DE2208211A1

DE2208211A1 - Kommutierungssteuerung für Inverterschaltung

Info

Publication number: DE2208211A1
Application number: DE19722208211
Authority: DE
Inventors: Carlton Eugene; Skogsholm Einar Aasen; Erie; Volkmann Werner Karl Fairview; Pa. Graf (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-02-24
Filing date: 1972-02-22
Publication date: 1972-09-07
Also published as: JPS5336131B1; GB1357703A; IT947705B; AU3763572A; CA920215A; JPS4721624A; US3641421A

Description

Kommutierungssteuerung für Inverterschaltung

Die Erfindung betrifft Inverterschaltungen zur Umwandlung elektrischer Gleichstromleistung in elektrische Wechselstromleistung und insbesondere eine Steuereinrichtung, um eine schnelle und im wesentlichen gleichmäßige Kommutierung in einem weiten Bereich der Belastungsverhältnisse zu erhalten.

Die Erfindung ist besonders gut anwendbar auf die Steuerung der Kommutierung in Inverterschaltungen gemäß US Patent 3 207 974. Die Erfindung wird daher nachstehend im Zusammenhang mit typischen Inverterschaltungen gemäß dem US Patent beschrieben und in diesem Zusammenhang wird bezüglich eines grundlegenden Verständnisses solcher Schaltungen auf die Beschreibung des US Patents verwiesen.

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Bei Inverterschaltungen der oben angeführten Art wird die elektrische Gleichstromleistung umgewandelt oder "invertiert" in Wechselstrom mit Hilfe von gittergesteuerten Gleichrichtern, welche den Verbraucherstrom führen, beispielsweise gesteuerten Siliziumgleichrichtern (SCA), und diese werden durch eine Kommutierungsschaltung in den Sperrzustand kommutiert, welche gitter gesteuerte Kommutierungsgleichrichter enthält. Beispielsweise wird die Gleichstromleistung in einphasige Wechselstromleistung umgewandelt mit Hilfe eines Paars von gesteuerten Last- oder Leistungsgleichrichtern und einer Kommutierungsschaltung, die ein entsprechendes Paar gesteuerter Kommutierungsgleichrichter, einen Kommutierungskondensator und einen Kommutierungsinduktor enthält. In einem Mehrphasen-Invertersystem wird eine ähnliche Schaltung für jede der Phasen vorgesehen. Um einen bestimmten Leistungsgleichrichter in den Sperrzustand zu kommutieren, wird der zugehörige Kommutierungsgleichrichter eingeschaltet zur Zuschaltung eines Reihen-Schwingkreises einschließlich des zugeordneten Kondensators und des zugeordneten Induktors im Nebenschluß zu dem Leistungsgleichrichter. Ein Stromimpuls wird durch die sich entladende Reihenschwingkreisschaltung erzeugt und übernimmt die Punktion der Lieferung des Verbraucherstroms. Dabei wird Überschüssiger Kommutierungsstrom durch eine Rückkopplungsdiode um den Leistungsgleichrichter herum geleitet. Während der Kommutierungsstrom den Verbraucherstrom übersteigt, ist der Verbrauchergleichrichter in Gegenrichtung vorgespannt und wird daher abgeschaltet oder gesperrt, wenn die Vorspannung in Sperrichtung während einer Zeitdauer besteht, die größer ist als die Abschaltzeit des Gleichrichters. Nachdem der Kommutierungskondensator auf die entgegengesetzte Polarität aufgeladen ist, schaltet der Kommutierungsgleichrichter ab und die Kommutierungsschaltung ist jetzt in einem Zustand, in dem sie das andere Paar von Gleichrichtern kommutieren kann.

Das übliche Verfahren beim Betrieb dieser Art von Inverterschaltung besteht darin, den zweiten Verbrauchergleichrichter einzuschalten, nachdem der erste Verbrauchergleichrichter gesperrt worden ist und der Kommutierung3kondensator wieder voll aufgeladen ist. Diene

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Art des Betriebes führt zu einer belastungsabhängigen Kommutierungsdauer, Dabei erhöht sich die gesamte, für die Kommutierung benötigte Zeit mit der Verringerung des Verbraucherstroms oder Laststroms. Diese Betriebsweise ist zwar voll zufriedenstellend und erwünscht für viele Anwendungsfälle. Es gibt jedoch Anwendungsfälle von Inverters ehalt ungen, bei denen eine äußerst schnelle Kommutierung bei allen Belastungswerten erforderlich ist. Beispielsweise kann es erwünscht sein, den Mittelwert der Spannung für die einem Verbraucher zugeführte elektrische Leistung zu steuern mit Hilfe zeitlicher Steuerung des Schaltens der gesteuerten Siliziumgleichrichter, welche den Verbraucherstrom führen. Bisher war die Folgefrequenz, mit der eine solche Umschaltung geschehen kann, bei niedrigen Belastungen infolge der Abhängigkeit der Kommutierungsperiode von der Befstung beschränkt.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Kommutierungsdauer bei niedrigen Belastungswerten dadurch zu verringern, daß der nicht kommutierte Lastgleichrichter zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Zünden des Kommutierungsgleichrichters gezündet wurde. Dieser Zeitpunkt wurde dabei so gewählt, daß der Kommutierungsstrom zum Zeitpunkt des Zündens beträchtlich über dem tatsächlichen Verbraucherstrom lag. Dieser Lösungsweg führt theoretisch zu einer Kommutierungsdauer, die angenähert gleich groß ist wie die Kommutierungsdauer, welche normalerweise bei einem tatsächlichen Verbraucherstrom auftreten würde, welcher gleich iet dem Kommutierungsstrom zu dem Zeitpunkt, an dem der nicht kommutierte Verbraucher gleichrichter gezündet wird. Dieser Lösungsweg vermindert zwar erfolgreich die Kommutierungsdauer. Er ist jedoch nicht besonders zufriedenstellend, da er eine sehr schlechte Regelung ergibt. Insbesondere sind relativ große Schwankungen der Kommutierungsdauer, des Stroms und der Spannung möglich als Ergebnis eine "Aufpump"-Wirkung (pump-up) (nachstehend im einzelnen beschrieben) in Kombination mit den Toleranzen der Komponenten der Kommutierungsschaltung und ihren Schwankungen, Schwankungen der Netzspannung und Schwankungen der Zeitverzögerung. Unter anderem ist es nötig, Bauteile für die Schaltung zu verwenden, die in der Lage sind, bei den zu erwartenden Höchstwerten von Strom und Spannung zuverlässig zu ar-

