DE2055176C2

DE2055176C2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung der Kommutierungseinheit von Wechselrichtern mit Zwangskommutierung

Info

Publication number: DE2055176C2
Application number: DE19702055176
Authority: DE
Inventors: Georg 1000 Berlin Beinhold; Klaus Wegener
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-10-29
Filing date: 1970-10-29
Publication date: 1982-05-13
Also published as: DE2055176A1; SE385529B; GB1344868A; JPS5316493B1; FR2110150A5

Description

a) Die irä den Steueranschlüssen der Thyristoren der Kommutierungseinheit verbundenen Ausgänge der Steuerverknüpfung (17) sind mit den Eingängen zweier Mindestzeitglieder (20, 21) verbunden, die nach einer durch die Summe der Um- und Nachladezeit des Kommutierungskondensators (12) sowie de; Entmagnetisierungszeit der Drosseln (10, !1) und der Schonzeit des zuletzt gezündeten Thyristors (4 oder 5) bestimmten Mindestzeit ein Signal abgeben.

b) Die Ausgänge der beiden Mindestzeitglieder (20, 21) sind mit einer bistabilen Kippstufe (22) verbunden, die drn Polaritäten (+ U_e; — U_c) des Kommutierungskondensators (12) entsprechende Signale an Eingänge d*- Steuerverknüpfung (17) abgibt.

c) Parallel zum Kommutierungskondensator (12) ist eine gleichrichtende Anordnung (27) geschaltet, deren Ausgang über ein Vergleichsglied (26) mit einer Kippstufe (28) verbunden ist, die anspricht, wenn die Mindestkommutierungsspannung am Kommutierungslondensator (12) unterschritten ist

d) Die Ausgänge der beiden Mindestzeitglieder (20, 21) sind außerdem mit den Eingängen zweier UND-Glieder einer Ausblendungsverknüpfung (29) verbunden, die während des Umladevorganges des Kommutierungskonden

sators (12) die Mindestspannungsüberwachung an demselben ausblendet, wobei die Ausblendungsverknüpfung neben den UND-Gliedern noch ein ODER-Glied enthält, dessen Eingänge an die Ausgänge der beiden UND-Glieder und

an den Ausgang der Kippstufe (28) angeschlossen sind.

e) Der Ausgang der Ausblendungsverknüpfung (29) ist an weitere Eingänge ihrer beiden UND-Glieder und an die Eingänge von

UND-Gliedern (U, bis U₆) der Steuerverknüpfung (17) ingeschlossen, denen außer einem gemeinsamen Taktsignal eines der der Polarität des Kommutierungskondensators entsprechenden Signale von der bistabilen Kippstufe (22)

zugeführt sind, wobei die UND-Glieder (U₁ bis LZ₆) derart überkreuz mit zwei ODER-Gliedern (O,, O₂) verknüpft sind, daß über diese nur einer der beiden Thyristoren (4, 5) der Kommutierungseinheit (1) polaritätsgerecht von der Steuerverknüpfung (17) Zündimpulse erhält.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs.

Aus der GB-PS 10 71 771 ist eine Wechselrichter-Schaltung mit Zwangskommutierung bekannt, die eine aus Thyristoren, Dioden, Drosseln, Kommutierungskondensator und Hilfsspannungsquellen bestehende Korn- · mutierungseinheit aufweist.

Zur Steuerung einer derartigen Wechselrichteranordnung ist in der Zeitschrift »Elektrotechnik und Maschinenbau«, Band 82 (1965), Heft 11, Seiten 525 bis 532, eine Schaltungsanordnung beschrieben, bei der ein Taktgeber einen Ringzähler ansteuert, an dessen sechs Ausgängen Impulse zur Ansteuerung der Haupt- und Löschthyristoren des Wechselrichters abgegriffen werden. Bei dieser bekannten Anordnung ist zusätzlich ein Verzögerungsglied vorgesehen, das eine einwandfreie Umladung und Nachladung des Kommutierungskondensators zwischen der Zündung eines Thyristors der Kommutierungseinheit und der Zündung des nächsten Hauptthyristors sowie eine genügend lange Schonzeit für den zuletzt gezündeten Thyristor während des Betriebes sicherstellt.

