DE2347646B2

DE2347646B2 - Dreiphasige Wechselrichteranordnung

Info

Publication number: DE2347646B2
Application number: DE2347646A
Authority: DE
Inventors: Harald 8520 Erlangen Heinicke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB1483201A; FR2245124A1; DE2347646C3; DE2347646A1; JPS5058531A; SE7411870L; CH570735A5; IT1021489B; SE394778B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dreiphasige Wechselrichteranordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 bezeichneten Art.

Aus der DE-OS 21 06 146 ist eine solche Wechselrichteranordnung bekannt. Die von dieser Wechselrichteranordnung erzeugte /wölfpulsige Ausgangsspannung weist einen Klirrfaktor von I W» auf. Ks sind daher zusätzliche Gliiiturigs- und Filierminel /ur Erzeugung eines möglichst sinusförmigen Spannungsverlaufs erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wechselrichteranordnung der eingangs genannten Art einen Klirrfaktor der Ausgangswechselspannung von unter 6% zu erhalten, ohne daß zusätzliche Glättungsund Filtermittel erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Kennzeichen des Anspruches I angegebenen Merkmale.

Eine Ausgangswechselspannung mit besonders geringem Klirrfaktor wird mit dem im Anspruch 2 genannten Merkmal erhalten.

Anspruch 3 gibt ein Merkmal an, mit dem auch bei einem Überlaststoß ein minimaler Klirrfaktor erhalten werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung sind die Einzelwechselrichter in einer aus Fig. 2 der CH-PS 4 03 064 bekannten kreisstromführenden Schaltung mit steuerbaren Hauptventilen in Mittelpunktsschaltung ausgeführt. Der Mittelpunkt der Hauptventile ist über eine Vordrossel mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Zwischen den gleichnamigen Anschlüssen der beiden steuerbaren Hauptventile liegt ein Kommutierungskondensator. Weiterhin sind Freilaufventile zwischen dem einen Pol der Gleichspannungsquelle und Anzapfpunkten in der Nähe der beiden Enden der Primärwicklung geschaltet. Bei diesem bekannten Parallelwechselrichter weist die Wechselrichterspannung keine ideale Rechteckform auf, sondern durch die Wirkung des kommutierungskondensaiors mehr oder weniger Trapezform. Dies wurde

jedoch, ebenso wie der in dieser Schaltung fließende Kreisstrom als nachteilig angesehen.

Aus der GB-PS 9 97 905 ist es bei Direktumrichtern bekannt, daß bei Verwendung von trapezförmigen Kurven eine bessere Annäherung an die Sinusform erreicht wird als bei rechteckförmigen Kurven.

Die erfindungsgemäße Wechselrichteranordnung beruht auf der Erkenntnis, daß eine an die Sinusform angenäherte Wechselspannung mit dem gewünschten kleinen Klirrfaktor von unter 6% bei der aus der DE-OS 21 06 146 bekannten Transformatoranordnung entsteht, wenn diese nicht mit rechteckförmigen oder im Rahmen der technischen Möglichkeiten nahezu rechteckförmigen, sondern vielmehr mit trapezförmigen Halbwellenspannungen angespeist wird, wobei die Anstiegs- und Abfallflanken der trapezförmigen Halbwellen möglichst linear verlaufen, betragsmäßig dieselbe Steigung besitzen und ihre Dauer größer als V20 der Halbperiodendauer der Wechselspannungen. Es wurde erkannt, daß derartige trapezförmige Spannungen nur dann mit der bekannten kreisstromführenden Wechselrichterschailuiig erhalten werden können, wenn bestimmte Bedingungen beim Aufbau der Schaltung und bei der Dimensionierung der Bauelemente eingehalten werden. Es ist erforderlich, daß der über die Vordrossel, ein Freilaufventil, den angezapften Teil der Primärwicklung des Transformators und ein Hauptventil fließende Kreisstrom einen möglichst konstanten Verlauf aufweist, so daß auch während der Umladung des Kommutierungskondensators der Strom in der Vordrossel weitgehend konstant bleibt. Unter dieser Voraussetzung und bei entsprechender Dimensionierung der Kapazität des Kommutierungskondensators erfolgt die Umladung des Kommutierungskondensators hinreichend linear und die Dauer des Umladevorganges ist größer als '/20 der Halbperiodendauer. Dann aber weisen auch die Flanken der trapezförmigen Spannungen den gewünschten Verlauf auf.

