DE2106146C3 - Dreiphasige Wechselrichteranordnung - Google Patents

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer ersten Gruppe von Einzelwechselrichtern jeweils ein Einzeltransformator zugeordnet ist, an dessen Sekundärwicklung eine von drei Halbwellenspannungen entsteht, deren jede rechteckfirmig und gegen die andere um 120° elektrisch versetzt ist und daß eine zweite Gruppe von Einzejwechselrichtern Einzeltransformatoren mit je zwei Sekundärwicklungen aufweist, an denen jeweils um 120° elektrisch gegeneinander versetzte rechteckförmige Halbwellenspannungen entstehen und daß eine Sekundärwicklung der ersten Gruppe von Einzeltransformatoren jeweils in Reihe liegt mit zwei Sekundärwicklungen von Einzeltransformatoren aus der zweiten Gruppe in der Weise, daß die zwei Halbwellenspannungen aus der zweiten Gruppe um 30° elektrisch voreilend und um 30° elektrisch nacheilend zu einer Halbwellenspannung aus der ersten Gruppe sind und daß die Amplitude jeder Halbwellenspannung aus der ersten Gruppe 3mal größer ist als die Amplitude jeder Halbwellenspannung aus der zweiten Gruppe.

Bei der erfindungsgemäßen dreiphasigen Wechselrichteranordnung sind in der Ausgangsspannung keine Oberschwingungen unterhalb der elften Ordnung enthalten. Es werden daher nur geringe Filtermittel benötigt; häufig sind diese sogar voll entbehrlich. Gegenüber der aus der erwähnten GB-PS 9 97 706 bekannten Anordnung werden bei der dreiphasigen Wechselrichteranordnung nach der Erfindung nur noch drei Sekundärwicklungen pro Phase benötigt. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung ist gut, da keine zusätzliche Umformung in Wärmeenergie stattfindet, die über die normalen Verluste eines Transformators hinausgeht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.

F i g. 1 zeigt eine erste Gruppe aus Einzelwechselrichtern 1, 2, 3. denen jeweils ein Einzeltransformator a, b, c einer ersten Gruppe von Wechselrichteriransformatoren zugeordnet ist, sowie eine zweite Gruppe von Einzelwechselrichtern 4, 5, 6, welche die Einzeltransformatoren d, e, /einer zweiten Gruppe von Wechselrichtertransformatoren beaufschlagen. Die Einzelwechselrichter sind dabei von an sich bekannter Bauart und bestehen im wesentlichen aus zwei elektronischen Schaltgliedern, welche im Takt der ihnen zugeführten Taktgeberspannungen Ti bis Td abwechselnd die Enden der Transformatorprimärwicklungen mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquclle verbinden. Der andere Pol der Gleichspannungsquelle ist jeweils an eine Mittelanzapfung der Primärwicklung angeschlossen. Die Frequenz der einzelnen Taktgeberspannungen Ti bis T 6 ist gleich, und ihre gegenseitige Phasenlage ist so gewählt, daß an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe a, b, c drei um 120° elektrisch gegeneinander versetzte rechteckförmige Halbwellenspannungen entstehen und an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe d, e, f ebenfalls jeweils drei um 120° elektrisch gegeneinander versetzte, rechteckförmige Halbwellenspannungen, welche jedoch

ίο relativ zu den Ausgangsspannungen der ersten Wechselrichtertransformatorgruppe eine Phasenverschiebung von 30° elektrisch aufweisen. Die Sekundärwicklungen der ersten Wechselrichtertransformatorgruppe a, b und c sind im Stern geschaltet und liegen in Reihe mit jeweils zwei Sekundärwicklungen, welche zwei Transformatoren aus der Gruppe d, e, /zugeordnet sind. Die Amplituden der an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe d, e, /auftretenden Halbwellenspannungen verhalten sich zu den Amplituden der an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe a, b, c auftretenden Spannungen wie 1 :-\fS. An den Ausgangsklemmen x, y und ζ erscheint die dreiphasige Wechselrichterausgangsspannung.

