DE2158306C2 - Frequenzumformer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzumformer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS-14 33 635 ist bereits ein Frequenzumformer mit einer Leistungsgleichrichterstufe und einer Leistungswechselrichterstufe zum Umformen der von dem Leistungsgleichrichter erzeugten Gleichspannung in eine Wechselspannung vorgegebener Frequenz bekannt Zur Steuerung der in der Gleichrichterstufe und der Wechselrichterstufe vorgesehenen gesteuerten Gleichrichterelemente sind Stromkreise vorgesehen. Ferner ist ein Sicherheitsstromkreis vorgesehen, der als logisches Element ausgebildet ist und der die Übermittlung der Zür.dsignale sperrt, wenn die Spannung am Eingang der Leistungswechselrichterstufe die Spannung

jo an seinem Ausgang um einen vorgegebenen Wert übertrifft.

Bei bekannten Frequenzumformern treten häufig Störungen, insbesondere beim Starten des Frequenzumformers auf. Die Störanfälligkeit der bekannten Systeme ist darauf zurückzuführen, daß die Eigenschaften statischer Elemente und einige Überlast- und Störzustände, die auftreten können, nicht genügend berücksichtigt wurden. Infolge der Komplexität der Schaltung ist die Zahl dieser möglichen Störzustände außerordentlieh groß und eine mathematische Analyse praktisch unmöglich.

Aus der DE-OS 16 38 600 ist eine Starteinrichtung für einen Wechselrichter bekannt, der aus einer dem Eingang des Wechselrichters parallel geschalteten Vorstromeinrichtung für die Glättungsdrossel im Zwischenkreis und einer im Lastkreis angeordneten Anschwingeinrichtung besteht. Die Vorstromeinrichtung enthält eine Reihenschaltung eines Widerstandes mit einem geeigneten Schalter z. B. einem Thyristor.

so Kurz vor dem Startmoment des Wechselrichters wird der Schalter eingeschaltet und die speisende Gleichspannungsquelle liefert über die Glättungsinduktivität des Gleichstromkreises einen Vorstrom, der durch die Größe des Widerstandes bestimmt wird. Die Starteinrichtung im Lastkreis des Wechselrichters enthält einen Startkondensator, der von einer Fremdspannungsquelle eine geeignete Ladung erhält und im Startmoment über einen geeigneten Schalter auf den Parallelschwingkreis geschaltet wird.

bo Zum Anschwingen des Parallelschwingkreises wird der Starthilfskondensator auf den Schwingkreis zugeschaltet. Dadurch entsteht am Schwingkreis eine abklingende Schwingung, die von der Steuerung erfaßt wird und geeignete Zündimpulse für die Wechselrichterthyristoren liefert. Diese Starteinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß sie für den Wechselrichter einen verhältnismäßig großen Aufwand bedingt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe

zugrunde, einen Frequenzumformer der eingangs genannten Art anzugeben, der unter Vermeidung eines zu großen Aufwandes die beim Betrieb eines statischen Frequenzumformers bisher aufgetretenen Störungen, insbesondere beim Starten, vermeidet

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Frequenzumformer mit den kennzeichnenden Merkmalendes Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Umformersystem weist eine Reihe von bedeutsamen Vorteilen auf:

1. Es gestattet den Betrieb an Ein- oder Dreiphaseneingängen mit Frequenz- und Spannungsschwan- r> kungen innerhalb weiter Grenzen ohne Beeinträchtigung der vorgeschriebenen Ausgangssollwerte.

2. Durch einfache Änderung der Ausgangsspannung und Frequenz kann die Ausgangsgröße hohen Spezifikationsanforderungen angepißt werden, und der Frequenzbereich läßt sich in einfacher Weise durch Verwendung doppelter Ausgangsfilter erheblich erweitern.

3. Der Eingang ist vom Ausgang isoliert, und zwar erfolgt dies zur Verringerung von Gewicht und Kosten an dem höherfrequenten Ende des Umformers.

4. Das neue Anfahrsystem (Startschaltung) gemäß der Erfindung verhindert Start-Ausfälle und -Störzustände, welche eine häufige Störursache bei so herkömmlichen Umformern sind.

5. Die nach einer bevorzugten Ausführungsiorm vorgesehene Stoppschaltung verhindert ein Durchbrennen von Sicherungen bei der Abschaltung des Systems, was ebenfalls eine sehr verbreitete Störursache bei herkömmlichen Umformersystemen ist.

