DE2109491B2

DE2109491B2 - Dreiphasiger Wechselrichter

Info

Publication number: DE2109491B2
Application number: DE2109491A
Authority: DE
Inventors: Robert M. Lima Ohio Oates (V.St.A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-03-06
Filing date: 1971-03-01
Publication date: 1978-11-30
Also published as: JPS462471A; CH522975A; DE2109491A1; FR2081749B1; JPS5225544B1; FR2081749A1; US3624486A; DE2109491C3

Description

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Die Erfindung betrifft einen dreiphasigen Wechselrichter in Brückenschaltung mit je zwei in Reihe liegenden steuerbaren Stromrichlerventilen in an eine ^r>o Gleichstromquelle angeschlossenen Stromrichterzweigen und mit je einem Zündkreis für jedes Stromrichterzweigpaar mit gemeinsamer Ausgangsklemme, wobei jedem Zündkreis eine Vergleichsstufe vorgeschaltet ist, in der ein Vergleich vorgenommen wird zwischen in der v> Amplitude steuerbaren Bezugsrechteckwechselspannungen von je 180° Impuls- und 180° Pausendauer und mit 120° gegenseitiger Phasenverschiebung, die aus den Rechteckspannungen eines Ringzählers abgeleitet sind und deren Frequenz der Grundschwingungsfrequenz wi der an den Ausgangsklemmen anstehenden Wechselrichterspnnung entspricht, und einer mit der Bezugsrechteckwechselspannung synchronisierten Dreieckwechselspannung dreifacher Frequenz und konstanter Amplitude. >'·

Ein derartiger Wechselrichter ist aus der Zeitschrift ETZ-B, Band 20 (1968), Seiten 616 bis 621, insbesondere Seiten 619 und 620 bekannt. Bei dem bekannten Wechselrichter, bei dem die Ausgangsspannung ständig von positiven auf negative Werte konstanter Amplitude umgeschaltet wird, werden die einzelnen positiven und negativen Spannungszeitflächen der Ausgangsspannung verändert Durch diese Impulsbreitenmodulation wird eine angenähert sinusförmige Ausgangsspannung des Wechselrichters erreicht, deren Frequenz unter der Frequenz der Umschaltungen für die einzelnen Spannungszeitflächen liegt (Unterschwingungsverfahren). Mit einem solchen selbstgeführten Wechselrichter kann gleichzeitig Frequenz und Amplitude der gewünschten Wechselrichterausgangsspannung gesteuert werden. Die Umschaltzeitpunkte für jedes Stromrichterzweigpaar mit gemeinsamem Wechselstromanschluß werden in einer Vergleichsstufe als Schnittpunkte einer um die Spannungsnullinie oszillierenden Bezugsrechteckwechselspannung und einer ebenfalls um die Nullinie oszillierenden Dreieckwechselspannung mit konstanter Amplitude und der dreifachen Frequenz der Rechteckwechselspannung erhalten. Die Rechteckwechselspannung weist dabei ein Impuls-Pausen-Verhältnis von 1 :1 auf und stimmt mit der Grundschwingungsfrequenz der an den Ausgangsklemmen anstehenden Wechselrichterspannung überein. Durch Amplitudenveränderung der Bezugsrechteckwechselspannung verschieben sich die Umschaltzeitpunkte für die steuerbaren Stromrichterventile des Wechselrichters, womit die Höhe der Ausgangsspannung des Wechselrichters beeinflußbar ist

Bei dem bekannten Wechselrichter werden einem eine Vergleichsstufe aufweisenden Signalumsetzer aus einem Ringzähler drei um 120° gegeneinander verschobene Rechteckspannungen mit der Grundschwingungsfrequenz der an den Ausgangsklemmen anstehenden Wechselrichterspannung zugeführt. Ferner wird in dem Signalumsetzer eine Rechteckhilfsspannung eingespeist, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grundschwingungsfrequenz der Wechselrichterausgangsspannung ist. Aus der genannten Druckschrift ist nicht entnehmbar, durch welche schaltungstechnischen Maßnahmen aus den Rechteckspannungen sowie der Rechteckhilfsspannung die benötigten Bezugsrechteckwechselspannungen sowie die Dreieckwechselspannung erzeugt und zum Schnitt gebracht werden.

