DE1918183A1

DE1918183A1 - Wechselrichter fuer induktive Verbraucher und Verwendung desselben als Frequenzwandler

Info

Publication number: DE1918183A1
Application number: DE19691918183
Authority: DE
Inventors: Walter Guggi
Original assignee: REGUS AG
Current assignee: REGUS AG
Priority date: 1968-04-19
Filing date: 1969-04-10
Publication date: 1970-02-05
Also published as: FR2006567A1; US3638098A; GB1255815A; CH509009A

Description

PATENTANWXLTB .

DR. JNG. E. L I E B A U Augeburg-Goggingen, 9 A. 1969

DlPL. ING. G. LIEBAU

1902 AUGSBURG-GOGGINGEN 1 Q 1 P 1

V. HCHENDOtIWM. 10. ItLZlAQl ^)α'^ΟΙ

R e g u a AGt CH-8I05 Regenedorf (Schweiz)

Haus Kleinhard

Wechselrichter für induktive Verbraucher und Verwendung desselben als Frequenzwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter zur Erzeugung eines ein- oder mehrphasigen Wechselstromes mit einer der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von jeweils an eine Gleichstromquelle angeschlossenen, je einer Phase zugeordneten Reihenschaltungen von je zwei Kapazitäten, an deren in der Reihenschaltungsmitte liegender Zwischenverbindung jeweils ©in Verbraucheranschluss der der Reihenschaltung zugeordneten Phase liegt, je einem elektronischen Umschalter für jede Reihenschaltung, der den anderen Verbraueheran®©bluse der der Reihenschaltung zugeordneten Phase abwechselnd mit jeweils einem der beiden Enden der Reihenschaltung verbindet, und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der elektronischen Umschalter

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im Takt der Frequenz des zu erzeugenden Wechselstromes mit einer der geschalteten Phase entsprechenden Phasenlage sowie ferner auf die Verwendung eines solchen Wechselrichters als Frequenzwandler, insbesondere für den Betrieb von Induktionsmotoren.

Wechselrichter dieser Art sind bereits bekannt. Diese bekannten Wechselrichter haben jedoch eine elektrische Charakteristik, die für den Betrieb von Wechselstrommotoren und ähnlichen Antriebsaggregaten nicht gut geeignet ist. Dies schliesst den Gebrauch solcher Wechselrichter bei einer grossen Zahl praktischer.Anwendungsfälle aus. Die Beschränkungen werden hauptsächlich durch die hohen Herstellungs- und Betriebskosten verursacht, die für Wechselrichter der eingangs genannten Art aufgewendet werden müssten, um diese für den Betrieb von Wechselstrommotoren geeignet zu machen. Unter andereis müssten Wechselrichter der eingangs genannten Art für den Betrieb von Wechselstrommotoren und ähnlichen Antriebsaggregaten mit Tiefpassfiltern oder Bandpassfiltern und Spannungs- oder Stromregeleinrichtungen versehen werden· Daraus resultieren als zusätzliche Nachteile min schlechter Wirkungsgrad des Wechselrichters infolge von relativ hohen durch Blindströme innerhalb des Wechselrichters verursachten Verlusten sowie das relativ hohe Gewicht solcher Einrichtungen, was den Wechselrichter für Anwendungen in transpotablea Geräten, wie ζ.B-* Handwerkzeugen, relativ ungeeignet macht«

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!Der Hauptgrund für das Erfordernie solcher zusätzlicher Filter und Regeleinrichtungen ist die Tatsache, dass die * bekannten Wechselrichter einen Strom- und Spannungeverlauf erzeugen, der wesentlich von einer idealen Sinuswelle abweicht und ausserdem stark lastabhängig ist.

Un jedoch einen sinusförmigen Strom- und Spannungsverlauf eu erzeugent müssen in irgendeiner Form ,z.B. in Form von Filtern, Schwingkreise in einen Wechselrichter eingebaut werden. Dies wiederum bedingt den.zusätzlichen Einbau von Stabilisierungen]!tteln in den Wechselrichter, " weil Schwingkreise von Natur aus hinsichtlich Last-Bchwankungea unstabil sind· Genauer gesagt müssen solche Spannungs- und StrUmänderungen kompensiert werden, um

Laetänderungen auszugleichen, damit nachteilige Effekte auf den an den Wechselrichter angeschlossenen Apparat oder auf den Wechselrichter selbst vermieden werden»

Sie der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung war nun, einen Wechselrichter zu schaffen, bei dem diese in den bekannten Wechselrichtern von Natur aus vorhandenen Unzulänglichkeiten beseitigt sind, der weiter eine relativ einfache Schaltung und eine verbesserte elektrische Leistungecharakteristik aufweist, und bei dem zudem Anzahl, Grosse und Gewicht der insgesamt notwendigen Schaltelemente reduziert ist, so dass der Wechselrichter besser für Anwendungen in tragbaren Geräten geeignet ist.

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Erfindungsgemäss wird das bei einem Wechselrichter der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass der Wechselrichter baulich mit einem induktiven Verbraucher vereinigt ist und dass die Kapazitäten der Reihenschal-^ tung bzw. der einzelnen Reihenschaltungen derart bemessen sind, dass sich der kapazitive Innenwiderstand der Reihenschaltung, der von der Parallelschaltung der beiden Kapazitäten der Reihenschaltung gebildet wird, und die induktive Komponente des an die Reihenschaltung angeschlossenen Lastwiderstandes, der im wesentlichen von dem mit der Reihenschaltungsmitte verbundenen Verbraucher bzw. Verbraucherteil gebildet wird, bsi der halben Schaltfolgefrequenz des bzw. der elektronischen Umschalter mindestens teilweise kompensieren.

