DE2360426A1

DE2360426A1 - Selbstgesteuerter wechselrichter mit steuerbaren hauptventilen in mittelpunktschaltung

Info

Publication number: DE2360426A1
Application number: DE2360426A
Authority: DE
Inventors: Harald Heinicke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-12-04
Filing date: 1973-12-04
Publication date: 1975-06-12
Also published as: CH571285A5; AT329679B; DK624574A; ATA848774A; FR2253305B1; IT1026736B; US3967183A; BE822602A; SE7415133L; FR2253305A1; LU71404A1; CA1012603A; NL7414109A

Description

Selbstgesteuerter Wechselrichter mit steuerbaren Hauptventilen in Mittelpunktschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstgesteuerten Wechselrichter mit steuerbaren Hauptventilen in Mittelpunktschaltung, denen ein Kommutierungskondensator₉ eine Vordrossel und je ein Eückarbeitsventil zugeordnet ist, und mit einem Transformator zum Anschluß einer veränderlichen Last.

Ein solcher Wechselrichter (vergl. z. B. das Siemens-Lehrbuch "Thyristor-Handbuch" von A. Hoffmann und L Stocker, 1965, Berlin und Erlangen, Seiten 243 bis 250,'insbes. Bild 165 auf Seite 248) kann z. B. aus einer Batterie oder aus einem Gleichrichter mit gesteuerten oder ungesteuerten Ventilen gespeist werden. Er gibt an der Sekundärwicklung seines Transformators eine rechteck- oder trapezförmige Wechselspannung ab, deren Amplitude durch die Höhe der Eingangsgleichspannung und deren Frequenz durch die Zündfrequenz der Hauptventile bestimmt ist. Die Rückarbeitsventile können bei einem solchen Wechselrichter kathodenseitig an den beiden Enden der Primärwicklung des Transformators angeschlossen sein- Abweichend davon ist es aber üblich geworden, die Primärv^icklung in der Iahe ihrer beiden Enden mit Anzapfungen zu versehen und dort die Rückarbeitsventile anzuschließen» Um zu verhindern.

sion der Kommu

tierungskondensator vorzeitig über die Primärwicklung des Transformators teilweise entlädt, wird der Wechselrichter aoch ergänzt durch zwei Seriendioden, die in Reihe su je ein©m der Hauptventile geschaltet sindo Die Anordnung dieser S@ri©ndi©d@n ist unbedingt erforderlich, falls dis Last im Betrink das

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Wechselrichters Schwankungen unterworfen ist. Auch bei Schwankungen der Eingangsgleichspannung verhindern die Seriendioden eine vorzeitige Entladung des Kommutierungskondensators, so daß auch in diesem Fall eine sichere Kommutierung von einem Hauptventil auf das andere gewährleistet ist. Ein solcher Wechselrichter kann auch zu einer Brückenschaltung ergänzt werden (vergl. die erwähnte Literaturstelle "Thyristor-Handbuch", insbes. Bild 167 auf Seite 250).

Bei einem Wechselrichter in Mittelpunktschaltung muß zur Vermeidung von Spannungseinbrüchen, d. h..Abweichungen von der gewünschten rechteck- oder trapezartigen Form der Ausgangsspannung| über die Vordrossel dauernd ein Kreisstrom fließen, der - unter Berücksichtigung des Übertragungsverhältnisses des Transformators■- mindestens der Größe des maximal zu erwartenden Laststroms entspricht. Dieser Kreisstrom wird nicht nur durch die Spannung an den gegebenenfalls vorhandenen Anzapfungen am Transformator, sondern zusätzlich auch durch die Leitungswiderstände und die Bahnwiderstände der Ventile im betreffenden Kreis bestimmt.

Unter der Voraussetzung, daß die Anzapfungsspannungen am Transformator, welche eine Rückmagnetisierung der Vordrossel bewirken, und ihre Eingriffszeiten größer sind als die Spannung und Umladezeit des Kommutierungskondensators, wird sich kein dauernd fließender Kreisstrom ausbilden. Der entstehende Kreisstrom wird lücken.

Wählt man die Anzapfungsspannungen am Transformator jedoch, kleiner, so wird sich jeweils ein nichtlückender Kreisstrom ausbilden. Dieser erzeugt an den Leitungswiderständen und an den Bahnwiderständen der Ventile eine zusätzliche Gegenspannung für die Vordrossel, so daß ein Gleichgewicht zwischen Aufmagnetisierung und Hückmagnetisierung entsteht. Bei leerlaufendem Wechselrichters also z. B₀ bei einem Wechselrichter ohne .Lastanschluß, wird der dauernd fließend© ICreisstrom verhältnismäßig

