DE1952696A1

DE1952696A1 - Selbstgefuehrter Wechselrichter

Info

Publication number: DE1952696A1
Application number: DE19691952696
Authority: DE
Inventors: Marcel Demontvignier
Original assignee: Brown & Cie AG
Current assignee: Brown & Cie AG
Priority date: 1968-12-30
Filing date: 1969-10-20
Publication date: 1970-10-29
Also published as: FR1604200A; NL6919440A; CH499232A

Description

62/69 K/mw

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Selbstgeführter Wechselrichter.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen selbstgeführten Wechselrichter mit steuerbaren elektrischen Ventilen, die mit Spulen zusammengeschaltet sind.

Bei selbstgeführten Wechselrichterschaltungen,die zur statischen Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom bestimmt sind und bei der Verwendung von gesteuerten' elektrischen Ventilen,, zum Beispiel Thyristoren, ist es notwendig,' die Kommutierung des Stromes von einem Ventilkreis auf den anderen zu erzielen. In vielen' Schaltungen verwendet man Schwingkreise, bestehend aus Kapazitäten und Induktivitäten. Die in den Induktivitäten gespeicherte Energie muss oft in einem Kreis, bestehend aus Dioden und Thyristoren vernichtet werden, wobei sie eine zusätzliche,

störende Erwärmung dieser Elemente hervorruft. .

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Mängel des Bekannten zu vermeiden.

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Diese Aufgabe lässt sich, lösen, wenn erfindungsgemäss Saugdioden zu den Spulen parallel liegen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen- · Standes schematisch wiedergegeben.

Pig.l stellt ein Standardschema eines einphasigen Wechselrichters ■ dar, - -..-... ' -

Pig.2 zeigt die Wirkungsweise der· in Bild- 1 wiedergegebenen Schaltung, . .

Pig,5 stellt die Schaltung eines dreiphasigen Wechselrichters dar, .die auf demselben Prinzip beruht, -

Pig.4 gibt die Variante einer Ausführung für einen einphasigen Wechselrichter wieder.

+ E Pig.l zeigt zwei Gleichspannungsquelleni eine Hauptquelle - -^,

die mii einem Mittelpunkt 0 versehen ist und eine Hilfsquelle E*. Die erste liefert die umzuformende Energie, die zweite liefert die notwendige Spannung, um die Kommutierung zu gewährleisten, wenn die Spannung E zu klein ist.

Diese beiden Gleichspannungsquellen speisen eine Schaltung, bestehend aus zwei Thyristoren 1 und 2, zwei Paar Dioden 3 und 4_f5 und 6, zwei Kondensatoren 7 und 8 und zwei Spulen 9» 10 der Induktivität L, die mit dem Kopplungsfaktor M miteinander gekoppelt sind. Die Last am Wechselspannungsausgang ist durch ein

4/1088 original inspected

Gegenstand der Neuerung ist die Vorrichtung, bestehend aus den Saugdioden 11 und 12, die mit den Anschlüssen der Spulen 9 und 10 verbunden sind; der Spannungsabfall in Durchlassrichtung sowie der Innenwiderstand dieser Dioden muss möglichst klein sein. Es ist zweckmässig, auch den ohmschen Widerstand von den.Spulen 9 und 10 zu verringern. Diese Spulen können sowohl mit einem magnetischen Kreis mit Luftspalt oder auch als Luftspulen ausgeführt sein. '

Die Wirkungsweise der Schaltung von Pig.l ist in Pig.2 erläutert, welche den zeitlichen Verlauf einiger Ströme und Spannungen

während einer Periode T der Ausgangswechselspannung darstellt. Die Zeichnungen (a) und (b) zeigen den Verlauf der Spannungen u _v und u. ρ» die an die Zündelektroden der zwei Thyristoren 1 und 2 gelegt werden; u ₂ bewirkt zum Beispiel, dass Thyristor 2 während der zweiten Halbperiode gesperrt bleibt und während der ersten leitend wird; das Umgekehrte geschieht mit u ..

Die Spannung u, die mit Hilfe des Thyristors 1 an die Last ge-

ET
legt wird, kann den Wert +■_■ ^von "p ^^is ^ annehmen; umgekehrt liefert der Thyristor 2 von 0 bis ·« die Spannung — -x. Diese

rechteckförmige Spannung ist, wie es im folgenden gezeigt wird, in der Nähe der Kommutierungszeitpunkte verformt.