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beiten. Wenn diese Höchstwerte durch eine wirksamere Regelung von Strom und Spannung verringert werden, ist es möglich, Bauteile mit geringeren Betriebswerten und Kosten zu verwenden.

Eg ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine schnelle Kommutierung bei Inverterschaltungen über einem breiten Bereich der verbraucherseitigen Belastung zu erhalten, welcher auch Betriebsbedingungen mit sehr geringer Belastung und Leerlauf einschließt.

Eine Aus füh rungs form der Erfindung besteht darin, daß eine Inverterschaltung mit einer Anordnung zur Kommutierungssteuerung ausgestattet ist, die eine Einrichtung zur Erfassung des Kommutierungsstroms während der Kommutierung eines Verbrauchergleichrichters und eine Einrichtung umfaßt, die auf diesen erfaßten Wert anspricht zur Einschaltung eines anderen Verbrauchergleichrichters, wenn der Kommutierungsstrom auf einen vorgegebenen Wert absinkt. Der Wert oder Pegel des Kommutierungs st ro ms, bei dem der nicht kommutierte Verbrauchergleichrichter gezündet wird, ist niedriger als der Spitzenstrom für die Kommutierung und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 25 und 50 % des Spitzenstroms der Kommutierung. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Einrichtung zur Einschaltung des anderen Verbrauchergleichrichters eine Schalteinrichtung mit zwei Stromdurchlaßzuständen und eine Steuer- oder Regeleinrichtung, um normalerweise die Schalteinrichtung in einem ersten 3tromdurchlässigen oder leitenden Zustand zu halten und bei Absinken des Kommutierungsstroms auf den vorgegebenen Wert die Schalteinrichtung in den anderen leitfähigen Zustand zu bringen und anschließend schnell zurückzustellen in den ersten stromdurchlässigen Schaltzustand und dadurch einen Steuerimpuls zu erzeugen, der zum Zünden des nicht kommutierten Verbrauchergleichrichters verwendbar ist.

Ein besseres Verständnis allgemeiner und besonderer Gesichtspunkte der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Besch-reibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schaltzeichnung einer Leistungsin-

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ve leerschaltung für eine Pnas>.. -,..ι ^r-iaj erfindungsgemäße Steuer- oder Regeleinrichtung «·■ - dij .Schaltung.

Fig. 2 zeigt den Kommutierunpss'tromfluß in einer Leistungsinverterschaltung der Art gemäß Pig. 1 im Leerlauf ohne Steuerung gemäß der Erfindung.

Fig. 2b zeigt den Konunutierungsstromfluß in einer Leistungs in verterschaltung des Typs gemäß Fig. 1 bei induktivem Verbraucher ohne Steuerung gemäß der Erfindung.

Fig. 2c zeigt den Kommutierungsstromfluß in der Leistungsinverterschaltung gemäß der Fig. 1 bei Leerlauf mit Steuerung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung zur Kommutierungssteuerung nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Einphasen-Inverterschaltung der Art, wie sie in dem obengenannten US Patent beschrieben ist. Die Leistungsinverterschaltung enthält ein Paar gittergesteuerter Gleichrichter 10 und 12 für den Verbraucherstrom, die in Reihe über eine Quelle 14 für elektrische Gleichstrom-Leistung geschaltet sind. Die gittergesteuerten Gleichrichter 16 und 18 sind ebenfalls in Reihe über die Gleichstromquelle I¹I mit der gleichen Polarität wie die gittergesteuerten Gleichrichter 10 und 12 geschaltet. Die gitfcergesteuerten Gleichrichter 10,12,16 und 18 enthalten vorzugsweise gesteuerte Siliziumgleichrichter. Es ist jedoch ersichtlich, daß bezüglich ihrer Funktion äquivalente Einrichtungen, beispielsweise gasgefüllte Thyratrons verwendet werden können. Die Diodengleichrichter sind mit umgekehrter Polarität über die gesteuerten Gleichrichter 10 bzw. 12 geschaltet. Eine Induktivität 24 und ein Kondensator 26 sind in Reihe zwischen den Verb in dungs punk t 28 der gittergesteuerten Gleichrichter 16 und 18 und den Verbindungspunkt 30 der gittergesteuerten Gleichrichter 10 und 12 und der Diodengleichrichter 20 und 22 geschaltet. Zwischen den Verb in dungs ρ unkt

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30 und den Anschlußpunkt 3¹J der Gleichstromquelle 14 ist zur Entnahme von Wechselstrom aua der Inverterschaltung ein geeigneter Verbraucher 32 geschaltet, beispielsweise ein Einphasen-Wechselstrommotor.

