DE1588703C3 - - Google Patents

Description

tretenden Kommutierungsdauer die erforderliche Schonzeit der Ventile eingehalten wird. Im praktischen Betrieb des Wechselrichters können sich nun dessen Schwingkreisdaten und damit die Betriebsfrequenz des Wechselrichters ändern, beispielsweise bei der Speisung eines Induktionsschmelzofens durch Änderung der magnetischen Eigenschaften des Schmelzgutes 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 Einhaltung der Schonzeit der Ventile sichergestellt ist. Da die angegebenen Höchstwerte jedoch im praktischen Betrieb des Wechselrichters nur selten auftreten, so würde ein so betriebener Wechselrichter eine wesentlich größere als die erforderliche Schonzeit besitzen. Damit würde sich ein entsprechend schlechter Leistungsfaktor ergeben, weil der Leistungsfaktor wesentlich von der Schonzeit der Ventile bestimmt wird.

Die Erfindung geht nun von einer Überlegung aus, die gemäß der deutschen Patentschrift 972 189 bei Wechselrichtern, die mit gittergesteuerten Dampfoder Gasentladungsstrecken, insbesondere in Drehstrom-Brückenschaltung, und mit einem Wechselrichter-Transformator arbeiten, bekannt ist. Diese Überlegung besagt, daß ein solcher Wechselrichter immer seine größtmögliche Leistung abgeben kann, wenn die Zündzeitpunkte seiner Ventile in Abhängigkeit von der Belastung verändert und insbesondere in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Schonzeit-Sollwert geregelt werden. Mittels einer Einrichtung wird der Schonzeit-Istwert der gesteuerten Ventile des Wechselrichters gemessen. Dieser Meßwert wird für Regelzwecke verwendet, indem ein Vergleich mit einem Schonzeit-Sollwert erfolgt und die Abweichung über einen Verstärker den Wechselrichter steuert, vgl. auch AEG-Mitteilungen 41 (1951), 9/10, Seiten 210 bis 220, insbesondere Bild 12 unten. Die Regelungen erfolgen dann in dem Sinne, daß der Löschwinkel, der durch die Schonzeit bestimmt ist, unabhängig von allen anderen Einflußgrößen auf einem Minimalwert konstant oder auf einem lastabhängigen Wert gehalten wird. — Die bekannte Einrichtung zur Messung des Schonzeit-Istwerts enthält zumindest einen Wechselstromwandler, der in der Sekundärwicklung des Wechselrichter-Haupttransformators am Sternpunkt angeordnet ist. Auf diese Weise können die für die positive und die negative Stromhalbwelle einer Phase maßgeblichen beiden gesteuerten Ventile (Meßventile) erfaßt werden. Der Wechselstromwandler ist sekundär mit einer Glimmstrecke belastet, an der symmetrische Spannungsblöcke entstehen, deren Höhe unabhängig von der Höhe des Eingangsstroms und deren Dauer nur von der Zünddauer der Meßventile abhängig ist. Über zwei gesteuerte Gegentaktventile wird eine Glimmstrecke mit niederer Brennspannung gegen Ende der Zünddauer, nur vom Phasenschnittpunkt abhängig, zugeschaltet. Damit ergeben sich an dieser Glimmstrecke mit niederer Brennspannung gegen Ende der Zündung und deren Ende vom Verlöschen der Meßventile bestimmt wird. Diese Spannungsblöcke sind damit ein Maß für die Zünddauer bzw. den Löschwinkel.