Die erfindungsgemäße Wechselrichteranordnung erzeugt eine dreiphasige sinusförmige Ausgangswechselspannung mit einem Klirrfaktor von weniger als 6%. Infolge des kleinen Klirrfaktors werden keine Bandpaßfilter am Ausgang der Wechselrichteranord.nung benötigt. Durch den Wegfall der Filtermittel wird aber auch das dynamische Verhalten der Anordnung verbessert. Unter dynamischem Verhalten ist dabei die normalerweise bei einer Wechselrichteranurdnung mit Ausgangsfilter auftretende Eigenschaft zu verstehen, daß sich bei Laständerungen kurzzeitige Änderungen in der Höhe der Ausgangswechselspannung einstellen.

Der unter 6% liegeniie Klirrfaktor steigt auch bei Laststööen nicht kurzzeitig an, da der Kreisstrom jedes Einzelwecnselrichters stets größer ist als der zu erwartende maximale Laststrom auf der Primärseite des zugehörigen Transformators.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung daraus, daß die Umladezeit des Kommutierungskondensators bei einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz nicht wie üblich etwa 0,3 ms beträgt, sondern gemäß der im Anspruch 2 genannten besonders bevorzugten Ausführungsform T/12 = 1,67 ms beträgt, also etwa um den Faktor 5 höher liegt. Die in den Einzelwechselrichtern eingesetzten steuerbaren Ventile, insbesondere Thyristoren, erhalten dadurch eine gröBere Freiwerdezeit. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil: Wegen der größeren Freiwerdezeit brauchen keine sogenannten Frequenzventile, also steuerbare /entile, die auch bei höheren Fig. 1 Zeigt ciHc ufciphäSigc WcCaSTiI iuhici änuid-

Frequenzen arbeiten können, eingesetzt zu werden; man kann normale Ventile, insbesondere für Niederfrequenz bemessene Thyristoren, verwenden. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Verbilligung beim Aufbau der einzelnen Teilwechselrichter. Das gilt natürlich auch für höhere Arbeitsfrequenzen als 50 Hz. Diese normalen, heute erhältlichen Thyristoren können dabei bis zu einer Ausgangsfrequenz bis zu 120 Hz eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine dreiphasige Wechselrichteranordnung,

F i g. 2 eine Anzahl von Spannungs-Zeit-Diagrammen zur Erläuterung der Wechselrichteranordnung nach Fig. 1,

F i g. 3 ein Diagramm, in dem der Klirrfaktor in Abhängigkeit von der Flankendauer dargestellt ist,

F i g. 4 einen selbstgeführten Wechselrichter in Mittelpunktschaltung,

Fig. 5 7eit-Diagramme für den Wechselrichter nach Fig. 4.

ihäSigc

nung in schematischer Darstellung, die aus sechs einphasigen Einzelwechselrichtern 1 bis 6 gleichen Aufbaus und aus einer Transformatorenanordnung 70 besteht Die Einzelwechseirichter I bis 6 werden gemeinsam aus zwei Versorgungsleitungen 8 und 9 gespeist, die an eine Gleichspannungsquelle i0 mit der Betriebsgleichspannung Ub angeschlossen sind. Die Einzelwechselrichter erzeugen im Takt der ihnen zugeführten Taktsignale Ti bis 7~6 an ihren Ausgängen Spannungen gleicher Frequenz, z. B. von 50 HZ, und gleicher trapezartiger Kurvenform. Diese Spannungen sind gegeneinander phasenverschoben, zeigen jedoch sons' einen identischen Verlauf. Sie werden der Transformatoranordnung 70 zugeführt. Die dargestellte dreiphasige Wechselrichteranordnung liefert zwischen den Ausgangsklemmen x,/und ζ der Transformatoranordnung 70 eine der Sinusform weitgehend angenäherte zwölfpulsige Ausgangswechselspannung. Diese Ausgangswechselspannung wird einer Last, z. B. einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer Synchronmaschine, oder einer Datenverarbeitungsanlage beliebigen Aufbaus zugeführt. Insbesondere ist die Wechselrichteranordnung für die unterbrechungsfreie Stromversorgung eines Netzes vorgesehen.

