DE2159030C3

DE2159030C3 - Wechselrichteranordnung in gesteuerter Brückenschaltung

Info

Publication number: DE2159030C3
Application number: DE2159030A
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: 1978-03-09
Also published as: DE2159030B2; US3657633A; DE2159030A1; JPS4711175A; 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 Wethselstromdiagonale 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 ingenäherte 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 Sparmungsimpulsen 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 mit niedriger Ordnungszahl enthält. Die Spannungsaddition erfolgt durch die Reihenschaltung der Sekundärwicklungen der einzelnen Transformatoren. Nachteilig bei s dieser Wechselrichteranordnung ist die Tatsache, daß jeder Wechselrichter einen eigenen Transformator mit Primär- und Sekundärwicklung und einem Übertragerkern benötigt, was nicht nur aus Platz- und Gewichtsgründen, 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

is zu erzeugen (Pulsbreiten-Steuerung). Hierbei müssen aber die verbleibenden Oberschwingungen durch besondere Filter ausgesiebt werden. Außerdem werden in den Brückenschal'.ungen schnell schaltende Schaltelemente benötigt, die recht 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 Brückenschaltung 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

.is zweier Ventil-Längszweige mit angezapfter Drosselspule läßt sich als vollständige Einphasenbrückenschallung 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

4> 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 auszu-

ss gestalten, daß in den einzelnen Ventil-Längszweigen keine besonders schnell schaltenden Stromrichterventile benötigt werden und daß der Aufwand tür die als Ausgangstransormatoren verwendeten Drosselspulen auf ein vertretbares Maß reduziert ist.

ί,ο Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anzapfung jeder Drosselspule unsymmetrisch angeordnet ist, so daß an den Wicklungsabschnitten Spannungen von unterschiedlichem Beirag liegen, und daß die Steuerung pro Halbperiode der Ausgangswech-

u=, selspannung mehrere Schaltspiele der Ventile der Einphasenbrückenschaltung in der Weise auslöst, daß sich die Zwischenstufen im treppenförmigen Verlauf der Ausgangswechselspannung ergeben.

Hierbei wird also wenigstens eine Bruckenschaltung verwendet, deren Ausgänge über eine unsymmetrisch angezapfte Drosselspule verbunden sind. Die Drosselspule wirkt als Spartransformator. Ihre Anzapfung ist mit einem Anschluß des Verbrauchers verbunden. Der Betrag und die Polarität der in zeitlicher Folge nacheinander am Verbraucher liegenden Differenzspannungen werden so gewählt, daß eine ein- oder mehrphasige Ausgangswechselspannung von sinrsförmigem Verlauf mit geringem Oberschwingungsanteil angenähe; ί ist. Unsymmetrisch angezapfte Drosselspulen sind billiger zu fertigen als Ausgangstransformatoren mit Primär- und Sekundärwicklungen. Darüber hinaus ergibt sich eine Platz- und Gewichtsersparnis. Weiterhin können vorliegend relativ billige Schaltelemente, beispielsweise Leistungstransistoren mit einer relativ niedrigen Schaltfrequenz, in den Ventil-Längszweigen eingesetzt werden. Neben dem Vorteil der Verwendung billiger Schaltelemente wird bei dieser Wechselrichteranordnung 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 Sparlransformatoren und ermöglicht die Benutzung relativ kleiner Spartransformatoren.

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

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

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführurgsform der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung,

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

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 Sl, B 2 dargestellt. Jeder Wechselrichter B 1, B2 besteht aus vier steuerbaren Stromrichterventilen Qt bis Qa bzw. ζ>5 bis Qn, beispielsweise Leistungstransistoren in Brückenschaltung.

leder Wechselrichter Sl und B2 besitzt eine als Spartransformator Π und 7"2 ausgebildete Drosselspule. Die Spartransformatoren Fl und 7"2 sind mit einstellbaren Abgriffen 7"Pl und TP2 ausgerüstet, die mit einem Wechselstromverbraucher als Last L verbunden sind. Die Stromrichterventile Q₁ bis Qu werden von einem Steuersatz gesteuert, der aus einer programmierten 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 Teilspannungen treppenförmig zusammengesetzt ist, wird durch das Zusammenwirken der Übersetzungsverhältnisse der Spartransformatoren TX und T2 mit der Ansteuerung der Stromrichterventile Qt bis Qn durch die Auswahlschaltung 20 bestimmt, wobei das Übersetzungsverhältnis durch die Stellung der Abgriffe TPX und TP2 gegeben ist.