Vorteilhaft kann dabei im Falle, dass der induktive Verbraucher eine Mehrzahl von galvanisch voneinander getrennten Phasenwicklungen aufweist - wie dies z.B. bei Induktionsmotoren der Pail ist - auf eine Verkettung der Anschlüsse der einzelnen Phasenwicklungen verzichtet bzw. eine in Anlieferungszustand bereits vorhandene Verkettung gelöst und jede Phasenwicklung gesondert einerseits an die Reihenschaltungsmitte der der betreffenden Phase ,zugeordneten Reihenschaltung von zwei Kapazitäten und andererseits an den dieser Reihenschaltung zugeordneten elektronischen Umschalter engeschlossen werden, so dass also die Phasenwicklungen nur über die Wechselrichterschaltung

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untereinander in Verbindung stehen. In diesem Pail ist es möglich, alle den verschiedenen Phasen zugeordneten Reihenschaltungen von je zwei Kapazitäten parallel an eine gemeinsame Gleichstromquelle anzuschliessen.

Der Anschluss aller den verschiedenen Phasen zugeordneten Reiftfc.iSchaltungen von je zwei Kapazitäten parallel an eine gemeinsame Gleichstromquelle ist auch dann möglich, wenn anstelle einer galvanischen Verkettung eine kapazitive Verkettung der Phasenwicklungen vorgesehen wird, | oder wenn - wie dies z.B. bei Zweiphasen-Induktionsmotoren der Fall ist - bereits in dem induktiven Verbraucher selbst eine solche kapazitive Verkettung vorhanden ist.

Wenn jedoch der induktive Verbraucher eine Mehrzahl von galvanisch miteinander verketteten Phasenwicklungen aufweist und eine Lösung der Verkettung nicht möglich oder nicht erwünscht ist, dann ist bei dem vorliegenden Wechselrichter zweckmässig für jede Phase bzw. für jede Reihenschaltung von zwei Kapazitäten eine gesonderte Gleich- " Stromquelle vorzusehen.

Wenn daher der induktive Verbraucher eine Mehrzahl von zu einem Vieleck verketteten Phasenwicklungen aufweist, wobei die beiden Anschlüsse jeder einzelnen Phasenwicklung benachbarte Eckpunkte des Vielecks bilden, dann ist der vorliegende Wechselrichter zweckmässig so weiterzubilden, dass jede Phasenwicklung einerseits an die

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Reihenschaltungsmitte der der betreffenden Phase zugeordneten Reihenschaltung von zwei Kapazitäten und andererseits an den dieser Reihenschaltung zugeordneten elektronischen Umschalter angeschlossen ist und jede Reihenschaltung an eine gesonderte ihr zugeordnete Gleichstromquelle angeschlossen ist, die mit den den anderen Reihenschaltungen zugeordneten Gleichstromquellen.nur über die Wechselrichterschaltung in Verbindung steht, wobei vorzugsweise jeder Eckpunkt des Vielecks an eine Reihenschaltungsmitte und einen elektronischen Umschalter angeschlossen ist.

Entsprechend kann im Falle, dass der induktive Verbraucher eine Mehrzahl von zu einem Stern verketteten Phasenwicklungen aufweist, wobei jeweils einer der beiden Anschlüsse jeder einzelnen Phasenwicklung mit einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden ist, der vorliegende Wechselrichter zweckmässig so weitergebildet sein, dass jede einzelne Phasenwicklung einerseits an die Reihenschaltungsmitte der der betreffenden Phase zugeordneten Reihenschaltung von zwei Kapazitäten und andererseits an den dieser Reihenschaltung zugeordneten elektronischen Umschalter angeschlossen ist und jede Reihenschaltung an eine gesonderte, ihr zugeordnete Gleichstromquelle angeschlossen ist, die mit den den anderen Reihenschaltungen zugeordneten Gleichstromquellen nur über die Wechselrichter-

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schaltung in Verbindung steht, wobei vorzugsweise die mit dem gemeinsamen Sternpunkt'verbundenen Anschlüsse der Phasenwicklungen an die Reihenschaltungsmitten angeschlossen sind.

Zur Vermeidung eines Ueberschwingens der Spannungen an den die Reihenschaltungen bildenden Kapazitäten, was 2.B. bei relativ geringer Belastung der Ausgangsseite dee Wechselrichters auftreten kann, können Wechsel-

richter der vorliegenden Art vorteilhaft weiter so ausgebildet sein, dass jeweils zwischen der Mitte und jedem der beiden Enden der Reihenschaltung bzw. der einzelnen Reihenschaltungen je eine Diode in Serie mit einem ohmschen Widerstand eingeschaltet ist, und dass die Dioden derart gepolt sind, d.rss sie von der an den Enden der Reihenschaltung liegenden Gleichspannung in Sperrichtung vorgespannt werden.

Der bzw. die elektronischen Umschalter können bei Wechselrichtern der vorliegenden Art zweckmässig zwei elektronische Schalter umfassen, die abwechselnd durchgeschaltet werden und von denen der eine im Leitungszug zwischen dem Verbraucheranschluss des Umschalters und dem einen Ende der Reihenschaltung, der der Umschalter zugeordnet ist, und der andere "im Leitungszug zwischen dem Verbräucheranschluss des Umschalters und dem anderen Ende der Reihen-

schaltung, der der Umschalter zugeordnet ist, liegt. Dabei können die elektronischen Schalter von Thyristoren gebildet werden und die Mittel zur Steuerung des bzw. der elektronischen Umschalter jedem einzelnen Thyristor im zeitlichen Abstand von einer Schwingungsdauer des zu- erzeugenden Wechselstromes Zündimpulse zuführen, wobei jeweils die den beiden zum gleichen Umschalter gehörenden Thyristoren zugeführten Zündimpulee um eine halbe Schwingungsdauer des zu erzeugenden Wechselstromes gegeneinander versetzt sind.