Die Zusammensetzung der einzelnen Wechselrichterspannungen wird mittels der Transformatoranordnung 70 vorgenommen. Diese Transformatoranordnung 70 ist an sich aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 06 146 bekannt und umfaßi eine aus den Einzeltransformatoren a, b, c bestehende erste Gruppe, denen jeweils ein Einzelwechselrichter 1, 2 bzw. 3 zugeordnet ist, sowie eine aus den Einzeltransformatoren d, e und f bestehende zweite Gruppe, die von den Einzelwechseirichtern 4, 5 bz'v. 6 beaufschlagt wurden. Die Einzelwechselrichter 1 bis 6 enthalten jeweils zwei elektronische Schaltglieder, die im Takt der ihnen zugeführten Taktsignal^- Ti bis 7~6 abwechselnd die Enden der Transfjrmatorprimärwicklungen mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 10 zeitverzögert verbinden. Der andere Pol der Gleichspannunpsquelle 10 ist jeweils an eine Mittelanzapfung dei Primärwicklung angeschlossen. Die Frequenz der einzelnen Taktsignale Ti bis Τβ ist gleich. Ihre gegenseitige Phasenlage ist so gewählt, daß an den Sekundärwicklungen der ersten Gruppe a, b, c drei um 120' gegeneinander versetzte trapezförmige Teilspannungen

entstehen, und daß an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe d, e, I ebenfalls jeweils drei um 120° elektrisch gegeneinander versetzte, trapezförmige Teilspannungen entstehen, welche jedoch relativ zu den Teilspannungen der ersten Transformatorgruppe eine Phasenverschiebung von 30° el aufweisen. Die Sekundärwicklungen der ersten Transformatorgruppe a, b, c sind im Stern geschaltet und liegen in Reihe mit jeweils zwei Sekundärwicklungen, welche zwei Transformatoren aus der Gruppe d, e, f zugeordnet sind. Die Amplituden A der an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe d. c, /"auftretenden Haibwellenspannungen verhalten sich zu den Amplituden der an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe a, b, c auftretenden Spannung wie I//3. An den Ausgangsklemmen x, y, /. der Transformatoranordnung 70 erscheint die dreiphasige Ausgangswechselspannung.

In F i g. 2 ist der zeitliche Verlauf der Teilsnanniingen Uj. Ub. i'o Ui]. U_c\ und Un eingetragen. Bei einer Betrachtung z. B. der zweipulsigen Teilspannung i/, erkennt man, daß diese pro Periodendauer T. also im Bereich des Winkels von 360°, aus einem trapezförmigen positiven Spannungsblock B1 und einem dazu symmetrischen, ebenfalls trapezförmigen negativen Spannungsblock B 2 besteht. Die Anstiegsflanken und Abfallfianken beider Spannungsblöcke verlaufen zeitlich angenähert linear. Die ersten beiden Spannungsblöcke SI und Bl sind in F i g. 2 schraffiert hervorgehoben. Die Anstiegsflanken und Abfallflanken beider Spannungsblöcke B\ und B 2 besitzen betragsmäßig dieselbe Steigung. Ihre Anstiegs- und Abfalldauer ist jeweils so gewählt, daß der zugehörige Phasenwinkel 15" beträgt. Der gewählte Phasenwinkel von 15⁼ ist also größer als 9°. was '/:n der Halbperiodendauer der Teilspannung entspricht. Pro Spannungsblock B\. B2 ist die Spannung nur in einem Bereich von 150° zeitlich konstant.

F i g. 2 zeigt weiterhin, daß sämtliche Teilspannungen dieselbe Periode aufweisen, und daß jeder Sekundärspannung U₁. Ui-und L'. der Transformatorgruppe a.b.c zwei Teilspannungen mit einer um den Faktor fö kleineren Amplitude zugeordnet sind, von denen die eine gegenüber der Sekundärspannung ίΛ bzw. Ub und £/, um 30°el voreilt und die andere um 30^ce! nacheilt. Es ergibt sich beispielsweise die zwischen den Klemmen Ar und y der Wechselrichteranordnung nach Fig. 1 auftretende Spannung £/,, zu:

L_yx =

+ U_d

ί,, -L₁,-

L₁

Führt man diese Addition mittels der einzelnen Diagramme geometrisch durch, so ergibt sich ein Spannungsverlauf, wie er in der letzten Zeile der F i g. 2 dargestellt ist Man erkennt, daß dieser Spannungsverlauf Uy, weitgehend der Sinusform angenähert ist und daß er im wesentlichen aus zeitlich linear ansteigenden Teilspannungen oder Abschnitten besteht, welche den Anstiegs- und Abfallfianken der einzelnen Spannungsblöcke in den Ausgangsspannungen U₁ bis Un der Teilwechselrichter 1 bis 6 entsprechen, jeder dieser Abschnitte in der Ausgangswechselspannung ίΛ, erstreckt sich über einen Winkel von 30° elektrisch. Einen minimalen Klirrfaktor, der theoretisch bei 1% liegt, erhält man dann, wenn die Einstellung — wie in F i g. 2 eingezeichnet — so vorgenommen ist, daß die Anstiegs- und Abfallsdauer der einzelnen Flanken jeweils 15° elektrisch beträgt Für die beiden übrigen Spannungen t/,_zund U_lz ergeben sich zur Spannung Uy-, gleiche, jeweils um 120' elektrisch versetzte Spannungskurven.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Klirrfaktors k in Abhängigkeit von einem Winkel η dargestellt. Dieser Winkel λ, der in Grad elektrisch gemessen wird, entspricht der Dauer der Anstiegsflanken bzw. Abfallflanken der trapezförmigen Spannungsblöcke in den Teilspannungen der Einzelwechselrichter 1 bis 6 nach Fig. I und 2. Ändert man den Winkel λ bei allen F.inzelwechselrichtern 1 bis 6 gleichsinnig um denselben Betrag, so ergibt sich für die Ausgangswechselspannung (vergl. das in Γ"i g. 2 letzte Spannungs-Zcit-Diagramm) der in F i g. 3 eingezeichnete Verlauf des Klirrfaktors k. Man sieht daraus, daß ein Klirrfaktor k unter b°/o nur erreicht werden kann, wenn der Winkel /x innerhalb der dargestellten Werte größer als 9" el ist. Das heißt, daß dann die Anstiegsflanken und Abfallflanken jeweils eine D.iuer hrsit7pn miissrn rlir urnftpr Ut al« 9"/18(T = '/>» der Halbperiodendauer 772 der Teilspannung. Aus F i g. 3 ist weiter zu erkennen, daß man mit Sicherheil stets einen Klirrfaktor k unter 3% erhält, wenn der Winkel \ im Bereich von 12.5° bis 18° elektrisch liegt. Weiter ist aus F i g. 3 noch zu entnehmen, daß das Optimum, also der kleinste Klirrfaktor k. bei einem Winke! χ = 15^C elektrisch liegt. Das bedeutet, daß dann die Anstiegs- und Abfallsdauer jeweils genau I5"/18O° = '/υ der Halbperiodendauer 772 ist. Bei einer Wechseirichteranordnung mit einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz wird man also bevorzugt Teilwechselrichter 1 bis 6 verwenden, deren trapezförmige symmetrische Teilspannungen Anstiegs- und Abfallzeiten von zusammen 1,667 ms besitzen.

Die Einzelwechselrichter 1—6 sind in der aus der CH-PS 4 03 064 bekannten Schaltung ausgefühlt, die keine ideale Rechteckspannung, sondern eine trapezförmige Spannung erzeugt. Die Flankensteilheit an den Ecken der einzelnen Spannungsblöcke ist im wesentlichen durch die Umladezeit des Kommutierungskondensators bestimmt. Sorgt man dafür, daß die Umladezeit gegenüber der üblichen Dimensionierung vergrößert wird, so wird die Flankensteilheit abnehmen; entsprechend wird auch die Anstiegs- und Abfalldauer der Spannungsflanken zunehmen. Sorgt man noch zusätzlich dafür, daß der Umladestrom I₁- des Kommutierungskondensators während des Umladevorganges zeitlich nahezu konstant ist, so wird auch die zeitliche Änderung dUJdt der Spannung U am Kommutierungskondensator konstant sein. Damit erhalten die Anstiegs- und Abfallflanken in der Ausgangsspannung einen zeitlich linearen Verlauf.

Fig. 4 zeigt den Teilwechselrichter 1 von F i g. 1 in ausführlicher Darstellung. Die anderen Teilwechselrichter 2 bis 6 sind entsprechend aufgebaut Es handelt sich dabei um einen steuerbaren Wechselrichter mit steuerbaren Hauptventilen η 1 und π 2 in Mittelpunktschaltung.