6. Die nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Strombegrenzung durch Verstimmi-ng eines Reihenresonanzgliedes im Wechselstromausgangsfilter verhindert einen Ausfall des Filterkondensators und schützt den Umformer gegen ausgangsseitige Überlast- und Kurzschlußzustände.

7. Der erfindungsgemäße Umformer arbeitet zuverlässig bei veränderlichen Lastzuständen, bei Lastumschaltungen sowie unter Netzeinschaltzuständen; alle diese Zustände stellten für die bekannten Umformersysteme nicht gelöste Probleme dar.

8. Der Modul-Aufbau des Systems gestattet wirtschaftliche Herstellung der Anlagen mit großer Anpassungsfähigkeit für veränderliche Anforderungen.

Eine typische Spezifikation für eine Dreiphasenumformer-Anlage gemäß der Erfindung ist wie folgt:

Netzeingang

Spannung Dreiphasen 415/240 V

oder Einphasen 240 V

Frequenz: 40-60Hz

Schwankungsbereich: ± 10% Spannung
Ausgang

Spannung 200/115 Dreiphasen

Frequenz: 400 Hz b5

Ausgangsleistung: nach Wunsch
Spannungsstabilität und -regelung:

± 1 % für alle Netz- und Verbraucherlastzustände Frequenzstabili tat:

kleiner als 1% des Nennwerts Wellenform:

sinusförmig mit einem Gesamtanteil von

Harmonischen kleiner als 5%
Nennspannungsbereich:

±10% nominal
Nennfrequenzbereich:

± 7% nominal
Lastleistungsfaktor:

0,1 Phasenvoreilung bis 0,1 Phasennacheilung Wirkungsgrad:

nicht kleber als 80%

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Dreiphasen-Umformers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig.2 ein Blockschaltbild eines Einphasen-Umformers gemäß der Erfindung;

Fig.3 bis 14 Detailschaltbilder von Schaltungsteilen des Gesamtumformers gemäß den F i g. 1 oder 2, und zwar

F i g. 3 den Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler (Gleichrichter-Teil der Anlage;

F i g. 4 den Gleichstromfilterteil; F i g. 5 den Wechseirichterteil;

F i g. 6 den Wechselstromfilterteil; F i g. 7 den Strombegrenzerteil;

F i g. 8 die Wechselrichter-Steuertreiberschaltung; F i g. 9 den Dreiphasenrechteckgenerator;

Fig. 10 den Gleichstromstabilisator bzw. -konstanthalter;

F i g. 11 die Startschaltung;

F i g. 12 die Stoppschaltung;

Fig. 13 den Wechselstrom/Gleichstrom-Regler; F i g. 14 die Diffusionskapazitätsschaltung.

Dreiphasen-Frequenzwandlersystem — F i g. 1

Das erfindungsgemäße System kann aus einem Dreiphasen-Vierleiter-Eingangssystem oder einem Einphasen-Eingangssystem betrieben werden. F i g. 1 zeigt eine Dreiphasenspeisung, wobei jedoch jedes Wandlersystem zwischen Leiterphase und Neutral- oder Nulleiter betrieben wird; zum Übergang auf Einphasen-Speisung brauchen lediglich die Eingänge A, B und C eingangsseitig parallelgeschaltet zu werden.

Die Speisenetzspannung wird einem Wechselstrom-Gleichstrom- Wandler-(Gleichrichter)-Abschnitt zugeführt, welcher die Netzspannung in eine veränderliche Speisegleichspannung umwandelt (wie weiter unten noch beschrieben wird). Diese Gleichspannung ist veränderlich, um die Ausgangsspannung des Systems auf den richtigen oder Sollwert regeln zu können.

Da die Speisegleichspannung »pulsiert«, folgt auf den Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler-(Gleichrichter) ein Gleichstromfilterabschnitt zur Erzeugung eines geglätteten Gleichstrompegels für den Betrieb des Umformers.

Die Speisegleichspannung wird über flinke Sicherungen FSl, FS2 und FS3 (zur Absicherung der Thyristoren) einem erfindungsgemäß ausgebildeten Einphasen-Brückenwechselrichter zugeführt, welcher der jeweiligen Gleichstrompegel in eine »Rechteck«- Ausgangswechselspannung mit der gewünschten Ausgangsfrequenz umwandelt.