Zur Beschreibung der Wirkungsweise der in Fig. I dargestellten Wechselrichteranordnung sei angenommen, daß mit der Stellung des Abgriffes 7"Pl ein Übersetzungsverhältnis von 15 :85 für den Spartransformator 7*1 und mit der Stellung des Abgriffes TP2 ein Übersetzungsverhältnis von 35 :65 für den Spartransformator 7"2 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 E)« betragen.

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 B X und B 2 erhalten werden, das in F i g. 2b tabelliert ist. Beispielsweise wird diejenige Teilspannung der positiven Halbwellc der Kurve 1, die 15% der Speisegleichspannung Em beträgt, dadurch erhalten, daß die Stromrichterventile QX und Q4 des Wechselrichters B 1 und die Stromrichterventile Q5 und Q7des Wechselrichters B 2 angesteuert werden. Bei dieser Aussteuerung liegen am Abgriff 7"Pl 85% der Speisegleichspannung £/>< und am Abgriff 7"P2 100% der Speisegleichspannung Ε/χ. Damit erhält man an der Last L eine Differenzspannung, die +15% der Speisegleichspannung Ειχ beträgt und die die in F i g. 1 angegebene Spannungspolarität besitzt. Diejenige Teilspannung der negativen Halbwelle dagegen, die ebenfalls 15% der Speisegleichspannung foe beträgt, wird beispielsweise dann erhalten, wenn die Stromrichterventile ζ) 2 und Q 3 des Wechselrichters B X und die Stromrichterventile ζ>6 und QS des Wechselrichters B 2 leitfähig sind. Mit dieser Aussteuerung erhält man am Abgriff 7"Pl eine Spannung, die 15% der Speisegleichspannung Ειχ beträgt, und Erdpotential am Abgriff 7"P2. An der Last L liegt damit eine negative Differenz-Spannung, die 15% der Speisegleichspannung Ε/χ 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 F i g. 2b auch entnehmen, daß die Aussteuerung der einzelnen Stromrichterventile der Wechselrichter BX, B2 mit einer erheblich niedrigeren

Tastfrequenz erfolgt, wodurch die Schaltverluste verhältnismäßig klein bleiben.

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

Die Stromrichterventile Q\ und Q; führen 85⁰Ai des vollen Laststromes;

die Stromrichterventile Qi und Q* führen 15% des vollen Laststromes;

die Stromrichterventile ζ)-, und Q_h führen 65% des vollen Laststromes, und

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

Damit kann eine hochbelastbare Wechselrichteranordnung aufgebaut werden, ohne daß die beträchtlichen Kosten und Schwierigkeiten von paraiieigeschaiteten 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 T2 der vollen Speisegleichspannung von 100% Ειχ 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 Q₁ und Qi. eine negative Spannungszeitfläche während der Aussteuerung der Stromrichterventile Q; und Qi und eine Spannungszeitfläche Null während der Aussteuerung der Stromrichterventile Q, und Q₁ sowie φ und C₄.

Die Spannung am Spartransformator Ti ist in Fig. 2c dargestellt, wobei die obenerwähnten Schaltstellungen zugrunde gelegt :ind. Da jede Periode nach F i g. 2b insgesamt 30 Schaltabschnilte aufweist, beträgt die Länge jedes einzelnen Schaltabschnitts 12^C. Die Tatsache, daß der Spartransformator T\ die volle Speisegleichspannung lediglich während vier aufeinanderfolgenden Schaltabschnitten führen muß, bestätigt, daß am Spartransformator Ti die volle Speisegleichspannung lediglich während einer Länge von 48^C einer Periode von 360° liegt. Die gleichen Überlegungen gelten für den Spartransformator T2. 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 Fig. 1 eine Ausgangsspannung mit einer Frequenz von 400 Hz selbst dann erzeugt werden kann, wenn die Wechselrichteranordnung mit Spartransformatoren Ti. T2 ausgerüstet ist, die normalerweise für eine Frequenz von 1,6 kHz geeignet sind.

Mit der in F i g. 1 gezeigten Wechselrichteranordnung läßt sich eine sinusförmige Ausgangswechselspannung mit sehr kleinem Oberschwingungsgehalt erzielen, wie die folgenden Angaben zeigen:

Grundschwingung

3. Oberschwingung

5. Oberschwingung

7. Oberschwingung

9. Oberschwingung

11. Oberschwingung

13. Oberschwingung

Verhältnis von	Verhältnis von
Scheitelwert zu	Oberschwingung
Speisegleich	zu Grund
spannung	schwingung
	χ 100%
1,035
0	0
0	0
0,0243	2,35%
0	0
0,00176	0,17%
0,0086	0,83%