Gemäß Figur 1 ist eine Kommutierungssteuer-Einrichtung 36 vorgesehen zur Einschaltung der gittergesteuerten Gleichrichter 10,12, 16 und 18 mit Hilfe von Zündsignalimpulsen, welche durch die Verbindungen 38, 40 42 und 44 zugeführt werden. Gemäß der Erfindung enhält die Steuereinrichtung 36 für die Kommutierung einen Stromtransformator 46 und zugeordnete Schaltungsteile zur Erfassung des Kommutierungsstroms und zur Zündung der gittergesteuerten Gleichrichter 10 und 12 bei einem vorgegebenen Wert des Kommutierungsstroms. Eine eingehende Beschreibung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung folgt nachstehend.

Es folgt zunächst eine kurze Beschreibung der allgemeinen Arbeitsweise einer Inverterschaltung gemäß Fig. 1. Es sei angenommen, daß am Anfang der gittergesteuerte Gleichrichter IO Strom an den Verbraucher 32 von der oberen Hälfte der Gleichstromquelle 14 liefert und der Kondensator 26 so aufgeladen ist, daß der Verbindungspunkt 50 positiv bezüglich des Verbindungspunktes 28 ist, wobei diese Ladung während des vorhergehenden Betriebs aufgenommen wurde. Um den gesteuerten Gleichrichter 10 zu kommutieren, wird der gittergesteuerte Gleichrichter 16 mit Hilfe eines geeigneten Zündimpulses gezündet, der ihm über die Verbindung 42 aus der Steuereinrichtung 36 zugeführt wird. Das Zünden des gesteuerten Gleichrichters 16 schaltet dabei eine Reihenschwingkreis-Schaltung einschließlich des Kondensators 26 und der Induktivität 24 über den gesteuerten Gleichrichter 10. Von dem sich entladenden Reihenschwingkreis wird ein Stromimpuls erzeugt und baut sich zu einem solchen Wert auf, daß er den Verbraucherstrom übersteigt (es wird angenommen, daß der Verbraucherstrom zu diesem Zeitpunkt vom Verbindungspunkt 30 zum Punkt34 fließt). Der Stromimpuls übernimmt dabei die Funktion der Zuführung von Verbraucherstrom zum Verbraucher 32 und bewirkt, daß der Diodengleichrichter 20 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird und der gesteuerte Gleichrichter 10 in Sperrichtung. Die

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Sperrspannung über dem gesteuerten Gleichrichter 10 besteht dabei während einer Zeitdauer, die größer ist als die Abschaltzeit des gesteuerten Gleichrichters 10, so daß der gesteuerte Gleichrichte ^abgeschaltet wird und dadurch seinen Betriebszustand der Sperrung wieder einnimmt. Der Kommutierungs-Kondensator 26 wird schließlich auf die entgegengesetzte Polarität aufgeladen, so daß der Verbindungspunkt 28 positiver wird als der positive Anschluß der Gleichstromquelle 14 und der gesteuerte Gleichrichter 16 in Sperrrichtung vorgespannt und gesperrt wird. Der Kondensator 26 ist nun bereit zur Kommutierung des gittergesteuerten Gleichrichters bei dem anschließenden Zünden des gittergesteuerten Gleichrichters 18.

Fig. 2a zeigt das Aufbauen und Absinken des Kommutierungsstroms unter Leerlaufbedingungen bei vorbekannten Anordnungen in dem kommutierungsgesteuerten Gleichrichter 10, wobei dieser Strom einen Verlauf gemäß der Kurve 60 besitzt. Unter diesen Bedingungen bestand die bisherige Methode darin, den gittergesteuerten Gleichrichter 12 zu zünden oder einzuschalten mit Hilfe eines geeigneten Zündsignals, welches durch die Verbindung ¹IO zugeführt wurde, und zwar zu dem Zeitpunkt, an dem der Kommutierungsstrom am Punkt auf Null zurückgeht. Es fließt dann ein zweiter und kleinerer Impuls des Kommutierungsstroms (62 in Fig. 2a) durch die Reihenschwingkreisschaltung, um die Verluste auszugleichen, welche während des ersten Impulses 60 aufgetreten sind, und um das Aufladen des Kondensators 26 mit umgekehrter Polarität zu vervollständigen, worauf der Stromdurchgang im gesperrten Gleichrichter 16 endet. Unter diesen Bedingungen wird der gesteuerte Gleichrichter 12 nach etwa T\j LC Sekunden oder einer halben Schwingungsperiode des Kondensators 26 und der Induktivität 24 nach dem Zünden des gesteuerten Gleichrichters 16 gezündet. Die gesamte Kommutierungszeit beträgt daher etwa 2T V LC Sekunden. Bei induktiver Belastung wird jedoch der Dioden-Gleichrichter 22 Strom führen,nachdem der Kommutierungsstrom längs der Kurve 60^! (Fig.2b) auf den tatsächlichen Verbraucherstrom bei 6M¹ absinkt und der Verlauf des anschließenden Ladestroms für den Kondensator wird durch die Kurve 62' dargestellt. Aus dem Vergleich der Fig. 2a und 2b er-

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kennt man, daß die Kommutierungszeit dieser vorbekannten Inverterschaltungen abhängig ist von der maximalen Kommutierungszeit bei Leerlauf, gemäß der Darstellung nach 2a, wobei für höhere Belastungen gemäß der Darstellung nach Fig. 2b eine geringere Zeitdauer benötigt wird.