Ferner kann zur Vermeidung eines Kurzschlusses der Gleichstromquelle bzw. einer der Gleichstromquellen über zwei zum gleichen Umschalter gehörende elektronische Schalter, der zu einer Zerstörung der elektronischen Schalter, gegebenenfalls auch der Gleichrichter in der Gleichstromquelle führen würde, jeweils zwischen die beiden zum gleichen Umschalter gehörenden elektronischen Schalter eine Drosselspule geschaltet sein, em deren Mittelabgriff der Verbraucheranschluss des Umschalters liegt. Durch eine solche Drosselspule werden im Moment der Einschaltung eines der beiden zum gleichen Umschalter gehörenden elektronischen Schalter in der Masche des anderen elektronischen Schalters Gegenspannungen erzeugt, die eine Löschung dieses anderen elektronischen Schalters verursachen.

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Die Wirkung solcher jeweils zwischen die beiden zum gleichen Umschalter gehörenden elektronischen Schalter eingeschalteten Drosselspulen kann noch dadurch verbessert werden, dass jeweils zwischen der Mitte der Reihenschaltung'bzw. der einzelnen Reihenschaltungen und dem Verbraucheranschluss des der Reihenschaltung zugeordneten Umschalters eine Kapazität eingeschaltet ist, die den Einschaltstromstoss beim Einschalten des genannten einen elektronischen Schalters und damit auch die in der Masche des anderen elektronischen ' f

Schalters von der Drossel erzeugte"Gegenspannung erhöht und ein schnelleres Abschalten des genannten anderen elektronischen Schalters-bewirkt.

Des weiteren kann zur Vermeidung von Ueberspannungen an den elektronischen Schaltern noch jeweils zwischen dem Verbraucheranschluss der einzelnen elektronischen Schalter und jedem der beiden Enden der Reihenschaltung,

der der Umschalter zugeordnet ist, je eine Diode (

in Serie mit einem ohmschen Widerstand eingeschaltet sein, wobei die Dioden derart gepolt sind, dass sie von der an den Enden der Reihenschaltung liegenden Gleichspannung in Sperrichtung vorgespannt werden. ^f

Palis bei dem vorliegenden Wechselrichter der an die

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Reihenschaltungsmitte angeschlossene, von dem induktiven Verbraucher gebildete Lastwiderstand bzw* die an die Reihensehaltungsmitten der einzelnen Reihenschaltungen angeschlossenen, von dem induktiven Verbraucher gebildeten Lastwiderstände jeweils durch ein Ersatzschaltbild darstellbar sind, das eine Parallelschaltung aus einer im wesentlichen konstanten Induktivität und einem die Nutzlast bzw» einen Teil derselben bildenden veränderlichen Wirkwiderstand enthält, dessen minimaler Wert geringer als der Blindwiderstand der Induktivität bei der halben Schaltfolgefrequenz des bzw. der Umschalter ist, ist es zweckmässig, die Kapazitäten der Reihenschaltung bzw» der einzelnen Reihenschaltungen derart zu bemessen, dass der kapazitive Innenwiderstand jeder einzelnen Reihenschaltung bei der halben Schaltfolgefrequenz des bzw. der Umschalter geringer als die Hälfte des minimalen Wertes des genannten veränderlichen Wirkwiderstandes ist. ..

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der mit dem Wechselrichter baulich vereinigte induktive Verbraucher ein Wechselstrommotor, insbesondere ein Induktionsmotor ist. In diesem Fall können die Kapazitäten der Reihenschaltung bzw. der einzelnen Reihenscxhaltungen zweckmässig derart bemessen sein, dass der kapazitive Innenwiderstand jeder einzelnen

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Reihenschaltung bei der halben Schaltfolgefrequenz des bzw. der Umschalter bei Vollast des Wechselstrommotors gleich der induktiven Komponente des an die Reihenschaltung angeschlossenen Lastwiderstandes ist.

Die Gleichstromquelle bzw. die einseinen Gleichstromquellen können bei Wechselrichtern der vorliegenden Art Jeweils von einem Gleichrichter gebildet werden, der von einer Wechselstromquelle gespeist wird. Mehrere gesondeae Gleichstromquellen können dabei vorteilhaft über einen Transformator λ mit je einer gesonderten, von den übrigen Transformatorwicklungen isolierten Sekundärwicklung für jede Gleichstromquelle an eine gemeinsame Wechselstromquelle angeschlossen sein.

Wechselrichter der vorliegenden Art, bei denen die Gleichstromquelle von wechselstromgespeisten Gleichrichtern gebildet werden, können mit besonderem Vorteil als Frequenzwandler verwendet werden, insbesondere zur Umsetzung von Wechselstrom mit Netzfrequenz in Wechselstrom mit einer höheren { Frequenz. Bei dem Betrieb von Induktionsmotoren über einen solchen Frequenzwandler können beispielsweise wesentlich höhere Drehzahlen als die bei einer Netzfrequenz von 50 Hz mit Induktionsmotoren maximal erreichbare Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute erzielt werden. Ausserdem ist beim Betrieb von Induktionsmotoren über einen solchen Frequenzwandler eine stetige Regelung der Drehzahl der

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Induktionsmotoren durch Veränderung der Schaltfolgefrequenz des "bzw. der elektronischen umschalter möglich, was normalerweise ija bekanntlich bei Induktionsmotoren nicht möglich ist.

