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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vergleichbar'mit einem Kurzschluß am Ausgang des Wechselrichters ist
der Zustand beim Einschalten des Gerätes.
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Auch in diesem Fall fließt ein sehr hoher Strom.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.