Wie bereits angedeutet, ist es manchmal erwünscht, auch bei niedrigen Belastungswerten die Kommutierungsdauer relativ kurz zu halten. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß eine Einrichtung zur Erfassung des tatsächlichen Kommutierungsstroms und zum Zünden des anderen Verbrauchergleichrichters vorgesehen ist, d.h. des gesteuerten Gleichrichters 12 bei der Kommutierung des gesteuerten Gleichrichters 10 zu dem Zeitpunkt, an dem der Kommutierungsstrom auf einen vorgegebenen Wert gemäß dem Punkt 70 der Fig. 2c absinkt. Wegen der Induktivität in Inverters cha 1-tungen des Typs nach Fig. 1 wird der Strom, welcher sich beim Zünden des gesteuerten Gleichrichters 12 ergibt, solange verzögert, bis der Kommutierungsstrom noch weiter absinkt, bis zum Punkt 64'. Daher ist es zur Erzielung einer Kommutierungsdauer gleich der normalerweise einem bestimmten Belastungszustand entsprechenden Kommutie rungs dauer erforderlich, den anderen Verbrauchergleichrichter bei einem vorgegebenen Stromwert zu zünden, der wesentlich höher ist als der Wert des Kommutierungsstroms, welcher diesem vorgegebenen Belastungszustand entspricht. Andererseits darf der vorgewählte Stromwert nicht so groß ausgewählt werden, daß die Zeit T_Q gemäß Fig. 2c kleiner ist als die Abschaltzeit des gesteuerten Gleichrichters 10.

Ein Hauptgesichtspunkt bei der Auswahl des vorgegebenen Stromwertes, bei dem der andere Verbrauchergleichrichter gezündet wird, besteht in der sogenannten "Pumpwirkung" der Inverterschaltung. Wenn der Zündzeitpunkt des anderen Verbrauchergleichrichters vorverlegt oder der Verbraucherstrom erhöht wird, wird durch das Umschalten des Punktes 30 der Fig. 1 von der positiven .Spannung (im Falle der Abschaltung des Verbrauchergleichrichters 10 durch Kommutierung) auf die negative Polarität der Spannung zu einem früheren Zeitpunkt in dem Kommutie rungs Intervall eine Steigerung der

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Energie bewirkt, die in dem Kommutierungskondensator 26 während des verbleibenden Teils des KommutierungsintervalIs gespeichert wird. Wenn diese zusätzliche Energiespeicherung den Energiebetrag übersteigt, der während des Kommutierungs Intervalls infolge ohmscher Verluste (IR) bewirkt wird, dann wird die Spannung des Kommutierungskondensators über ihren vorherigen Wert erhöht. Die höhere Spannung des Kommutierungskondensators erzeugt während des nächsten KommutierungsintervalIs einen höheren Koiranutierungsstrom und diese "Aufpumpwirkung" dauert solange an_s bis die zusätzliche Energiespeicherung, die entweder durch den Zündzeitpunkt des anderen Verbrauchergleichrichters oder durch äen Pegel des Verbraucherstroms bestimmt wird, gleichgroß ist wie die zusätzlichen Kommutierungsverluste infolge· des höherem Kommut-ierungssiarsiBS ₀ Die Größe der Aufpumpwirkung ist eine Funktion des Verhältnisses des effektiven Strompegels (6M*^f in FIg* 2c) zu eiern Spitzenwert des Kοmmutierungsströmes, Der effektive Strompegel wire dabei entweder durch das Zünden des anderen Verbraiichei^gleichriefatsrs bei dem vorgegebenen Stromwert oder äadtiren bestimm«;₉ daß der Pegel des Verb raucherstroirs gleich ä&i effektiven StE-QiKwer'ä ist. Die Größe der Aufpumpwirkung kann dadurch vollständig unabhängig gemacht werden, daß der wirksame Str-orcpegel großer· gemacht wipcl als der höchste Wert des Verbraucherstroms« Dies führt jedoch bei kleinerer Belastung zu Kommutierungsenergie und Verlusten,, die größer sind als erforderlich« Eine praktischere Wahl gemäß Fig_s 2c besteht darin, daß man den wirksamen Strompsgei so aiistillilt,, daß er etwa gleich dem Stromwert bei voller Belastung ist iüig eine zusätzliche Aufpumpwirkung bei Überlastung anläßt* Bsp Fachmann wird jedoch erkennen, daß der wirksame Strompegel großes? oder kleiner sein kann als der Stromwert für volle Belastung_s solange nur der vorgegebene Stromwert in dem nachstehend beschriebenen Bereich verbleibt.

Da in der Praxis der Zündzeitpunkt des anderen Verbrauchergleichrichters im Kommutierungsintervall sowohl die Kommutierungszeit als auch den Pegel für die Kommutierungsenergie bestimmt, ist es erwünscht, diesen Zeitpunkt genau zu steuern, um die Belastung