Die bekannte Einrichtung zum Messen des Schonzeit-Istwerts umfaßt, wie bereits erwähnt, Wechselstromwandler in den Sekundärwicklungen des Wechselrichter-Transformators und geht somit von einer Strommessung aus. Ein solches Vorgehen ist aber bei einem Wechselrichter mit Parallelschwingkreis nicht möglich, da ein Transformator nicht vorhanden ist. Eine Strommessung in einem Ventilzweig kommt ebenfalls nicht in Betracht, da der rechteckförmige Stromverlauf an jedem Ventil keinen Aufschluß über die Schonzeit gibt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,

ίο auf der Grundlage des bekannten Prinzips eine Schaltungsanordnung anzugeben, die einen entsprechenden geregelten Betrieb auch bei einem Wechselrichter der eingangs genannten Art mit gesteuerten Ventilen in Brückenschaltung und einem Parallelschwingkreis ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Regelkreis vorgesehen ist, der einen Istwertgeber, einen Sollwertgeber und einen Vergleicher enthält und die Zündzeitpunkte der Ventile des Wechselrichters in Abhängigkeit von einem durch den Sollwertgeber vorgegebenen Schonzeit-Sollwert regelt, und daß der Istgeber den Schonzeit-Istwert aus der Spannung an einem Ventil bildet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Fig. 1 zeigt die Schaltung eines Wechselrichters mit einem Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung. In F i g. 2 ist der Verlauf verschiedener Regelsignale aus F i g. I in einem Diagramm veranschaulicht. In den Fig. 3 und 4 sind jeweils Blockschaltbilder mit Abwandlungen des Regelkreises nach F i g. I dargestellt.

Nach Fig. 1 ist eine Brückenschaltung von gesteuerten Ventilen 2 bis 5, insbesondere Thyristoren, 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, mit einer Induktivität 10 und einem in der Figur nicht dargestellten ohmschen Widerstandsanteil angeordnet. Der Induktivität 10 ist eine Kapazität 11 parallel geschaltet, die mit der Induktivität 10 einen Parallelschwingkreis bildet und als Löschkapazität für die Ventile 2 bis 5 vorgesehen ist. Der Zündwinkel für die jeweils in der Stromführung ablösenden Ventile 2 bis 5 kann nach der Erfindung so geregelt werden, daß die Schonzeit der Ventile 2 bis 5 wenigstens annähernd konstant bleibt.

Die Schonzeit eines der Ventile 2 bis 5, beispielsweise des Ventils 2, wird mittels einer einfachen Anordnung ermittelt, die aus einer dem Ventil 2 parallelgeschalteten Reihenschaltung eines Widerstandes 12 mit einer Zenerdiodel3 besteht. Während der Zeit der negativen Spannung am Ventil 2 fällt an der Zenerdiode 13 deren Zenerspannung ab, die einem Spannungsindikator 14 vorgegeben wird, der in Abhängigkeit von einer bestimmten Polarität seines Eingangssignals ein Ausgangssignal abgibt. Er gibt somit

ein Ausgangssignal, solange seinem Eingang die Zenerspannung vorgegeben wird. Das Ausgangssignal des Spannungsindikators 14 wird als Schonzeit-Istwert einem Eingang eines Differenzgatters 16 zugeführt, dessen zweitem Eingang ein Schonzeit-Sollwert

⁶S von einem Sollwertgeber 15 vorgegeben wird. Der Sollwertgeber 15 kann vorzugsweise ein elektronisches Zeitgatter sein, welchem das Ausgangssignal des Spannungsindikators 14 vorgegeben ist und dessen

einstellbare Laufzeit dem gewünschten Schonzeit-Sollwert entspricht. Während einer Zeit, die der Differenz zwischen Schonzeit-Sollwert und -Istwert proportional ist, gibt das Differenzgatter 16 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 als Steuerspannung Usi den Steuereinrichtungen 26 und 27 für die Ventile 2 und 3 bzw. 4 und 5 vorgegeben.

