DE2156693C2 - Elektrischer Wechselrichter - Google Patents

Description

55

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher elektrischer Wechselrichter ist aus der 6ö US-PS 35 38 419 bekannt. Dort ist dem aus Thyristoren gebildeten Brücken-Wechselrichter ein deren Strom löschender Schaltthyristor vorgeordnet, der seinerseits durch einen Steuer- bzw. Löschkreis löschbar ist. bei dem ein Kondensator periodisch von den speisenden Anschlußklemmen geladen und über einen weiteren Thyristor der speisenden Stromquelle gegensinnig über den Schaltthyristor und eine diesem beigegebene antiparallel geschaltete Diode entladen wird. Als nachteilig erweist sich jedoch hier wie bei einer Vielzahl entsprechend aufgebauter elektrischer Wechselrichter, daß der Frequenz des zu bewirkenden Wechsel- oder Dr?hstromes eine relativ niedrige obere Grenze gesetzt ist. Es ist nämlich erforderlich. Thyristoren zur sicheren Löschung für ein nicht zu kurzes Zeitintervall abzuschalten. Eine solche Abschaltzeit ii ist bereits zwischen der Abschaltung des den Kondensator entladenden und dem Zünden des ihn wieder aufladenden Kondensators erforderlich, um ein gleichzeitiges Leiten beider Thyristoren des Steuerkreises, das die speisende Stromquelle kurzschließen würde, sicher auszuschließen.

Ebenso bedingen die Thyristoren des Brücken-Wechselrichters eine Abschaltzeit i2 während des Leitens des den Kondensator ladenden Thyristors. Derartige, bei üblichen Thyristoren erforderliche Abschaltzeiten betragen etwa 100 iisec, so daß die Summe der Abschaltzeiten f 1 + Γ2 = 200 usec beträgt Wird nun bspw. die Arbeitsfrequenz eines 3-Phasen-VoIIweg-Brücken-Wechselrichters mit 200 Hz angenommen, so beträgt die Dauer einer einzelnen Periode 5 msec und die Summe der innerhalb einer Periode sechsfach auftretenden Abschaltzeiten beträgt 1,2 msec Das bedeutet aber, daß bei diesen angenommenen Verhältnissen der Effektivwert der vom Brücksn-Wechselrichter abgegebenen Grundwelle auf 78% des Wertes abgesenkt wird, der ohne das Erfordernis derartiger Abschaltzeiten erziclbar wäre. Unangenehm macht sich weiterhin bemerkbar, daß durch das Vorliegen dieser Abschaltzeiten ein unerwünscht hoher und für die gespeiste Last nachteiliger Gehalt harmonischer Oberwellen auftritt. So erscheint bei dem im Beispiel angenommenen 3 Phasen-Vollweg-Brücken-Wechselrichter an dessen Ausgang zwar nicht die dritte Harmonische, aber schon die fünfte Harmonische nimmt unvorteilhaft hohe Werte an. Des weiteren zeigt dieses Beispiel, daß die Abschalteten unabhängig von der Periodendauer mit einem festen Wert in diese eingehen, der oben angegebene Prozentualwert verringert sich daher mit absinkender Periodendauer und steigender Frequenz, wie auch der Anteil der Harmonischen mit steigender Frequenz zunimmt, so daß sich eine mögliche obere Grenzfrequenz in Abhängigkeit von den noch zulässigen Werten ergibt und der Betrieb überhaupt unmöglich wird, wenn die Periodendauer sich der Summe der Abschaltzeitcn nähert.

