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WECHSE s.ICISTER Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet
der wechseiricht er Halbleiter-Umformertechnik, insbesondere auf einenY(Inve rtor)
und kann beispielsweise in statischen Frequenzwandlern zur Geschwindigkeitssteuerung
asynchroner Kurzschlußmotoren verwendet werden.
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Bekannt sind Invertoren, die steuerbare Hauptventile z.B.
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Thyristoren enthalten, nach einer Dreiphasen-Brückensahaltung montiert,
durch Gegenstromdioden überbrückt und an die Hauptgleichstromquelle angeschlossen,
ferner eine Eommutierungseinheit, bestehend aus einem Umschaltkondensator , und
einer 5 Drosselspule die hintereinandergeschaltet sind sowie Hilfthyristoren. Die
genannten Hilfsthyristoren bilden: drei Gruppen aus anti parallelgeschalteten Thyristoren,
wobei aede Gruppe an eine der Brückenseiten der Hauptthyrissymmetrische toren angeschlossen
ist eine v Brücke aus vier an
eine Gleichstromzusatzquelle angeschlossenen
Thyristoren, sowie eine Brücke aus zwei Thyristoren, angeschlossen an die Hauptgleichstromquelle,
wobei das eine Ende der genannten Kette an den gemeinsamen Punkt der drei Gruppen
aus anti parallelgeschalteten Thyristoren und das andere Ende dieser Kette an die
Seite der erwähnten Brücke aus zwei Thyristoren angeschlossen ist, während der Umschaltkondensator
dieser syr.metri.s chen Kette in die Diagonale der genannten v Brücke aus vier Thyristoren
eingeschaltet ist/s. beispielsweise das französische Patent Nr. 1404651 von 1965/.
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Ein Nachteil der bereits bekannten Invertoren besteht darin, daß
die Spannung am Umschaltkondensator und folglich an den Thyristoren und Dioden der
Schaltung den Spannungswert der Speisequelle des Invertors wesentlich übersteigen
kann. Im vorliegenden Invertor erfolgt beim Einschalten der Brücke ausden zwei,
an die Hauptgleichstromquelle angeschlossenen Kommutie -rungsthyristoren ein Schwingungsprozeß
der Umladung des Umschaltkondensators im Kommutationskreis mit der Drossel.
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Die zum Schluß der Kommutation in der Drossel aufgespeicherw te Energie
gelangt unter Abzug der Verluste in den Umschaltkondensator, wodurch im letzteren
und somit auch in den Kauptthy;-storen sowie in den Gegenstromdioden ein Spannungsanstieg
hervorgerufen wird. Der Uberspannungswert hängt von den Kenngrößen des Kreises aus
dem Umschaltkondensator und der Umschaltdrossel sowie vom Belastungsstrom ab.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der Überspannungen
am Umschaltkondensator und an sämtlichen Schaltungselementen des Invertors in einem
weiten Steuerbereich der Frequenz und Spannung.
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Das wird dadurch erreicbt,daß in der Kommutierungseinssrrqmletrisclen
heit an die Diagonale der ff Brücke aus steuerbaren Hilfsventilen /Thyristoren/,
in welche ein Kommutierungskondensator eingeschaltet ist, mit einer Diagonale einesymmetrische
Brücke aus Zusatzdioden und an die andere Diagonale dieser Brücke ein Zusatzkondensator
bzw. ein Steuerimpulsformer angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Stromkreis
der kommutierenden Drossel verbunden ist.
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Zweckmäßigerweise wird beim Anschluß des Steuerimpulsformers an eine
Diagonale der Brücke aus Zusatzdioden die Kommutierungsdrossel aus zwei Wicklungshälften,
in Reihe geschaltet, ausgeführt, an die Seite einer Brücke aus steuerbaren Hilfsventilen
angeschlossen, welche an die Gleichstroiahauptquelle angeschlossen und mit ihrem
Mittelpunkt mit dem Umschaltkondensator verbunden sind, und parallel zu den Wicklungshälften
der genannten Drossel werden Kettenglieder aus hintereinandergeschalteten steuerbaren
Ventilen und Widerstände angeschlossen, in denen die Steuerelektroden der genannten
Ventile mit dem Steuerimpulsformer verbunden sind.