Ferner ist aus der US-PS 34 61373 ein im Impulsbreiten-Modulationsverfahren betriebener einphasiger»WechseIrichter bekannt, bei dem zur Bestimmung der Umschaltzeitpunkte in einer Vergieichsstufe eine Bezugsrechteckwechselspannung mit einer Sägezahnwechselspannung zum Schnitt gebracht werden. Die Rechteckwechselspannung wird dabei über einen Oszillator mit der Ausgangsfrequenz der Wechselrichterspannung, eine bistabile Kippstufe sowie eine Stufe zur Amplitudensteuerung erzeugt. Für die Sägezahnwechselspannung steht ein eigener triggerbarer Oszillator für die Modulationsfrequenz zur Verfügung, dessen Ausgangsspannung über ein Speicherglied mit Setz- und Rücksetzeingang einem Integrator zugeführt ist. Zur Synchronisierung der Dreieckwechselspannung mit der Bezugsrechteckwechselspannung ist ein aufwendiges Netzwerk eingesetzt, das Differenzierglieder sowie logische Verknüpfungsglieder aufweist. Die Ausgänge der Differenzierglieder sind dem Setz- bzw. Rücksetzeingang des Speichergliedes, die Ausgänge der logischen Verknüpfungsglieder dem Triggereingang des Oszillators für die Modulationsfrequenz bzw. einem steuerbaren Schalter zur Überbrükkung des Integrationskondensators zugeführt. Diese

Schaltung ist außerordentlich aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem im Impulsbreiten-Modulationsverfahren betriebenen Wechselrichter der eingangs genannten Art die den Eingängen der Vergleichsstufen jeweils zuzuführenden synchronisierten Wechselspannungen kostengünstig und mit geringem schaltungstechnischea Aufwand zur Verfugung zu stellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dreieckwechselspannung gewonnen wird über drei von je zwei der dem Ringzähler !Entnommenen Rechteckspannungen angesteuerte NAND-Gatter, deren Ausgänge über ein weiteres NAND-Gatter auf den Eingang eines Integrators geführt sind,, und daß zur Erzeugung der Bezugsrechteckwechselspannungen die dem Ringzähler entnommenen Rechtockspannungen über Umkehrstufen zusammen mit einer variablen Steuergleichspannung Operationsverstärkern zugeführt sind. Somit werden unter Einsatz von nur wenigen Bauelementen die für die Festlegung der Umschaltzeitpunkte benötigten Eingangsspannungen für die Vergleichsstufe gewonnen.

Um eine Dreieck-Wechselspannung ohne Gleichspannungsanteil zu gewinnen, ist es vorteilhaft, daß das weitere NAND-Gatter kapazitiv mit dem Eingang des Integrators gekoppelt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Integrator einen Operationsverstärker auf, dessen Eingänge durch eine Zenerdiode überbrückt sind. Diese schaltungstechnische Maßnahme gewährleistet die erforderliche Amplitudenkonstanz der Dreieckwechselspannung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den F i g. 1 bis 6 näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine vereinfacht dargestellte Wechselrichterschaltung nach der Erfindung,

Fig.2 die an den Ausgangsklemmen anstehenden Wechselrichterspcnnungen,

Fig.3 ein die Bildung der Dreieckwechselspannung veranschaulichendes Impulsdiagramm,

Fig.4 die an der Ausgangsklemme des Stromrichterzweigpaares 12 bei Modulationswinkeln zwischen 0° und 60° anstehende Spannung,

F i g. 5 die an den Ausgangsklemmen anstehenden Spannungen aller drei Stromrichterzweigpaare bei einem Modulationswinkel von 30° und schließlich

Fig.6 schaltungstechnische Maßnahmen, um einen Gleichstromanteil in der Wechselrichterausgangsspannung auszuschließen.

F i g. 1 zeigt strichpunktiert umrandet einen Wechselrichter 10 in Drehstromschaltung, bestehend aus drei Stromrichterzweigpaare 12,14,16, die anodenseitig am positiven Gleichspannungspotential, kathodenseitig am negativen Gleichspannungspotential M liegen. Jedem Stromrichterzweigpaar aus zwei Thyristoren 1, II bzw. Ill, IV bzw. V, VI ist ein Zündkreis 18,20,22 zugeordnet. Die Zündkreise geben komplementäre rechteckförmige Zündsignale zur abwechselnden Zündung der beiden Thyristoren jedes Stromrichterzweigpaares ab. Die an den Ausgangsklemmen A, B, C der Stromrichterzweigpaare 12, 14, 16 auftretenden einzelnen Rechteckausgangssignale werden einem Transformator 24 zugeführt und dort zu einer sinusförmigen Ausgangsspannung zusammengefügt.

