DE1588703A1 - Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters - Google Patents

Description

• Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mit gesteuerten Ventilen in Brückenschaltung, dessen Lastkreis einen Parallelschwingkreis aus der Induktivität des Verbrauchers und einer Kapazität enthält. Ein derartiger Wechselrichter ist im allgemeinen an eine Gleichspannungsquelle mit steuerbarer Ausgangsspannung, beispielsweise einen gesteuerten Gleichrichter, angeschlossen, die über eine entsprechend bemessene Induktivität dem Wechselrichter einen Gleichstrom liefert. Durch die periodisch wechselnde Zündung der Ventile des Wechselrichters wird der Gleichstrom in einen angenähert reehteckförnigen Wechselstrom umgeformt, der nach einem früheren Vorschlag (Anm. S 103 641 VIIIb/21d2 - PLA 66/1322) dem Parallelschwingkreis zugeführt wird. Das Kommutieren des Stromes von den Ventilen für eine Stromrichtung auf die Ventile der anderen Stromrichtung erfolgt durch Zwangskommutierung mit Hilfe der Ladung des Schwingkreis-Kondensators. Für das ein-wandfreie Arbeiten des Wechselrichters ist es notwendig, die Kommutierung so rechtzeitig vor dem Nulldurchgang der Schwingkreis- und damit der Kondens4torspannung einzuleiten, daß nach Beendigung der Kommutierung noch ein zeitlicher Abstand bis zum Nulldurchgang der Schwingkreisspannung verbleibt, der mindeaten$ gleich der Freiwerdezeit der soeben gelöschten Ventile ist. Steuerbare Ventile, insbesondere Thyristoren, können erst nach Ablauf der Freiwerdezeit wieder eine positive Spannung sperren. Von der Schaltung muß deshalb sichergestellt werden, daß während der sogenannten Schonzeit, das ist die Freiwerdezeit der Ventile mit einem Sicherheitszuschlag, keine Spannung in DurchlaBrichtung auftreten kann. Die Zündimpulse für die Ventile werden vom Nulldurchgang der Schwingkreisspannung abgeleitet und über ein steuerbares Zeitglied verzögert gebildet. Diese Verzögerungszeit könnte nun so gewählt werden, daß bei der größten im Betrieb auftretenden Kommutierungsdauer die erforderliche Schonzeit der Ventile eingehalten wird. ferner können sich im praktischen Betrieb des Wechselrichters deaeen Schwingkreisdaten und damit die Betriebsfrequenz den WeohaelrichteTe ändern, beiapielsweise hei der Spei$ung einen Induktioneaohnelzofene durch Änderung der magaetieehen Eigenschaf-ten den Schßelzgutee mit der Temperatur. Die Verzögerungszeit müßte somit so klein gewählt werden, daß bei der höchsten betriebsmäßig auftretenden Betriebsfrequenz des Wechselrichters und der längsten Kommutierungsdauer die Schonzeit der Ventile sichergestellt ist. Da die angegebenen Höchstwerte im praktischen Betrieb des Wechselrichters nur selten auftreten, so würde ein so betriebener Wechselrichter eine wesentlich größere, als die erforderliche Schonzeit und damit einen entsprechend schlechten Leistungsfaktor ergeben, weil der Leistungsfaktor wesentlich von der Schonzeit der Ventile bestimmt wird. Die Erfindung geht nun aus von der Überlegung, daß der Wechsellichter immer seine größtmögliche Leistung abgeben kann, wenn der Zündzeitpunkt der Ventile in Abhängigkeit von der Belastung des Wechselrichters verändert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zündzeitpunkte der Ventile des Wechselrichters in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schonzeitsollwert geregelt werden. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Fig. 1 zeigt die Schaltung eines Wechselrichters mit einem Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. In Fig. 2 ist der Verlauf verschiedener Regelsignale aus Fig. 1 in einem Diagramm veranschaulicht. In den Figuren 3 und 4 sind jeweils Blockschaltbilder mit Abwandlungen des Regelkreises nach Fig. 1 dargestellt. Nach Fig. 1 ist eine Brückenschaltung.von gesteuerten Ventilen 2 bis 5, insbesondere Thyristoren, die über einen Gleichstromzwischenkreis mit einer Glättungsdrossel 6 an den Ausgang eines vorzugsweise steuerbaren Gleichrichters 8 angeschlossen.
• In der Brückendiagonale ist ein Verbraucher, beispielsweise die Schmelzspule eines Induktionsschmelzofens angeordnet, mit einer Induktivität 10 und einem in der Figur nicht dargestellten ohmschen Widerstandsanteil. Der Induktivität 10 ist eine Kapazität 11 parallelgeschaltet, die mit der Induktivität 10 einen Parallelschwingkreis bildet und als Löschkapazität für die Ventile 2 bis 5 vorgesehen ist. Der Zündwinkel für die jweils in der Stromführung ablösenden Ventile kann nach der Erfindung so geregelt werden, daß die Schonzeit der Ventile wenigstens annähernd konstant bleibt. Die Schonzeit eines der Thyristoren, beispielsweise des Thyristors 2, kann nach der Erfindung mittels einer einfachen An-' ordnung ermittelt werden, die aus einer dem Thyristor 2 parallelgeschalteten Reihenschaltung eines Widerstandes 12 mit einer Zenerdiode 13 bestehen kann. Während der Zeit der negativen Spannung am Thyristor 2 fällt an der Zenerdiode 13 deren Zenerspannung ab, die einem Spannungsindikator 14 vorgegeben wird, der in Abhängigkeit von einer bestimmten Polarität eines Eingangssignals ein Ausgangssignal gibt. Er gibt somit ein Ausgangssignal, solange seinem Eingang die Zenerspannung vorgegeben wird. Das Ausgangssignal des Spannungsindikators 14 wird einem Eingang eines Differenzgatters 16 zugeführt, dessen zweiten Eingang ein Schonzeit-Sollwert von einem Sollwertgeber 15 vorgegeben werden kann. Der Sollwertgeber 15 kann vorzugeweiee ein elektronisches Zeitgatter sein, welchem das Auegangssignal des. Indikators 14 vorgegeben ist und dessen einstellbare Laufzeit dem gewünschten Schonzeit-Sollwert entspricht. Während einer der Differenz zwischen Soll- und Istzeit proportionalen Zeit gibt das Differenzgatter ein Ausgangssignal mit einem dem Vorzeichen der Regelabweichung entsprechenden Vorzeichen ab, das einem Integrator 22 mit einer kapazitiven Gegenkopplung 23 vorgegeben wird. Das Ausgangssignal des Integrators 22* wird jeweils den Steuereinrichtungen 26 'und 27 für die Thyristoren 2 und 3 bzw. 4 und 5 vorgegeben.
• Nach Fig. 2a soll zur Zeit t1 der Strom im Ventil 2 erlöschen. Dann springt die Spannung am Ventil auf einen negativen Wert und steigt dann gegen Null wieder an. Zu Beginn dieses negativen Spannungssprunges wird dem Differenzgatter 16 nach Fig. 2b ein Signal vom Ausgang des Spannungsindikators 14 vorgegeben, das bis zurrt Nulldurchgang der Spannung am Ventil dauert und somit gleich dem Istwert ti der Schonzeit ist. Zugleich wird vom Sollwertgeber 15 nach Fig. 2e der Schonzeitsollwert t0 vorgegeben, der z.B. kleiner als der Istwert sein soll. fach Ablauf des Sollwertes zur Zeit t2 bis zum Ende der Schonzeit zur Zeit t3 wird nach fig. 2d von Differenzgatter 16 dem Integrator 22 ein Eingangeaignal vorgegeben. Dessen Ausgangssignal bewirkt eine Änderung der Steuerspannung U22 für die Steuereinrichtungen 26 und 27 und damit eine Verschiebung des Zündwinkeln der Ventile derart, daß die Regelabweichung vermindert wird.