Die Mittelanzapfung M der Primärwicklung P eines Transformators a ist an dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle 10 von beispielsweise Ub= 110 V Gleichspannung angeschlossen. Das eine Ende der Primärwicklung P ist Ober ein erstes ungesteuertes Serienventil π 11, das erste gesteuerte Hauptventil η 1, eine Vordrossel ν mit einer Induktivität L und eine Klemme N mit dem negativen Po! der Gieiehspannungsquelie 10 verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung Pist über ein zweites ungesteuertes Serienventil π 21, das zweite gesteuerte Hauptventil π 2, die Vordrossel ν und die Klemme N ebenfalls mit dem

negativen PuI der Gleichspannungsquelle 10 verbunden. Die als Thyristoren ausgebildeten Hauptventile π 1 und η 2 werden im Betrieb mittels eines (nicht gezeigten) Taktgebers abwechselnd gezündet.

Zur Lieferung des Kommutierungsstroms für die gesteuerten Hauptventile π Ι, /7 2 ist ein Kommutierungskondensator C vorgesehen, der die Anoden beider Haupt";ntile n\, n2 verbindet. An den Endklemmen der Sekundärwicklung 5 des Transformators a ist die Teilspannung U₁ abgreifbar. Zur Begrenzung von Überspannungen in FluDrichtung des St-omes der gesteuerten I lauptventilc n\, n2, die durch den induktiven Anteil der Last auf der .Sekundärseite des Transformators a verursacht werden können, sind zwei ungesteuerte Freilaufventilc π 12 und η 22 vorgesehen. Die Katiodc des Freilaufventils π 12 ist an einen Anzapfpunkt A I. der in der Nähe des einen Endes der Primärwicklung Fliegt, angeschlossen. Entsprechend ist die Kathode des Freilanfvnnlik π 22 ;in pinpm am anderen Ende der Primärwicklung P gelegenen Anzapfpunkt A 2 angeschlossen. Die Anoden beider Freilaufventile π 12, π 22 sind mit der Klemme N verbunden.

Im Leerlauf und im Lastbetrieb des Wechselrichters 1 fließt je ein Kreisstrom über die Bauelemente π i, ν, η \2 und η 11 bzw π 2, ν, π 22 und η 21. Diese Kreisströme können in ihrer Höhe durch die Wahl der Anzapfpunkte A 1 und A 2 bezüglich der Enden der Primärwicklung P eingestellt werden.

In F i g. 5 sind drei Zeitdiagramme für den Einzelwechse'-ichter 1 in F i g. 4 gezeigt. Das erste Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Kondensatorspannung U₁, das zweite Diagramm die Abhängigkeit der Drosselspannung Ui und das dritte Diagramm die Abhängigkeit des über die Vordrossel ν fließenden Kreisstromes // jeweils in Abhängigkeit von der Zeit /. Die Zeitpunkte i, und ii bezeichnen dabei die Zündzeitpunkte des Hauptventüs nl, und der Zeitpunkt fj bezeichnet den Zündzeitpunkt des Hauptventüs /?>.

Es sei zunächst angenommen, daß das Hauptventil /?> gezündet ist. Dann fließt ein Strom vom positiven Pol der Gleichspannungsquelle 10 über die Klemme M, den rechten Teil der Primärwicklung P, das Serienventil /7 21. das Hauptventil π 2. die Vordrossel ν und die Klemme N zum negativen Pol der Gieichspannungsquelle 10. Der Kommutierungskondensator C ist auf eine Spannung -2ίΛ)geladen. Wird nun das Hauptventil π 1 im Zündzeitpunkt fi gezündet, so entsteht an der Vordrossel ν eine Drosselspannung Ui.. die zunächst gleich dem Zweifachen der Gleichspannung Ub ist, wie aus dem zweiten Diagramm in F i g. 5 zu entnehmen ist. Die Umladung des Kommutierungskondensators C beginnt. Sie erfolgt bei üblicher Dimensionierung sehr schnell nach dem im ersten Diagramm gestrichelt eingezeichneten, gekrümmten Spannungsverlauf U'c zwischen den Zeitpunkten ii und 12. Die zugehörige Drosselspannung Ü'l und der zugehörige Kreisstrom I'l sind im zweiten bzw. dritten Diagramm der F i g. 5 ebenfalls gestrichelt eingezeichnet. Die Umladezeit des Kommutieningskondensators C ist dabei durch (t'2 — t\) gegeben.