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Um das Wesen der Erfindung weiter zu er.utern, wird nachstehend eine
genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
des Invertors unter
Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen angeführt. Es zeigt: Fig. 1. das Prinzipschaltbild
des Invertors mit Zusatzkondensator, eingeschaltet in die Diagonale einer symmetrischee
Drücke aus Zusatzdioden; Fig. 2. (a-f) die Diagramme der Spannungen und Ströme des
Invertors entsprechend Fig. 1 Fig. 3. das Prinzipschaltbild eines Invertors, in
dem in p',trnrnetiip} Pn die Diagonale der ç Brücke aus Zusatzdioden ein Steuerimpulsformer
eingeschaltet ist; Fig. 4. eine Invertorvariante nach Fig. 3., in der die Kommutationsdrossel
aus zwei Wicklungshälften ausgeführt ist, Es ist zu beachten, daß jeder in dieser
Beschreibung vorkommende Fachausdruck sämtliche gleichwertigen Elemente erfaßt,
die analog arbeiten und für die gleichen Zwecke, wie in der vorliegenden Erfindung
verwendet werden. Wir weisen ferner darauf hin, daß weitere Verwendungszwecke und
Vorzüge der gegebenen Erfindung, außer den bereits erwähnten, nachstehend beim Darlegen
der Beschreibung und bei der Betrachtung der Zeichnungen hervortreten werden.
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Wie aus Bild 1.zu ersehen ist, enthält der Invertor nach einer Dreiphasen-Brückenschaltung
zusammengebaute und von der Gleichstrom-Hauptquelle Uo gespeiste Hauptthyristoren
1, 2, 3, 4, 5 und 6 sowie Gegenstromdioden 7, 8, 9, 10, 11, 12, welche
zu
den genannten Hauptthyristoren -tntiparallel geschaltet sind. An die Diagonale der
Brücken der Hauptthyristoren 1 - 6 jiffind angeschlossen: einerseits - eine Dreiphasenbelastung
(Phasen A, B, C) und andererseits - eine Kommutierungseinheit.
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Die Kommutierungseinheit enthält: drei Gruppen -tntiparallel verbundener
Hilfsthyristoren 13-14, 15-16, 17-18, wobei jede Gruppe mit einer Bruckenseite dr
Hauptthyristoren 1-6 verbunden ist; ferner - einen Umschaltkondensator 19 und eine
Umschaltdrossel 20, in ein Kettenglied hintereinandergeschaltet, wobei ein Ende
dieser Kette an den gemeinsamen Punkt der drei Thyristorengruppen 13-18 angeschlossen
und der symmetrischen Umschaltkondensator 19 der Kette in die Diagonale der / Brücke
aus Hilfsthyristoren 21, 22, 23 und 24 eingeschaltet ist.
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Über eine mit der Diode 26 parallelgeschaltete Hilfsdrossel 25 ist
die genannte Brücke an einen elektrolytischen Kondensator 27 und an eine zusätzliche
Gleichstromquelle Un zur Nachladung des Kondensators 19 angeschlossen.
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Antiparallel zu den Thyristoren 21-24 sind zu einer symmetri-CI:P:1
Brücke zusammengebaute Zusatzdioden 28-31 eingeschaltet, deren Diagonalen mit den
Diagonalen der Brücke aus den Thyristoren 21-24 vereinigt sind. Das zweite Ende
der Kette aus dem Kondensator 19 und der mit ihm in Reihe geschalteten Drossel 20
ist in die Brückenseite aus Thyristoren 32-33 eingeschaltet, welche an die Hauptquelle
Uo angeschlossen sind.