Anhand der nachfolgenden Figuren ist die Erfindung im folgenden an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert« Ss zeigen s

Fig. 1 ein Avsführungsbeispiel eines Wechselrichters der φ vorliegenden Art zur Erzeugung eines einphasigen Wechselstromes;

Fig» 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters der vorliegenden Art zur Erzeugung eines zweiphasigen Wechselstromesj

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Induktionsmotor, mit dem ein Wechselrichter der vorliegenden Art baulich vereinigt istj

Fig. 4- ein Schaltschema des zur Erzeugung von Zündimpulsen ™ die Thyristoren vorgesehenen Steuergerätes 6 in Figo

Fig. 1 zeigt die Grundschaltung eines Wechselrichters der Erfindung, wie sie z.B« zur Erzeugung eines einphasigen Wechselstromes verwendet wird. Biese Grundschaltung ist Teil eines elektrischen Motors oder ümsetzungssysteias,, ia de® de£> Induktor 1 als das magnetisch-mechanische Kraftübertragiaags·= system dient und gleichzeitig in Verbindung mit den Kapazitäten 2 und 3 einen annähernd sinusförmigen elektrischen Strom durch Stromschwankungen zwischen diesea beiden Heaktan-

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zen erzeugt· Um solche Stromschwankungen zu erzeugen und .aufrecht zu erhalten* wird die gesamte Kapazität vorzugsweise in zwei Teile aufgeteilt. Die Kapazitäten 2 und 5 sind in Reihenschaltung zwischen dem positiven und dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 7 geschaltet« Die Mittelanzapfung dieser Reihenschaltung von Kondensatoren ist mit einem Anschluss des Induktors 1 verbunden, während der andere Anschluss dieses Induktors mit der Mittelanzapfung ei&er ebenfalls zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Gleichstromquelle liegenden Reihenschaltung aus zwei elektronischen Schaltern, die hier als Thyristoren 4· und 5 dargestellt sind, verbunden ist. Eine Triggerschal— tung 6, die in bekannter Weise ausgebildet sein kann, liefert Triggerimpulse an die Steuerelektroden dieser Thyristoren. Die Thyristoren sind in Serie geschaltet, wobei die Anode eines Thyristors mit dem positiven. Pol de? Gleichstromquelle, die Verbindung zwischen den beiden Thyristoren mit dem Induktor 1 und die Kathode des anderen Thyristors mit dem negativen Pol der Gleoehstromquelle -7 verbunden isfco Diese Grundschal— tung ist voll arbeitsfähigg wenn die Kapazitäten 2 tmd 3 zusammen mit der Induktivität des Induktors 1 eine Zeitkonstante haben, die kurzer als die Periodendauer- d@r die Thyristoren 4 und 5 steuernden Trigger-Impulsfolge ist«, Mit anderen Worten ausgedrückt muss der Phasenwinkel des in dem Wechselrichter enthaltenen Schwingkreises gegenüber dem Phasenwinkel des von den beiden Thyristoren 4 und 5 gebildeten elektronischen Umschalters voreilen, um eine kontinuierliche Arbeitsweise zu gewährleisten« Die in Fig» I gezeigte vereinfachte

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Grundschaltung soll jedoch hauptsächlich zur Erläuterung dienen, weil sie in dieser Form beispielsweise für den Anschluss eines elektromotorischen Antriebssystems und die komplexen Anforderungen» die ein solches stellt, nicht geeignet ist.

In Fig. 2 ist eine verbesserte Variante des Halbbrücken-Wechselrichters dargestellt, die die notwendigen Modifikationen und Verbesserungen aufweist, um die Schaltung an die besonderen Eigenschaften eines Elektromotors unter verschiedenen Arbeitsbedingungen anzupassen» Die folgende Beschreibung dient zum Zweck der Erklärung solcher Arbeitsbedingungen in Verbindung mit den. neuen Methoden, die zur Anpassung der Schaltung an diese Arbeitsbedingungen verwendet werden« Die Schaltung in Fig. 2 enthält die gleichen Grundelemente wie die Schaltung in Fig* 1 und umfasst Induktivitäten 1„ Kapazitäten 2 und 3» eine Gleichstromquelle 7 s eine Triggerschaltung 6 und Thyristoren 4 und 5« Bei einer genaueren Betrachtung dieser verbesserten Schaltung ist augenscheinlich» dass zusätzliche Glieder eingefügt worden .sind, um das Betriebs verhalt en der Schaltung zu modifizieren und zu verbessern· Diese zusätzlichen Glieder umfassen die Gleichrichter 8_S 9f 10 und ll_s die mit einer Mittelanzapfung versehene Induktivität 12₉ die .»/irkwiderstände IJ₉ 14, 15_?16 und die Kapazität 17* Es ist" darauf hinzuweisen, dass diese Schaltungskombination für jede gewünschte Phase eines mehrphasigen Motors oder eines anderen mehrphasigen Antriebs« oder