Nach Fig. 2a soll zur Zeit/, der Strom im Ventil 2 erlöschen. Dann springt die Spannung U am Ventil 2 auf einen negativen Wert und steigt dann gegen Null wieder an. Vom Beginn dieses negativen Spannungssprunges wird dem Differenzgatter 16 nach Fig. 2b ein Signal vom Ausgang des Spannungsindikators 14 vorgegeben, das bis zum Nulldurchgang der Spannung U am Ventil 2 dauert und dessen Dauer somit gleich dem Schonzeit-Istwert /,- ist. Zugleich wird vom Sollwertgeber 15 nach Fig. 2c ein Signal vorgegeben, dessen Dauer gleich dem Schonzeit-Sollwert I_x ist. Dieser Schonzeit-Sollwert I_x soll z. B. kleiner als der Schonzeit-Istwert /,- sein (F i g. 2 b und 2 c). Nach Ablauf des Schonzeit-Sollwertes /., zur Zeit Λ» wird bis zum Ende des Schonzeit-Istwerts t-, zur Zeit h nach F i g. 2 d vom Differenzgatter 16 dem Integrator 22 ein Eingangssignal vorgegeben. Dessen Ausgangssignal wird dadurch geändert Eine Änderung der Steuerspannung Usi für die Steuereinrichtungen26 und 27 bewirkt eine Verschiebung des Zündwinkels der Ventile 2 bis 5 derart, daß die Regelabweichung, also die Differenz zwischen Schonzeit-Sollwert und -Istwert, vermindert wird.

Das Differenzgatter 16 in Fig. 1 kann auch mit zwei Ausgangsleitungen versehen sein, von denen in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Regelabweichungen jeweils eine das Ausgangssignal erhalten kann.

Eine Übersteuerung der Schonzeit bei Laststößen kann dadurch in einfacher Weise vermieden werden, daß die Verstellung des Zündwinkels durch die Zündwinkels durch die Steuereinrichtungen 26 und 27 die Regelabweichung nur bis zu einem gewissen Prozentsatz, beispielsweise etwa 50 bis 80 %, berücksichtigt. Die Integrierzeit des Integrators 22 kann entsprechend ausgelegt werden. Die Änderung der Steuerspannung Usi ist dann jeweils etwas kleiner als der Regelabweichung entsprechen würde. Die Regelabweichung wird dann nach wenigen Perioden der Schwingkreisspannung U_x (Fig. 1) ausgeregelt.

Gegebenenfalls kann zwischen dem Integrator 22 und den Steuereinrichtungen 26 und 27 noch ein Regelverstärker vorgesehen sein, welcher die Dynamik oder Regelstrecke berücksichtigt.

Ein Ausführungsbeispiel einer Auswertung der Regelabweichung mit Steuerelementen auf digitaler Basis ist in Fig. 3 veranschaulicht. Der Spannungsindikator 14 ist mit symmetrischen Ausgängen versehen, deren eine Ausgangsleitung über eine elektronische Zeit-Kippstufe 17 und deren andere Ausgangsleitung direkt zu einem Impulsgerät 18 mit einer Kombination elektronischer Gatter führt. Am einen Ausgang des Impulsgeräts 18 entsteht nur dann ein Impuls, wenn der Schonzeit-Istwert größer ist als der Schonzeit-Sollwert, und am anderen Ausgang entsteht ein Impuls, wenn der Schonzeit-Istwert kleiner ist als der Schonzeit-Sollwert und somit die Regelabweichung entgegengesetztes Vorzeichen hat. Diese Ausgangsleitungen führen zu einem Umkehrzähler 24. Auf ein ankommendes Signal auf einem seiner Eingänge zählt der Umkehrzähler 24 in Vorwärtsrichtung und entsprechend auf ein Signal des anderen Eingangs in Rückwärtsrichtung. Der Umkehrzähler 24 zählt während jeder Halbschwingung der Schwingkreisspannung um eine Einheit vorwärts oder rückwärts; so daß die Regelabweichung etwa linear mit der Zeit ausgeregelt wird. Ein nachgeschalteter Digital-Analog-Umsetzer 25 setzt den Zählerstand des Umkehrzählers 24 in einen Gleichstrom entsprechender Höhe um, der gegebenenfalls noch über einen der Regelstrecke angepaßten Regler den Steuereinrichtungen 26,27 der Ventile 2 bis 5 des Wechselrichters als Steuerspannung Usi vorgegeben wird. Der Umkehrzähler 24 übernimmt somit in Verbindung mit dem Digital-Analog-Umsetzer 25 die Funktion des Integrators22 nach Fig. 1. Das Impijlsgerät 18 kann beispielsweise aus einer Kombination elektronischer NOR- und NAND-Stufen bestehen.