Die aus der Zeitschrift »Elektrotechnik und Maschinenbau« bekannte Anordnung gibt ein für einen kontinuierlichen Betrieb ausreichendes Steuersystem an. Zusätzlich ist jedoch das sichere Beherrschen von Ein- und Ausschaltvorgängen sowie die Überwachung wichtiger Betriebsgrößen während des Betriebes für die technische Verwertbarkeit eines Steuersystems von erheblicher Bedeutung.

So ist es vonnöten, daß die Mindestzeiten beim Umladen des bzw. der Kommutierungskreise, d. h. die Umschwingzeiten, eingehalten werden, was nach dem Abschalten für das Wiedereinschalten zur Fortführung einer ordungsgemäßen Kommutierung Grundbedingung ist, um im richtigen Takt die Thyristoren wieder einsetzen zu können. Eine Überwachung der Mindestumschwinzeit und (daraus abgeleitet) der Spannung am Kondensator ist durch die DE-AS 1149107 an sich während des Betriebes bekannt.

Darüber hinaus müssen jedoch bei kurzfristigem Ausschalten auch die Schonzeiten der Thyristoren und die Entmagnetisierungszeiten der Drossein als Mindestzeit beachtet werden. Ferner ist eine Überwachung der Polarität des Kommutierungskondensators notwendig, damit beim Wiedereinschalten sichergestellt ist, daß polaritätsgerecht die entsprechenden Thyristoren im Kommutierungskreis gezündet werden können. Schließlich muß gerade während des Einschalten? gewährleistet sein, daß eine ausreichende Spannung am Kommutierungskondensator zur Kommutierung anliegt. Dazu ist der Kommutierungskondensator auf eine Mindestspannung zu überwachen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Kommutierungseinheit eines Wechselrichters anzugeben, mit

tier durch Überwachung der Mindestzeit für das Umladen, der Polarität und der Mindestspannung für die sichere Kommutierung am Kommutierungskondensator sichergestellt ist, daß die Zündimpulse für die Thyristoren im Kommutierungskreis zeitgerecht auch während des Wiedereinschaltens des Wechselrichters abgegeben werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs gelöst

Damit ist eine gezielte Zündung der Thyristoren im Kommutierungskreis und damit eine ordnungsgemäße Kommutierung nach dem Wiedereinschalten des Wechselrichters möglich, weil die Zündimpulse polaritäts- und zeitgerecht bei ausreichender Kommutierungsspannung abgegeben werden. Durch die Ausblendverknüpfung wird zudem vorteilhafterweise erreicht, daß die Mindestspannungsüberwachung während des Umladevorgangs, während dessen ja mit Sicherheit eine zu niedrige Spannung am Kommutierungskondensator angezeigt werden würde, einfach ausgeschaltet wird.

Anhand eines in den Fig. 1 bis 6 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung die beanspruchte Schaltungsanordnung.

F i g. 2,3,4 und 5 zeigen mögliche Ausbildungen der in Fig. I nur schematisch dargestellten Funktionseinheiten.

F i g. 6 zeigt die Signalverläufe an einzelnen Schaltungselementen.

In F i g. 1 ist ein Wechselrichter 15 gezeigt, der aus einer Gleichspannungsquelle über die Phasenanschlüsse U, V, Weine dreiphasige Last R, L (mit dem Sternpunkt Mp) speist. Eine Kommutierungseinheit 1, die zum Starkstromteil des Wechselrichters 15 mit den Hauptthyristoren I¹ bis 2^VI und Löschthyristoren 3' bis 3^VI gehört, setzt sich aus Thyristoren 4 und 5, Dioden 6,7,8, 9, 18 und 19, den Drosseln 10 und 11, einem Kommutierungskondensator 12 und zwei Hilfsspannungsquellen 13 und 14 zusammen. Sie hat die Aufgabe, über die in Reihe geschalteten Löschthyristoren 3¹ bis 3^VI die Hauptthyristoren 2' bis 2^VI .des Wechselrichters 15 zu löschen. Dies setzt ein einwandfreies Arbeiten der Kommutierungseinheit 1, insbesondere das Zünden mit dem anschließenden Löschen der Thyristoren 4 und 5 im richtigen Augenblick, voraus.