Gegenüber dem gestrichelt eingezeichneten, bei üblicher Dimensionierung gegebenen Fall ist bei der Erfindung die Kapazität des Kommutierungskondensators C größer bemessen. Die Umladezeit f„ = (t2—t\) wird dadurch verlängert, und zwar von f 2 nach 1*2.

Es wird vorausgesetzt, daß der Umladestrom des Kommutierungskondensators C nahezu konstant ist Dann wird auch die Spannungsänderung d£/</df am Kommutierungskondensator C nach dem ersten Diagramm in Fig. 5 nahezu konstant sein und die Kondensatorspannung Uv während der Umladezeit t„ , einen zeitlich linearen Verlauf annehmen. Unter der soeben gemachten Voraussetzung nimmt auch die Drosselspannung Ui. während der Kondensatorumladung mit gleichbleibendem dUi/dl ab. Die Spannungszeitfläche, welche die Vordrossel ν während der in Umladezeit ί,, = (ί2-Ί) aufnimmt, beträgt somit bei geradliniger Spannungsänderung etwa

/·■ - (»■ '„■ nt

wobei i„ die gesamte Umladezeit (I₂- i\) ist. Infolge der ; , Spannungsänderung dUi/dl erhöht sich der Kreisstrom // vom Wert /„, aus um den Differenzbetrag

Hpm HriHpn

Piiacrrarnm VOf! F ! ". 3

;n entnehmen ist. Dieser WechselstromanteiM //nimmt bis zum Ablauf einer Halbperiode 772 im Zeitpunkt ii wieder auf den Wert /,,, ab. Die Abnahme ist unter der Voraussetzung, daß die Anzapfspannungen U, = 0 sind, durch die Summe der Spannungsabfälle U₁, an den

:, einzelnen Leitungswiderständen und durch die einzelnen Durchlaßspannungen U_n der einzelnen Ventile /ii, nil und η 12 bzw. π 2. π21 und π22 bestimmt. Die Neigung des Stromabfalls zwischen den Zeitpunkten I₂ und fi ist nämlich abhängig von der negativen

μ Drosselspannung Ui_n, die nach dem mittleren Zeitdiagramm in F i g. 5 während dieser Zeitspanne (fj - t₂) im wesentlichen konstant bleibt. Es gilt also Ui„ = — LdIi/ dt = const. Diese negative Drosselspannung Ur_n ist die Summe der genannten Gegenspannungen U₁, und U_n

ii bestimmt. Sie kann durch Verstellung der Anzapfpunkte A 1 und A 2. d. h. durch Änderung der Anzapfspannungen U₁. verändert werden.

Sind die erwähnten Gegenspannungen U₁, und U_n zu klein und ist U, = 0, würde nach dem Start beim zweiten

4Ii Kommutierungsvorgang zum Zeitpunkt ij ein Kreisstrom // fließen, der anfangs etwa Ali beträgt und dann MmAIi erhöht werden würde.

Dieser Vorgang der Stromerhöhung um Ali. würde sich bei den weiteren Kommutierungsvorgängen

4-, solange wiederholen, bis der Kreisstrom // einen solch großen Spannungsabfall U₁, an den Leitungswiderständen erzeugt, daß ein Gleichgewicht

(.'„ · f„ = (L„+ (/„) -[72-IJ (3)

->n erreicht ist.

Bei einer hohen Gleichspannung Ub wird sich somit ein hoher Kreisstrom // einstellen. Eine Möglichkeit, diesen Kreisstrom Il zu beeinflussen, liegt — wie aus der CH-PS 4 03 064 an sich bekannt und bereits oben angeführt — in der Veränderung der Anzapfpunkte A 1 und A 2. Ist die Anzapfspannung U, ungleich Null, so kommt zu der Gleichung (1) noch ein Term hinzu:

tV '„ = (14 + U_n + U₁) ■ (T 2 - /„. (4)

μ wobei U₀ wieder die an den Leitungswiderständen R₀ abfallende Spannung ist, die sich als U₀=R₀-h schreiben läßt.