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Umsetzungssystests oder allgemein einer mehrphasigen Last wiederholt werden kann. Zusätzlich ist eine in der Praxis verwendete Schaltung für die Gleichetromquelle 7 angegeben, um ein Beispiel aufzuzeigen, in welcher Weise der vorliegende Wechselrichter als Frequenzumsetzer weitergebildet werden kann· Der Gleichstrom wird von einer Wechselstromquelle wie dem normalen Wechselstromnetz abgeleitet· Die Gleichstromquelle kann aus einem Graetz-Gleichrichter 7 mit einem nachgeschalteten Ladekondensator 19» einem Einschalter 20 und einer Anschlussleitung mit einem geeigneten Stecker 21 bestehen. Ferner kann sie anstelle von gewöhnlichen Gleichrichterelementen gesteuerte Gleichrichter in einer solchen' Anzahl enthalten, wie erforderlich ist« um den Ausgang der Gleichstromquelle an die besonderen Bedingungen des Wechsel- * richters anzupassen. Solche gesteuerten Gleichrichter können für automatische Motorregelung, Startsteuerung, Strombegrenzung oder andere besondere Erfordernisse des Betriebsverhaltens verwendet werden. Natürlich ist es für einen Fachmann klar, dass diese besondere Kombination nur als prakti- ( sches Beispiel dient und beträchtlich in seiner praktischen Ausführung.varrieren kann.

Es ist ebenfalls für einen Fachmann, der mit den Schaltsymbolen elektrischer und elektronischer Glieder vertraut ist, klar, in welchen besonderen Anordnungen und Zusammenstellungen solche Glieder eingeschaltet werden können.

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Die folgende Erläuterung soll jedoch dazu dienen,, den Zweck und Sinn der in dem Ausführungsbeispiel in Fig» 2 eingezeichneten zusätzlichen Glieder aufzuzeigen· Fig«, 2 s©ig*fc ■■„·■ im besonderen eine Schaltung, in der ein zweites Wechs©!- riehtersystem von gleicher Ausfuhrungsons zu der Grund=· schaltung parallel geschaltet ist« Dadurch ergibt sich- eia Zweiphasenwechselrichter. Jede der beiden parallelgesehalteten Wechselrichterschaltungen ist jedoch in der Lage, als un«° abhängiger Einphasenwechselrichter zu arbeiten, wenn sie in geeigneter Form getriggert wird. Der kombinierte Wechselrichter erzeugt einen Zweiphasenstrom innerhalb der durch den Motor gebildeten Last. In jeder «Vechselrichterschaltung stellt der Induktor 1 eine entsprechende Feldspule des Motors dar. Der einzige Unterschied hinsichtlich der" Wirkungsweise dieser Schaltung gegenüber dem oben beschriebenen Einphasensysteis besteht 'darin,, dass der Abstand der von der Triggersehaltung 6 erzeugten Triggerimpulse und deren Verteilung auf die elektrischen Schalter unterschiedlich ist» Es ist eine Folge von Trigger impuls en, die abwechselnd den beiden v/echselrichterschaltungen zugeführt werden^ erforder=· lieh. Zwei mögliche Triggerimpulsfolgen sind in FIg₀ 2 ge=- zeigt« Zwei verschiedene Verteilungsmöglichkeiten.der Trigger= impulse auf die Ausgänge a, b, c und d der Triggers.chaltung" 6-sind die Beaufschlagung der Ausgänge in der Reihenfolge a - e - b - d und in der Reihenfolge a-d™b=><s_o Eine Aenderung dieser Reihenfolge bewirkt eine Aenderung der Dreh= richtung des Motors» Die Impulsfolgefrequenz der innerhalb der Triggerschaltung erzeugten Triggerimpulsfolge ist das

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Tierfache der erwünschten Frequenz des vom Ausgang des Wechselrichters an die Last (Motorfeldspulen 1) abgegebenen Wechselstromes· Die Triggerimpuise folgen in einer Phasenverschiebung von 90° aufeinander. Im Falle eines Dreiphasenwechselrichters wäre die erforderliche Impulsfolgefrquenz der Triggerimpulse das Sechsfache der erwünschten Frequenz des vom Wechselrichterausgang abgegebenen Wechselstromes, wobei die Triggerimpulse mit einer Phasenverschiebung von 60° aufeinanderfolgen würden» Andere mehrphasige Wechselrichterkombinationen erfordern entsprechend erweiterte Triggersysteme„

Die obige kurze Beschreibung dient zu- dem Zweck, die Grundlagen der Wirkungsweise der vorliegenden Schaltung zu erläutern. Eine mehr ins Einzelne gehende Beschreibung der Funktionsweise der einzelne» Seile des Wechselrichters. folgt nachstehend.

Die wesentlichen Elemente des vorliegenden verbesserten Wechselrichters sind in Fig* 2 gegeigt und sind oben bereits kurz beschrieben wordene .

ü7ie oben bereits erwähnt, ist eine $eeliselriehtex*sehaltung wie in Fig. 1 ganz geeignet, bei begrenzten Anforderungen befriedigend zu funktionieren«, In dem vorliegenden Fall jedoch besteht die ausgabeseitige Last des Wechselrichters aus einer Motorfeldspule 1. Dieser Umstand allein macht es notwendig, besondere zusätzliche Schaltmittel und Glieder vorzusehen, um unter allen Arbeitsbedingungen Betriebssicherheit zu gewährleistenβ

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Die Motorfeldspule, die als Indukt©^ 1 dargestellt ist, "_■-.-ändert ihren induktiven Blindwiderstand ziemlich stark in Abhängigkeit von der Motorlast» Da die Feldspulen nun einen Teil des Schwingungssystems innerhalb des "tfeehselriehters bilden, ist es notwendig, bestimmte Kompensationsmittel vorzusehen, um die Aenderungen ihrsr elektrischen'-Charakteristik unter allen Arbeitsbedingungen auszugleichen» Solche Mittel sind in der in Fig· 2 gezeigten Schaltung durch, die Hinzu- .-fügung der Glieder 8 bis 18 vorgesehen worden«, Di© lanktioneii ■-dieser Glieder werden durch eiae Beschreibung des Strom-' flusses während einer Psriodendauer eines irollstän'digen elektrischen Zyklus besser verständlich.

