DE1924624A1 - Siebschaltung fuer Wechselrichter - Google Patents

Siebschaltung fuer Wechselrichter

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DE1924624A1
DE1924624A1 DE19691924624 DE1924624A DE1924624A1 DE 1924624 A1 DE1924624 A1 DE 1924624A1 DE 19691924624 DE19691924624 DE 19691924624 DE 1924624 A DE1924624 A DE 1924624A DE 1924624 A1 DE1924624 A1 DE 1924624A1
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DE
Germany
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filter circuit
circuit
inductance
inverter
current
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DE19691924624
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Herbert Roderer
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Tekade Felten and Guilleaume Fernmeldeanlagen GmbH
Original Assignee
Tekade Felten and Guilleaume Fernmeldeanlagen GmbH
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
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    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H7/12Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Siebschaltung für Wechselrichter Die Wechselspannung unmittelbar am Ausgang von Thyristor-Wechselrichtern hat zunächst Hechteckform. Diese Kurvenform ist für Wechselstromverbraucher in den seitensten Fällen zulässig, in der Regel wird eine sinusförmige Spannung gefordert. Zur Einhaltung-des geforderten Spannungsklirrfaktors ist am Ausgang von lthyrlstor-Wechselrichtern deshalb eine Siebschaltung erforderlich. Diese Siebschaltung muß einmal die vom Wechselrichter erzeugten Oberwellen aussieben und zum anderen fUr die vom Verbraucher erzeugten Oberwellen niederohmig sein. Bei der Festlegung der Siebschaltung kann davon ausgegangen werden, daß die Verbraucher nur ungeradzahliCe Ober wellen erzeugen und in der Wechselrichterausgangsspannung ebenfalls nur ungeradzahlige llarmonlsche auftreten.
  • Als Siebschaltung ist ein Reaktanzzweipol geeignet, der BO abgestimmt ist, daß sein Z-Wert für die dritte Harmonische der Nutzfrequenz gleich Null und fUr die folgenden Harmonischen hinreichend niederohmig ist. Ein solcher Reaktionzzweipol ist parallel zu den Ausgangsklemmen des Wechselrichters anzuordnen. In Serie zu einer Ausgangsklemme ist noch ein auf die Nutzfrequenz abgestimmter Reihenschwingkreis einzuschalten.
  • Fig.1 zeigt den Z-Wert-Verlauf, den eine solche Filterschaltung zweckmäßigerweise aufweist. Die erste Polstelle fl ist eine Unendlichkeitsstelle und liegt bei der Nutzfrequenz, für diese soll der Zweipol sperren, damit die vom Filter aufgenommene Blindleistung möglichst klein wird. Die zweite Polstelle £2 ist eine lqullstelle bei der Frequenz der dritten Harmonischen der Nutzfrequenz. Die dritte Pol stelle £3 ist eine Unendlichkeitsstelle und wird zweckmäßigerweise so gelegt, daß sie unterhalb der Frequenz der vierten IIarmonischen liegt, so daß der Zweipol für diese Frequenz bereits eine elastung, darstellt.
  • Fig.2 zeigt den Ausgangskreis eines Wechselrichters mit einer Slebschaltung aus einem Serienschwingkreis mit den Elementen Cs und Ls und einem Reaktanzzweipol, der aus einem Parallelkreis mit den Elementen Cl und L1 und einem Reihenkreis mit den Elementen C2 und L2 kombiniert ist.
  • Der Z-Wert des Heaktanzzweipoles hat den in Fig.l dargestellten Verlauf. Der in Fig.1 gezeigte Z-Wert-Verlauf läßt sich auch mit Zweipolen anderer Konriguration verifizieren, doch können bei der hier verwendeten Schaltung die beiden Frequenzen fl und £2, also die Polstellen fUr die Nutzfrequenz und ihre dritte Harmonische sehr leicht abgeglichen werden.
  • Es ist außerdem denkbar, den Reihenschwingkreis auf der Primärseite des Ausgangstransformators anzuordnen und die Werte entsprechend zu transformieren. Der Reihenschwingkreis wird dann so ausgelegt, daß er den an die Siebwirkung gestellten Anforderungen genUgt, bei Überlastung und großen Strömen wird seine Induktivität im Sättigungsbereich betrieben. Die Begrenzung des Stromes erfolgt durch den Kondensator. Dieser muß allerdings eine sehr große Kapazität besitzen, außerdem muß er leistungsmäßig so bemessen sein, daß er die Ausgangsleistung Ubertragen und die anfallende Blindleistung aufnehmen kann.
  • Ein weiterer wichtiger Punkt bei stationären Wechselrichtern ist deren Verhalten bei Kurzschluß am Ausgang. Der Wechselrichter soll unbedingt kurzschlußfest sein, d.h. man muß den Ausgang des Wechselrichters beliebig kurzschließen können, ohne daß das Gerät ausfällt. Der dabei fließende Kurzschlußstrom soll ein Mehrfachers des llennstromes betragen,-damit in den Verteilkreisen ein gestörtes Verbrauchergerät nöglichst bald abgeschaltet wird. FUr die anderen angeschlossenen Geräte läßt sich dann der Normalbetrieb rasch wieder aufnehmen.
  • Die bei Kurzschluß auftretenden Betriebsbedingungen sind für die Auslegung des Wechselrichters von entscheidender Bedeutur. Während des Kurzschlusses treten in der Wechselrichterschaltung Spitzenströme auf, die wesentlich höher sind als die Werte bei Normalbetrieb. Diese Stromspitzen bestimmen aber die Größe der Halbleiterbauelemente sowie den Aufwand an Kommrtierungsmitteln. Die KomitLitierung erfolgt bekanntlich dadurch, daß sich beim ZUnden eines Thyristors in der gerade nicht leitenden Brückendiagonale der parallel liegende Kondensator Uber diesen eben gezündeten Thyristor und eine Hälfte einer Kornmutierungsdrossel entlädt, in deren anderer Hälfte eine Spannung induziert wird, durch die der zugehörige Thyristor in der leitende Brückendiagonale gelöscht wird. Übersteigt die in der Drossel infolge eines sehr hohen Stromes momentan gespeicherte Energie die im Kondensator gespeicherte Energie, so kann der Thyristor nicht gelöscht werden und der Wechselrichter wird zerstört. Außerdem wird der erzielbare Wirkungsgrad des Wechselrichters beeinflußt, da die rur den Kurzschlußfall vorgesehenen Energiereserven in den Kommutierungseinrichtungen bei Jedem Kommutlerungsvorgang mit umgeladen werden mUssen. Auch für den Parallelbetrieb zweier Wechselrichter ist ein stabiles Kurzschlußverhalten sehr wichtig. Erst dadurch ist es möglich, alle bei den verschiedensten Störungen des Parallelbetriebes auftretenden Erscheinungen sicher zu beherrschen.