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Die Beschreibung des Kommutationsprozesses in der Invertorschaltung
wollen wir vom Zeitpunkt to (Bild 2) beginnen. Nehmen wir an, daß der Strom durch
die Hauptthyristoren 1,5 und 6 geleitet wird. Dabei ist der Umschaltkondensator
19 bis zur Spannung der Zusatzquelle Un mit der auf Bild 1 angegebenen Polarität
aufgeladen. Der Spannungswert der Zusatzquelle Un wird in der Regel gleich der Maximalspannung
der Quelle U0 am Eingang des Invertors gewählt und bleibt konstant für sämtliche
Ausgangsfrequenzen. Im Moment t1 wird ein kurzer Steuerimpuls zum Offnen der Hilfsthyristoren
32 und 13 gegeben.
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Der Strom i19 des Kondensators 19 steigt nach dem r eines Schwingkreises
in der Folge: U0 - Thyristor 32 - Kondensator 19 - Drossel 20 - Thyristor 13 - Phase
A - Phase B Thyristor 6 - -U0.
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Im Moment t2 wird der Entladungsstrom des Kondensators 19 gleich
dem Belastungsstrom In (Bild 2a), der Strom i1 des Thyristors I sinkt bis zum Nullwert
ab, so daß der letztere blockiert wird (Bild 26). Dabei bildet sich ein neuer Umladungskreis
des Umschaltkondensators 19 nach der Folge: Thyristor 32- Kondensator 19- Drossel
20- Thyristor 13- Diode 7- Thyristor 32. Der Strom i7 durch die Gegenstromdiode
7 ist gleich der Stromdifferenz des Kondensators 19 und des Belastungsstroms In
(Bild 2c). Im Moment t3 sinkt der Strom des Kondensators 19 bis zum Wert In ab,
so daB die Diode 7 abgesperrt wird. Im Zeitabschnitt t3 -t4 fließt durch den Umschaltkondensator
19
ein praktisch konstanter Belastungsstrom, worauf er bis zur Spannung
der Speisungsquelle des Invertors Uo = Un (Bild 2d) nachgeladen wird.
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Im Zeitpunkt t4 beginnt die Rtickstromdiode 10 (Bild 2e) den Strom
i10 zu leiten, wobei-der Reaktionsstrom der Phase A 1 dem Kreis: Phase A- Phase
B- Thyristor 6- Diode 10-Phase A geschlossen wird. In diesem Moment ist es zweckmäßig,
Zonen Steuerimpul X m Thyristor 4 zu geben, wodurch das Reversieren des Belastungsstroms
der Phase A beschleunigt wird.
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Betrachten wir nun genauer die Rolle der Hilfsdioden 28-31. Im Zeitabschnitt
t4-t5 sinkt der Strom der Umschaltdrossel 20 bis auf Null ab, wobei ihre elektromagnetische
Energie v'l in den Kondensator 19 übergeht, was einen Spannungsanstieg im letzteren
verursacht. Hätten wir nicht die Dioden 28-31, so würde sich der Kondensator 19
bis zu einer bedeutend höheren Spannung als die der Stromquelle Un (punktierte Kurve
auf Bild 2d) aufladen.
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Im gegebenen Schaltbild wird z.B. bei der Potentialerhöhung des linken
Belags des Kondensators 19 über den Potentialwert der Plusklemme der Zusatzquelle
Un das Dialenpaar 28-29 geöffnet, wodurch die überschüssige Energie des Kondensators
19 in den elektrolytischen Kondensator 27 übergeht (Ströme i28, i29 auf Bild 2f),
der im Vergleich zum Kondensator 19 eine bedeutend höhere Kapazität im Stromkreis:
Kondensator 19- Diode 28- Diode 26- Kondensator 27- Diode 29- Kondensator
19
hat. Auf diese Weise bieten die Dioden 28-31 die Möglichkeit, «rt Umschaltkondensator
19 eine Spannung aufrechtzuerhalten, die praktisch die Spannung der Stromquelle
Un in sämtlichen Arbeitsverhältnissen des Invertors gleich ist und beschränken somit
das Auftreten maximaler Überspannungen in sämtlichen Elementen der Schaltung. Es
sei noch zu bemerken, daß die installierte Leistung der Dioden 28-31 wesentlich
geringer ist als die der Hauptthyristoren 1-6, da sie den Impulsstrom in viel kürzeren
Zeitabschnitten durchlassen im Vergleich zur Dauer der Arbeitsprozesse in der Schaltung.