Wählt man durch Bemessen der Induktivität L der Vordrossel vden Wert /_mdes Kreisstroms //.zu

/_m ^ iO

so ist die Spannungsänderung dUc/dt der Umladung

hinreichend konstant (lineare Umladung), und es können durch Wahl der Kapazität des Kommutierungskondensators C beliebige Werte der Umladezeit t„ eingestellt werden. Die Umladezeit f„ wird bei einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz bevorzugt auf tu — 1.667 ms eingestellt. Diese Umladezeit entspricht einem Winkel α =15°. Der Winkel tx in Fig. 3 entspricht somit der halben Umladezeit t,/2 des Kommutierungskondensators C. Die Kapazität K des Kommutierungskondensators Cberechnet sich zu

^K = - '„ ■ '/. If, IM

Der Kreisstrom // soll in seiner Höhe etwa gleich dem Spitzenwert des zu erwartenden, transfomiatorisch auf die Primärseite bezogenen Laststroms sein. Die Einstellung des Kreisstroms // erfolgt über die Einstellung der Anzapfpunkte A 1 und A 2.

Ein hoher Kreisstrom // belastet natürlich die Hauptventile η 1 und η 2 mit einem Blockstrom auch im Leerlauf. Es ist jedoch vorteilhaft, auch im Leerlauf einen hohen Kreisstrom // fließen zu lassen. Denn es ist erst durch einen Kreisstrom /; in der Höhe des zu erwartenden Laststroms möglich, einen Laststoß von Leerlauf auf Vollast ohne Verformung der Ausgangswechselspannung Uj, d. h. Abweichung vom trapezförmigen Verlauf, vorzunehmen.

Da der Teilwechselrichter 1 nach F i g. 4 Bestandteil einer zwölfpulsigen Wechselrichteranordnung ist, sind im übrigen nur sehr geringe Änderungen der eingestellten Umladezeit f„ in Abhängigkeit von der Last zu erwarten, da die Ströme in den sechs Einzelwechselrichtern nahezu sinusförmig sind. Beim Übergang vom Leistungsfaktor cos φ = 0 auf Vollast und einen Leistungsfaktor cos φ = 0,8 ist maximal nur mit einem Ansteigen des Kl'.'rfaktors von 1 % auf 2% zu rechnen.

Will man trotz eines Übergangs vom Leistungsfaktor cos φ = 0 auf den Wert cos φ = 0,8 stets einen Klirrfaktor k unter 2% erhalten, so wählt man statt eines Winkels a. = 15° (Umladezeit 1,667 ms bei 50 Hz) einen Winkel λ = 16,5° (Umladezeit 1,84 ms bei 50 Hz) im Leerlauf. Unter dieser Bedingung liegt der Klirrfaktor k im gesamten Arbeitsbereich, also vom Leerlauf bis zur Vollast bei cos φ = 0,8, immer unter 2%. Daraus ist ersichtlich, daß die Umladezeit /„auch in diesem Fall etwa um den Faktor 5 höher liegt ais bisher üblich, wo Umladezeiten von etwa 0,3 ms gewählt wurden.

Es sei noch erwähnt, daß in F i g. 4 zwischen den Anoden der beiden Hauptventile n\ und π 2 die Reihenschaltung eines Zusatzkondensators Π mit einem elektronischen .Schaltglied ^angeordnet ist. Das Schaltglied T ist ein Triac. Das Schaltglied Z ist bei einem Überlaststoß von einem Schaltgerät Seinschaltbar. Um also auch bei einem Überlaststoß den minimalen Klirrfaktor k (Minimum in Fig. 3) zu erhalten, kann man wie aus der DE-PS 4 69 442 an sich bekannt, die Kommutierungskapazität mittels des zum Kommutierungskondensator C parallel angeordneten Zusatzkondensators Cl über das Schaltglied Γ verändern. Die Zuschaltung oder Abschaltung erfolgt im Spannungsnullpunkt des Kommutierungskondensators C in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Kreisstrom /; an der Vordrossel ν und dem Laststrom /. Dazu wird mittels eines Stromwandlers der Laststrom ermittelt und dem Schaltgerät 5nach Fig.4 zugeführt. Das Schaltgerät S wird weiterhin durch den Kreisstrom //. beaufschlagt, der mittels eines Gleichstromwandlers Gin Reihe zur Vordrossel vermittelt wird.