Die Thyristoren 4 und 5 müssen abwechselnd gezündet werden, um beide Polaritäten der Spannung des Kondensators 12 zur Löschung der Hauptthyristoren 2¹ bis 2^VI nutzbar machen zu können. Wird einer der beiden Thyristoreil 4 und 5 gezündet, so darf der andere frühestens nach einer Mindestzeit gezündet werden. Diese Mindestzeit ergibt sich aus der Summe von Umschwingzeiten, Entmagnetisierungszeit der Drossel 10 oder U und der Schonzeit der zuletzt gezündeten Thyristoren 4 oder 5. Weiter darf der Betrag der Spannung des Kondensators 12 einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, um bei gegebenem Maximalstroni des Wechselrichters 15 eine Mindestschonzeit für die Hauptthyristoren 2' bis 2^VI gewährleisten zu können.

Ein Taktgeber 16 führt einer Steuerverknüpfung 17, die die eigentliche Sleueraufgabe verwirklichen soll und aus den ihr zugeleiteten Signalen ZUndimpulse ableitet, jeweils Signale zu, die zur zeitgerechten Zündung der Hauptthyristoren 21 bis 2^VI und der zugehörigen Löschthyristoren 2' bis 3^V> dienen. Die Verknüpfung 17 steuert die Thyristoren 21 bis 2^V' und 3' bis 3^V> so, daß Gm Ausgang des Wechselrichters 15 die gewünschte Wechselspannung für die Last R, L, z, B, eines Käfigläufermotors mit variabler Frequenz und/oder variabler Spannung, entsteht. Die zur Steuerung der Thyristoren 4 und 5 dienenden Signale werden zwei Mindestzeitgliedern 20 und 21 zugeführt, die dafür sorgen sollen, daß diese Thyristoren 4 und 5 abwechselnd im richtigen Zeitpunkt gezündet werden. Erst nachdem die Mindestzeit abgelaufen ist, wird eine nachgeschaltete bistabile Kippstufe 22 umgesteuert.

Die Zündung eines bestimmten Thyristors 4 und 5 der Kommutierungseinheit 1 bewirkt eine bestimmte Polarität der Kondensatorspannung. Wird erstmalig beim Einschalten des Wechselrichters 15 ein bestimmter Thyristor, z. B. 4, gezündet, um den Kondensator 12 auf eine bestimmte Polarität aufzuladen und wird gleichzeitig die Kippstufe 22 in eine dieser Polarität entsprechenden Stellung gesetzt, so entsteht im anschließenden Betrieb am Ausgang dieser Schaltung Ϊ2 ein Signal, das jeweils der vorhandenen Polarität entspricht (+ U_c bzw. — Uc). Diese Ausgangssignale werden wieder der Verknüpfung 17 zugeführt. Die vom Taktgeber 16 komn.c-nden Signale werden dadurch so beeinflußt, daß die Thyristoren 4 und 5 im richtigen Zeitpunkt abwechselnd gezündet werden.

Wie bereits erwähnt, darf die Spannung des Kondensators 12 einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten. Es wird daher die Spannung des Kondensators 12 erfaßt und über eine gleichrichtende Schaltung 27 einem Vergleichsglied 26 zugeführt, an dessen unterem Eingang die Vergleichsspannung U_cmm liegt, deren Betrag nicht unterschritten werden darf. Der die Differenz zwischen dem gemessenen Spannungswert und der Vergleichsspannung U_cm,„ führende Ausgang des Vergleichsgliedes 2G ist mit einer Kippstufe 28, z. B. einem Schmitt-Trigger, veröunden. Wird der Minimalwert der Kondensatorspannung überschritten, gibt der Ausgang der Kippstufe 28 das Freigabesignal an die Ausblendungs-Verknüpfung 29, deren Ausgang die Verknüpfung freigibt.

Die Ausblendungs-Verknüpfung 24 besteht aus einem ODER-Glied mit drei Eingängen. Der eine Eingang ist mit dem Ausgang der Kippstufe 28, die beiden anderen Eingänge jeweils mit dem Ausgang zweier UND-Glieder verbunden. Die UND-Glieder weisen je zwei Eingänge auf. Der eine ist jeweils mit dem Ausgang des ODER-Gliedes, der andere jeweils mit dem Ausgang einer der beiden Mindestzeitstufen 20 oder 21 verbunden. Dadurch bleibt auch während der L'-nschwingzeit des Kondensators 12, während der der Min.malwert der Kondensatorspannung unterschritten wird, infolge der Ausgangssignale der Mindestzeitrtufen 20 und 21, das Freigabesignal im Ausgang der Ausblendungs-Verknüpfung 29 erhalten.