Die Zündkreise 18, 20, 22 sind in Steuerabhängigkeit von der rechteckförmigen Ausgangsspannung jeweils einer Vergleichsstufe 30, 32, 34 gebracht, deren Dauer und Größe die Zündwinkel der zugehörigen Thyristoren I bis VI bestimmt. Die Änderung der Zündwinkel der Thyristoren wird als Impulsbreitenmodulation bezeichnet und dient zur Änderung der Größe der sinusförmigen Wechselrichterspannung. Zum Zündsignal des Thyristors I komplementär ist das Zündsignal des Thyristors II. Entsprechendes gilt für die Thyristoren III, IV sowie V, VI.
Die auf Impulsbreitenmodulation beruhende Steue-

ιυ rung ist in F i g. 2 gezeigt Die rechteckförmigen Kurven A-M, B-M, C-M nach F i g. 2A, 2B, 2C stellen die auf das negative Gleichspannungspotential M bezogenen Potentialdifferenzen der Ausgangsklemmen A₁ B, C der Stromrichterzweigpaare 12, 14, 16 dar. Die ausgezogenen Kurventeile der Fig. 2A, 2B, 2C zeigen die Ausgangsspannungen der Stromrichterzweigpaare 12, ί4, 16 im voll stromführenden Zustand der Thyristoren jedes Stromrichterzweigpaares, bei dem die Ausgangsklemmen A, B, C der Stromrichterzweigpaare 12, 14, 16 abwechselnd für je eine volle Halbwelle mit der negativen bzw. positiven Spannung verbunden sind. Die gestrichelten Teile in den F i g. 2A, 2B, 2C geben die Spannungen an den Ausgangsklemmen A, B, Cmit einer Wiederholungsgeschwindigkeit von dreifacher Aus-

r, gangsfrequenz wieder. Der Modulationswinkel θ/π ist dabei 30°. Die Größe der Wechselrichterausgangsspannung ist bei voll ausgesteuerten Thyristoren ein Maximum und wird durch Impulsbreitenmodulation verkleinert. Die Kurven in Fig.2D und 2E zeigen die

in Wechselrichterausgangsspannungen A — Bund C-A zwischen je zwei Ausgangsklemmen der Stromrichterzweigpaare 12, 14, 16 des Wechselrichters 10. Im voll ausgesteuerten Zustand der Thyristoren sind diese Spannungen A — B, C — A rechteckförmig ohne 3.

Ji Harmonische. Im impulsbreitenmodulierten, d. h. reduzierten Zustand, sind diese Wechselrichterausgangsspannungen ebenfalls noch frei von einer 3. Harmonischen und können mit den Ausgängen anderer, nicht gezeigter Dreiphasenwechselrichter zur Bildung einer

ι» an eine Sinuskurve angenäherten Ausgansspannung kombiniert werden.

Um die rechteckförmigen Ausgangsspannungen der Vergleichsstufen 30, 32, 34 zu erhalten, die die gewünschte Impulsbreitenmodulation der Wechsel-

r> richterausgangsspannung hervorrufen, wird die Dreieckwechselspannung eines Integrators 50 dem ersten Eingang der Vergleichsstufen 30, 32, 34 und je eine Bezugsrechteckwechselspannung E_n/ eines Bezugswechselspannungserzeugers 70,80,90 dem zweiten

in Eingang jeder Vergleichsstufe 30, 32, 34 zugeführt. Die Dreieckwechselspannung mit jeweils positiven und negativen, symmetrisch zur Spannungsnullinie liegenden Anteilen werden von dem Integrator 50 in Abhängigkeit von Rechteckspannungen aus den

υ NAND-Gattern 42,43,44 und 45 nach F i g. 3 erzeugt.