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der Schaltungsbauteile und die Kommutierungsverluste zu optimieren. Wenn dieser Zündzeitpunkt nach den bisher vorgeschlagenen Methoden durch eine Zeitverzögerung beginnend mit dem Beginn der Kommutierung eingestellt wird, sind breite Schwankungen der Kommutierungszeit und der Aufpumpwirkung möglich,und zwar infolge der Toleranzen der Bauteile für die Kommutierungsschaltung und Änderungen ihrer Werte, der Spannungsschwankungen auf der Gleichspannungsleitung und Schwankungen der zeitlichen Verzögerung. Wenn jedoch der Zündzeitpunkt dadurch bestimmt wird, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Größe des Kommutierungsstroms erfaßt wird, dann erhält man eine selbstregelnde Wirkung. Wenn sich der Spitzenkommutierungsstrom vergrößern würde, beispielsweise infolge einer Schwankung in den Werten der Bauteile für die Kommutierung, dann würde sich das Verhältnis des Zündstromwertes und des Spitzenstromwertes verringern und dies würde zu einer Verminderung der Aufpumpwirkung und des Kommutierungsstroms führen. Wenn andererseits der Kommutierungsstrom verringert würde, dann würde sich das Verhältnis des Zündstromwertes zum Spitzenstromwert erhöhen und es würde eine größere Pumpwirkung erzeugt, um der ursprünglichen Abweichung entgegenzuwirken. Dieser Vorgang der Selbstregelung ist wirksam sowohl für Schwankungen der Amplitude als auch des Zeitpunktes des Kommutierungsimpulses und hält für einen zufriedenstellenden Betrieb des Inverters die Kommutierungsenergie injeinem erwünschten Bereich. In der Praxis wurde gefunden, daß hinreichend kurze Kommutierungsperioden erhalten werden können, wenn der vorgegebene Stromwert so ausgewählt wird, daß er 25 % oder darüber des Spitzenstromwertes für die Kommutierung ausmacht. Die Aufpumpwirkung der Kommutierung wird dabei auf annehmbare Werte beschränkt, wenn der vorgegebene Stromwert mit 50 % oder darunter bezogen auf den Spitzenstromwert der Kommutierung ausgewählt wird. Gemäß der Erfindung wird der vorgegebene Stromwert in diesem Bereich ausgewählt, wobei der optimale Punkt in dem Bereich abhänig ist von Erwägungen bezüglich des Kommutierungsverlustes und der Anstiegsgeschwindigkeit de» Verbraucherstroms für eine bestimmte Anwendung der Inverterschaltung.

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Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 3 wird nachstehend im einzelnen die Kommutierungssteuer-Einrichtung zur Erfassung des Kommutierungsstroms und zum Zünden des anderen Verbrauchergleichrichters (beispielsweise des gesteuerten Gleichrichters 12 anschließend an die Kommutierung des gesteuerten Gleichrichters 10 und des gesteuerten Gleichrichters 10 anschließend an die Kommutierung des gesteuerten Gleichrichters 12 ) beschrieben. Die Kommutierungssteuer-Einrichtung gemäß der Erfindung ist dabei in der Kommutier ungs steuerung J>6 gemäß Fig. 1 enthalten. Die Einrichtung zur Erfassung des Kommutierungsstroms enthält den Stromtransformator 46 und eine Diodengleichrichter-Brücke 80 mit Verbindungspunkten 82 und 84, welche über den Transformator 46 geschaltet sind. Die anderen Brückenpunkte 86 und 88 sind an eine Quelle 90 für relativ negative elektrische Gleichstromleistung, bzw. über einen Widerstand 96 an die Basis 92 eines NPN-Transistors 94 angeschlossen. Zwischen den Anschlußpunkt 90 und den Verbindungspunkt 88 der Brücke 80 ist ein Widerstand 100 eingefügt. Während der Kommutierung fließt der Kommutierungsstrom in dem Reihenschwingkreis des Kondensators 26 und der Induktivität 24 und erzeugt einen proportionalen Stromfluß in der Sekundärwicklung 46' des Stromtransformators 46. Der Stromfluß von der Sekundärwicklung 46' des Transformators wird durch die Brücke 80 gleichgerichtet und durch den Widerstand der Widerstände 100 und 96 so belastet, daß ein einsinnig gerichtetes variables Spann ungs signal proportional zu den tatsächlich vorhandenen Schwankungen oder Änderungen des Kommutierungsstroms an die Basis 92 des Transistors 94 geliefert wird, unabhängig von der Richtung des Kommutierungsstroms. Die verschiedenen Bauteile einschließlich der Widerstände 96 und 100 und des Stromtransformators 46 werden entsprechend der Spannung der Quelle 90 und der Betriebsdaten des Transistors 94 so ausgewählt, daß das an der Basis 92 des Transistors 94 zugeführte, variable Spannungssignal ausreicht, um den Transistor 94 jeweils dann einzuschalten, wenn der tatsächlich vorhandene Kommutierungsstrom gleich oder größer ist, als der vorgegebene Strompegel undjandererseits nicht ausreicht zur Einschaltung des Transistors 94, wenn der vorhandene Kommutierungsstrom kleiner ist als der vorgegebene Strompegel.