  • Vergleichbar'mit einem Kurzschluß am Ausgang des Wechselrichters ist der Zustand beim Einschalten des Gerätes.
  • Auch in diesem Fall fließt ein sehr hoher Strom.
  • Zur Begrenzung des Stromes und der Strowanstiegsgeschwindigkeit im Kurzschlußfall oder bein Einschalten des Gerätes ist es bei der in Fig.2 gezeigten Ausgangsschaltung erforderlich, den Transformator unverhältnismäßig groß zu dimensionierten, damit er auch bei Extrembedingungen nicht im Sätigungsbereich betrieben wird. Der erforderliche Aufwand ist also sehr hoch, besonders wenn man berücksichtigt, daß im Normalbetrieb der Transformator niemals voll belastet wird, außerdem wird der Wirkungsgrad des Gerätes sehr verschlechtert.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Siebschaltung anzugeben, die hinsichtlich ihrer Slebelgenschaften und ihrer Eigenschaften im Kurzschlußfall oder beim Einschalten den vorstehend geschilderten Bedingungen genügt, aber eine Verkleinerung des Transforirators und eine Verringerung des Gesamtaufwandes Uberhaupt gestattet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ausgehend von der beschriebenen Schaltung auf der Primärseite des Transformators eine Reiheninduktivität angeordnet und diese so bemessen wird, daß die erforderliche Siebwirkung erzielt und sie im Überlastungsfall und bei großen Strömen nicht im Sättigungsbereich arbeitet.
  • Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindung£-gedankens besteht darin, daß die auf der Primärseite angeordnete Serieninduktivität so bemessen ist, daß die erforderhelle Siebwirkung erzielt und sie im Überlastungsfall und bei großen Strömen nicht im Sättigungsbereich betrieben wird und daß die Induktivität des Parallelkreises auf der SekundErseite mit dem Transformator mittels eines Luftspaltes zu einer Baueinheit vereinigt wird.
  • Im folgenden soll die Erfindung anhand der Fig.3 näher beschrieben und erläutert werden: Fig.3 zeigt einen Thyristor-Wechselrichter in Drtlckenschaltung sowie ein Ausführungsbeispiel einer Siebschaltung nach der Erfindung. Ferner sind in der Form eines Blockschaltbildes der Impulsgeber zur Erzeugung der ZUndimpulse, der Regler und der Meßumformer eingezeichnet.
  • Zur Erläuterung der Funktion sei zunächst angenommen, daß die Thyristoren T1 und T4 gerade leiten. Es fließt dann ein Strom vom Pluspol der Versorgungsspannungsquelle über T1, die obere Hälfte von Ll, L5, die Primärwicklungen des Ausgangstransformators Trl und des Meßwandlers Tr2, die untere Hälfte von L2, T4 zum Minuspol. Wird nun durch einen vom Impulsgeber abgegebenen Zündimpuis der Thyristor T3 gezündet, so entlädt sich der Kommutierungskondensator C3 über T3 und die obere Hälfte von L2, wodurch in der unteren Iiälfte eine der ursprünglichen Spannung entgegengerichtete Spannung induziert wird und der Thyristor T4 gelöscht wird. Der Stromfluß ist unterbrochen. Er setzt mit umgekehi1ter Richtung wieder ein, sobald der andere Thyristor der Brückendiagonale, der Thyristor T2 gezündet wird. Durch Veränderung der zeitlichen Abstände der Impulse einer Brückendiagonale variiert man' die Breite der erzeugten Rechteckimpulse und damit die Amplitude der Wechselspannung am Ausgang. Diese wird gemessen und wirkt über den Regler auf den Impulsgeber ein. Beim Überschreiten eines zulässigen Stromes oder einer zulässigen Stromanstiegsgeschwindigkeit erhält der Regler diese Werte durch den meßwandler Tr2 und leitet über den Impulsgeber die Kommutierung ein. Dies gestattet zusätzlich zur Wirkung der Induktivitäten L5 und der Primärwicklung des Transformators Trl eine zusätzliche elektronische Strombegrenzung.
  • Dieser Vorteil eines zusätzlioben Einflusses von außen auf die Kommutierung ist aber nur möglich durch Anwendung der Lehre nach der Erfindung, in Reihe zur Primärwicklung des Ausgangstransformators eine Induktivität anzuordnen und diese so zu bemessen, daß sie bei Überlastung und großen Strömen nicht im Sättigungsbereich betrieben wird, also lineares Verhalten zeigt. Dann begrenzt diese Induktivität im Zusammenspiel mit der Induktivität der Primärwicklung des Transformators Tr1 sowohl die Stromnanstiegsgeschwindigkeit als auch den Strom selbst in seiner H6he. Mittels des Meßwandlers ist infolge der Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit eine zusätzliche elektronische Stro:nbegrenzung durch Beeinflussung von Regler und Impulsgeber möglich. Die Anwendung der Lehre nach der Erfindung gestattet eine Verkleinerung des Transformators, weil er nicht überdimensioniert werden muPv, sondern nur auf die Nutzinduktivität ausgelegt zu werden braucht. Ebenso müssen die Halbleiterbauelemente und die Kommutierungsmittel nur für den Normalbetrieb bemessen werden. Danit wird gleichzeitig eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt.
  • Eine weitere bedeutende Verringerung des baulichen Aufwandes ist durch die besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgedankens möglich, den Ausgangstransformator und die Induktivität des ausgangaseitigen Paralleikreises zu einem Bauteil zu vereinen. Dabei ist die Reiheninduktivität auf der Prinärseite wiederum so zu bemessen, daß zusammen mit dem sekundärseitigen Reaktanzzweipol die erforderliche Siebwirkung erzielt und die Induktivität bei Überlastung und großen Strömen nicht im Sättigungsbereich betrieben wird. Die Vereinigung der beiden Bauteile zu einer Einheit wird dadurch verwirklicht, daß der Transformator mit einem Luftspalt versehen wird. Sowohl die Induktivität als auch der Transformator erfordern als Einzelelemente Jeder ungefähr das gleiche Volumen, während die Komblnation der beiden Teile ein Bauteil ergibt, das nur wenig (etwa um den Faktor 1,3) größer ist als ein einziges Einzelbauteil. Es ist leicht einzusehen, daß hierdurch eine erhebliche Einsparung an Gewicht, Bauvolumen und damit an Kosten erzielt wird, außerdem wird der Gesamtwirkungsgrad deutlich verbessert.