Grundsätzlich vermeiden lassen sich die Abschaltzciten der Thyristoren eines elektrischen Wechselrichters flicht, wenn die Last beeinträchtigende und die speisende Stromquelle belastende Kurzschlüsse ausgeschlossen werden sollen. Es ist bereits vorgeschlagen, /um Reduzierender Abschaltzeit ii beim Einschalten des den Kondensator aufladenden Thyristors den /u dessen Entladung vorgesehenen kurzzeitig mit einer gegenpoligen Spannung zu beaufschlagen, die durch eine Induktivität bewirkbar ist, die mit einer im Stromkreis des den Kondensator ladenden Thyristors vorgesehenen gekoppelt ist. Hierfür sind jedoch Spannungswerte erforderlich, die die der speisenden Spannungsquelle um das Drcibis Vierfache übertreffen und durch ihre hohe Spannung die zu löschenden Thyristoren durch eine zu .Spannungsdurchschlägen neigende Beanspruchung gefährden. Da im allgemeinen für höhere Nennspannungen vorgesehene Thyristoren auch längere Abschaltzeitcn erfordern, stellt der Einsatz üblicher Thyristoren höherer Spannungsfestigkeit keine Lösung des anstehenden Problemes dar. und aufwendige, auch bei hoher Nennspannung relativ kurze Abschaltzeiten aufweisende

Speziaitypen beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit in unzulässigem Maße.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die erreichbare obere Grenzfrequenz von Thyristoren aufweisenden elektrischen Wechselrichtern der bezeichneten Gattung nach oben zu verschieben und sowohl ihren Wirkungsgrad als auch den Grundwellengehalt des abgegebenen Wechsel- bzw. Drehstromes zu erhöhen, indem die erforderlich werdenden Abschaltzeiten reduziert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Durch die Anwendung des zweiten Steuerkreises ergibt sich hierbei die Möglichkeit, zyklisch wechselnd durch einen der Steuerkreise, den dem Brücken-Wechselrichter vorgeordneten Schalt-Thyristor abzulöschen, während der zweite Steuerkreis für die Löschung jeweils leitender Thyristoren des Brücken-Wechselrichters selbst vorgesehen ist Da hierbei getrennte Steuerkreise wirksam werden, lassen sich die zur Lösung benutzten Umladungen ihrer Kondensatoren zeitlich parallel oder wenigstens zeitlich überlappend durchführen, so daß an die Stelle '-on zwei separaten, und daher in ihrer Auswirkung aufzusummierenden. Abschaltzeiten durch zeitlich paralleles Auftreten derselben nur jeweils eine einzige tritt, und die effektive Summe der Abschaltzeiten bis auf 50% der beim Stand der Technik in Betracht zu ziehenden absenkbar ist sowie die obere Grenzfrequenz, der Grundwellengehalt und der Wirkungsgrad dementsprechend angehoben werden.

Grundsätzlich ist es bekannt, bei elektronischen Wechselrichtern mehr als einen Steuerkreis vorzusehen; diese sind aber aus anderen Gründen und mit einer anderen Funktion eingesetzt und vermögen nicht, die der Erfindung vorangestellte Aufgabe zu lösen. So ist bspw. in der F i g. 1 der DE-OS 14 38 446 ein einen Brükkengleichrichter und einen Steuerkreis aufweisender elektrischer Wechselrichter gezeigt, zu dessen Speisung zwei gegenpolige Gleichstromquellen erforderlich sind. Bei der Wciti "bildung nach F i g. 2 wird zwar zur Speisung des dort gezeigten Wechselrichters nur eine Gleichstromquelle benötigt, dafür sind aber beidseitig der Last je eine Gleichrichteranordnung und ein jeweils dieser Glcichrichteranordnung zugeordneter Steuerkreis erforderlich, ohne daß hierdurch die anstehende Aufgabe geiost wird. Das gleiche gii; für die DE-OS 19 61 195. deren Fig. 1 der Fig. 2 der vorerwähnten Offcnlcgungsschrift entsprich». Auch der Vergleich der Fig. 4 der FR-PS 14 04 651 mit der Fig. 3 der FR-PS 15 IO 107 zeigt zwar die Einführung eines zweiten Steuerkreises, dieser wurde jedoch erforderlich, um die in den F i g. 4 gezeigten antiparallelen Dioden durch antiparallele Thyristoren ersetzen zu können; diese Weiterentwicklung war ohne erfinderische Einsicht nicht möglich, und sie läßt stet) auch auf eine Anordnung nach der Gattung der vorliegenden Erfindung nicht übertragen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unieransprüchen gekennzeichnet

Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert. I iicrbei zeigt im einzelnen

Fig. I das Schaltbild eines selbsterregten elektrischen J- Phasen-Wechselrichters.