Nimmt man'einmal an_s dass die !Oiyristoren 4 und 5'sieh- " anfänglieh im nichtleitenden Zustande befinden und zunächst der Thyristor 4 .mittels eines -Triggerimpulseü-in leitenden" Zustand versetzt wird,, dann fliesst zunächst Strom vom positiven Pol der Gleichstromquelle 7 über den Thyristor 4".und "" die obere Hälfte der Induktivität 12 durch, die Motorwicklung 1, Dieser Strom lädt den Kondensator 3 auf, während gleichzeitig der Kondensator 2 zunächst entladen und dann -in umgekehrter Richtung aufgeladen wird« //ie von den allgemeinen Grundlagen der Elektrotechnik her bekannt,. nimmt ein solcher Strom Sinusform an₉ vorausgesetzt, dass sieh nahezu ideale induktive und kapazitive Reaktanzen in dem Stromkreis befinden«. Es ist ferner auch bekannt, dass die Spannungen an solchen Kapazitäten tferte erreichen können, die über der Spannung der Gleichstromquelle liegen, bevor der Strom zu fliessen

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aufhört» Begrenziangsdioden 10 und 11 mit zugeordneten

» Widerständen 15 land 16 dienen dasu, solche Spannungen zu begrenzen. Der gesaue Zweck dieses Netzwerkes ist jedoch erst später erläutert«

Wenn die Kondensatoren ihre volle Ladung erreicht haben und der Strom des Wert Hull err®icat^ if©rsucht der Strom, seine Sichtung U3szukehren₉ land dl© Kondensatoren 2 und 3 versuchen, eich, über den gleichen Strompfad zu entladen, der fcei der Ladung benutzt wurde. Zu diesem Zeitpunkt sollte

der Sihyristor 5 i& leitenden Zustand versetzt werden, so " dass die Ladung der Komdeaaatoren zu dem negativen Pol der Gleichstromquelle 7 zurtickfliessen kann« Da solch© Thyristoren nur in einer Richtung leitfähig sind, kann kein Strom zu dem positiven Pol der Gleichstromquelle zurückfliessen. Aus diesem Grunde ist das Biodenwider&tandsnetzwerk 8, 9, 13 und IA eingebaut worden» ladernf alls können 'erhebliehe Gegenspannungen über den Thyristoren entstehen, die deren Zerstörung bewirken können» Weil Thyristoren thyratronähnliche Eigenschaften haben, ist es wichtig, dass der Stromfluss innerhalb des Stromkreises endet, bevor der jeweils zweite Thyristor in leitenden Zustand versetzt wird, damit kein Kurzschluss über die in Serie geschalteten Thyristoren verursacht wird· Aus diesem Grunde ist die mit einer Mittelanzapfung versehene Spule 12 vorgesehen, die den Zweck hat, eine Gegenspanntuag über dem leitenden Thyristor zu erzeugen, indem sie. gespeicherte energie aus dem Kondensator 17 ent—

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nimmt, sobald der zuvor in nichtleitendem Zustand gewesene Thyristor in leitenden Zustand versetzt wird. Falls der Stromfluss noch nicht beendet sein sollte, wenn dem nichtleitenden Thyristor der nächste Triggerimpuls zugeführt wird, würde ein Kurzschluss und damit eine Betriebsstörung des Wechselrichters die Folge sein.

Es ist zuvor erläutert worden, dass die Zeitdauer eines vollständigen Stromzyklus durch geeignete Wahl der Werte der Kapazitäten und Induktivitäten bestimmt werden kann.

In der vorliegenden besonderen Anwendung kann sich jedoch der jeweilige Scheinwiderstand der Induktivität wie auch der Phasenwinkel desselben in Abhängigkeit von der Motor—

last beträchtlich ändern· Aus diesem Grunde müssen Massnahmen, wie der Einbau der Induktivität 12 und der Kapazität 17t getroffen werden, um'eine richtige Steuerung der Thyristoren und eine richtige Umschaltung von jeweils einem der beiden Thyristoren 4· und 5 auf den anderen unter allen Arbeitsbedingungen zu sichern» Es ist sogar möglich, dass bei bestimmten Motordrehzahlen, insbesondere während der Startphase und unter sehr hoher Last Spannungen in der Motjorwicklung 1 induziert werden, die sich zu den jeweiligen durch den Umschaltzyklus verursachten Spannungen ηχηζμ addieren oder diese verringern. Solche Effekte können den Motor daran hindern, seine volle Drehzahl zu erreichen und dadurch den gewöhnlichen, d.h. also unkompensierten Halbbrücken-Wechselrichter (wie er im Prinzip in Fig. 1 gezeigt ist) für solche Anwendungen ungeeignet machen·

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Eine beträchtliche Verbesserung wird durch den Einbau der Gleiehrichter-tfiderstandsnetzwerke 10_t 11, 15» 16 erreicht· Der grundlegende Einfluss dieser Netzwerke auf die Schaltungen besteht darin, solche induzierte Spannungen unwirksam zu machen und ihre ungünstigen Einflüsse auf das Betriebsverhalten des Motors zu beseitigen.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 ist ein Beispiel eines Wechselrichters nach der Erfindung. .Veitere Modifikationen sind möglich, um die Schaltung den praktischen Erfordernissen verschiedener Motorkonstruktionen anzupassen. Diese Modifikationen können die Verbindung der Gleichrichter-V/iderstandsnetzwerke 10, 11, 15, 16 an Anzapfungen an dem Induktor 1 bzw. der Motorwicklung einschliessen, ferner die vollständige vVeglassung der Widerstände in diesen Gleichrichter-'.Viderstandsnetzwerken oder auch die Parallelschaltung von Kondensatoren zu diesen Widerständen. V/elche Kombinationen von Schaltungsverbindungen oder Variationen derselben gewählt werden, hängt von dem Motor und der Lastcharakteristik des iVechselrichter-Motor-Systems ab. Die richtige tfahl hat einen wesentlichen ( Einfluss auf das erzielbare Optimum der gewünschten Leistungscharakteristik des Apparates.