Claims (3)

  1. Patentansprüche
    Siebschaltung für geregelte Thyristor-Wechselrichter, bei der auf der Sekundärseite ein Reaktanzzweipol, bestehend aus einem Parallelkreis und einem dazu parallel liegenden Serienkreis, angeordnet ist, zur Umnndlung der erzeugten rechtecktörmigen Wechsel spannung in eine sinusförsige Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Pri-,ärseite des Ausgangstransformator (Tri) eine Reiheninduktivität (L5) angeordnet und diese so bemessen ist, daß die erforderliche Slebwlrkung erzielt und sie im Uberlastungsfall und bei großen Strömen nicht im Sättigungsbereich arbeitet.
  2. 2. Siebschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Primärseite angeordnete Serieninduktivität (L5) so bemessen ist, daß die erforderliche Siebwirkung erzielt und sie im Überlastungsfall und bei großen Strömen nicht im Sättigungsbereich betrieben wird und daß die Induktivität des Parallelkrelses auf der Sekundärseite mit dem Ausgangstransformator (Tri) mittels eine. Lurtepaltes zu einer Baueinheit vereinigt wird.
  3. 3. Siebschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Prinärseite des Ausgang stra nsformator s (Tri) ein Meßwandler (Tr2) eingefUgt wird, der bei Überschreiten eines noch zugelassenen Stromwertes oder einer noch zugelassenen Stromanstiegsgeschwindigkeit durch einen Eingriff in den Regelkreis die Kommutierung bewirkt.
    L e e r s e i t e
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0192960A1 (de) * 1985-02-26 1986-09-03 General Electric Company Wechselstrommotor mit Stromfilter

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0192960A1 (de) * 1985-02-26 1986-09-03 General Electric Company Wechselstrommotor mit Stromfilter

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