Die WechselsDannunE mit Rechteck-Wellenform

wird sodann einem Filterabschnitt zugeführt, in welchem der Hauptteil der in der Rechteckwellenform enthaltenen Harmonischen entfernt und so eine nahezu sinusförmige Ausgangsgröße (mit weniger als 5% Gesamtanteil an Harmonischen und weniger als 3% ϊ Gehalt an einer einzelnen Harmonischen) erhalten wird.

Die Ausgangsgröße des Filters wird sodann einem Spannungstransformator zur Erzeugung der richtigen Ausgangsspannung zugeführt.

Die Ausgangsspannung in jeder Phase wird jeweils κι einem Regler zugeführt, welcher die Ausgangsgröße des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlerabschnitts so beeinflußt, daß die Ausgangsspannung des Systems auf dem gewünschten Sollwert gehalten wird.

In F i g. 1 ist dieses System jeweils dreifach zur ι -» Erzeugung einer Dreiphasenausgangsgröße dargestellt.

Die Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler-iGleichrichter)-Moduleinheiten sind jeweils mit Mitteln zur Speisung einer Gleichstrom-Hitfsschaltung versehen, welche ihrerseits die Speisung für einen »Logik«-Tei! :·' liefert.

Dieser Logikteil weist folgende Schaltungen auf: einen Dreiphasen-Rechteckgenerator, einen Gleichstromstabilisator bzw. -konstanthalter, eine Startschaltung, eine Wechselrichter-Treiber- oder Steuerschal- 2-5 tung.

Der Dreiphasen-Rechteckgenerator ist ein herkömmlicher Rechteck-»Ringzähler« in integrierter Schaltungstechnik, der zur Gewährleistung der richtigen Phasenfolge bzw. -drehung torgesteuert ist und von jo einem »Taktimpulsgenerator« gesteuert wird. ^

Der Gleichstromstabilisator bzw. -konstanthalter dient zur Erzeugung einer stabilen, geglätteten Speisespannung für den Ringzähler und den Taktimpulsgenerator, um eine zuverlässige Arbeitsweise der Logik und Frequenzstabilität zu gewährleisten.

Die Startschaltung bildet einen bedeutsamen Teil des erfirjdungsgemäßen Systems, der gewährleistet, daß die Wechselrichier-Steuer- oder -Treiberschaltungen genau im richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Aufeinanderfolge beaufschlagt werden, zur Vermeidung des Problems, das bisher das Verhallen von Wechselrichtern beeinträchtigt hat, nämlich Anfahrstörungen bzw. -ausfälle.

Die Wechselrichter-Steuer- bzw. -Treiberschaltungen sind herkömmliche Push-pull-Transistor/Transformator-Schaltungen für Thyristor-Wechselrichterbetrieb.

Zwei weiter in F i g. 1 gezeigte und weiter unten im einzelnen beschriebene funktionell Schaitungsgruppen sind die jedem der Wechselstrom/Gleichstrom-Wand- so ler-(Gleichrichter) zugeordneten Stoppschaltungen sowie die in jedem der Wechselstromfilter vorgesehenen Strombegrenzerschaltungen.

Beide Schaltungsgruppen erfüllen bedeutsame Funktionen, durch welche prinzipielle Wechselrichterprobleme gelöst werden.

Die Stoppschaltung gewährleistet eine zuverlässige Stromlosmachung des Wechselrichters sowohl beim Abschalten wie auch bei (lang- oder kurzzeitigen) NetzausfäUen, wodurch der Neigung des Wechselrichters zur Fehlkommutation bei der Abschaltung vorgebeugt wird.

Die Strombegrenzerschaltung erfüllt zwei Funktionen, die bisher ein erhebliches Problem darstellten; zum einen überwacht sie die Filter-Kondensator-Reihenspannung und verhindert einen Oberspannungs-Ausfall dieses Schaltungsteils; und zum anderen gewährleistet sie, daß der Wechselrichter bis in hohe Überlast- oder Kurzschluß-Ausgangszustände arbeitet, ohne Gefahr der Beschädigung des Systems und ohne daß die Sicherungen auslösen. Hierdurch wird gewährleistet, daß der Wechselrichter augenblicklich wieder an Leitung liegt, sobald die Überlast oder der Kurzschluß beseitigt ist.

Fig.2 stellt eine einfache Einphasenausführung des Systems aus F i g. 1 dar, die in genau der gleichen Weise wie das Dreiphasensystem arbeitet, wobei in diesem Fall lediglich der Basispulsgenerator vereinfacht als Einphasenvorrichtung ausgebildet ist. Im übrigen sind sämtliche Schaltungsteile und Modulabschnitte von gleicher Art wie in Fig. 1.

Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler (Gleichrichter) Fig.3

Dieser Abschnitt ist ein einfacher halbgesteuerter Vollweg-Brückengleichrichter. Die Steuerung erfolgt mittels der Thyristoren CSR 1 und CSR 2. Zwei Dioden D\ und D 2 vervollständigen die Brücke. D 3 ist eine »freilaufende« Diode zur besseren Brückenkommutation.

Wie in dem Schaltbild gezeigt, erhält diese Schaltung eine sinusförmige Eingangsgröße aus dem Netz und liefert eine pulsierende Gleichstromausgangsgröße, deren Pegel durch das System gesteuert wird.

Gleichstromfilter — F i g. 4

Hierbei handelt es sich um ein einfaches LC-Filter, das den von dem Wechselstrom/Gleichstrorrwandler (Gleichrichter) gelieferten pulsierenden Gleichstrom integriert und dem Wechselrichterabschnitt zuführt. Der Filterausgang ist ferner auch mit der überaus bedeutsamen Stoppschaltung verbunden.

Die Auslegung der LC-Schaltung stellt einen Kompromiß zwischen der Einschwingansprechdauer des Systems und der Modulation der Ausgangsgröße mit der Netzspeisefrequenz dar, und kann daher infolge dieser manchmal einander widersprechenden Forderungen unterschiedlich gewählt werden.

Gleichstrom/Wechselstrom- Wandler (Wechselrichter) Fig.5

Der Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (Wechselrichter) ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter vollgesteuerter Brückenwechselrichter. Als Schalterbauteile sind Thyristoren CSRl, CSR 2, CSR 3 und CSR 4 vorgesehen, mit Fangdioden D5,D6,D7 und D 8.

Als Eingangsgröße wird der Brücke der integrierte Speisegleichstrom von dem Gleichstromfilter zugeführt. Die Ausgangswechselspannung wird in der folgenden Weise erzeugt:

Die Thyristoren CSR1 und CSR 4 werden mit entsprechenden Torsteuerimpulsen eingeschaltet Der Strom fließt von positiv nach negativ über CSR1, D 5, über die Verbraucherlast, DS und CSR 4. Hierdurch werden gleichzeitig auch Kommutationskondensatoren Cl und C2 auf die Speisespannung aufgeladen, und zwar Cl über CSR1, D 6, DS und CSR4, und C2 über CSR 1, D5, D7und CSR 4.

Bei der nachfolgenden Zündung von CSR 2 wird die Stromquelle praktisch kurzgeschlossen, gleichzeitig jedoch auch der Kondensator Cl zur Entladung über CSR1 und CSR 2 veranlaßt Da der Entladungsstrom durch CSR1 in Sperrichtung gerichtet ist, wird dieser Thyristor kommutiert, während CSR 2 unbeeinflußt bleibt

Entsprechend bewirkt die Entladung des Kondensa-

tors C2 durch CSR 3 und CSR 4 eine Kommutierung von CSR 4, während CS/? 3 unbeeinflußt bleibt.

Der Stromfluß von positiv nach negativ verläuft nunmehr über CSR 2, D6, über die Verbraucherlast, Dl und CSR 3, was offensichtlich der entgegengesetzten Stromflußrichtung durch die Verbraucherlast wie zuvor entspricht. Die Kondensatoren CI und C2 laden sich nunmehr wiederum in entgegengesetzter Richtung wie zuvor auf.

Die Fangdioden D 5, D 6, D 7 und D 8 verhindern, daß Leistung aus den Kondensatoren Cl und C2 während der Kommutierung in die Verbraucherlast fließt.

Bei erneuter Einschaltung von CSR1 und CSR 4 wiederholt sich der Zyklus.

Induktivitäten L 1 und L 2 verhindern einen übermäßigen augenblicklichen Stromfluß, wenn sämtliche vier Thyristoren leiten, und begrenzen gleichzeitig die Ladegeschwindigkeit der Kondensatoren Cl und C2,

um die Thyristoren gegen —Störung zu schützen.

df

Die Dioden Di, D 2 und D3, D4 arbeiten im »Freilauf«-Betrieb; sie absorbieren Blindlastleistung und verhindern eine Thyristor-Kommutationsstörung.

Jeder Transistor ist außerdem durch »Diffusionskapazitäts«-Schaltungen gemäß F i g. 14 abgesichert.