Ein Ringzähler 60 reagiert auf Impulse eines Taktgebers 62 mit der Erzeugung von um 120° phasenverschobenen Rechteckspannungen a, b, c nach den F i g. 3A, 3B, 3C. Je zwei Rechteckspannungen a, b, c

H- sind gemäß Fig. 1 den beiden Eingängen der NAND-Gatter 42,43,44 zugeführt. Diese Rechteckspannungen a, b, c stimmen mit den unmodulierten Wechselrichter-Spannungen an den Anschlußklemmen A, B, C der Strorr.nchterzweigpaare 12, 14, 16 überein. Die . Arbeitsweise der NAND-Gatter 42,43,44 in Abhängigkeit von den Rechteckspannungen des Ringzählers 60 ist durch die Rechteckkurven a · b,a ■ c,und6· ein den F i g. 3D, 3E und 3F dargestellt, die die Ausgangssignale

der NAND-Gatter 42, 43, 44 wiedergeben. Diese Ausgangssignale werden dem NAND-Gatter 45 zugeleitet, das die Rechteckhilfsspannung d in Fig. 3G erzeugt. Die Rechteckhilfsspannung des NAND-Gatters 45 wird kapazitiv an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 52 gekoppelt, der als Bestandteil des Integrators 50 die Dreieckwechselspannung e in F i g. 3H abhängig von der Rechteckspannung d erzeugt. Eine Zenerdiode 54 hält die Amplitude K der Rechteckhilfsspannung d am Eingang des Operationsverstärkers 52 konstant, während die Widerstände 55, 56 und der Kondensator 57 des Integrators 50 so bemessen sind, daß eine lineare Dreieckwechselspannung e auftritt.

Die Dreieckwechselspannung e wird an die invertierenden Eingänge der drei Vergleichsstufen 30, 32, 34 angelegt. Dem zweiten, nichtinvertierenden Eingang jeder Vergleichsstufe wird eine in der Amplitude veränderliche Bezugsrechteckwechselspannung E_rc/der Bezugswechselspannungserzeuger 70, 80, 90 zugeführt. Da der Aufbau der Bezugswechselspannungserzeuger 70, 80, 90 und die elektrische Verknüpfung mit den Vergleichsstufen 30, 32, 34 übereinstimmt, genügt die Beschreibung nur eines Schaltkreises.

Eine veränderbare Steuergleichspannung Eoc, als die die Ausgangsspannung eines vom Transformator 24 über einen Gleichrichter 26 gespeisten Verstärkers 28 dienen kann, wird einem Spannungsteiler 102, 104 zugeführt. Die an den Punkten rund sdes Spannungsteilers anstehenden Gleichspannungen sind über Widerstände 106, 108 den Eingängen der Operationsverstärker 72,82,92 der Bezugswechselspannungserzeuger 70, 80, 90 zugeführt. Der Operationsverstärker 72 erzeugt eine Ausgangsspannung, deren Größe von der Differenz der beiden Eingangsspannungen abhängt. Um die Bezugsrechteckwechselspannung am Ausgang der Operationsverstärker zu erzeugen, werden die Ausgänge von Umkehrstufen 74,84,94 über Widerstände 108 mit den invertierenden Eingängen der betreffenden Operationsverstärker verbunden. Die Ausgangssignale der Umkehrstufen 74,84,94 werden von den Rechteckspannungen a, b, c des Ringzählers 60 gesteuert. Die Umkehrstufe 74 erzeugt somit im Zusammenwirken mit dem Operationsverstärker 72 eine Bezugsrechteckwechselspannung am Ausgang des Operationsverstärkers 72, die die gleiche Frequenz und Phasenverschiebung wie die unmodulierte Spannung an der Ausgangsklemme A des Stromrichterzweigpaares 12 hat.

Die Verstärkung des Operationsverstärkers 72 und der Nullpunktsabgleich der Bezugsrechteckwechselspannung Erci, d. h. die relative Größe der positiven und negativen Anteile der Bezugsrechteckwechselspannung in bezug auf die Spannungsnullinie, sind Funktionen der Größe der Widerstände 102,104,106,108 und 110.

Die Vergleichsstufe 30 reagiert auf die eingangsseitig anstehende Dreieckwechselspannung eund die Bezugsrechteckwechselspannung Ercf durch Wechsel des logischen Ausgangssignals zwischen »0« und »1« in Abhängigkeit von der relativen Größe der Eingangssignale. Diese Wechsel des logischen Ausgangssignals stellen bereits eine impulsbreitenmodulierte Rechteckkurve entsprechend der Kurve A — M des Stromrichterzweigpaares 12 dar. Diese Rechteckkurve steuert den Zündwinkel der Thyristoren I und II. Der Grad der ι angewandten Impulsbreitenmodulation, d. h. die Steuerung des jeweiligen Modulationswinkels θ/π, ist eine Funktion der Größe der Bezugsrechteckwechselspannung Eref, wie aus den Wellenzügen in den F i g. 4 und 5 hervorgeht. Da die Größe der Bezugsrechteckwechselspannung E_m- durch das Gleichspannungssigna! Eoc gesteuert wird, kann Bm proportional zu focsein.