In F i g. 2 sind Diagramme für die an den Sekundärwicklungen der Wechselrichtertransformatoren a bis / auftretenden Spannungen dargestellt. Man erkennt, daß sämtliche Halbwellenspannungen dieselbe Periode aufweisen und daß jeder Sekundärspannung U₁, Ub und Uc der Transformatorgruppe a, b, c zwei Haibwellenspannungen mit einer um den Faktor j/3 kleineren Amplitude zugeordnet sind, von denen die eine gegenüber der Sekundärspannung U_a bzw. Ut bzw. U₀ um 30° elektrisch voreili und die andere um 30° elektrisch nacheilt. Es ergibt sich beispielsweise die zwischen den Klemmen χ und y der Anordnung gemäß F i g. 1 auftretende Spannung zu

Uy_x = U_a +

- U_e2 -Ub-

+ Un.

Führt man diese Addition durch, so ergibt sich ein Spannungsverlauf, wie er in der letzten Zeile der F i g. 2 dargestellt ist. Für die beiden übrigen Spannungen zwischen den Klemmen x, yund ζ ergeben sich gleiche, jeweils um 120° elektrisch versetzte Treppenkurven.

Die von dem erfindungsgemäßen Wechselrichter erzeugten, 12-pulsigen Ausgangsspannungen weisen einen Klirrfaktor von 15% auf und enthalten lediglich Oberschwingungen ab der 11. Ordnung, wodurch der Aufwand an Glättungs- bzw. Filtermitteln zur Erzeugung einer möglichst sinusförmigen Ausgangsspannung klein gehalten werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Dreiphasige Wechselrichteranordnung mit treppenförmiger, der Sinusform angenäherter Ausgangsspannung, welche aus rechteckförmigen Teilspannungen zusammengesetzt ist, die von sechs Einzelwechselrichtern geliefert werden, mit einer ersten Gruppe von drei Wechselrichtertransformatoren, deren Sekundärwicklungen im Stern geschaltet sind, und mit einer zweiten Gruppe von Wechselrichtertransformatoren mit insgesamt mindestens drei Sekundärwicklungen, die jeweils mit einer Sekundärwicklung aus der ersten Gruppe in Reihe liegen und deren Sekundärspannungen gegenüber der Sekundärspannung der betreffenden Sekundärwicklung aus der ersten Gruppe zeitlich versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß einer ersten Gruppe von Einzelwechselnchtern (1, 2, 3) jeweils ein Einzeltransformator (a, b, c) zugeordnet ist, an dessen Sekundärwicklung eine von drei HaIbwellenspannungen (U₃ oder Ub oder U_c) entsteht, deren jede rechteckförmig und gegen die andere um 120° elektrisch versetzt ist und daß eine zweite Gruppe von Einzelwechselnchtern (4, 5, 6) Einzeltransformatoren (d, e, f) mit je zwei Sekundärwicklungen aufweist, an denen jeweils um !20° elektrisch gegeneinander versetzte rechteckförmige HaIbwellenspannungen (Ud\, U_e\, UrU Ud₂, U_e2, UrT) entstehen und daß eine Sekundärwicklung der ersten Gruppe von Einzeltransformatoren (a, b, c) jeweils in Reihe liegt mit zwei Sekundärwicklungen von Einzeltransformatoren (d, e; e, f; f, d) aus der zweiten Gruppe in der Weise, daß die zwei HaIbwellenspannungen (U_d\, U_e2; U_e\, Un; Un, Ud2) aus der zweiten Gruppe um 30° elektrisch voreilend und um 30° elektrisch nacheilend zu einer Halbwellenspannung (U_a, Ub, U₀) aus der ersten Gruppe sind und daß die Amplitude jeder Halbwellenspannung (Ua, Ub, Uc) aus der ersten Gruppe j/3mal größer ist als die Amplitude jeder Halbwellenspannung (Udu Ud₂; U_eU U_e2; U_n, Ur₂) aus der zweiten Gruppe.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine dreiphasige Wechselrichteranordnung mit treppenförmiger, der Sinusform angenäherter Ausgangsspannung, welche aus rechteckförmigen Teilspannungen zusammengesetzt ist, die von sechs Einzelwechselrichtern geliefert werden, mit einer ersten Gruppe von drei Wechselrichtertransformatoren, deren Sekundärwicklungen im Stern geschaltet sind, und mit einer zweiten Gruppe von Wechselrichtertransformatoren mit insgesamt mindestens drei Sekundärwicklungen, die jeweils mit einer Sekundärwicklung aus der ersten Gruppe in Reihe liegen und deren Sekundärspannungen gegenüber der Sekundärspannung der betreffenden Sekundärwicklung aus der ersten Gruppe zeitlich versetzt sind.