• Das Differenzgatter 16 in Fig: 1 kann auch mit zwei Auegangs@ leiturigen versehen sein, von denen. @: i:n -,Abhängigkeit. vom Vorzeiohen der Regelabweichungen jeweils eine dar Auagangeeignal erhalten,,'" kann. Eine Übersteuerung der Schonzeit bei Laststößen kann nach der ßrfindung dadurch in einfacher Weise vermieden werden, daß die Verstellung des Zündwinkels durch die Steuereinrichtungen-26 und 27 die Regelabweichung nur bis zu einem gewissen Prozentratz, beispielsweise etwa 50 bis 80 % berücksichtigt. Die Integrierzeit des Integrators 22 kann nach der Erfindung entsprechend ausgelegt werden. Die Änderung der Steuer$pannung USt ist dann jeweils etwas kleiner als der Regelabweichung entsprechen würde. Die Regelabweichung wird dann nach wenigen Perioden der Schwingkreisspannung ausgeregelt. Gegebenenfalls kann zwischen dem Integrator 22 und-den Steuereinrichtungen 26 und 27 noch ein Regelverstärker vorgesehen sein, welcher die Dynamik der Regelstrecke berücksichtigt. Ein Ausführungsbeispiel einer Auswertung der Regelabweichung mit Steuerelementen auf digitaler Basis ist in Fig. 3 veranschaulicht. Der Spannungsindikator 14 soll mit symmetrischen Ausgängen versehen sein, deren eine Ausgangsleitung über eine elektronische Zeit-Kigpetufe 17 und deren andere Ausgangsleitung direkt zu einer Kombination elektronischer Gatter 18 führt. An einen Ausgang der Gatter 18 entsteht nur dann ein Impuls, wenn der Istwert größer als der Sollwert ist und am anderen Ausgang entsteht ein Impuls, wenn der Istwert kleiner als der Sollwert ist und somit die Regelabweichung entgegengesetztes Vorzeichen hat. Die** Ausgangsleitungen führen zu einem Umkehrzähler 24. Auf ein ahkonaende8 Signal auf einem seiner Eingänge zählt der Umkehrzähler 24 in Vorwärtsrichtung und entsprechend auf ein Signal des anderen Eingangs in Rückwä,rtsriohtung. Der Umkehrzähler 24 zählt während jeder Halbschwingung der Schwingkreisspannung um eine Einheit vorwärts oder rückwärts,so daß die Regelabweichung etwa linear mit der Zeit aasgeregelt wird. Ein nachgeschalteter Digital-Analog-Umsetzer 25 setzt den Zählerstand des Umkehrzählers in einen Gleichstrom entsprechender Höhe um, der gegebenenfalls noch über einen der Regelstrecke angepaßten Regler den Steuereinrichtungen der Ventile 2 bis 5 des Wechselrichters als Steuerspannung vorgegeben werden kann. Der Umkehrzähler 24 übernimmt somit in Verbindung mit dem Digital-Analog-Umsetzer 25 die Funktion des Integrators 22 nach Figur 1. Das Gerät 18 kann beispielsweise aus einer Kombination elektronischer NOR-und NAND-Stufen bestehen. Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der digitalen Auswertung der Regelabweichung nach Fig. 3. Jeweils einer der Eingänge des Umkehrzählers 24 erhält während der Differenzzeit von t2 bis t.3 nach Fig. 2 in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Regelabweichung eine Impulsfolge von einem Frequenzgeber 19. Zu diesem Zweck kann jede der Eingangalritungen des Umkehrzählers 24 ein Und-Gatter 20 enthalten, deren einem Eingang die Impulofolge des Frequenzgebers 19 und deren zweiten Eingang das Ausgangssignal des Steuergerätes 18 vorgegeben sein kann. Je nach der Dauer der Regelabweichung wird eine bestimmte Anzahl von Impulsen freigegeben und damit auch die Größe der Regelabweichung erfaßt. Die Aasregelung des Fehlers erfolgt somit proportional der Größe der Regelabweichung. In der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung entsprechend dem Ausführungsbeispiel ist eine direkte Erfassung. der Schonzeit vorgesehen. Es kann aber -beispielsweise auch die Zeit der positiven Spannung an den Ventilen erfaßt und integriert werden. Man erhält dann eine der Schonzeit des Ventils umgekehrt proportionale Ausgangsspannung, die in gleicher `eise als Schonzeit-Istwert verwendet werden kann.