Ein Teil der verwendeten Bausteine ist in F i g. 1 nur schemalisch dargestellt worden. Sie können im Prinzip wie folgt aufgebaut sein:

Der Taktgeber 16 liefert je nach Art des eingesetzten Wechselrichters 15 eine unterschiedliche Anzahl von Impulsen pro Periode. Er kann beispielsweise aus einem Frequenzuntersetzer bestehen, der die ihm zugeführten Impulse der Frequenz f\, die durch eine übergeordnete Regeleinrichtung vorgegeben werden können, in Impulse der Frequenz /j umsetzt. Bei einem dreiphasigen Wechselrichter in Brückenschaltung, der bekannt-

lieh sechs Thyristorzweige aufweist, würde dem Taktgeber 16 demnach eine Impulsfolge mit sechs Impulsen pro Periode (Frequenz f\) zugeführt werden, die er beispielsweise mit Hilfe einer Ringschaltung in sechs getrennte Impulsfolgen mit je einem Impuls pro Periode (Frequenz 6) umformt. Die Mindestzeitglieder 20, 21 können aus einer monostabilen Kippstufe mit einer zeitbestimmenden Rückführung bestehen, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist. Ein Beispiel für die Kippstufe 28 zeigt F i g. 2 und ein Beispiel für die bistabile Kippstufe 22 F i g. 3.

Hin mögliches Alisführungsbeispiel für die Stcuerverkniipfung 17 ist in F ι p. 5 dargestellt, und /war für einen dreiphasigen Wechselrichter in Brückensohiiltung. der sechs Hiiuptthyristoren 2¹ bis 2^VI und sechs Loschthyristoren 3^! bis 3^M aufweist. Die .Stellerverknüpfung 17 besteht aus sechs UND-Gliedern 11, bis IL NICHT-(iliedem ,V, his .V„ und zwei ODHR-Gliedern (X. ίλ. die derart iiberkrcuz miteinander verknüpft sind, AM sichergestellt ist. dall im Betriebsfall nur immer einer der '■»eiden Th\ns;oren 4 oder 5 polaritätsgerecht (und nach Ablauf der Mindestzeit) von tier .Stellerverknüpfung 17 /undimpulse erhält. Den sechs UND-Gliedern (<Ί bis IL der .Stellerverknüpfung sind eingangs neben dem Taktsignal /j vom Taktgeber 16 eines der der Polarität des Kondensators 12 entsprechenden Signale ( + /', oder -· Uc) von der bistabilen Kippstufe 22 sowie das Aiisgangssignal der Ausblendungsverknüpfiing 29 zugeführt.

Im Falle, daß der Betrag der Mindestkommuiierungsspannung am Kondensator 12 außerhalb des Umladevorganges (z. B. durch Ausfall der Hilfsspannungsquellen 13, 14) unterschritten wird, erfolgt über die Ausblendlingsverknüpfung 29 eine Sperrung aller /"iindimpulse.

In F ι g. b ist tier zeitliche Verlauf der Signale der Taktfrequenz U. die Ansteuerung für die I lauptihvristorc η 2¹ bis 2^NI. für die Löschthyristoren V bis 3^^: und der Thyristoren 4 und 5 für den Betriebsfall aufgetragen Ferner isi der Verlauf der Signale an den beiden Mmdcsi/citglicdern 20, 21. der Verlauf der Polarität ( ' / ■' t \j sowie der Spannung am Kondensator 12 aufgetragen. Hei ungestörtem Betrieb ergeben sich daraus die Ausgangsspanruingen am Wechselrichter (bei cos <i =!)(/-■ Mp. V- Mρ»ηά W- Mp.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung zur Steuerung der aus Thyristoren, Dioden, Drosseln, Kommutierungskondensator und Hilfsspannungsquelle bestehenden Kommutierungseinheit eines Wechselrichters mit Zwangskommutierung mit einer von einem Taktgeber gesteuerten und mit den Steueranschlüssen der Thyristoren der Kommutierungseinheit und den Thyristoren und Löschthyristoren des Wechselrichters verbundenen Steuerverknüpfung, die während des Betriebes eine einwandfreie Um- und Nachladung des Kommutierungskondensators durch zeitgerechtes Zünden eines Thyristors der Kommutterungseinheit sicherstellt und gleichzeitig den Thyristoren des Wechselrichters zeitgerecht Zündimpulse zuleitet, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: