DE2159030B2

DE2159030B2 - Wechselrichteranordnung in gesteuerter brueckenschaltung

Info

Publication number: DE2159030B2
Application number: DE19712159030
Authority: DE
Inventors: Joseph M Urish
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-11-27
Filing date: 1971-11-29
Publication date: 1977-07-28
Also published as: JPS4711175A; DE2159030A1; US3657633A; DE2159030C3; FR2115401B1; FR2115401A1; JPS5328607B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselrichteranordnung in gesteuerter Brückenschaltung mit mindestens zwei parallelen, an einer Gleichspannungsquelle liegenden Ventil-Längszweigen zur Umwandlung der Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige, der Sinusform angenäherte treppenförmige Ausgangswechselspannung, wobei mindestens ein Ventil-Längszweig als eine eigene vollständige Einphasenbrückenschaltung ausgebildet ist, in deren Wechselstromdiagonale eine Drosselspule liegt, die eine den Wechselstromanschluß bildende Anzapfung aufweist.

Aus der USA-Patentschrift 34 91 282 ist eine Wechselrichteranordnung bekannt, mit der eine treppenförmige, der Sinusform angenäherte Ausgangswechselspannung erzeugt werden kann. Diese Wechselrichteranordnung besteht aus einer Anzahl von miteinander in Reihe geschalteten Wechselrichtern, die jeweils rechteckförmige Ausgangsspannungen mit abwechselnd positiven und negativen Spannungsimpulsen abgeben. Jeder Wechselrichter besteht aus einer Transformator-Mittelpunktschaltung mit zwei Transistoren. Die einzelnen Wechselrichter sind so gesteuert, daß die stufenförmige, durch Spannungsaddition gebildete Ausgangswechselspannung möglichst gut der Sinusform angenähert ist und ein Minimum an Oberschwingungen mi niedriger Ordnungszahl enthält Die Spannungsadditioi erfolgt durch die Reihenschaltung der Sekundärwick lungen der einzelnen Transformatoren. Nachteilig be s dieser Wechselrichteranordnung ist die Tatsache, dal jeder Wechselrichter einen eigenen Transformator mi Primär- und Sekundärwicklung und einem Übertrager kern benötigt, was nicht nur aus Platz- und Gewichts gründen, sondern auch aus Kostengründen unerwünscht

ίο ist

Es ist auch bekannt eine sinusförmige Ausgangswechselspannung mit Hilfe von Hochfrequenz-Brükkenschaltungen durch Modulation der Stromführungszeiten mit der gewünschten Ausgangsgrundschwingung zu erzeugen (Pulsbreiten-Steuerung). Hierbei müssen aber die verbleibenden Oberschwingungen durch besondere Filter ausgesiebt werden. Außerdem werden in den Brückenschaltungen schnell schaltende Schaltelemente benötigt, die r"echt kostspielig sind.

Die eingangs genannte Wechselrichteranordnung ist in dreiphasiger Ausgestaltung aus der französischen Offenlegungsschrift 20 11 529 bekannt. Die bekannte Anordnung umfaßt zwei an derselben Gleichspannungsquelle liegende dreiphasige Wechselrichter-Brücken-

Schaltungen, die um 30° el gegeneinander phasenversetzt gesteuert sind. Jede Brückenschakung umfaßt drei Ventil-Längszweige mit je einer Reihenschaltung von zwei Stromrichterventilen. Zwischen dem Verbindungspunkt eines Ventil-Längszweiges der ersten Brücken-

schaltung und dem Verbindungspunkt des entsprechenden, um 30° el versetzt gesteuerten Ventil-Längszweiges der zweiten Brückenschaltung ist jeweils eine Drosselspule mit einer genau in der Mitte gelegenen Anzapfung angeordnet Eine solche Konfiguration zweier Ventil-Längszweige mit angezapfter Drosselspule läßt sich als vollständige Einphasenbrückenschaltung auffassen, bei der pro Halbperiode der Ausgangswechselspannung ein Schaltspiel durchgeführt wird. Die Drosselspulen sind jeweils Primärwicklungen eines Transformators mit Eisenkern und zwei Sekundärwicklungen, jeweils ist die symmetrisch gelegene Anzapfung der Primärwicklung eines Transformators über die eine Sekundärwicklung des einen und gleichzeitig auch über die eine Sekundärwicklung des anderen weiteren Transformators an einen Wechselstromanschluß gelegt. Zwischen den drei Wechselstromanschlüssen wird eine dreiphasige treppenförmige, der Sinusform weitgehend angenäherte Ausgangswechselspannung abgegriffen. Auch bei dieser Wechselrichteranordnung wird demnach eine Spannungsaddition mit Hilfe von Transformatoren durchgeführt; hierfür gelten die bereits erwähnten Nachteile.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Wechselrichteranordnung so auszugestalten, daß in den einzelnen Ventil-Längszweigen keine besonders schnell schaltenden Stromrichterventile benötigt werden und daß der Aufwand für die als Ausgangstransormatoren verwendeten Drosselspulen auf ein vertretbares Maß reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anzapfung jeder Drosselspule unsymmetrisch angeordnet ist, so daß an den Wicklungsabschnitten Spannungen von unterschiedlichem Betrag liegen, und daß die Steuerung pro Halbperiode der Ausgangswechselspannung mehrere Schaltspiele der Ventile der Einphasenbrückenschaltung in der Weise auslöst, daß sich die Zwischenstufen im treppenförmigen Verlauf der Ausgangs wechselspannung ergeben.

!Hierbei wird also wenigstens eine Brückenschaltung "wendet, deren Ausgänge über eine unsymmetrisch feezapfte Drosselspule verbunden sind. Die Drosselte wirkt als Spartransformator. Ihre Anzapfung ist fit einem Anschluß des Verbrauchers verbanden. Der krag und die Polarität der in zeitlicher Folge heinander am Verbraucher liegenden Differenzinnungen werden so gewählt, daß eine ein- oder ihrphasige Ausgangswechselspannung von sinusfCraem Verlauf mit geringem Oberschwingungsanteil genähert ist Unsymmetrisch angezapfte Drosselspui sind billiger zu fertigen als Ausgangstransformato-I_n mit Primär- und Sekundärwicklungen. Darüber Inaus ergibt sich eine Platz- und Gewichtsersparnis. weiterhin können vorliegend relativ billige Schaltelemente, beispielsweise Leistungstransistoren mit einer Ilativ niedrigen Schaltfrequenz, in den Ventil-Längsyeigen eingesetzt werden. Neben dem Vorteil der ^rwendung billiger Schaltelemente wird bei dieser vFechselrichteranordnung der weitere Vorteil erzielt, daß pro Periodendauer die Zeit begrenzt ist, in der die volle Spannung der Gleichspannungsquelle an den Spartransformatoren liegt. Dies verkleinert den Induktionsfluß in den Spartransformatoren und ermöglicht die Benutzung relativ kleiner Spartransformatoren.

Besonders vorteilhaft ist eine Wechselrichteranordnung, bei der drei Wechselrichter in Brückenschaltung ausgeführt sind und jede Brückenschaltung mit einem Spartransformator mit unsymmetrischem Abgriff versehen ist. Die Abgriffstellungen dieser Spartransformaioren werden so gewählt, daß mit dem Schaltspiel der Stromrichterventile der Brückenschaltung Differenzspannungen zwischen verschiedenen Spannungen gebildet werden. Dabei entsprechen die erhaltenen Differenzspannungen den verschiedenen Kombinationen, die mit den mittels der Abgriffe eingestellten Wicklungsabschnitten der Spartransformatoren möglich sind. Mit den Differenzspannungen wird eine dreiphasige sinusförmige Ausgangswechselspannung zwischen den Abgriffen der Spartransformatoren treppenförmig angenähert, die nur einen geringen Oberschwingungsanteil enthält.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung anhand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung,

F i g. 2a, 2b und 2c das Schema der Wirkungsweise der Wechselrichteranordnung nach F i g. 1,

F i g. 3 und 4 Schaltbilder von weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung.

In F i g. 1 ist die Schaltung einer erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung mit zwei einphasigen Wechselrichtern öl, Bl dargestellt. Jeder Wechselrichter B1, B 2 besteht aus vier steuerbaren Stromrichterventilen Q\ bis Qt bzw. Qi bis Q&, beispielsweise Leistungstransistoren in Brückenschaltung.

jeder Wechselrichter Bi und B 2 besitzt eine als Spartransformator Tl und Tl ausgebildete Drosselspule. Die Spartransformatoren Ti und Tl sind mit einstellbaren Abgriffen TPi und TPl ausgerüstet, die mit einem Wechselstromverbraucher als Last L verbunden sind. Die Stromrichterventile Q₁ bis Qa werden von einem Steuersatz gesteuert, der aus einer Droerammierten Auswahlschaltung 20 und einem Taktgenerator 30 besteht, wobei der letztere Taktimpulse an die Auswahlschaltung 20 abgibt.

Die Form der an der Last L liegenden Wechselspannung, die aus verschiedenen Differenz- oder Teilspan· s nungen treppenförmig zusammengesetzt ist, wird durch das Zusammenwirken der Übersetzungsverhältnisse der Spartransformatoren Π und 7*2 mit der Ansteuerung der Stromrichteryentile Q\ bis Qb durch die Auswahlschaltung 20 bestimmt, wobei das Übersetzungsverhältnis durch die Stellung der Abgriffe TPi und TP2 gegeben ist.

Zur Beschreibung der Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Wechselrichteranordnung sei angenommen, daß mit der Stellung des Abgriffes TPi ein Übersetzungsverhältnis von 15 :85 für den Spartransformator 7*1 und mit der Stellung des Abgriffes TP 2 ein Übersetzungsverhältnis von 35 :65 für den Spartransformator 72 vorgegeben sei. Hierzu ist anzumerken, daß die angegebenen Stellungen lediglich eine der vorhandenen Möglichkeiten repräsentieren, und daß eine Vielzahl anderer Kombinationen für die Übersetzungsverhältnisse gewählt werden kann. Mit den angegebenen Übersetzungsverhältnissen können Differenzspannungen an die Last L gelegt werden, die — bezogen auf Erdpotential - 15%, 35%, 50%, 65% 85% und 100% der Speisegleichspannung £orbetragen.

Eine mit den genannten Übersetzungsverhältnissen erhaltene zusammengesetzte treppenförmige Wechselspannung zeigt Kurve 1 in F i g. 2a. Mit der gezeigten treppenförmigen Kurve wird eine Sinuswelle 2 angenähert.

Eine Wechselspannung entsprechend Kurve 1 der F i g. 2a kann mit einem Schaltspiel für die Wechselrichter B1 und B 2 erhalten werden, das in F i g. 2b tabelliert ist. Beispielsweise wird diejenige Teilspannung der positiven Halbwelle der Kurve 1, die 15% der Speisegleichspannung Edc beträgt, dadurch erhalten, daß die Stromrichterventile Qi und QA des Wechselrichters B1 und die Stromrichterventile Q 5 und Q 7 des Wechselrichters Ö2 angesteuert werden. Bei dieser Aussteuerung liegen am Abgriff TPl 85% der Speisegleichspannung Edc und am Abgriff TP2 100% der Speisegleichspannung Edc· Damit erhält man an der Last L eine Differenzspannung, die +15% der Speisegleichspannung Edc beträgt und die die in F i g. 1 angegebene Spannungspolarität besitzt. Diejenige Teilspannung der negativen Halbwelle dagegen, die ebenfalls 15% der Speisegleichspannung Edc beträgt, wird beispielsweise dann erhalten, wenn die Stromrichterventile Q 2 und QS des Wechselrichters ö 1 und die Stromrichterventile <?6 und Q 8 des Wechselrichters Bl leitfähig sind. Mit dieser Aussteuerung erhält man am Abgriff TPl eine Spannung, die 15% der Speisegleichspannung Eck beträgt, und Erdpotential am Abgriff TP 2. An der Last L liegt damit eine negative Differenz-Spannung, die 15% der Speisegleichspannung Edc beträgt. Die restlichen Teilspannungen der treppenförmigen Kurve 1 der Fig.2a erhält man in gleicher Weise mit den weiteren Schaltspielen, die in Fig.2b angegeben sind.

Die Frequenz der Taktimpulse für die Auswahlschaltung 20 ist beim aufgezeichneten Ausführungsbeispiel 30mal. größer als die Ausgangsfrequenz der Wechselrichteranordnung, wie sich durch Abzählen der Schaltfolge in Fig.2b leicht feststellen läßt Man kann der Schaltfolge in Fig.2b auch entnehmen, daß die Aussteuerung der einzelnen Stromrichterventile der Wechselrichter öl, B2 mit einer erheblich niedrigeren

Tastfrequenz erfolgt, wodurch die Schaltverluste verhältnismäßig klein bleiben.

Außerdem sind die einzelnen Stromrichterventile Qi bis Qi niemals der vollen Belastung ausgesetzt, wie aus der folgenden Aufstellung zu entnehmen ist: s

Die Stromrichterventile <?i und φ führen 85% des vollen Laststromes;

die Stromrichterventile Qi und Qt führen 15% des vollen Laststromes;

die Stromrichterventile Qs und Q₆ führen 65% des ι ο vollen Laststromes, und

die Stromrichterventile Q? und Q» führen 35% des vollen Laststromes.