Die F i g. 4A, 4B, 4C, 4D zeigen das impulsbreitenmodulierte Ausgangssignal A —M des Stromrichterzweigpaares 12 in Abhängigkeit von verschiedenen Bezugsrechteckwechselspannungen £_re/für Modulationswinkel Bm = 0°, 15°,30° und60°.

Immer wenn die Bezugsrechteckwechselspannung Ercf größer als der Momentan wert der Dreieckwechselspannung ist, wird das logische Ausgangssignal »1«, wenn die Bezugsrechteckwechselspannung E_ref kleiner als die Dreieckwechselspannung ist, dagegen das logische Signal »0« erzeugt.

In der Praxis ist die Begrenzung des Modulationswinkels Bm auf einen Mindestwert notwendig, bei dem eine einwandfreie Kommutierung der Thyristoren des Wechselrichters 10 möglich ist. Dies läßt sich durch die Begrenzung der Amplitude der Bezugsrechteckwechselspannungen E_Kr erreichen, so daß diese die Amplitude der Dreieckwechselspannung weder erreichen noch überschreiten.

Die F i g. 5 zeigt die impulsbreitenmodulierten Wechselrichterspannungen A — M, B — M, C — M an den Ausgangsklemmen A, B, C der Stromrichterzweigpaare 12,14,16 bei einem Modulationswinkel von 30°. Für die Stromrichterzweigpaare wird eine gemeinsame Dreieckwechselspannung benutzt, die durch gleich große, jedoch um 120° gegeneinander phasenverschobene Bezugsrechteckwechselspannungen moduliert ist.

Wenn der Gleichspannungsanteil der Dreieckwechselspannung oder der Bezugsrechteckwechselspannung £re/von Null verschieden ist, weisen die Ausgangsspannungen des Wechselrichters 10 ebenfalls einen Gleichspannungsanteil auf. Dies kann durch mit den Vergleichsstufen verbundene Kondensatoren oder durch ein von der Wechselrichterausgangsspannung abgeleitetes negatives Rückkopplungssignal auf den nichtinvertierenden Eingang der betreffenden Vergleichsstufe ausgeschlossen werden. Dies ist in Fig.6 veranschaulicht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dreiphasiger Wechselrichter in Brückenschaltung mit je zwei in Reihe liegenden steuerbaren Stromrichterventilen in an eine Gleichstromquelle angeschlossenen Stromrichterzweigen und mit je einem Zündkreis für jedes Stromrichterzweigpaar mit gemeinsamer Ausgangsklemme, wobei jedem Zündkreis eine Vergleichsstufe vorgeschaltet ist, in der ein Vergleich vorgenommen wird zwischen in der Amplitude steuerbaren Bezugsrechteckwechselspannungen von je 180° Impuls- und 180° Pausendauer und mit 120° gegenseitiger Phasenverschiebung, die aus den Rechteckspannungen eines Ringzählers abgeleitet sind und deren Frequenz der Grundschwingungsfrequenz der an den Ausgangsklemmen anstehenden Wechselrichterspannung entspricht, und einer mit der Bezugsrechteckwechselspannung synchronisierten Dreieckwechselspan- 2ü nung dreifacher Frequenz und konstanter Amplitude, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreieckwechselspannung (e) gewonnen wird über drei von je zwei (a/b, a/c, b/c) der dem Ringzähler (60) entnommenen Rechteckspannungen (a, b, c) angesteuerte NAND-Gatter (42, 43, 44), deren Ausgänge über ein weiteres NAND-Gatter (45) auf den Eingang eines Integrators (50) geführt sind, und daß zur Erzeugung der Bezugsrechteckwechselspannungen die dem Ringzähler (60) entnommenen Rechteckspannungen (a, b, c) über Umkehrstufen (74, 84, 94) zusammen mit einer variablen Steuergleichspannung (H—) Operationsverstärkern (72, 82,92) zugeführt sind.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere NAND-Gatter (45) kapazitiv mit dem Eingang des Integrators (50) gekoppelt ist

3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (50) einen Operationsverstärker (52) aufweist, dessen Eingänge durch eine Zenerdiode (54) überbrückt sind.