ORfQJNAL INSPECTED

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- 4 - 1952GCC

Wir nehmen an, dass die Form des Ausgangs stromes i durch die Last vorgegeben wird: der Verlauf des Stromes i, der in der Kurve c dargestellt ist, entspricht dem Stromverlauf in einer induktiven Last, in welcher die Grundwelle des Stromes i der Grundwelle der Spannung u nacheilt.

Zu Beginn der Periode leitet der Thyristor 1 den Strom i und legt die Spannung +'-r an den Lastkreis 13 mittels der Drossel 9 und der Diode 5. Wenn die Spannung u ₂ <*en Thyristor 2 zündet, beginnt ein Einschwingvorgang, bei welchem die gemeinsame Kapazität der Kondensatoren 7 und 8 und die Induktivität L-M be- ■ teiligt sind. Hieraus ergibt sich eine schnelle Kommutierung des Stromes zwischen Thyristor 1 und 2; der Strom wird, wie in

Bild d) gezeigt, im ersten Thyristor zu Null und nimmt gleichzeitig im zweiten-einen etwas grosseren Wert als i an.

Wenn die Kommutierung des Stromes beendet ist, beginnt ein neuer Binschwingvorgang, bei welchem die Kapazität C und die Induktivität 2 1 beteiligt sind. Daraus ergibt sich, eine Aenderung der Spannung u, welche von + ^ nach -^ gehen möchte. Zur selben

2 ■

Zeit beginnt die Spannung u, an den Klemmen des Thyristors 1, \_: die beim Nulldurchgang des Stromes i., sprungartig negativ geworden war, wieder positiv zu werden. Die Schaltung muss natürlich so ausgelegt werden, dass sich dieses erst nach einer Zeit,

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welche grosser als die Freiwerdezeit (recovery time) des Thyristors 1 ist, abspielt.

Wenn man die Aenderung des Stromes im Thyristor.2 betrachtet, sieht man, dass dieser Strom langsamer ansteigt als während der Kommutierung, bis in die Nähe des Zeitpunktes, bei welchem die

E
Spannung u den Wert - ~z erreicht. Man sieht leicht ein, dass in diesem Moment die Diode 4 leitend werden muss, durch eine beinahe augenblickliche Kommutierung des Stromes i'von der Diode auf die Diode 4; die leitende Diode 4 schliesst den Stromkreis über die Induktivität 10, den Thyristor 2 und die Dioden 4 und 6, während die in der Induktivität 10 gespeicherte Energie ^LI₂, die dem Maximalwert I„ des Stromes ip entspricht, im genannten, vom Rest der Schaltung vollkommen unabhängigen Stromkreis, vernichtet werden kann. Daraus ergibt sich ein Energie- ■ verlust, der den Wirkungsgrad des Wechselrichters vermindert und eine zusätzliche, nutzlose Erwärmung der Ventile 2, 4 und 6 zur Folge hat.

In diesem Zeitpunkt werden die Saugdioden 11 und 12 wirksam. Diese Dioden waren während der ganzen Anstiegzeit des Stromes ip gesperrt, welcher ihnen an den Klemmen der Induktivitäten L nur negative Spannungen lieferte. Hingegen, sobald der Strom I₂ sein Maximum überschritten hat, werden die Dioden 11 und 12 leitend und bringen fast augenblicklich den Strom im Thyristor 2 auf

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Null. Die Theorie und die Erfahrung zeigen, dass dieser Strom durch die Ströme i_ßl und i« in den Dioden 11 und 12 ersetzt wird; der Verlauf dieser Ströme ist in Bild e) dargestellt, i

und i_gp streben zuerst sehr schnell gegen einen gemeinsamen Wert, weil ihre Differenz mit einer kleinen Zeitkonstanten exponentiell abnimmt, die sich aus dem Verhältnis L-M zum Widerstand des aus Induktivitäten und Saugdioderi gebildeten Heises ergibt. Wenn der gemeinsame asymptotische Grenzwert von i , und i ₂ erreicht ist, nehmen diese Ströme viel langsamer ab, weil die jetzt wirksame Zeitkonstante sich aus dem Verhältnis L + M zum Widerstand des aus Induktivitäten und Saugdioden gebildeten Kreises ergibt. Auf Grund dieser schwachen Abnahme ist die in den Induktivitäten L gespeicherte Energie, die durch die Ströme 1^' und. I^ ₂ - entsprechend gleich den Strömen i_sl und i « s^eS^^e^· is.t - nur wenig kleiner als ihr Anfangswert.