Damit kann eine hochbelastbare Wechselrichteranordnung aufgebaut werden, ohne daß die beträchtlichen ι s Kosten und Schwierigkeiten von parallelgeschalteten Stromrichterventilen oder anderen Schaltelementen in Kauf zu nehmen sind. Aus der Schaltfolge für die Stromrichterventile nach F i g. 2b folgt weiterhin, daß die Spartransformatoren Ti und Γ2 der vollen Speisegleichspannung von 100% Edc lediglich für eine Länge von 48° einer Periode von 360° ausgesetzt sind. So erhält man beispielsweise am Spartransformator Ti eine positive Spannungszeitfläche während der Aussteuerung der Stromrichterventile Qi und Q*, eine negative Spannungszeitfläche während der Aussteuerung der Stromrichterventile Qi und Qi und eine Spannungszeitfläche Null während der Aussteuerung der Stromrichterventile Qi und Q3 sowie φ und Q*.

Die Spannung am Spartransformator Ti ist in Fig.2c dargestellt, wobei die obenerwähnten Schaltstellungen zugrunde gelegt sind. Da jede Periode nach F i g. 2b insgesamt 30 Schaltabschnitte aufweist, beträgt die Länge jedes einzelnen Schaltabschnitts 12°. Die Tatsache, daß der Spartransformator Π die volle Speisegleichspannung lediglich während vier aufeinanderfolgenden Schaltabschnitten führen muß, bestätigt, daß am Spartransformator Ti die volle Speisegleichspannung lediglich während einer Länge von 48° einer Periode von 360° liegt. Die gleichen Überlegungen gelten für den Spartransformator Tl. Damit werden die Anforderungen an die Transformatorwindungen, verglichen mit einem Transformator, an dem laufend die volle Spannung liegt, beträchtlich verkleinert. So zeigte sich, daß mit einer Wechselrichteranordnung gemäß F i g. 1 eine Ausgangsspannung mit einer Frequenz von 400 Hz selbst dann erzeugt werden kann, wenn die Wechselrichteranordnung mit Spartransformatoren TU T2 ausgerüstet ist, die normalerweise für eine Frequenz von 1,6 kHz geeignet sind. so

Mit der In F1 g. 1 Bezeigten Wechselrichteranordnung läßt sich eine sinusförmige Ausgangswechselspannung mit sehr kleinem Oberschwingungegehalt erzielen, wie die folgenden Angaben zeigen:

ss tionss

Verhaltnil von Scheltelwirt tu Speisegleich· spannung

Verhaltnil von Oberechwlngung

tu Grund*

schwingung

χ 100% to

Grundschwlngung 1,035 -

3. Obinehwingung 0 0

S. Obersehwingung 0 0

7. Obtrichwlngung 0,0243 2,33%

9. Oberschwingung 0 0

11. Obtraehwlngung 0.00176 0.17%

13. Oberschwingung 0,0086 0,83%

Der Modulationsgrad der Wechselrichteranordnung nach Fig. 1 beträgt 1,035. Der Modulationsgrad repräsentiert das Verhältnis des Scheitelwertes der erzeugten sinusförmigen Ausgangswechselspannung zur Speisegleichspannung Edc Der erzielte Modulationsgrad ist verhältnismäßig hoch; dabei ist zu berücksichtigen, daß die Modulationsgrade üblicher Wechselrichteranordnungen nur selten den Wert 1,1 erreichen. Je höher der Modulationsgrad ist, desto niedriger ist der Wert der Speisegleichspannung, die zur Erzeugung einer bestimmten sinusförmigen Ausgangswechselspannung benötigt wird. Ein hoher Modulationsgrad hat weiter den Vorteil, daß die Größe der Spannung, der die Halbleiterschaltelemente, beispielsweise Transistoren, eines Schaltkreises ausgesetzt sind, verhältnismäßig klein ist.

Nach F i g. 1 kann ein Ausgangsfilter F zum Sieben der zusammengesetzten sinusförmigen Ausgangswechselspannung der F i g. 2a verwendet werden. Man erhält mit einem solchen Ausgangsfilter Feine Sinusspannung, wie sie in Kurve 2 von F i g. 2a dargestellt ist.

Weitere Ausführungsbeispiele einer Wechselrichteranordnung sind in den F i g. 3 und 4 schematisch gezeigt.