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Eine andere Variante des beschriebenen Geräts ist ein s'rrnrretri
ehen Invertor, in welchem in die Diagonale einer v Brücke aus den Zusatzdioden 28-31
ein Steuerimpulsformer 34 (Bild 3) eingeschaltet ist, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode
von S«r;istor 35 verbunden ist; in Reihe geschaltet mit dem Symistor 35 ist der
Widerstand 36, und das aus diesen beiden Elementen gebildete Kettenglied ist an
die Umschaltdrossel 20 parallel symmetrische angeschlossen; die Brücke aus den Hilfsthyristoren
21-24 in über die Drossel 37 an den Pluspol der zusätzlichen Gleichstromquelle Un
angeschlossen.
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Betrachten wir nun den Verlauf der Kommutierung in einem derartigen
Invertor. Zum Ausschalten des Thyristors 1 werden die Thyristoren 32, 13 eingeschaltet
und der zuvor geladene Kondensator 19 wird nach dem Stromkreis: Thyristor 32-Drossel
20- Kondensator 19- Thyristor 13- Diode 7- umgeladen, wodurch das Ausschalten des
Thyristors 1 gewährleistet wird.
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Zum Schluß der Kommutierung, sobald der Kondensator 19 die Schwellwertspannung
erreicht hat, schaltet der nach dem üblichen Schema (z.B. nach dem Schema eines
Sperrschwingunivibrators) ausgeführte Steuerimpulsformer 34 den rllritC 35 ein,
wodurch die überbrückung der Drossel 20 mit Hilfe des Widerstandes 36 gesichert
wird. Auf diese Weise sind Überspannungen am Umschaltkondensator 19 ausgeschlossen.
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Die Umschaltdrossel kann aus zwei Wicklungshälften 38, 39 (Fig. 4)
ausgeführt werden, die in die Brückenseite aus den Hilfsthyristoren 32, 33 in Reihe
geschaltet und mit ihrem Mittelpunkt an den Umschaltkondensator 19 angeschlossen
sind.
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In diesem Falle werden statt des Tri' c parallel zu den Wicklungshälften
38, 39 der Drossel Kettenglieder aus den hintereinandergeschalteten Thyristoren
40, 41 mit einem Widerstand 42 angeschlossen; dabei sind die Steuerelektroden der
Thyristoren 40, 41 mit dem Ausgang des Steuerimpulsformers 34 verbunden.
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Eine derartige Schaltung der Drossel steigert die Zuverlässigkeit
der Kommutationseinheit. In diesem Falle arbeitet der Invertor analog dem obenbeschriebenen
nach Fig. 3, bloß mit dem Unterschied, daß die Funktionen des Synistors 35 abwechselnd
die Thyristoren 40, 41 erfüllen.
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Die nach der vorliegenden Erfindung ausgeführten Invertoren wurden
an Versuchsmustern von Thyristor-Frequenzwandlern bis 100 kW zur Geschwindigkeitsregelung
asynchroner
Elektromotoren mit Kurzschlußrot or im Frequenzbereich
von 3 bis 60 Hz und von 0 bis 380 V erfolgreich geprüft.
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Die genannten Thyristor-Frequenzwandler verwirklichen das Gesetz
des konstanten Verhältnisses der Spannung zur Prequenz mit einer Kompensation des
Spannungsabfalls im aktiven Widerstand der Statorwicklung. Die Steuerung der Wandler
ermöglicht einen Frequenzanlaß des Motors zu einer beliebigen vorgegebenen Geschwindigkeit,
eine stoßfreie Regelung der Drehgeschwindigkeit, eine dynamische bzw. Frequenzbremsung.
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In den Frequenzwandlern ist eine Sicherung gegen Strom-'r'orüt;L+icn
überlastugen, Störungen der v gegen äußere und innere Kurzschlüsse vorgesehen. Die
Stabilisierungsgenauigkeit der Ausgangsspannung und Frequenz beträgt 1-2; Der Wirkungsgrad
ist ist gleich 0,90-0,94; Die Leistugszahl liegt im Bereich von 0,90-0,95.