Wechselstromfilter — F i g. 6

Das Wechselstromfilter ist ein dreistufiges Filter. LiCX ist ein auf die Wechselrichtergrundfrequenz abgestimmtes Reihenresonanzglied, das für sämtliche Harmonische eine hohe Impedanz darstellt, während es für die Grundfrequenz eine niedrige Impedanz ist. L2C2 ist ein ebenfalls auf die Grundfrequenz abgestimmtes Parallelresonanzglied, das eine hohe Impedanz für die Grundfrequenz und eine niedrige Impedanz für die Harmonischen darstellt. Somit wird die Grundfrequenz zum Ausgang durchgelassen, während die Harmonischen von dem Filter gesperrt werden.

Da in einer Rechteckwellenform die dritte Harmonische überwiegt, ist C3L3 in Form eines über dem Ausgang liegenden, auf die Frequenz der dritten Harmonischen abgestimmten Reihenresonanzgliedes als eine Falle für die dritte Harmonische vorgesehen; sie bildet einen impedanzarmen Nebenschlußweg für die dritte Harmonische und unterstützt so den Reihenzweig in seiner Sperrfunktion.

Die Strombegrenzerschaltung ist in Fig. 6 in Blockform angedeutet und wird im folgenden im einzelnen beschrieben:

Strombegrenzer — F i g. 7
Der Strombegrenzer erfüllt zwei Funktionen:

1. Da Cl in Reihe mit dem Ausgang liegt, gilt bei ansteigendem Ausgangsstrom offensichtlich

Da X_c bei einer gegebenen Frequenz eine Konstante ist, muß, wenn / hohe Strompegel erreichen kann, dann entweder die Spannungsauslegung des Kondensators extrem hoch gewählt werden, wodurch C1 groß und teuer wird, oder der Strom muß begrenzt werden, da andernfalls Ci eine Spannungsscbädigung erleidet
Offensichtlich darf der Strom in der Verbraucherlast die Auslegnngswerte nicht übersteigen, wenn es nicht zum Ausfall anderer Schaltungsteile oder zu ernsthafter Überhitzung kommen soll, sofern nicht wiederum der Umformer als Ganzes allgemein größer als normalerweise benötigt ausgelegt wird, was hohe Anlagekosten zur Folge hätte.

Die Strombegrenzerschaltung wirkt wie folgt:

Über C1 liegt eine Spannungsfühlerschaltung, welche eine Widerstandskette und einen spannungsempfindlichen Halbleiter (DIAC i) aufweist.

Des weiteren liegt über Cl eine Drossel L 2 in Reihe mit einem TRIAC(TRIACX).

Sobald der Strom in dem Reihenfilterelement einen auf der Festigkeit des Kondensators und der Gesamtauslegung des Umformersystems beruhenden vorgegebenen Schwellwert erreicht, stellt das DIAC einen »Hochvolt«- oder Überspannungszustand an Cl fest und betätigt das TRIAC, wodurch wiederum L 2 praktisch im Nebenschluß zu C1 geschaltet wird.

Hierdurch wird der Serienzweig vollständig verstimmt, was bewirkt, daß die Ausgangsspannung des Systems absinkt, selbst wenn der Gleichstromregler ausgesteuert ist, und daß der Ausgangsstrom auf einen zulässigen Wert begrenzt wird. Dieses Verfahren hat auch den Vorteil, daß das Filter kapazitiv wirkt und daß es die Wechselrichter-Kommutierung während eines Störzustandes unterstützt.

Wechselrichter-Steuer- bzw. Treiberschaltung
Fig.8

Hierbei handelt es sich um eine herkömmliche Push-puIl-Leistungsstufe, die durch eine Rechteckwelle vom Ringzähler getrieben wird.

Von Interesse sind folgende Gesichtspunkte:

1. kontinuierliche Thyristorsteuerung während der Betätigungs- bzw. Betriebszeit, d. h. keine Kurzzeitimpulse;

Brücken-Überkeuzung einfach durch geeignete Wicklungswahl am Treibertransformator. Der Punkt deutet den »Start«-Wicklungsanschluß an.