Fig. 2 diagrammatisch den zeitlichen Stromverlauf durch Thyristoren der Fi g. 1,

F i g. 3 schematisch die am Ausgang des Wechselrichters nach Fig. I auftreter.ten zeitlichen Spannungsverliiufe und damit die bewirkten periodischen Wellenformen, und

Fig.4—6 drei weitere Ausführungsbeispiele von elektrische» 3-Phasen- Wechselrichtern.

In F i g. 1 ist das Schaltbild eines selbstgelöschten 3-Phasen-Vollweg-Brücken-Wechselrichters dargestellt, der von einer Gleichspannungsquelle 10 gespeist wird, die konstante oder variable Spannung liefert Der positive Pol der Gleichstrom-Spannungsquelle IO ist über einen Schaltthyristor 21 mit einer antiparallel zugeordneten Diode 22 mit dem positiven Pol P eines durch Hauptthyristoren gebildeten Brücken-Wechselrichters verbunden, dessen negativer Pol Λ/an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle 10 angeschlossen ist Mit der Gleichspannungsquelle 10 sind weiterhin zwei Steuer- bzw. Löschkreise verbunden, die jeweils in Reihe angeordnet, einen Thyristor 11 bzw. 15, zwei Induktivitäten 12, 13 bzw. 16, 17 sowie einen weiteren Thyristor 14 bzw. 18 aufweisen. Die miteinander verbundenen Enden der Induktivitäten sind jeweils über einen Umsehaltkondensator 19 bzw. 20 auf den Pol P des Brücken-Wechselrichters geführt. *ier in drei Zweigen jeweils Hauptthyristoren 23, 24 bzw. 25, 26 sowie 27, 28 enthält, denen antiparallel geschaltete Rückstromdioden 29 bis 34 zugeordnet sind. Die Mittelbrükken der drei Zweige sind mit den Ausgangsklemmen R, S sowie T zur Speisung der als Verbraucher vorgesehenen Last 35 ausgestattet

Das Arbeiten des 3-Phasen-Brücken-Wechselrichters nach F i g. 1 wird nunmehr anhand der Diagramme der F i g. 2 und 3 beschrieben. Zu Beginn einer Schaltperiode werden die Thyristoren 14 und 15 gezündet, so daß die Kondensatoren 19 und 20 durch die Gleichspannungsquelle 10 auf die angegebene Polarität aufgeladen werden. Nach Abschluß der Ladung löschen die Thyristören mangels Strom selbständig. Der Schaltthyristor 21 ist ebenso wie die Hauptthyristoren 23,25 und 28 des Brücken-Wechselrichters gezündet.

Das Umschalten des Stromes des ersten Brückenzweiges von dessen Hauptthyristor 23 auf den Hauptthyristor 24 geschieht wie folgend erläutert: Zunächst wird der Thyristor 11 gezündet, so daß die Spannung des Kondensators 19 nunmehr über den Thyristor 11 und die Induktivität 12 Schaltthyristor 21 anliegt und der Kondensator über den hierdurch gebildeten Kreis entladen wird. Sobald der Entladestrom des Kondensators den Wert des gegensinnig gerichteten Arbeitsstromes des Schaltthyristors 21 überschreitet, wird dieser stromlos, und die restliche Entladung erfolgt über die antiparallel geschaltete Diode 22. Durch die hierbei an dieser auftretende Durchlaßspannung wird der Schaltthyristor 21 mit etwa 1 V negativ vorgespannt, der durch Kompensieren seines Arbeitsstromes und zusätzliches Anlegen einer negativen Spannung sofort verlischt Der Entladestrom des Kondensators 19 stellt eine durch die Kapazität und die Induktivität bestimmte Halbwelle einer Schwingung dar, die m^;t der Ladung des Kondensators im Gegensinne endet