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hohe Verluste erzeugen. Diese Leerlaufverluste werden im allgemeinen hingenommen, denn ein Wechselrichter mit permanent fließendem Kreisstrom hat den Vorteil, daß eine plötzlich zugeschaltete Last oder ein Lastsprung keinen S paniraiigs einbruch in der Ausgangsspannung erzeugt» Insbesondere bei einem Wechselrichter hoher Betriebsleistung geht nun aber das Bestreben dahin, diese durch den Kreisstrom bedingten Leerlaufyerluste möglichst klein zu halten. In Schaltanordnungen, in denen der Leerlauf des Wechselrichters einer Bereitschaftsstellung entspricht, z. B. in Sofortbereitschaftsanlagen, können durch Verringerung der Leerlaufverluste die Betriebskosten gesenkt werden»

Aufgabe der Erfindung ist es, die Verluste des eingangs, genannten Wechselrichters, der für eine im Betrieb schwankend® Belastung konzipiert ist, au Terringera, dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Betriebskosten zu senken_o

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß -dadurch, gelöst₉ daß mit dem Kommutierungskondensator ein elektronisches Schaltglied in Seihe geschaltet ist, das jeweils zusammen mit den Hauptveatilen einschaltbar ist, wobei seine Einseheltdauer aieht gröfer ist als die Umladezeit des Koamutierungskoadeasatorso

Bei diesem üechselrichter sind die Serieadioden₉ lie im Stand© der Technik bei Wechselrichtern mit steuerbaren Hauptventilen · in Mittelpunktschaltung für den lall schwankender Belastung und/ oder Eingangsgleichspannung zur Aufrechterhaltung der Kondensatorladung unbedingt erforderlich sind₉ voll entfeehrlielko Ihre Funktion wird durch das jeweils mit den Hauptventilen" eingeschaltete Schaltglied übernommene Auf diese Weise werden die Bahnverluste in den beiden Seriendioden völlig vermieden. Wegen der fehlenden Seriendioden und des fehlenden Bahnuiderät-andes wird der ohmsche Widerstand in den beiden Kreisea_s ia d®nen der Kreisstrom fließt, also nennenswert verringert &. Die elektrische Energie₉ die durch das Weglassen der beiden Serieadioäea eingespart wird, ist wesentlich größer als die Energie₉ die durch das

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Einfügen des elektronischen Schaltgliedes verloren geht. Bei Betrachtung der Energiebilanz ergibt sich also, daß insgesamt gesehen durch die angegebene Maßnahme Energie eingespart wird. Das liegt vornehmlich daran, daß die Stromzeitfläche, mit der das elektronische Schaltglied pro Periode beaufschlagt wird, insgesamt kleiner ist als die beiden Stromzeitflächen, mit denen die beiden Seriendioden - falls sie vorhanden sind - pro Periode beaufschlagt werden würden. Der erfindungsgemäße Wechselrichter benötigt also im Leerlauf- und auch im lastbetrieb weniger Leistung. Durch das Fehlen der Seriendioden wird der Platzbedarf geringer. Weiterhin kann man die sonst für die Seriendioden erforderlichen Kühlkörper einsparen, was wiederum den Platzbedarf verringert und die Herstellungskosten senkt.

Als elektronisches Schaltglied, das in beiden Richtungen Strom führen können muß, kann insbesondere ein Triac vorgesehen sein. Stattdessen ist es aber auch möglich, als elektronisches Schaltglied ein anderes Zweiwegeventil, nämlich eine Antiparallelschaltung von steuerbaren Halbleiterventilen vorzusehen, von denen das eine mit dem einen Hauptventil und das andere mit dem anderen Hauptventil einschaltbar ist. Als Halbleiterventile können in diesem Fall Thyristoren oder auch Transistoren verwendet werden. Diese Halbleiterventile brauchen nur für eine geringere Schaltleistung ausgelegt zu sein.als die Hauptventile.

Insbesondere wird man so vorgehen, daß man die Einschaltsignale für das elektronische Schaltglied aus den Zündimpulsen für die Hauptventile des Wechselrichters ableitet. Auf diese Weise kann ein besonderer Steuersatz eingespart werden. Besonders zweckmäßig ist es dabei, daß die Steuerelektrode des elektronischen Schaltgliedes über eine potentialtrennende ODER-Schaltung mit den Steuerleitungen der Hauptventile verbunden ist. Das Schaltglied erhält dann in jeder Periode der Ausgangsspannung zwei Einschaltsignale, deren Beginn jeweils mit dem Anfang der Zündimpulse für die Hauptventile zusammenfällt. Die ODER-Schaltung kann zwecks

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Potentialtrennung mindestens einen Transformator enthalten. TJm eine Rückwirkung zwischen den Steuerleitungen der Hauptventile zu vermeiden, sollte die potentialtrennende ODER-Schaltung mindestens eine Sperrdiode enthalten.