Dreiphasen-Rechteck-Generator — F i g. 9

Diese Schaltung besteht aus einem dreistufigen Ringzähler in integrierter Schaltungstechnik. Die drei Flip-Flops (bistabile Schaltungen) sind so selbst-verriegelt, daß sie drei Ausgangsgrößen mit einer Phasenverschiebung von 120° je Stufe erzeugen, wie in dem Wellenformdiagramm angedeutet. Eine Torschaltung mit drei Eingängen überwacht, ob die Betätigungsaufeinanderfolge korrekt ist und »flipt« gegebenenfalls die mittlere bistabile Schaltung, falls dies nicht der Fall ist

Der Ringzähler wird von einem Unijunction-Transistor-Taktimpulsgenerator gesteuert, der auf eine Nennfrequenz von 2,4 kHz eingestellt ist für eine resultierende Ausgangsfrequenz des Wandlers von 400 Hz.

Eine Ausgangsgröße wird auch der Startschaltung zugeführt

Es sei auf folgendes hingewiesen: Der Phasenwinkel des Wandlersystems wird durch die »Logik« mit hoher Genauigkeit definiert jedoch muß bei der Wechselstromfflterabstiininung dafür gesorgt werden, daß der Phasenwinkel unter allen Lastzuständen erhalten bleibt

Gleichstrom-Stabilisator — F ϊ g. 10

Der Gleichstrom-Stabilisator dient zur Gleichstromes speisung für den Oszillator und den Ringzähler, zur Vermeidung von Rauschproblemen im Ringzähler und um den Umjunrtron-Taktnnpulsgenerator auf einer stabilen Frequenz zu halten.

Hierbei handelt es sich um eine völlig herkömmliche Schaltung, mit einem in Reihe liegenden Transistor, einer Widerstandskette als Spannungsfühler, sowie mit einem Verstärker, welcher die Ausgangsspannung mit einer Bezugsspannung vergleicht und den Reihentransistor über eine geeignete Treiberstufe steuert.

Startschaltung — F i g. 11

Die Startschaltung erfüllt zwei Funktionen

Sie gewährleistet eine kleine Zeitverzögerung zwischen der Strombeaufschlagung des Wandlers und dem Beginn des Wechselrichterbetriebs, um eine Stabilisierung der » Logik« sicherzustellen. ι ■> 2. Sie gewährleistet, daß die Leistungszufuhr zu dem Wechselrichterabschnitt im richtigen Augenblick innerhalb des Ringzähler-Zyklus erfolgt.

Der Thyristor CSR 1 bewirkt die Steuerstromzufuhr zu den Wechselrichter-Steuerschaltungen, wobei der Wechselrichter bis zu dieser Zufuhr in einem betriebsbereiten, jedoch noch nicht arbeitenden Zustand verharrt.

Bei Anschaltung des Netzstroms wird die positive 2ϊ Leitung von dem Hilfsstromaggregat mit dem programmierten Unijunction-Transistor PUT\ verbunden, wobei jedoch bis zum Eintreffen des Ringzählersignals noch nichts passiert.

Das Ci, Di, D 2 und C2-Schaltglied wirkt nunmehr jo als ein Dioden-Pumpstufenzähler, bis die Zündschwelle des PUT₁ erreicht ist. Sobald dieser Zustand erreicht ist, zündet der nächste Impuls den PUTi »auf der Vorderflanke«, C2 entlädt sich dann in den Torschaltkreis des Thyristors CSR 1, und den Wechselrichter-Steuerschaltungen wird in diesem genauen Zeitpunkt Strom zugeführt

Stoppschaltung — Fig. 12

Die Stoppschaltung dient dazu, zu gewährleisten, daß die Steuerschaltungen mit Strom versorgt bleiben, wenn das Gieichstromfilter sich bei einem Netzausfaii oder bei Abschaltung der Anlage entlädt da andernfalls eine Fehlkommutation der Wechselrichter-Thyristoren auftreten kann, wodurch Netzsicherungen zum Ansprechen gebracht und die Wiederingangsetzung des Wandlersystems ohne Rückstellung verhindert wird.

Aus dem Wechselstrom/Gleichstrom-Reglerabschnitt wird ein pulsierender Speisestrom einem einfachen Verriegelungssystem zugeführt Über einen Spannungsteiler wird die Basis eines Transistors Ti ' angesteuert, der unter normalen Verhältnissen einschaltet und den Emitter von U] 1 verriegelt, ohne daß etwas Weiteres passiert

Falls jedoch die Speisespannung unter einen vorgegebenen Pegel absinkt, entfällt die Basis-Einschaltsteuerung für den Transistor 7Ί, Ci kann sich aus der in C2 gespeicherten Energie aufladen, wodurch UJi gezündet und CSR1 eingeschaltet wird.

Der Thyristor CSR1 belastet nun das Gleichstromfilter durch die Treiberlast (auf 27 V stabilisierte Zener-Diode) und einen Ballast-Widerstand Rb, bis das Filter vollständig entladen ist, worauf CSR1 automatisch entriegelt und die Schaltung in den Normalzustand zurückstellt

Im »Ein«-Zustand von CSR1 wird der Wechselstrom/Gleichstrom-Regelvorrichtung ein Verriegelungssignal zugeführt, um zu verhindern, daß der Stopp-Zustand aufrechterhalten bleibt, wenn die Netzspannung zurückkehren sollte, bevor das Filter vollständig entladen ist.

Wenn die Netzspannung während des Stopp-Zustands zurückkehrt, so geschieht nichts, bis CSR1 entriegelt, worauf das Wandlersystem in normaler Weise wieder gestartet wird.

Wechselstrom/Gleichstrom-Regler — Fig. 13

Der Wechselstrom/Gleichstrom-Regler dient zur Regelung der Ausgangsgröße des Wechselstrom/ Gleichstrom-Wandlerabschnitts (Gleichrichterabschnitts), derart, daß die Ausgangsspannung des Gesamtsystems auf dem richtigen oder Soü-Betriebswert gehalten wird.

Die Frequenzwandlerausgangsgröße (jeder Phase) wird zu dem zugehörigen Wechselstrom/Gleichstrom-Regler rückgeführt und durch einen Fühltransformator auf einen geeigneten Spannungspegel eingestellt.

Die Ausgangsgröße des Transformators wird einem Brückengleichrichter zugeführt, sodann integriert und an einer Fühl-Widerstandskette in einer Gleichstrom-Pegelfühlschaltung abfallen gelassen.

Dieser Gleichstrompegel wird in einem Differentialverstärker mit einer Bezugsspannung verglichen; die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers dient zur Einstellung eines herkömmlichen Zündwinkel-Phasensteuersystems.

Die Phasenwinkel-Steuergröße wird den beiden Thyristoren in dem Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler (Gleichrichter) über eine Impulsgeneratorstufe und einen Impulstransformator zugeführt.

Bei Anlegen einer Verbraucherlast an das erfindungsgemäße Frequenzwandlersystem sinkt die Ausgangsspannung infolge des Innenwiderstands des Systems ab, der Differenzverstärker stellt die Änderung fest und bewirkt eine solche Veränderung des Zündwinkels, daß die Ausgangsgröße des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers (Gleichrichters) zunimmt, was einen Gesamtanstieg der Ausgangsspannung des Gesamtsystems als Kompensation für die ursprüngliche Änderung zur Folge hat.

In der Zündwinkelsteuerschaltung wurde eine Zeitkonstante bei der anfänglichen Einschaltung des Wandlers vorgesehen, die bewirkt, daß sich die Zwischenstufen-Gleichspannung bei der Einschaltung allmählich aufbauen kann. Hierdurch wild das Problem vermieden, daß die Zwischenstufen-Gleichspannung zu irgendeinem Zeitpunkt die Aufladespannung der Kommutatorkondensatoren nennenswert übersteigt Dieses Merkmal wird als »Weichstart«-Verhalten bezeichnet

Das erfindungsgemäße Umformersystem hat sich als äußerst betriebszuverlässig, wirtschaftlich, ruhig und störungssicher erwiesen. Als besonders bedeutsam sind die folgenden vorteilhaften Eigenschaften und Merkmale hervorzuheben:

1. Erzielung eines zuverlässigen Einschaltvorganges ohne Störzustände oder Durchbrennen von Sicherungen, infolge der erfindungsgemäßen Startschaltung (F i g. 11) und des vorstehend erwähnten »Weichstart«-Verhaltens (F i g. 13).

2. Infolge der erfindungsgemäßen Stoppschaltung (F i g. 12) in Verbindung mit dem guten Start- bzw. Wiederstartverhalten gemäß Punkt 1 vermag der

erfindungsgemäße Umformer auch schwere Netzunterbrechungen zu bewältigen.

3. Durch die Stoppschaltung (Fig. 12) wird ein zuverlässiges Abschaltverhalten ohne Durchbrennen von Sicherungen erreicht.

4. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Brückenwechselrichters, in welchem keine Kommutationsleistung in dem Lastkreis (Transformator) absorbiert wird, kann der erfindungsgemäße Umformer Lastverbraucher mit sehr niedrigen Leistungsfaktoren (0,1 Voreilung bis 0,1 Nachei-

lung) bis herauf zur vollen Lastauslegung +20% Überlast bewältigen.