Praktisch gleichzeitig bewirkt die Zündung des Thyristors 18 die Entladung des Kondensators 20 über die Induktivität 17 und die drei Brückenzweige: Strom übernehmen hierbei die Rückstromdiode 30 und der Hauptthyristor 23, die Rückstromdiodt M und der Hauptthyristor 25 sowie die Rückstromdiode 33 und der Hauptthyristor 28. Die Hauptthyristoren werden hierbei durch den dem Arocitsstrom überlagerten gegersinnigen Entladestrom abgeschaltet, der dann von den Rückstromdioden 29,31 und 34 übernommen wird.
Hier ist die Umladung des Kondensators 20 ebenfalls

nach einer Halbwelle beendet. Auch der von den Rückstromdioden 29,31 und 34 übernommene Entladestrom bewirkt das Auftreten einer Durchlaßspannung in der Größenordnung von elwa 1 V, welche die antiparalielen Hauptthyristoren 23 bis 28 zusätzlich durch negatives Vorspannen ihrer Entladungsstrecke sperrt. Die Entladezeit des Kondensators 20 ist so bemessen, daß sie die zum Löschen der Hauptthyristoren 23 bis 28 erforderliche Zeit überschreite;! und diese daher sicher sperrt. Da>nit ist der Brücken-Wechselrichter gesperrt, und die Entladungen seiner Hauptthyristoren sind sicher beendet.

Mit der erneuten Zündung des Schaltthyristors 21 werden auch die Hauptthyristoren 24,25 und 28 gezündet, so daß die Umschaltung vom Hauptthyristor 23 auf den Hauptthyristor 24 über eine Löschungsphase bewirkt ist, welche den erforderlichen Abschaltzeiten entspricht.

Hat die nunmehr erreichte Zündung der Thyristoren für etwa V₆ Periode angedauert, so ist vom Thyristor 28 auf den Thyristor 27 umzuschalten. Hierfür wird der Thyristor 15 gezündet, der den Kondensator 20 entlädt und im ursprünglich dargestellten Sinne wieder auflädt. Diese Umladung erfolgt über den Schaltthyristor 21, und der Entladestrom des Kondensators 20 ist dem Arbeitsstrom des Schalttlhyristors 21 entgegengerichtet, so daß entsprechend der obigen Beschreibung der Schaltthyristor 21 erneut gelöscht wird und die restliche Umladung des Kondensators über die antiparallele Diode 22 erfolgt. Praktisch anschließend wird der Thyristor 14 gezündet, welcher die Umladung des Kondensators 19 bewirkt und hierbei die Thyristoren 24 und 25 und 28 des Brücken-Wechselirichters löscht. Danach wird die nächste Leitungsphase des Wechselrichters eingeleitet, indem der Schaltthyristor 2i sowie die Thyristoren 24, 25 und 27 gezündet werden.