Die Einrichtung zur Einschaltung des anderen gesteuerten Verbrau-

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ehe rgle ichrichte rs in Abhängigkeit von dem variablen Stromsignal enthält den Transistor 9¹I und einen Widerstand 102, die in Reihe über eine Quelle für elektrische Gleichstromleistung geschaltet sind, welche einen relativ positiven Anschluß 10¹I und einen Anschluß 106 auf einem niedrigeren Potential besitzt. Dabei ist das Potential am Anschluß 106 höher, als das relativ negative Potential am Verbindungspunkt 90. Ein weiterer NPN-Transistor 108 und ein Widerstand 110 sind in Reihe über die Anschlüsse 106 μηά 104 geschaltet. Ein weiterer NPN-Transistor 112 und ein Widerstand 114 sind in Reihe über die Anschlüsse 10¹J und 106 geschaltet. Die Emitter der Transistoren 9¹I, 108 und 112 sind mit dem Anschluß 106 verbunden. Die Basis 116 des Transistors 108 ist über einen Widerstand 118 mit dem Anschluß 104 des Netzteils verbunden. Weiterhin ist sie mit dem Verbindungspunkt 120 des Transistors 112 und des Widerstandes 114 über die Reihenschaltung eines Widerstandes 122 und eines Kondensators 124 angeschlossen, wobei der Widerstand 122 unmittelbar benachbart zur Basis 116 liegt. Ein Diodengleichrichter 126 ist über die Basis 116 des Transistors 108 und den Anschluß des Netzteils so angeschlossen, daß ihre Kathode benachbart zur Basis 116 ist. Die Basis 126 des Transistors 112 ist an dem Verbindungspunkt 129 zwischen dem Transistor 94 und Widerstand 102 angeschlossen. Ein Paar UND-Gatter 130 . bzw. 132 sind mit ihren Eingangs zweigen 134 bzw. 136 an dem Verb in dungs ρ unkt I38 zwischen dem Widerstand 110 und dem Transistor IO8 angeschlossen. Ein zweiter Eingangszweig 140 des UND-Gatters 130 ist mit einer geeigneten Einrichtung verbunden, um dem Gatter ein Hemmungssignal geeignet langer Signaldauer während der Kommutierung des gesteuerten Gleichrichters 10 und der Zündung des gesteuerten Gleichrichters 12 zuzuführen. Ein zweiter Eingangs zweig 143 des UND-Gatters 132 ist mit einer geeigneten Einrichtung verbunden, um ihm während der Kommutierung des gesteuerten Gleichrichters 12 und des Zündens des gesteuerten Gleichrichters 10 ein Hemmungssignal mit relativ langer Signaldauer zuzuführen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird am Verbin dungspunkt I38 ein Zündsignalimpuls erzeugt, wenn der Kommutierungsstrom auf einen vorgegebenen Wert absinkt (siehe Fig. 2c, Bezugsziffer 70). Weiterhin leitet die logische Schaltung einschließlich der UND-Gatter 130 und 132 den ZUndsignalimpuls an den gesteuerten. Gleichrichter, welcher gerade nicht kommutiert wird,

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und zwar über die entsprechende Verbindung 38, bzw. 40. In den Verbindungen 38 bzw. 40 sind Verstärker I50 bzw. 152 vorgesehen, um die Signale auf einen Wert zu verstärken, wie er zum Zünden der gesteuerten Gleichrichter benötigt wird.

Es folgt nunmehr eine Beschreibung der Arbeitsweise der Einrichtung zur Einschaltung des jeweiligen anderen gesteuerten Gleichrichters Es sei angenommen, daß der gesteuerte Gleichrichter 10 kommutiert werden soll und der Kommutierungsverstärker 16 eingeschaltet worden ist. Der Kommutierungsstrom wird anfangs geringer sein als dem vorgegebenen Strompegel entspricht und daher wird das an der Basis 92 des Transistors 94 zugeführte variable Spannungssignal nicht ausreichend sein, um den Transistor einzusehalten. Infolgedessen wird der Transistor 112 eingeschaltet sein und Strom durchlassen, da seine Basis 126 über den Widerstand 102 an den positiven Netzversorgungsanschluß 104 angeschlossen ist. Unter diesen Verhältnissen wird der Verbindungspunkt 120 praktisch auf dem Potential der Anschlußklemme 106 für die Netzversorgung gehalten. Der Transistor 108 wird ebenfalls anfänglich eingeschaltet, da seine Basis über den Widerstand 118 mit dem Anschluß 104 verbunden ist und dadurch der Verbindungspunkt 138 praktisch auf dem Potantial des Anschlusses IO6 liegt. Dieses Potential muß kleiner sein als ein Potential, das zur Befähigung der UND-Gatter 132 und I30 ausreichend ist. Wenn der Kommutierungs strom sich zu dem vorgegebenen Strompegel aufbaut (Punkt 70' der Figur 2c), dann wird das an der Basis 92 des Transistors zugeführte variable Spannungssignal hinreichend groß, um den Transistor 94 einzuschalten und dadurch die Basis 126 des Transistors 112 praktisch an das Signal des Anschlusses 106 anzuschließen. Als Ergebnis wird der Transistor 112

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sperren und der Kondensator-wird sich solange aufladen, bis der Verbindungspunkt 120 das Potential des Anschlusses 104 erreicht. Wenn der Kommutierungs st rom längs der Kurve 68' ' der Figur 2c absinkt und dabei den vorgegebenen Stromwert am Punkt 70 erreicht, wird das variable Spannungssignal nicht mehr ausreichend sein, um den Stromdurchgang im Transistor 94 aufrechtzuerhalten. Als Ergebnis wird der Transistor 112 erneut eingeschaltet und der Kondensator 124 wird dich schnell durch den Transistor 112 solange ent-

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laden, bis der Verbindungspunkt 120 praktisch mit dem Anschluß 106 des Netzteils verbunden ist. Die schnelle Entladung des Kondensators 124 wird momentan die an der Basis II6 des Transistors 108 zugeführte Spannung unter den Wert absinken lassen, der für eine Beibehaltung des Stromdurchgangs erforderlich ist. Das Abschalten des Transistors 108 führt zu einem schnellen Ansteigen des Potentials am Verbindungspunkt I38 und dieses erhöhte Potential wird über das UND-Gatter weitergegeben, um den gesteuerten Gleichrichter 12 einzuschalten. Unmittelbar nach der Entladung des Kondensators 124 wird eine ausreichende Einschaltspannung an der Basis 116 des Transistors 108 wiederhergestellt und die Spannung am Verbindungspunkt I38 wird erneut auf den Spannungswert des Anschlusses 106 abfallen. Man erkennt daraus, daß ein Zündsignalimpuls an dem Verbindungspunkt I38 zum Einschalten des nicht kommutierten gesteuerten Gleichrichters jeweils dann erzeugt wird, wenn der Kommutierungsstrom auf einen vorgegebenen Wert abfällt. In der Auswirkung ist daher der Transistor IO8 eine auf Spannungswerte ansprechende Schalteinrichtung und gestattet den Stromfluß durch den Transistor, wenn die an der Basis II6 zugeführte Spannung zur Einschaltung des Transistors ausreicht und verhindert den Stromfluß, wenn die an der Basis zugeführte Spannung nicht ausreichend ist zu einer Einschaltung.