   Um eine aus mehreren rechteckförmigen Teilspannungen zusammengesetzte Ausgangsspannung einer Wechselrichteranordnung zu glätten und möglichst gut an eine ideale Sinusform anzunähern, sind Filter erforderlich, die einen erheblichen Aufwand bedeuten. Man ist daher bestrebt, durch eine entsprechende Taktung der einzelnen Wechselrichter einer derartigen Wechselrichteranordnung und durch spezielle Beschaltung der Wechselrichtertransformatoren eine zusammengesetzte Ausgangsspannung mit geringem Oberwellengehalt zu erzielen.

   Es ist bereits ein Mehrmotoren- Umrichterantrieb für die Textilindustrie bekannt, bei dem an den Gleichstrom-Zwischenkreis sechs Wechselrichter angeschlossen sind (BBC-Nachrichten, 46. Jg. [1964J H. 12, Seiten 622, 623). Je zwei der sechs Wechselrichter bilden die Ausgangsspannung einer Phase des Sekundär-Drehstromnetzes. Durch eine zeitlich versetzte Taktung der beiden Wechselrichter einer Phase werden die Oberschwingungen der Ausgangsspannung stark vermindert Die dritte Oberschwingung ist in der verketteten Sekundärnetzspannung ohnehin eliminiert Es ergibt sich eine für Drehfe'dmaschinen ausreichend gute Spannungsform. Jedoch sind in der Ausgangsspannung noch immer Oberschwingungen mit höherer Ordnungszahl als 3 enthalten, insbesondere Oberschwingungen mit der Ordnungszahl 5 und 7.

   Bei einer weiteren bekannten Stromrichteranordnung wird ein Dreiphasentransformator verwendet (US-PS 32 14 671). Dieser Dreiphasentransformator benötigt einen Magnetkern mit spezieller Magnetkennlinie zur magnetischen Glättung und Stabilisierung. Dies bedeutet einen besonderen Aufwand. Dem Dreiphasentransformator werden rechteckförmige Ströme eingangsseitig zugeführt, die der besondere Dreiphasentransformator aufgrund seiner speziellen Magnetisierungskennlinie in sinusförmige Ausgangsspannungen umsetzt. Die Oberschwingungen der primärseitigen rechteckförmigen Ströme werden im Transformator in Wärmeenergie umgesetzt. Die Umsetzung eines Teils der zugeführten Energie in Wärme stellt einen beträchtlichen Verlust dar. Der Wirkungsgrad dieser bekannten Stromrichteranordnung ist daher schlecht.

   Bei einem bekannten Wechselrichter für ein Wechsel- und Drehstrombordnetz in Speisewagen besteht der statische Umformer aus drei gleichen Einheilen (BBC-Nachrichten, 48. Jg. [1966], H. 5, Seite 295). Jede der drei Einheiten stellt einen einphasigen Wechselrichter dar, der eine nahezu rechteckförmige Ausgangsspannung abgibt. Die drei einphasigen Einheiten sind ausgangsseitig in Stern geschaltet. Die verketteten Spannungen, die die Subtraktion zweier um 120° elektrisch verschobener Phasenspannungen darstellen, sind frei von der dritten Oberschwingung und den Oberschwingungen der höheren durch drei teilbaren Ordnungszahlen. Die damit entstehende Kurvenform der verketteten Spannungen hat einen wesentlich geringeren Klirrfaktor als die Rechteckform und wird als hinreichende Annäherung an die Sinusform angesehen. In der Ausgangsspannung dieses bekannten Wechselrichters sind jedoch Oberschwingungen enthalten, deren Ordnungszahl nicht durch drei teilbar ist.

   Schließlich ist eine Anordnung der eingangs genannten Art aus der GB-PS 9 97 706 bekannt, wobei jedoch die Ausgangsspannung aus 5 Teilspannungen pro Phase zusammengesetzt wird. Diese Teilspannungen werden an entsprechenden Sekundärwicklungen abgenommen. Dies bedeutet einen erheblichen Aufwand.

   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselrichteranordnung der eingangs genannten Art mit geringem Aufwand so weiterzubilden, daß die verkettete Ausgangsspannung keinen Gehalt an Oberschwingungen unterhalb der elften Ordnung aufweist.