Die beschriebene Anordnung arbeitet demnach als selbstgelöschter Drei-Phasen-Brücken-Gleichrichter, indem jeweils nach einem Sechsei der Perioden wechselweise die Thyristoren 11 und 18 bzw. 14 und 15 gezündet werden und die zugeordneten Kondensatoren 19 bzw. 20 umladen; der impulsartige Strom dieser Thyristoren ist in den F i g. 2a und 2b wiedergegeben. Hierbei kann jeweils einer dieser Thyristoren, bspw. der Thyristor 18, gezündet werden, ehe der andere, bspw. Thyristor 11, gelöscht ist, da diese jeweils etwa parallel zu zündenden Transistoren in unterschiedlichen Steuerkreisen angeordnet sind und jeweils der andere zu dem Steuerkreis gehörende Thyristor gelöscht ist, so daß Kurzschlüsse der speis.enden Spannungsquelle 10 sicher vermieden werden, auch wenn bspw. der Thyristor 18 noch während der Leii.phase des Thyristors 11 gezündet wird. Damit aber können die erforderlichen Abschaltzeiten zeitlich parallel oder mindestens einander überlappend vorgesehen sein, so daß die effektive Abschaltzeit nicht aus der Summe der einzelnen, sondern nur aus dem sie enthaltenden Intervall sich ergibt. Damit aber ergibt sich durch Überlappung je zweier Abschaltzeiten eine erhebliche Verkürzung der gesamten Abschaltzeit und damit die gewünschte Steigerung sowohl des Effektivwertes der an den Ausgangsklemmen R, S, Γ auftretenden Grundwelle als auch eine erhebliche Reduktion der fünften Harmonischen, so daß auch die in den F i g. 3 dargestellte Ausgangswellenform erheblich verbessert wird. Das interval! der völligen Abschaltung des Brükken-Wechselrichters läßt sich auf die Zeit verringern, die entsprechend der F i g. 2e für das sichere Löschen des Schaltthyristors 21 erforderlich ist; diese Abschaltzeiten entsprechen denen der Thyristoren ti und 18 gemäß F i g. 2a und 2b sowie 14 und 15 gemäß F i g. 2c und 2d. Die Stromführung der Hauptthyristoren 23 bis 28 des Brücken-Wechselrichters ist anhand der Fig. 2f bis 2k veranschaulicht, während die Fig. 3a bis 3c die Wellenformen der zwischen den Phasenlcitungen R. S und Tauftretenden Spannungen veranschaulichen. Damit ist gezeigt, daß auch hier die Abschait/eiten auf jene reduziert sind, die für das Abschalten der Hauptihyristören 23 bis 28 unbedingt erforderlich sind. Die F i g. 3 lassen ohne weiteres erkennen, daß durch die Merkmale der Erfindung der Effektivanteil der Grundwelle erhöht und der der Harmonischen reduziert wurde; darüber hinaus läßt sich auch die Arbeitsfrequenz gegenüber der mit der Anordnung nach der US-PS 35 3S419 erreichbaren erheblich bis auf etwa den doppelten Wert steigern, ohne daß es erforderlich wird, die die Umschaltung bewirkenden Thyristoren mit überhöhten Spannungsspitzen zu beaufschlagen, so dau wohlfeile Tiiyri-

stören relativ geringer Nennspannung eingesetzt werden können.

In F i g. 4 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel gezeigt, das bei im wesentlichen gleichartigen Aufbau, dem durch Verwendung der gleichen Referenznummern für gleiche Teile Rechnung getragen ist, eine zusätzliche, dem Schaltthyristor 21 und dessen antiparalleler Diode 22 vorgeordnete Induktivität 40 aufweist. Bereits selvgeringe Werte dieser Induktivität 40 bewirken eine erwünschte Dämpfung der Steilheit der Spannungsänderung dV/dt und damit eine weitere Korrektur der bewirkten Wellenform.

Eine weitere Variante des elektrischen Wechselrichters ist in Fig. 5 dargestellt: Die in den Steuerkreisen vorgesehenen Induktivitäten sind nicht aufgeteilt und in

Serie mit den Thyristoren vorgesehen, die Induktivitäten 50 und 51 sind jeweils in Serie mit den Kondensatoren 19 und 20 angeordnet. Diese Vereinfachung empfiehlt sich insbesondere dann, wenn niedrige Eingangsspannungen umzurichten sind und auch die Steilheit des

Spannungsanstieges dV/dt gering ist. Grundsätzlich ergibt sich auch hier die oben beschriebene Funktion, die Anzahl der benötigten Induktivitäten, deren Reaktanz gering sein kann, ist auf die Hälfte reduziert.