Der Fachmann wird erkennen, daß die Werte der einzelnen Bauteile der Schaltung nach Figur 3 richtig ausgesucht werden müssen, um die zuvor beschriebene Betriebsweise zu erhalten. In einer Ausführungsform der Erfindung wurde ein Netzteil mit + 5 Volt am Anschluß 104, 0 Volt am gemeinsamen oder Masseanschluß 106, und - 5 Volt am Anschluß 90 vorgesehen. Als Transistor 94 wurde ein Transistor des Typs JEDEC Nr. 2N3415 verwendet und die Bauteile der Strommeßeinrichtung wurden so ausgewählt, daß bei dem vorgegebenen Pegel des Kommutierungsstroms an der Basis des Transistors 94 eine Spannung von 0,6 Volt zugeführt wurde. In dieser bestimmten Ausführungsform besaßen die Widerstände 102,110,114, 118 und 122 die Widerstandswerte 10 k ohm, 10 k ohm, 1 k ohm, 10 k ohm und 1 k ohm. AI3 Transistor 112 wurde ein Transistor des Typs JEDEC Nr. 2N3415 verwendet und der Transistor IO8 war ein Transi-

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sistor des Typs JEDEC Nr. 2Ν3ί|15. Als Diodengleichrichter 126 wurde ein Gleichrichter des Typs Nr. 1Ν^ΐ48 verwendet und der Kondensator 124 besaß einen Kapazitätswert von 0,02 Mikrofarad. Bei Verwendung einer anderen Netzversorgung oder bei Erzeugung eines Zündsignalimpulses bei einem anderen vorgegebenen Stromwert müssen die Bauelemente entsprechend abgeändert werden.

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Claims

- 16 Patentansprüche

Kommutierungssteuerung für Inverterschaltung mit mindestens einem Satz von zwei in Reihe verbundenen, Verbraucherstrom führenden gittergesteuerten Gleichrichtern, die gemeinsam über eine Quelle für elektrische Gleichspannungsleistung geschalttet sind, einem entsprechenden Satz von zwei in Reihe verbundenen gittergesteuerten K ommut i er ungs gleich rich tern ähnlicher Polarität, die ebenfalls über die elektrische Leistungsquelle geschaltet sind, ein Kondensator und ein Induktor, die in Reihe zwischen den Verbindungspunkt der beiden Verbraucherstrom führenden gittergesteuerten Gleichrichter und den Verbindungspunkt der beiden gittergesteuerten Kommutierungsgleichrichter geschaltet sind, ein Satz von zwei Diodengleichrichtern, die parallel jeweils über einen der Verbraucherstrom führenden gittergesteuerten Gleichrichter mit umgekehrter Polarität wie der Gleichrichter geschaltet sind und eine Einrichtung zum wirksamen Anschluß eines Verbrauchers zwischen den Verbindungspunkt der beiden Verbraucherstrom führenden gittergesteuerten Gleichrichter und der elektrischen Leistungsquelle, d a d u r ch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: eine Einrichtung (Ί6,8Ο) zur Erfassung des KommutierungsStroms während der Kommutierung, eines der beiden Verbraucherstrom führenden gittergesteuerten Gleichrichter (10,12) und eine Einrichtung (9¹O, die auf das Siganl dieser Strommeßeinrichtung anspricht zur Einschaltung des anderen Verbraucherstrom führenden gittergesteuerten Gleichrichters während, der Kommutierungsstrom auf einen vorgegebenen Wert absinkt.
2. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert des Kommutierungsstroms kleiner ist als der Spitzenwert des Kommutierungsstroms und mindestens 25 % dieses Spitzenwertes beträgt.

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3. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der vorgegebene Wert des Kommutierungsstroms kleiner ist, als der Spitzenwert des Kommutierungsstroms und im Bereich von 25 ~ 50 56 des Spitzenwertes des Kommutierungsstroms liegt.
4. Kommutierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Strommeßeinrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen kontinuierlichen Ausgangssignals mit einer Amplitude besitzt, die sich gemäß der Änderungen des Kommutierungsstroms ändert, so daß dieses Ausgangssingal ein variables Spannungssignal ist, und die Einrichtung zur Einschaltung des anderen Verbraucherstrom führenden, gittergesteuerten Gleichrichters dieses variable Spannungssignal erhält und daraufhin einen Zündsignalimpuls erzeugt, wenn der Kommutierungsstrom auf den vorgegebenen Wert absinkt.
5. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch A, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einschalten des anderen Verbraucherstrom führenden, gittergesteuerten Gleichrichters umfaßt:

eine ohmsche Schaltung, die über'eine Quelle für elektrische Gleichstromleistung geschaltot ist und eine Schaltereinrichtung (9¹O besitzt, welche einen Sbromsperrzustand und einen Stromdurchlaß-Zustand besit.r.t,

eine mit der S cn alt« rein richtung .verbundene Einrichtung sur Verschiebung dor i>chalter«iiavi^hbMri|r swUjuhen den bei.dan Bet r leb η ζ as ta ride η,

wobei die Versohiebungaeiririehturii? norn&ÄzvwiüQ d.u> 3c;h;ii Neueinrichtung in einem -mng*»v;?lh 1 t-:m Biifri»4;szustund IrUt. uatl auf daa variable SIpannunc-Taifenal ~;< aaupi'L-'.hf-., daß silo tva¹ --.inn dio Schalteroinrichtung in den -■ meieren Hetriob:j ¹JUtJf, ui 1 /eruebr.t, wenn der Koininutlorufi ·".·■ > tt'tuu auf üan vorgswUh.li-;Hi Wo rf. absinkt und anschließend iuhfioLi ILe H iinLtereinriohtunK vri ii den ?iuh gewohltan ''"ptrieb .. ..' :n\ ·'.'■·'1^i:'/erst.'h/.i, w<..t-.i :infr.vlghf Ίί*ίΓκ;·ϋ schnellen WtM¹Ii i ' i der I¹^s t'iobazusfc'intle der Zünd 3 ir ;i l ί ι puls an eln-uv vov^ ·ί " ! t ·η ?■■>« t in der ohmachen