• Während dieser Zeit wird die Diode 4 vom Laststrom i = i. durchflossen} das ist nur möglich, wenn der Strom positiv ist} wird dieser Strom negativ, dann leitet der Thyristor 2 - der durch die Spannung u ₂ gezündet wird - und führt seinerseits den Strom

i- » - i,- Die Ströme i_TT und i_TO setzen ihre langsame Abnahme 2 LI Ld

fort, aber von der Zündung des Thyristors 2 an hat man X^ ^s i·^ - i-; der Strom 1~ nimmt bis zu Null ab, wie es Bild e) zeigt. Nachdem i _o zu Null geworden ist, gilt angenähert, unter der

Sa

Annahme, dass die Diode 11 ein Kurzschluss ist: L TjI +

^M ii². ■ Oj nun ist i_TO = ι β -i und daraus folgt: ¹Ll O-.

dt Ui 2 dt

sm im iA-äG^% Q 9 8 4 4/1088

M di ; da der Stromanstieg di negativ ist, nimmt ΐ_ΤΊ bis auf Null L dt dt " ^¹

ab, wie nach Kurve h).

Während dieses ganzen Ausgleichsvorganges der Ströme iy, und . i_L2 ist die gesamte Energie der beiden Induktivitäten fast konstant geblieben, bis i _ zu Null wird. Yon diesem Zeitpunkt an kann die Energie der Induktivität zunehmen; diese Zunahme wird vom Rest der Schaltung geliefert, die bisher dazu keinen Beitrag geleistet hat. Man kann also sagen, dass die im Augenblick des Maximums von i₂ gespeicherte Energie fast vollständig zurückgeliefert wurde.

Das gleiche Prinzip kann auf alle Schaltungen angewendet werden, welche ein ähnliches Kommutierungssystem verwenden, einschliesslich der Schaltungen, die keine Hilfsspannung E¹ verwenden, was dann den Wegfall der Dioden 5 und 6 zur Folge hat. ·

Man kann mehrere Schaltungen, die der in Pig.l ähnlich sind,

zusammenschalten; man kann z.B. in einer Brückenschaltung zwei davon einsetzen, hierdurch kann man den Mittelpunkt der Quelle E unterdrücken.

In Fig.3 wird ein anderes erweiterungsfähiges Beispiel gezeigt, welches eine dreiphasige Schaltung darstellt und aus drei Teilen

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■. ■- ■ - .8 - ■ ■ \ ■ ■■■■■■■

gleich der Schaltung nach Fig.l besteht. Die Schaltung wird von einer gemeinsamen Hauptgleichspannungsquelle E und von drei

Hilfsquellen E'_Tf E,U_T, E' _T . . _.. _TT., - -,, .-, ^H I* II' III gespeist.,Die Hilfsquellen sind

voneinander isoliert, haben aber dieselbe Spannung; jede dieser

Hilfsquellen kann z.B.über einen Trenntrafo und einen Gleichrichter gespeist werden. Die Zündelektroden der Thyristoren Th der drei Einheiten werden von Spannungen gesteuert, wie sie in den Kurven a) und b) nach Pig.2 dargestellt sind. Die Spannungen der drei Einheiten sind gegeneinander um 120 phasenverschoben. Unter diesen Bedingungen erhält man an den Leitern I, II und III ein Dreiphasensystem. Jede der drei Einheiten ist mit den beiden Saugdioden D_ versehen, welche die gespeicherte Energie der Drosseln aufbewahren und die Rücklieferung dieser an die Schaltung gewährleisten. .

Ein anderes Beispiel wird in Fig.4 gezeigt, in welchem eine einphasige Parallelschaltung ohne Hilfsspannungsquelle dargestellt ist. Diese Schaltung enthält zwei Thyristoren 15 und 16 mit gemeinsamer Kathode, deren Anoden über zwei Spulen 17 und 18 mit der Induktivität L und dem Kopplungskoeffizient M angeschlossen sind. Die. freien Enden der beiden Spulen sind an einem Kondensator 14 angeschlossen sowie an die Primärwicklung P des Ausgangstransformators 21, dessen Sekundärwicklung S an den Lastkreis 22 angeschlossen ist. Der Plus-Pöl der Grleichspannungsquelle E ist mit dem Mittelpunkt M auf der Primärseite des Transform.a:tj5rs:^;21-Verbunden; der Minus-Pol liegt an der gernein-, "^Λί'^: V 00 9 8 44 / 1 088