F i g. 4 zeigt eine Abwandlung der digitalen Auswertung der Regelabweichung nach Fig. 3. Jeweils einer der Eingänge des Umkehrzählcrs 24 erhält während der Differenzzeit von t> bis /.? nach Fig. 2 in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Regelabweichung eine Impulsfolge von einem Frequenzgeber 19. Zu diesem Zweck enthält jede der Eingangsleitungen des Umkehrzählers 24 ein UND-Gatter 20, deren einem Eingang die Impulsfolge des Frequenzgebers 19 und deren zweitem Eingang das Ausgangssignal des Impulsgerätes 18 vorgegeben ist. Je nach der Dauer der Regelabweichung wird eine bestimmte Anzahl von Impulsen freigegeben und damit auch die Größe der Regelabweichung erfaßt. Die Ausregelung des Fehlers erfolgt somit proportional der Größe der Regelabweichung.

In der Schaltungsanordnung 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 Weise als Schonzeit-Istwert verwendet werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. vom Vorzeichen der Regelabweichung jeweils

   Patentansprüche: einem der beiden Eingänge des Umkehrzäh

   lers (24) eine Impulsfolge eines Frequenzge-

   1. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines bers (19) vorgegeben ist.

   Wechselrichters mit gesteuerten Ventilen in 5 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, da-

   Brückenschaltung, dessen Lastkreis einen Paral- durch gekennzeichnet, daß dem Umkehrzäh-

   lelschwingkreis aus der Induktivität des Verbrau- ler (24) zwei elektronische UND-Gatter (20) mit

   chers und einer Kapazität enthält, dadurch je einem ersten und zweiten Eingang vorgeschal-

   gekennzeichnet, daß ein Regelkreis vorge- tet sind, daß den beiden ersten Eingängen die

   sehen ist, der einen Istwertgeber (14), einen Soll- io Impulsfolge des Frequenzgebers (19) und daß in

   wertgeber (15; 17) und einen Vergleicher (16; 18) Abhängigkeit vom Vorzeichen der Regelab-

   enthält und die Zündzeitpunkte der Ventile (2 bis weichung jeweils einem der zweiten Eingänge

   5) des Wechselrichters in Abhängigkeit von einem während des Auftretens einer Differenz zwischen

   durch den Sollwertgeber (15; 17) vorgegebenen Schonzeit-Sollwert (/.,) und Schonzeit-Istwert (/,·)

   Schonzeit-Sollwert (/.,) regelt, und daß der Ist- 15 ein Signal vorgegeben ist.

   wertgeber (14) den Schonzeit-Istwert (/.,) aus der 9. Schaltungsanordnung nach einem der An-

   Spannung (U) an einem Ventil (z. B. 2) bildet. sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- Istwertgeber zur Erfassung des Schonzeit-Istwerdurch gekennzeichnet, daß bei Selbststeuerung tes (/,·) eine dem Ventil (z. B. 2) parallel geschaldes Wechselrichters zwecks Konstanthaltung der 20 tete Reihenschaltung eines Widerstandes (12) mit Schonzeit der Ventile (2 bis 5) der Sollwertgeber einer Zenerdiode (13) vorgesehen ist, deren (15; 17) auf einen festen Schonzeit-Sollwert (/_s) Zenerspannung einem Spannungsindikator (14) eingestellt ist. . vorgegeben ist.

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1

   oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regel- 25

   kreis als Vergleicher ein elektronisches Differenzgatter (16) enthält, dessen einem Eingang vom Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsistwertgeber (14) ein dem Schonzeit-Istwert (/,-) anordnung zum Betrieb eines Wechselrichters mit gedes Ventils (z. B. 2) proportionales Signal und des- steuerten Ventilen in Brückenschaltung, dessen Lastsen anderen Eingang vom Sollwertgeber (15) ein 30 kreis einen Parallelschwingkreis aus der Induktivität dem gewünschten Schonzeit-Sollwert (/») propor- des Verbrauchers und einer Kapazität enthält,
   tionales Signal vorgegeben ist, und dessen Aus- Ein derartiger Wechselrichter ist z. B. aus den gangssignal den Steuereinrichtungen (26,27) der Brown Boveri Mitteilungen, Oktober 1966, Sei-Ventilgruppen (2,3 bzw. 4,5) des Wechselrichters ten 693 bis 701 bekannt. Er ist im allgemeinen an vorgegeben ist. 35 eine Gleichspannungsquelle mit steuerbarer Aus-