2 υ π rs j ; / ο η α ι

Schaltung erzeugt wird.
6. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltereinrichtung auf ein von der Verschiebungsein richtung erzeugtes elektrisches Steuersignal anspricht und einen ihrer beiden Stromdurchlaßzustände einnimmt, wenn das elektrische Steuersignal einen vorgegebenen Wert übersteigt und den anderen Zustand einnimmt, wenn das elektrische Steuersignal kleiner ist als dieser vorgegebene Wert, wobei diese Verschiebungseinrichtung noch umfaßt:

eine Energiespeicher-Einrichtung (26), eine auf das variable Stromsignal ansprechende Einrichtung zur Aufladung der Energiespeicher-Einrichtung mit vorgegebener Polarität, wenn der Kommutierungsstrom den vorgewählten Wert übersteigt und zur schnellen Entladung der Energiespeicher-Einrichtung, wenn der Kommutierungsstrom unter den vorgewählten Wert absinkt,

eine Schaltung zur Verbindung der Energiespeicher-Einrichtung, der Schaltereinrichtung und einer Quelle für elektrische Gleichstromleistung untereinander in einer solchen Weise, daß das der Schaltereinrichtung zugeführte elektrische Steuersignal nur während der schnellen Entladung der Energiespeicher-Einrichtung kleiner ist als der vorgegebene Wert.
7. KommutierungseinrichtunK nach Anspruch 6, dadurch gekenn ze L chnet , daß die Energiespeicher-Einrichtung ein Koniensatox' (2.6) ist.
8. Kommutierungsoi.nrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennz ο Lehnet, daß die Schaltereinrichtung ein Transistor (9¹O mit Anode, Kathode und Basis ist und die Schaltung zur Meferung eines elektrischen Steuersignals mit der Basis verbunden ist.

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9. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 4_S dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einschaltung des anderen stromführenden, gittergesteuerten Gleichrichters umfaßt:

ein Paar von Anschlußeinrichtungen (104,106) zur Herstellung einer Verbindung über eine Quelle für elektrische Gleichstromleistung,

erste, zweite und dritte Widerstands-Einrichtung (102,11¹Ij 110), die jeweils mit einem ersten Anschluß (104) verbunden sind,

erste, zweite und dritte Transistoren (94,112,108), die jeweils die erste, zweite und dritte Widerstandseinrichtung und die zweite Anschlußeinrichtung (106) miteinander verbinden, eine aus gangs seit ige Schaltung, die an dem Verb in dungs punk t der ersten Widers tan ds einrichtung und des ersten Transistors angeschlossen ist,

wobei diese Strommeßeinrichtung an die Basis des dritten Transistors angeschlossen ist, zur Zuführung eines variablen Stromsignals an die Basis dieses dritten Transistors_a eine Schaltung einschließlich einer Kapazität (124),, welche zwischen den Verbindungspunkt (120) der zweiten Widerstandseinrichtung (114) und des zweiten Transistors (112) und die Basis (116) des ersten Transistors (108) eingefügt ist, eine vierte Widerstandseinrichtung (118) zur Verbindung der Basis (116) des ersten Transistors (Io8) und des ersten Anschlusses (104) miteinander und eine Einrichtung (126) zur Verbindung der Basis des zweiten Transistors (112) und des Verbindungspunktes (129) der dritten Widerstandseinrichtung (102) und des dritten Transistors (9^) miteinander.
10. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß durch die Strommeßeinrichtung ein variables Stromsignal erzeugbar ist, das zur Einschaltung des dritten Transistors (94) nur dann ausreichend ist, wenn der Kommutierungsstrom gleich oder größer als der vorgegebene Wert ist und der Widerstand und die Kapazität der Schaltung einen solchen Wert besitzt, daß (a)

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der zweite Transistor (112) eingeschaltet ist, wenn der dritte Transistor (108) gesperrt ist und gesperrt ist, wenn der dritte Transistor eingeschaltet ist, (b) der Kondensator (124) aufgeladen wird, wenn der zweite Transistor (112) gesperrt wird und schnell entladen wird durch den zweiten Transistor, wenn dieser eingeschaltet wird, und (c) der Transistor nur während der schnellen Entladung gesperrt wird, wodurch die Kapazität aufgeladen wird, wenn der Kommutierungsstrom gleich oder größer ist, als der vorgegebene Wert und schnell entladen wird zur Erzeugung des Zündsignalimpulses an der ausgangsseitigen Schaltung, wenn der Kommutierungsstrom unter den vorgegebenen Wert abfällt.
11. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine Logikeinrichtung (130,132) enthält, um den Zündsignalimpuls dem anderen Verbraucherstrom führenden, gittergesteuerten Gleichrichter zuzuführen.
12. Kommutierungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzei chnet , daß die Strommeßeinrichtung eine Gleichrichtereinrichtung (80) enthält zur Erzeugung eines einsinnig gerichteten, variablen Stromsignals unabhängig von der Richtung des Kommutierungsstroms.

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