samen Kathode der Thyristoren 15 und 16. Die Dioden 23 und 24, die eine ähnliche Aufgabe wie die Dioden 3 und 4 nach Pig. I erfüllen, sind an die gemeinsame Kathode der Thyristoren 15 und 16 und an die Klemmen des Kondensators 14 angeschlossen. Die Dioden 19 und 20 sind mit den Enden der Spulen 17 und 18 verbunden.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist ähnlich jener der in. Fig.l dargestellten Schaltung: wenn der Strom im Thyristor 15 z.B. sein Maximum erreicht, wird er von der Diode 19 umgeleitet, anstatt über den Kreis 15 - 23 zu fliessen. Die sich in den Induktivitäten befindende Energie wird gespeichert und ihre Rücklieferung an die Schaltung wird solange verzögert, bis der Thyristor 15 gezündet wird.

Es versteht sich von selbst, dass die beschriebenen Realisierungsmöglichkeiten nur Beispiele sind, die man abwandeln könnte, vornehmlich durch Einführung anderer, gleichwertiger Techniken.

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Claims

Patentanspruches

M-JSelbslgefuhrter Wechselrichter mit steuerbaren elektrischen Ventilen, die mit Spulen zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Saugdioden (11, 12, D^ , 19, 20) zu den
Spulen (9, 10, L, 17, 18) parallel liegen.

2.. Wechselrichter nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit eines ersten Pol (+ E/2) einer Gleichspannungsquelle verbundener erster Thyristor (l) über eine erste Spule (9) sowie eine erste Diode (5) an eine Last (15) angeschlossen ist, dass zur ersten Spule (9) eine erste Saugdiode (11), ferner zur
Reihenschaltung, gebildet aus dem ersten Thyristor (1) und der ersten Spule (9) ein el-ster Kondensator (7) und zur Reihenschaltung, gebildet aus dem ersten Kondensator (7) sowie der ersten Diode (5) eine zweite Diode (3) antiparallel liegt und dass'
weiterhin ein mit einem zweiten Pol (- E/2) der G-Ieichspannungsquelle verbundener zweiter Thyristor (2) über eine zweite Spule (10) sowie eine dritte Dxode (6) an die Last (13) angeschlossen ist, dass zur zweiten Spule (10) eine zweite Saugdiode (12),
ferner zur Reihenschaltung, gebildet aus dem zweiten Thyristor (2) und der zweiten Spule (10) ein zweiter Kondensator (8) und zur Reihenschaltung, gebildet aus dem zweiten Kondensator (8) sowie der dritten Diode (6) eine vierte Diode (4) antiparallel liegt. '".'■'

• '-'■"-■ j. '.·"'· '. ■ ■ , 0098U71088 · ■ . ■

j. Wechselrichter nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode der ersten Saugdiode (11) mit einer Klemme einer Hilfsspannungsquelle (E¹) und eine Elektrode der zweiten Saugdiode (12) mit der anderen Klemme der Hilfsspannungsquelle .(E¹) verbunden ist. .

4* Wechselrichter nach den Ünteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass er dreiphasig aufgebaut ist.

5. Wechselrichter nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einem ersten Pol (-) einer Gleichspannungsquelle (E) verbundener dritter Thyristor (15) über eine dritte Spule (17) sowie eine zu dieser Spule (17) parallel geschaltete dritte. Saugdiode (19) mit einer Klemme einer Transformatorwicklung (P) in Verbindung steht, dass ein ebenfalls mit dem ersten Pol (-) der Gleichspannungsquelle (E) verbundener vierter Thyristor (16) .über eine vierte Spule (18) sowie eine zu dieser Spule (18)

parallel geschaltete vierte Saugdiode (20) mit der anderen

Klemme der Transformatorwicklung.(p) in Verbindung steht, dass weiterhin zu den beiden Reihenschaltungen, gebildet aus Thyristor und Spule (15» 17ί 16, 18) je eine Diode £3, 24) antiparallel liegt und ein dritter Kondensator (14) an die Klemmen der Transformatorwicklung (P) geschaltet ist, deren Mittelanzapfung (M) zum zweiten Pol (+) der Gleichspannungsquelle (E) führt.

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ORIGINAL tNSP5CT6O

6. Wechselrichter nach Unteranspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (S) des Transformators (21) an den , Lastkreis (22) angeschlossen ist.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie

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