Wenn man das in Fig· 2 gezeigte Zweiphasensystem betrachtet, wird ersichtlich, dass ein zusätzlicher Kondensator 18 zwischen die den beiden Phasen zugeordneten rfechselrichterschaltungen geschaltet ist. Dieser Kondensator kann anstatt eines Teiles der Kondensatoren 2 und 3 verwendet werden. Diese Schaltung kann gewisse Vorteile hinsichtlich der Grosse sowie der Kapazitäten bzw. der physikalischen Dimensionen eier Kondensatoren haben, wenn man die im System erforder/Hr.he Gesamtkapazität betrachtet. 90988 6/095 2

Claims

Patentansprüche

Wechselrichter zur Erzeugung eines ein- oder mehrphasigen Wechselstromes mit einer der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von jeweils an eine Gleichstromquelle angeschlossenen, je einer Phase zugeordneten Reihenschaltungen von je zwei Kapazitäten, an deren in der Reihenschaltungsmitte liegender Zwischenverbindung jeweils ein Verbraucheranschluss der der Reihenschaltung zugeordneten Phase liegt, je einem elektronischen Umschalter für jede Reihenschaltung, der den anderen Verbrauche ran Schluss der der Reihenschaltung zugeordneten Phase abwechselnd mit jeweils einem der beiden Enden der Reihenschaltung verbindet, und mit einer Steuereinrichtung sur Steuerung der elektronischen umschalter im Takt der Frequenz des zu erzeugenden Wechselstromes mit einer der geschalteten Phase entsprechenden Phasenlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter baulich mit einem induktiven Verbraucher vereinigt ist und dass die Kapazitäten (2,3) der Reihenschaltung bzw. der einzelnen Reihenschaltungen derart bemessen sind, dass sich der kapazitive Innenwiderstand der Reihenschaltung, der von der Parallelschaltung der beiden Kapazitäten (2,3) der Reihenschaltung gebildet wird, und die induktive

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Komponente des an die Reihenschaltung angeschlossenen Lastwiderstandes, der im wesentlichen von dem mit der Reihenechaltungsmitte verbundenen Verbraucher bzw* Verbrauoherteil (1) gebildet wird, bei der halben Schaltfolgefrequenz des bzw. der elektronischen Umschalter mindestens teilweise kompensieren.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Verbraucher sine Hehrzahl von *" galvanisch voneinander getrennten Phaseηwicklungen aufweist und die Anschlüsse der einzelnen Phasenwicklungen nicht miteinander - verkettet sind und nur über die Weehselrichterechaltung untereinander in Verbindung stehen, und dass jede Phasewicklung einerseits an die Reihenschaltungsmitte der der betreffenden'Phase zugeordneten Reihenschaltung von zwei Kapazitäten und andererseits an den dieser Reihenschaltung zugeordneten elektronischen Umschalter angeschlossen ist und alle Reihen- ( schaltungen parallel an eine gemeinsame Gleichstromquelle angeschlossen sind.

5. Wechselrichter nach Anspruch 1,-dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Verbraucher eine Mehrzahl von zu einem Vieleck verketteten Phasenwicklungen auf-

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weiet, wobei die beiden Anschlüsse jeder einzelnen Phäsenwicklung.benachbarte Eckpunkte dee Vielecks bilden, und dass jede Phasenwicklung einerseits an die Reihenschaltungsmitte der der betreffenden Phase zugeordneten Reihenschaltung von zwei Kapazitäten und andererseits aq den dieser Reihenschaltung zugeordneten elektronischen Unschalter angeschlossen ist und jede Reihenschaltung an eine gesonderte ihr zugeordnete Gleichstromquelle angeschlossen ist, die mit den den anderen Reihenschaltungen zugeordneten Gleichstromquellen nur Über die Wechselrichterschaltung in Verbindung steht, wobei vorzugsweise jeder Eckpunkt des Vielecks an eine Reihensehaltungsmitte und einen elektronischen Umschalter angeschlossen ist·

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Verbraucher eine Mehrzahl von zu einem Stern verketteten Phasenwicklungen aufweist, wobei jeweils einer der beiden Anschlüsse jeder einzelnen Phasenwicklung mit einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden ist, und dass jede Phasenwicklung einerseits an die Reihensehaltungsmitte der der betreffenden Phase zugeordneten Reihenschaltung von zwei Kapazitäten und andererseits an den dieser Reihenschaltung zugeordneten elektronischen Umschalter angeschlossen ist und jede Reihenschaltung an eine gesonderte, ihr zugeordnete Gleichstromquelle angeschlossen ist, die mit den den anderen Reihenschaltungen zugeordneten Gleichstromquellen nur über die Wechsel-

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richters^haltung in Verbindung steht, wobei vorzugsweise die mit dem gea^insamen Sternpunkt verbundenen Anschlüsse der Phaseηwicklungeη an die Reihenschaltungsmitten angeschlossen sind.

5. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Verbraucher eine Mehrzahl von galvanisch voneinander getrennten Phasenwicklungen aufweist und die Anschlüsse der einzelnen Phasenwicklungen mindestens zum Teil durch Kapazitäten (18) miteinander verkettet sind, ä und dass jede Phasenwicklung (1) einerseits an die Reihensehaltungsmitte der der betreffenden Phase zugeordneten Reihenschaltung von zwei Kapazitäten (2,3) und andererseits an den dieser Reihenschaltung zugeordneten elektronischen Umschalter (4, 5, 12) angeschlossen ist und alle Reihenschaltungen parallel an eine gemeinsame Gleichstromquelle (7) angeschlossen sind.

6. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen der Mitte und jedem der beiden Enden der Reihenschaltung bzw. der einzelnen Reihenschaltungen je eine Diode. (10, 11) in Serie mit einem ohmschen Widerstand (15, 16) eingeschaltet ist, und dass die Dioden derart gepolt sind, dass sie von der an den Enden der Reihenschaltung liegenden Gleichspannung in Sperriöfetiasg vorgespannt werden.

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7. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnete dass der bzw. die elektronischen Umschalter jeweils zwei elektronische Schalter (4_S 5) umfassen, die abwechselnd durchgeschaltet werden und von denen der eine im Leitungszug zwischen dem Verbraucheranschluss des Umschalters und dem einen Ende der Reihenschaltung, der der Umschalter zugeordnet ist, und der andere im Leitungszug zwischen dem Verbraucheranschluss des Umschalters und dem anderen Ende der Reihenschaltung, der der Umschalter zugeordnet ist, liegt.

8. Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schalter von Thyristoren (4, 5) gebildet werden und die Steuereinrichtung (6) zur Steuerung des bzw. der elektronischen Umschalter jedem einzelnen Thyristor ins seitlichen Abstand von einer Schwingungsdauer des zu erzeugenden Wechselstromes Zündimpulse zuführt, und dass jeweils die den beiden zum gleichen Umschalter gehörenden Thyristoren zugeführten Zündimpulse um eine halbe Schwingungsdauer des zu erzeugenden Wechselstromes gegeneinander versetzt sind.

9» Wechselrichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen die beiden zum gleichen Umschalter gehörenden elektronischen Schalter (4, 5) eine ,Drosselspule (12) geschaltet ist, an deren Mittelabgriff der Verbraucheranschluss des Umschalters liegt.

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10. Wechselrichter nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet dass jeweils zwischen der Mitte der Reihenschaltung' bzw· der einzelnen Reihenschaltungen und dem Verbraucheranschluss des der Reihenschaltung zugeordneten Umschalters eine Kapazität (17) eingeschaltet ist.

11. Wechselrichter nach einen der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen den Verbraucheranechluss der einzelnen elektronischen Umschalter und jeden der beiden Enden der Reihenschaltung, der der Umschalter zugeordnet ist, je eine Diode (8, 9) in Serie mit einem ohmschen Widerstand (13, 14) eingeschaltet ist, und dass die Dioden derart gepolt sind, dass sie von der an den Enden der Reihenschaltung liegenden Gleichspannung in Sperrichtung vorgespannt werden.

12. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Lastwiderstände (1) jeweilsdurch ein Ersatzschaltbild darstellbar sind, das eine Parallelschaltung aus einer im wesentlichen konstanten Induktivität und einem die Nutzlast bzw. einen Teil derselben bildenden veränderlichen Wirkwiderstand enthält, dessen minimaler Wert geringer als der Blindwiderstand der Induktivität bei der halben Schaltfolgefrequenz des bzw. der Umschalter (4, 5) ist, und dass der kapazitive Innenwiderstand jeder einzelnen Reihenschaltung bei der halben Schaltfolgefrequenz des bzw. der Umschalter geringer als die Hälfte des minimalen

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Wertes des genannten veränderlichen Wirkwiderstandes ist.

13. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Wechselrichter baulich vereinigte induktive Verbraucher ein Wechselstrommotor, vorzugsweise ein Induktionsmotor ist *(Pig.3).

14. Wechselrichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten der Reihenschaltung bzw. der einzelnen Reihenschaltungen derart bemessen sind, dass der kapazitive Innenwiderstand jeder einzelnen Reihenschaltung bei der halben Schaltfolgefrequenz des bzw. der Umschalter bei Vollast des Wechselstrommotors gleich der induktiven Komponente des an die Reihenschaltung angeschlossenen Lastwiderstandes ist. *

15. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 tis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle (7) bzw. die einzelnen Gleichstromquellen jeweils von einem Gleichrichter gebildet werden, der von einer Wechselstromquelle gespeist wird.

16. Wechselrichter nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch mehrere gesonderte Gleichstromquellen, die' über einen Transformator mit je einer gesonderten, von den übrigen Transformatorwicklungen isolierten Sekundär- . * wicklung für jede Gleichstromquelle an eine gemeinsame Wechselstromquelle angeschlossen sind.

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17· Verwendung eines Wechselrichters nach den Ansprüchen 15 oder 16 als Frequenzwandler.

18. Verwendung nach Anspruch 17» bei der der induktive Verbraucher von einem Induktionsmotor gebildet wird.

19. Verwendung nach Anspruch 18, bei der zur Regelung der Drehzahl des Induktionsmotors die Schaltfolgefrequenz des bzw. der elektronischen Umschalter verändert wird.

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