llicr/u 4 HIiUt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dreiphasige Wechselrichteranordnung mit der Sinusform angenäherter Ausgangswechselspannung mit folgenden Merkmalen:

a) Die Wechselrichteranordnung besteht aus sechs einphasigen zweipulsigen Einzelwechselrichtern und einer Transformatoranordnung,

b) die Einzelwechselrichter erzeugen zeitlich gegeneinander versetzte Spannungen gleicher Frequenz und Kurvenform,

c) die Transformatoranordnung enthält für jeden Einzelwechselrichter einen Transformator mit jeweils einer Primärwicklung, deren Endanschlüsse mit den steuerbaren Hauptventilen des zugehörigen Einzelwechselrichters und deren Mittelanzapfung mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist,

d) die Transformatoranordnung umfaßt eine erste Gruppe von Transformatoren mit jeweils einer Sekundärwicklung und eine zweite Gruppe von Transformatoren mit jeweils zwei Sekundärwicklungen,

e) die an die erste Transformatorengruppe angeschlossenen Einzelwechselrichter werden so getaktet, daß an den Sekundärwicklungen der ersten Transformatorgruope um 120° el versetzte Teilspannungen anstehen,

f) die an die zweite Transformatorgruppe angeschlossenen Einzelwechselrichter werden so getaktet, daß an den Sekundärwicklungen der zweiten Transformatorgruppe ebenfalls um !20° el versetzte Teilspannungen anstehen, die zu den Tailspannungen eier ersten Gruppe eine Phasenverschiebung von 30° ei aufweisen,

g) die Sekundärwicklungen der ersten Transformatorgruppe sind mit ihren einen Endanschlüssen in Stern geschaltet und sind mit ihren anderen Endanschlüssen jeweils in Reihe geschaltet und mit zwei Sekundärwicklungen der zweiten Transformatorgruppe, an denen zu den Teilspannungen der ersten Gruppe um 30° el voreilende und um 30° el nacheilende Teilspannungen anstehen, wobei an den äußeren Anschlüssen der Reihenschaltungen die dreiphasige Ausgangswechselspannung abgreifbar ist,

h) die Amplituden der sekundärseitigen Teilspannungen der ersten Transformatorgruppe sind j/Jmal größer als die sekundärseitigen Teilspannungen der zweiten Transfonnatorgruppe,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale: i) die Einzelwechselrichter (1 bis 6) sind in einer kreisstromführenden Schaltung als selbstgeführte Wechselrichter (1) mit steuerbaren Hauptventilen (n\, π2) in Mittelpunktsschaltung ausgeführt, deren miteinander verbundene Elektroden über eine Vordrossel (v) mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle (10) verbunden sind, bei der ein Kommutierungskondensator (C) zwischen den gleichnamigen Anschlüssen der beiden steuerbaren Hauptventile (n\, η 2) liegt und bei der Freilaufventile (η 12, π 22) zwischen dem einen Pol der Gleichspannungsquelle (f0) und den Anzapfpunkten (A I₁ A 2) in der Nähe der beiden Endender Primärwicklung ^angeordnet sind, j) die Anzapfpunkte (A 1, A 2) der Freilaufventile

(7j 12, π 22) an der Primärwicklung (P) des jeweiligen Transformators (Tr) werden so gewählt, daß der Kreisstrom (h) jedes Einzelwechse'irichters stets größer ist als der zu erwartende maximale Laststrom auf der Primärseite des Transformators,

k) die Induktivität der Vordrossel (v) ist so bemessen, daß der Kreisstrom (Il) einen Wechselstromanteil (ΔΙι) besitzt, der kleiner als 10% seines Gleichstromanteils (I_m) ist,

I) die Kapazität des Kommutierungskondensators (C) ist so bemessen, daß seine Unladezeit (t_u) zwischen ²⁵AjM und ³⁶/360 der Periodendauer der abgegebenen Spannung liegt

2. Dreiphasige Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kommutierungskondensators (C) so bemessen ist, daß seine Umladezeit Vu der Periodendauer beträgt.

3. Dreiphasige Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zürn Komrnutierungiküiidensator (C) eine Reihenschaltung eines Zusatzkondensators (Cl) und eines bei einem Überlaststoß eingeschalteten elektronischen Schaltgliedes (T)angeordnet ist (F i g. 4).