Der Modulationsgrad der Wechselrichteranordnung nach F i g. 1 beträgt 1,035. Der Modulationsgrad repräsentiert das Verhältnis des Scheitelwertcs der erzeugten sinusförmigen Ausgangswechselspannung zur Speisegleichspannung £"/«. Der erzielte Modulationsgrad ist verhältnismäßig hoch; dabei ist /u berücksichtigen, daß die Modulationsgrade üblicher Wechselrichteranordnungen nur selten den Wert 1,1 erreichen. Je höher der Modulationsgrad ist, destc niedriger ist der Wert der Speisegleichspannung, die zur Erzeugung einer bestimmten sinusförmigen Ausgangs wechselspannung benötigt wird. Ein hoher Modula tionsgrad hat weiter den Vorteil, daß die Größe dei Spannung, der die Halbleiterschaltelemente, beispiels weise Transistoren, eines Schaltkreises ausgesetzt sind verhältnismäßig klein ist.

Nach Fig. 1 kann ein Ausgangsfilter F zum Sieber der zusammengesetzten sinusförmigen Ausgangswech selspannung der F i g. 2a verwendet werden. Man erhäl mit einem solchen Ausgangsfilter Feine Sinusspannung wie sie in Kurve 2 von F i g. 2a dargestellt ist.

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

Nach Fig. 3 enthält eine Wechselrichteranordnung 40 einen ersten einphasigen Wechselrichter FBi. ir dem Stromrichterventile zu einer vollen Brückenschal tung geschaltet sind, und einen zweiten Wechselrichtci HB. in dem Stromrichterventile in Mittclpunktschaluinj angeordnet sind. Die Stromrichterventile Q sine Leistungstransistoren. Die beiden Ausgänge des Strom richters FB1 sind mit einem Spartransformator Tl verbunden, der einen einstellbaren Abgriff besitzt Dieser ist mit dem einen Anschluß einer Last / verbunden. Der andere Anschluß der Last L ist mit derr Ausgang des zweiten Wechselrichters HB verbunden Die Anzahl der Differenz- oder Teilspannungen, au; denen die Ausgangswechselspannung der Wechsel richteranordnung 40 treppenförmig Zusammengesetz ist, ist kleiner als die Anzahl der Differenz- odei Teilspannungen, die man bei einer Wechselrichteran Ordnung nach Fig. 1 erhält. Dies folgt aus dei verkleinerten Anzahl von Kombinationsmöglichkeiter im Schaltspiel der Stromrichterventile Q bei dei Wechselrichteranordnung 40.

Als Beispiel für eine mehrphasige Wechselrichteran Ordnung ist in Fig.4 eine Wechselrichteranordnung 5( mit drei Phasenausgängen dargestellt. Die Wechsel richteranordnung 50 enthält für jede Phase einer Wechselrichter FS 2, Fß3 und FB4 mit Stromrichter ventilen Qm Brückenschaltung. Als Stromrichterventik Q können wiederum Transistoren vorgesehen sein Jeder Brückenschaltung ist ein Spartransformator Γ4 7~5 und 7"6 zugeordnet. Treppenförmige, zur Sinusforn zusammengesetzte Spannungen werden zwischen der Transformatorabgriffen A. B und C, die gleichzeitig dif Phasenausgänge bilden, in Abhängigkeit von derer Stellung und der Schaltfolge für die Stromrichterventil Q erhalten, und zwar in der bereits beschriebener Weise. Wegen der zusätzlichen Forderung nach festei Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Wechsel spannungen bei einer dreiphasigen Wechselrichteran Ordnung und wegen des Spannungsbeitrages jede Brückenschaltung zur Wellenform der Wechselspan nung der beiden anderen Brückenschaltungen muß di Stellung der Transformatorabgriffe der drei Spartrans formatoren T4, T5 und TS die gleiche sein.

Es ist zu erwähnen, daß die erfindungsgemäße Wechselrichteranordnung nicht auf die beispielhaf

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 Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche:

!. Wechselrichteranordnung in gesteuerter Brükkenschaltung 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzapfung (TP 1, ΤΡΪ; A, B. C)jeder Drosselspule(T1, T2; Γ3; Γ 4, Γ5, Γ6) unsymmetrisch angeordnet ist, so daß an den V/icklungsabschiiitten Spannungen von unterschiedlichem Betrag liegen, und daß die Steuerung pro Halbperiode der Ausgangswechselspannung mehrere Schaltspiele der Ventile (Q \ bis ζ)4, Q5 bis QS; Q)der Einphasenbrückenschaltung (S 1, S 2; FBX; FB2, FS3, FB4) 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 Jes zweiten Ventil-Längszweiges CWSjgebildet ist (F i g. 3).
3. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 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 (7"4, T5, Tb) dieselbe ist (F i g. 4).