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder gangsspannung, beispielsweise einen gesteuerten 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis ein Gleichrichter, angeschlossen, die über eine entelektronischer Umkehrzähler (24) mit zwei Ein- sprechend bemessene Induktivität dem Wechselrichgängen und mit Steuerelementen auf digitaler ter einen Gleichstrom liefert. Durch die periodisch Basis vorgesehen ist, daß jeweils einem der bei- 4° wechselnde Zündung der Ventile des Wechselrichden Eingänge ein Signal in Abhängigkeit vom ters wird der Gleichstrom in einen angenähert recht-Vorzeichen der im Vergleicher (18) gebildeten eckförmigen Wechselstrom umgeformt, der dem Regelabweichung vorgegeben ist und daß der Parallelschwingkreis zugeführt wird. Das Kommutie-Zählerstand des Umkehrzählers (24) einem Digi- ren des Stromes von den Ventilen für eine Stromrichtal-Analog-Umsetzer (25) vorgegeben ist, dessen 45 tung auf die Ventile für die andere Stromrichtung er-Ausgangssignal als SteuersignalUsi) für die Ven- folgt durch Zwangskommutierung mit Hilfe der Latile (2 bis 5) des Wechselrichters vorgesehen ist. dung des Schwingkreis-Kondensators. Für das ein-

   5. Schaltungsanspruch nach Anspruch 4, da- wandfreie Arbeiten des Wechselrichters ist es notdurch gekennzeichnet, daß dem Umkehrzäh- wendig, die Kommutierung so rechtzeitig vor dem ler (24) ein Impulsgerät 18) mit zwei Ausgängen 50 Nulldurchgang der Schwingkreis- und damit der vorgeschaltet ist, dessen Eingang die Regelab- Kondensatorspannung einzuleiten, daß nach Beendiweichung vorgegeben ist und das während des gung der Kommutierung noch ein zeitlicher Abstand Auftretens einer Differenz zwischen Schonzeit- bis zum Nulldurchgang der Schwingkreisspannung Sollwert (/,) und Schon-Islwert (/,-) in Abhängig- verbleibt, der mindestens gleich der Freiwerdezeit der keit vom Vorzeichen der Regelabweichung an je- 55 soeben gelöschten Ventile ist. Steuerbare Ventile, insweils einem seiner beiden Ausgänge ein Signal besondere Thyristoren, können erst nach Ablauf der führt. Freiwerdezeit wieder eine positive Spannung sper-

   6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, da- ren. Von der Schaltung muß deshalb sichergestellt durch gekennzeichnet, daß als Istwertgeber ein werden, daß während der sogenannten Schonzeit, Spannungsindikator (14) vorgesehen ist, dessen 60 das ist die Freiwerdezeit der Ventile mit einem Sicher-Ausgangssignal einem ersten Eingang des Im- heitszuschlag, keine Spannung in Durchlaßrichtung pulsgerätes (18) und zugleich einem als Sollwert- auftreten kann.

   geber dienenden elektronischen Zeitgatter (17) Die Zündimpulse für die Ventile werden bei einem

   vorgegeben ist, dessen Ausgangsleitung mit einem Wechselrichter mit Parallelschwingkreis üblicher-

   zweiten Eingang des Impulsgerätes (18) verbun- 65 weise vom Nulldurchgang der Schwingkreisspannung

   den ist. abgeleitet und über ein steuerbares Zeitglied verzö-

   7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, da- gert gebildet. Diese Verzögerungszeit könnte nun so durch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit gewählt werden, daß bei der größten im Betrieb auf-