currents flowing in them, like the primary currents, can only have one current direction . The secondary windings connected in series with the auxiliary valves are connected to the supplying direct voltage source of the inverter, so that a direct voltage occurs during the current flow time in the primary winding, which can be used as auxiliary direct voltage in the circuit of the uncontrolled valve involved. Some circuit examples with such direct current converters for forming the auxiliary direct voltages are shown in FIGS. The circuit according to FIG. 5 shows the same basic structure as the arrangement according to FIG. 1, with the difference that the primary windings of the direct current converters 25 and 26 are switched on in the circuits of the uncontrolled valves 5, 6, 7, 8. Each of these converters has two primary and two secondary windings. The secondary windings are connected in series with auxiliary valves 27 and 28 to the equilibrium voltage source 21. The windings 25a, 25b are the primary windings of one converter, the secondary windings of which are designated 25c and 25d. The windings 26a, 26b are the primary windings of the other converter, the secondary windings of which are designated 26c and 26d. The relevant auxiliary valves are denoted by 27c, 27d and 28e, 28d. l F Under the action of this transducer in conjunction with the HilfQ, valves will occur at the primary windings temporarily DC voltages, which are effective in the same manner as Step Example: #sweise the auxiliary DC voltages of 22a and 22b of the circuit Fig. 4.

Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung ist nach dem Prinzip der sogenannten Verdopplerachaltung der Stromrichter aufgebaut. Ihre Kommutierungsdrossel 19 ist ähnlich wie jede der Drosseln 19 und 2o nach der Schaltung Fig. 2 aufgebaut und wirksam.The circuit shown in Fig. 6 is based on the principle of the so-called Duplicator connection of the converters built. Your commutation reactor is 19 constructed similarly to each of the chokes 19 and 2o according to the circuit of FIG effective.

Zum Unterschied von den Brückenschaltungen nach Fig. 3,4 und 5 und der Verdopplerschaltung nach Fig. 6 zeigt Fig. 7 eine Wechselrichterschaltung nach dem bekannten Prinzip eines sogenannten Parallelwechselrichters mit einem Transformator mit einer Primärwicklung 9 mit Mittelanzapfung. Sie enthält nur zwei geqteäerte Ventile 1 und 2 und zwei angesteuerte Ventile 5 und 6.,:Die diesen zugeordneten Gleichstromwandler sind wieder mit 25,26, die zugehörigen Hilfsventile mit 27,28 bezeichnet. Damit sind die Möglichkeiten der Gestaltung des Erfindungsgedankens noch keineswegs erschöpft, sondern entpsrechen der Vielzahl der bekannten Stromrichterschaltungen in mannigfacher Weise zu erweitern.In contrast to the bridge circuits according to FIGS. 3, 4 and 5 and of the doubler circuit according to FIG. 6, FIG. 7 shows a Inverter circuit according to the known principle of a so-called parallel inverter with a transformer with a primary winding 9 with a center tap. It contains only two squared ones Valves 1 and 2 and two controlled valves 5 and 6.,: The associated DC converters are again with 25.26, the associated auxiliary valves with 27.28 designated. With this are the possibilities of the design of the inventive idea By no means exhausted, but correspond to the large number of known converter circuits expand in manifold ways.

Claims

Claims 1 Self-commutated inverter with controlled gas discharge valves or controllable semiconductor valves and uncontrolled valves connected in anti-parallel to these, with a commutation device, which consists of one or more capacitors and with these and with the controlled valves in series, called commutation chokes, and with one for Supply of the inverter serving DC voltage source, characterized in that in addition to the DC voltage source (21 or 23,24) for feeding the inverter, at least one further DC voltage source, designated as an auxiliary DC voltage source (22 or 25,26), which is in series with the uncontrolled valves (5, 6,7,8) and is provided alone or in connection with the aforementioned feeding direct voltage source (21 or 23,24) for periodic reverse magnetization of the commutation chokes (13,14 or 19,2o).

2. Self-commutated inverter according to Claim 1, characterized in that the controlled valves (1,2,3,4) on the one hand and the uncontrolled valves (5,6,7,8) on the other hand in a bridge circuit with one another and the AC side are connected to the load (11), and the DC side Junction points of the bridge circuit of the uncontrolled valves to an auxiliary DC voltage source (22) are connected, which has a higher voltage than that in series with the commutation chokes (13, 14) connected to the controlled valves DC voltage source (21) a

3. Self-managed inverter according to Claim 2, characterized in that part of the auxiliary DC voltage source (22) is used as a feeding DC voltage source (21), such that one for the voltage of the auxiliary DC voltage source designed with the DC voltage source two taps are provided, which are used to reverse magnetize the commutation reactors (13,14) required partial voltages (22a, 22b) from the total DC voltage branch off.

4. Self-commutated inverter according to claim 1, characterized in that that the reverse magnetization of the commutation chokes (13, 14 or 19) are used Auxiliary DC voltage DC converters of a known type are taken, their primary windings (25a, 25b or 26a, 26b) in the circuits of the primary controlled Valves (5,6,7,8) are switched on, their secondary windings (25c, 25d or 26c, 26d) in series with auxiliary valves (27e, 27d or 28c, 28d) with the feeding DC voltage source (21) of the inverter are connected.