Nach Fig.3 enthält eine Wechselrichteranordnung 40 einen ersten einphasigen Wechselrichter FBi, in dem Stromrichterventile zu einer vollen Brückenschaltung geschaltet sind, und einen zweiten Wechselrichter HB, in dem Stromrichterventile in Mittelpunktschaltung angeordnet sind. Die Stromrichterventiie Q sind Leistungstransistoren. Die beiden Ausgänge des Stromrichters FBi sind mit einem Spartransformator Γ3 verbunden, der einen einstellbaren Abgriff besitzt. Dieser ist mit dem einen Anschluß einer Last L verbunden. Der andere Anschluß der Last L ist mit dem Ausgang des zweiten Wechselrichters HB verbunden. Die Anzahl der Differenz- oder Teilspannungen, aus denen die Ausgangswechselspannung der Wechselrichteranordnung 40 treppenförmig zusammengesetzt ist, ist kleiner als die Anzahl der Differenz- oder Teilspannungen, die man bei einer Wechselrichteranordnung nach F i g. 1 erhält. Dies folgt aus der verkleinerten Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten im Schaltspiel der Stromrichterventile Q bei der Wechselrichteranordnung 40.

Als Beispiel für eine mehrphasige Wechselrichteranordnung ist in F i g. 4 eine Wechselrichteranordnung 50 mit drei Phasenausgängen dargestellt. Die Wechsel· richteranordnung 50 enthält für jede Phase einen Wechselrichter FB 2. FB3 und FB 4 mit Stromrichterventilen Q in Brückenschaltung. Als Stromrichterventile Q können wiederum Transistoren vorgesehen sein. Jeder Brückenschaltung ist ein Spartransformator Γ 4, TS und 76 zugeordnet. Treppenförmige. zur Sinusform zusammengesetzte Spannungen werden zwischen den Transformatorabgriffen A, B und C die gleichzeitig die Phasenausgange bilden, in Abhängigkeit von deren Stellung und der Schaltfolge für die Stromrichterventile Q erhalten, und zwar in der bereits beschriebenen Weise. Wegen der zusätzlichen Forderung nach festen Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Wechselspannungen bei einer dreiphasigen Wechselrichtern Ordnung und wegen des Spannungsbeitrages jeder Brückenschaltung zur Wellenform der Wechselspannung der beiden anderen Brückenschaltungen muß die Stellung der Transformatorabgriffe der drei Spartransformatoren TA, T$ und Γ6 die gleiche sein.

Es ist zu erwähnen, daß die erfindungsgemäße Wechsclrichteranordnung nicht auf die b isplelhaft

beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. So kann beispielsweise mit der Auswahlschaltung 20 ein Schaltspiel mit unterschiedlicher Impulsdauer ausgelöst sein, oder es kann anstelle einer vorprogrammierten Auswahlschaltung 20 zur Steuerung der Stromrichterventile eine Regeleinrichtung vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wechselrichteranordnung in gesteuerter Brflkkenschaltung mit mindestens zwei parallelen, an einer Gleichspannungsquelle liegenden Ventil-Längszweigen zur Umwandlung der Gleichspannung in eine ein· oder mehrphasige, der Sinusform angenäherte treppenförmige Ausgangswechselspannung, wobei mindestens ein Ventil-Längszweig als eine eigene vollständige Einphasenbrückenschaltung ausgebildet ist, in deren Wechselstromdiagonale eine Drosselspule liegt, die eine den Wechsel-Stromanschluß bildende Anzapfung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzapfung (TP 1, TP2; A, B, Q jeder Drosselspule (TI, T2\ T3; TA, T5, TBj unsymmetrisch angeordnet ist, so daß an den Wicklungsabschnitten Spannungen von unterschiedlichem Betrag liegen, und daß die Steuerung pro Halbperiode der Ausgangswechselspannung mehrere Schaltspiele der Ventile (Q 1 bis QA, Q 5 bis QS; Q) der Einphasenbrückenschaltung (B I, B2; FBUFB2, FB3, FBA) in der Weise auslöst, daß sich die Zwischenstufen im treppenförmigen Verlauf der Ausgangswechselspannung ergeben.

2. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 zur Umwandlung in eine einphasige Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Wechselstromanschluß durch den Verbindungspunkt zwischen den Ventilen des zweiten Ventil-Längszweiges (7/fi^gebildet ist (F i g. 3).

3. Wechselrichteranordnung nach Anspruch I zur Bildung einer dreiphasigen Wechselspannung mit drei Ventil-Längszweigen, die jeweils als vollständige Einphasenbrückenschaltung ausgebildet sind, in deren Wechselstromdiagonale eine Drosselspule mit Anzapfung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Anzapfung (A, B, C) bei allen drei Drosselspulen (TA, T5, 76) dieselbe ist (F i g. 4).