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters mitgesteuerten Ventilen in Brückenschaltung, dessen Lastkreis einen Parallelschwingkreis aus der Induktivität des Verbrauchers und einer Kapazität enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündzeitpunkte der Ventile (2 bis 5) des Wechselrichters in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schonzeitsollwert geregelt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Selbststeuerung des Wechselrichters die Schonzeit der Ventile (2 bis 5) auf dem vorgegebenen Sollwert konstant gehalten wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fremdsteuerung des Wechselrichters der vorgegebene Schonzeitsollwert nicht unterschritten wird.
4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronisches Differenzgatter (16) vorgesehen ist, dessen einem Eingang von einem Istwertgeber (14) ein der Schonzeit der Ventile (2 bis 5) proportionales Signal und dessen anderem Eingang von einem Sollwertgeber (15) ein dem gewünschten Soll-wert proportionales Signal vorgegeben ist, und dessen Ausgangssignal einem Integrator (22) vorgegeben ist, dessen Auegangeeignal den Steuereinrichtungen (26 und 2?) der Ventil-gruppen (2! 3 bew. 4, 5) des Weohgelriohters vorgegeben ist.
5. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Umkehrzähler (24) mit Steuerelementen auf digitaler Basis vorgesehen ist, von dessen beiden Eingängen jeweils einem ein Signal in Abhängigkeit vom ,.Vorzeichen der Regelabweichung vorgegeben ist und dessen Zählerstand einem Digital-Analog-Umsetzer (25) vorgegeben ist, dessen Ausgangssignal als Steuersignal (Usx) für die Ventile (2 bis 5) des Wechselrichters vorgesehen ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Umkehrzähler (24) ein Steuergerät (18) vorgeschaltet ist, dessen Eingang die Regelabweichung vorgegeben ist und das während der Zeit der Soll-Istdifferenz in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Regelabweichung an jeweils einem seiner Ausgänge ein Signal führt.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6., dadurch gekennzeichnet, daß als Istwertgeber ein Spannungsindikator (14) vorgesehen ist, dessen Auagangesignal einem Eingang des Steuergerätes (18) und zugleich einem als Sollwertgeber dienenden elektronischen Zeitgatter (17) vorgegeben ist, dessen Ausgangsleitung mit einem zweiten Eingang den Steuergerätes (18) verbunden ist. B.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von Vorzeichen der Regelabweichung jeweils einem der Eingänge des Umkehrzählers (24) eine Impulefolge eines frequenzgebers (19) vorgegeben ist.
9. 9. Anordnung nach Anspruch-8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Umkehrzähler (24) elektronische Und-Gatter (20) vorgeschaltet sind, deren einem Eingang die Impulsfolge des Frequenzgebers (19) und von deren zweiten Eingängen während der Zeit der Soll-Istdifferent jeweils einem ein Signal in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Regelabweichung vorgegeben ist.
10. 10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Schonzeit-Istwertes eine einem Ventil (2) parallelgeschaltete Reihenschaltung eines Widerstandes (12) mit einer Zenerdiode (13) vorgesehen ist, deren Zenerspannung einem Spannungsindikator (14) vorgegeben ist.