Bei einer weiteren, im Schaltbild der Fig.6 dargestellten Variante ist die Anordnung der Induktivitäten 50 und 51 aus der Anordnung nach F i g. 5 übernommen, gegenüber den vorbeschriebenen Ausführungsbeispiclen jedoch sind der Brücken-Wechselrichter und der Schaltthyristor 21 in ihrer Lage vertauscht. Ferner ist

zur ursprünglichen Ladung der Kondensatoren 19 -nd 20 eine gesonderte Spannungsquelle 60 in Verbindung mit zusätzlichen Thyristoren 61 und 62 vorgesehen. Grundsätzlich wird auch hier die gleiche Funktion erreicht wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen. Insbesondere bei niedriger Betriebsspannung der Gleichstrom Spanr.ungsquelle 10 bzw. des Brücken-Wechselrichters jedoch lassen sich auf diese Weise die Kondensatoren 19 und 20 auf eine Spannung aufladen, weiche die der Gleichstrom-Spannungsquelle 10 derart überschreitet, daß die für die jeweiligen Umschaltvorgänge erforderlichen Ladungen sicher zur Verfugung stehen.

Obwohl die Ausführungsbeispiele der F i g. I und 4 bis 6 jeweils Drei-Phasen-Brücken-Wechselrichter zei-

gen, ist die voriiegende Erfindung nicht auf diese beschränkt; sie kann mit gleichen Vorteilen auch für einphasige oder andere mehrphasige Wechselrichteranordnungen Verwendung finden. So kann bspw. ein ein-

phasiger Brücken-Wechselrichter vier in einer Brücke verbundene Hauptthyristoren sowie vier ihnen antiparallel zugeordnete Rückstromdioden aufweisen, und das Kommuticren der Thyristoren kann entsprechend dem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Il

55 60 65

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Wechselrichter mit einem Steuerkreis, der einen ersten und einen zweiten Umschaltthyristor aufweist, die, in Serie verbunden, einer Gleichspannungsquelle parallel liegen, und einem dem Steuerkreis parallel geschalteten Hauptschaltkreis, der einen Schaltthyristor mit einer diesem antiparallel geschalteten Diode und, diesen in Serie ge- ίο schaltet, einen aus Thyristoren mit antiparalleien Dioden gebildeten Brückenwechselrichter aufweist, und mit dem Steuerkreis zugeordneten Umschaltkondensator und Induktivität in Serie geschaltet aufweisenden, zwischen der Verbindung des ersten mit dem zweiten Umschaltthyristor einerseits und der Verbindung des Schaltthyristors mit der Brückenanordnung andererseits vorgesehenen Speichermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß parallel der Gleichspannungsquelle (10) ein zweiter, einen dritten und vierten Umschaltthyristor (15, 18) aufweisender Steuerkreis vorgesehen ist, dem als Speichermittel mit ihm in Serie verbundenen Induktivitäten (16,17) zugeordnet sind, an die ein zweiter Umschaltkondensator (20) angeschlossen ist, dessen freies Ende mit dem Schaltthyristor (21) verbunden ist, und daß der erste und der vierte Umschaltthyristor (11, 18) einerseits und der zweite und dritte Umschaltthyristor (14,15) andererseits jeweils alternierend leitend gesteuert werden, so daß der erste und der dritte Umschaltthyristor (11,15) die elektrische Ladung des zugeordneten ümschaltkondensators (19, 20) über den Sckaltthyristor (21) entladen und ihn löschen, während der zw "te und der vierte Umschaltthyristor (14, 18) die elektrische Ladung des jeweils zugeordneten Urnschaltkondensators (19, 20) über den Brückenwechselrichter (23 bis 28) entladen und ihn abschalten, sobald eine Umschaltung des Hauptthyristors des Brückenwechselrichters bewirkt wird.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem den Thyristoren (23 bis 28) des Brückenwechselrichters vorgeordneten Schaltthyristors (21) sowie dessen antiparalleler Diode (22) eine Reaktanz (Induktivität 40) vorgesehen ist.

3. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Speicherung der die Umschaltung bewirkenden Energie über jeweils den Steuerkreisen zugeordnete weitere Thyristoren (61, 62) von einer gesonderten, konstanten Spannungsquelle (60) beaufschlagbar sind.