Durch die Strombegrenzerschaltung (Fig. 7) kann das erfindungsgemäße Gesamtsystem jeden beliebigen Überlastzustand bei beliebigem Leistungsfaktor, einschließlich Kurzschlüssen zwischen Phase/Neutral oder Phase/Phase, ohne Schaden für den Wechselrichter oder Durchbrennen von Sicherungen aushalten und sogleich nach Beseitigung des Störzustands den Betrieb wieder aufnehmen.

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Frequenzumformer mit einer Leistungsgleichrichterstufe und einer Leistungswechselrichterstufe, sowie mit einer Wechselrichtersteuerschaltung und einer Taktimpulsquelle zur Synchronisierung der Wechselrichtersteuerschaltung, gekennzeichnet, durch eine Startschaltung (F i g. 11), die nach Einschalten des Frequenzumformers von der Taktimpulsquelle Taktimpulse empfängt und nach einer Verzögerung, die die Startschaltung durch Abzählen einer vorbestimmten Anzahl von Taktimpulsen mit Hilfe einer Zählschaltung (Ci, C2, D1, D2, Fi g. 11) ermittelt, die Leistungswechselrichterstufe über die Wechselrichtersteuerschaltung in Betrieb setzt, wobei die Verzögerung derart bemessen ist, daß ein stabiler Betrieb der Wechselrichtersteuerschaltung (F i g. 8) erreicht wird.

2. Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungswechselrichterstufe aus einem gesteuerten Brückenwechselrichter (F i g. 5) besteht, und daß mindestens ein Kommutierungskondensator (CX, C 2) vorgesehen ist zur Steuerung der Umschaltungen des Wechselrichters von einem Schaltzustand in den anderen und daß Schaltmittel vorgesehen sind, die die Anstiegsgeschwindigkeit der an die Leistungswechselrichterstufe angelegten Gleichspannung beim Einschalten begrenzen, um eine Fehlkommutierung zu verhindern.

3. Frequenzumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsgleichrichterstufe aus einer thyristorgesteuerten Gleichrichterbrükkenschaltung besteht, und daß die die Anstiegsgeschwindigkeit der Gleichspannung begrenzenden Schaltmittel eine zeitkonstante Schaltung (Fig. 13) zur Steuerung der Zündwinkel der Thyristoren (C. S, R, i) bis (C, S, R, 4) des Brückengleichrichters beim Einschalten umfaßt

4. Frequenzumformer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenwechselrichter (5) Fangdioden (D 5, D6, DT, D8) zur Verringerung des Kommutierungsverluststromflusses von den Kommutierungskondensatoren (Ci, C2) zur Verbraucherlast aufweist (F i g. 5).

5. Frequenzumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichtersteuerschaltung (Fig. 11) durch Einschalten einer Hilfsgleichstromquelle in Betrieb gesetzt wird und daß bei Absinken der Eingangsgleichspannung der Leistungswechselrichterstufe unter einem vorgegebenen Wert ein Schaltkreis (Fig. 12) wirksam wird, der bei Ausschalten des Frequenzumformers oder einer Störung oder Ausfall der zugeführten Wechselspannung der Wechselrichtersteuerschaltung, die in der Leistungsgleichrichterstufe gespeicherte Energie zuführt, um den Betrieb der Wechselrichtersteuerschaltung während der Entladung der in der Leistungsgleichrichterstufe gespeicherten Energie aufrechtzuerhalten.

6. Frequenzumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsgleichrichterstufe eine Gleichstromfilterstufe (Fig.4) umfaßt, die sich über einen Ballastwiderstand der die Leistungswechselrichterstufe bei Abschalten des Frequenzumformers oder Ausfall oder Störung der zugeführten Wechselspannung entladen kann.

7. Frequenzumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungswechselrichterstufe an ihrem Ausgang ein Wechselstromfilter (Fig.6) umfaßt und daß in diesem Wechselstromfilter ein abgestimmtes Reihenresonanzglied (Li, Ci, Fig.6) vorgesehen ist, über welchem eine Strommeßvorrichtung (F i g. 7) liegt, welche bei Erreichen eines vorgegebenen Maximalstroms eine Verstimmung des abgestimmten Reihenschaltungsgliedes (Ci) des Ausgangsfilters (F ig. 6) bewirkt