Es muß darauf geachtet werden, daß die Dauer der Einschaltsignale des Schaltgliedes wesentlich kleiner ist als die Hälbperiodendauer der Grund schwingung der Ausgangs spannung. TJm diese Forderung auch bei Zündimpulsen für die Hauptventile, deren Dauer etwa gleich ist der Halbperiodendauer, einhalten . zu können, ist es angebracht, wenn zwischen der Steuerelektrode des elektronischen Schaltgliedes und der potentialtrennenden ODER-Schaltung ein Differenzierglied angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines 'Ausführungsbeispiels, das in einer Figur dargestellt ist, näher erläutert. Die Figur zeigt einen steuerbaren Wechselrichter, der z. B. in einer Sofortbereitschaftsanlage eingesetzt werden kann. Der Wechselrichter kann für eine hohe Ausgangsleistung, z. B. für 120 kVA, bemessen sein.

Nach der Figur ist die Mittelanzapfung m der Primärwicklung ρ eines Transformators t an den positiven Pol einer Gleichspannungsquelle q angeschlossen. Die Ausgangsgleichspannung TJ dieser Gleichspannungsquelle q. kann beispielsweise 220 Y betragen. Als Gleichspannungsquelle q ist im vorliegenden Fall ein Gleichrichter vorgesehen, dessen Bisigangsklemmen zt und z2 an eine Wechselspannungsquelle, z. B. an ein Wechselspannungsnetz, an- ' schließbar sind. Der Gleichrichter kann z. B«, steuerbare oder ungesteuerte Ventile in Brückenschaltung enthalten. Statt eines Gleichrichters kann als Gleichspannungsquelle q auch eine Batterie o'der Brennstoffzelle vorgesehen sein»' Allgemein gesprochen kann es sich bei der Gleichspannragsquelle q um eine solche mit einem nennenswerten Innenwiderstand handeln«,

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Vordrossel ν mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 1 verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung ρ ist über ein zweites gesteuertes Hauptventil n2, eine zweite Kbmmutierungsdrossel s2 und die Vordrossel ν ebenfalls mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle q verbunden. Die Hauptventile niund n2, die vorzugsweise Thyristoren sein können, werdem im Lastbetrieb mittels eines Taktgebers c über Steuerleitungen abwechselnd gezündet. Die Taktfrequenz beträgt z. B. 100 Impulse pro Sekunde. Dieser Taktgeber c ist wiederum von einem Steuersignal r beaufschlagt, welches z. B. von einem (nicht gezeigten) Regler geliefert sein kann, der zur Frequenzregelung der Ausgangsspannung vorgesehen ist.

Zur Lieferung des Kommutierungsstroms.für die gesteuerten Hauptventile n1, n2 ist ein Kommutierungskondensator k vorgesehen, der mit einem elektronischen Schaltglied g in Reihe geschaltet ist. Die Reihenschaltung aus Kommutierungskondensator k und Schaltglied g verbindet die Anoden beider Hauptventile n1 und n2.

An die Sekundärwicklung s des Transformators t kann über einen Schalter h eine Last 1 mit einem induktiven und einem ohmschen Widerstandsanteil angeschlossen werden. Als last 1 kann z. B. eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen sein, die im Normalbetrieb von einer anderen (nicht gezeigten) Stromquelle gespeist wird. Beim Ausfall dieser anderen Stromquelle kann der leerlaufende Wechselrichter über den Schalter h zugeschaltet werden, so daß sich ein Lastsprung an dessen Ausgang ergibt. Der Wechselrichter ist in diesem Fall Bestandteil einer Sofortbereitschaftsanlage. Als Last 1 kann aber auch ein anderer Verbraucher vorgesehen sein, der im Betrieb (bei geschlossenem Schalter h) Schwankungen unterworfen ist, die u. ü. sprunghaft auftreten können. Der Wechselrichter ist so aufgebaut, daß solche Laständerungen an seinem Ausgang keinen oder nur einen unbedeutenden Einfluß auf die Form der Ausgangsspannung besitzen»

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Zur Begrenzung von Überspannungen in Flußrichtung des Stromes der gesteuerten Hauptventile n1, n2, die durch den induktiven Anteil der Last 1 und der Vördrossel ν verursacht werden können, sind zwei ungesteuerte Freilauf- oder Rückarbeitsventile n12 und n22 vorgesehen. Die Kathode des Rückarbeitsventils n12 ist an einem Anzapfpunkt al, der an dem einen Ende der Primärwicklung ρ liegt, angeschlossen. Entsprechend ist die Kathode des anderen Rüekarbeitsventils n22 an einem Anzapfpunkt a2 angeschlossen, der am anderen Ende der Primärwicklung ρ liegt. Die Anoden beider Rückarbeitsventile n12 und n22 sind mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle <1 verbunden.

Im Leerlauf des Wechselrichters fließt hier abwechselnd ein beträchtlicher Kreisstrom über die Elemente n1, si, v, n12, al und ρ sowie n2, s2, v, n22, a2 und p. Diese Kreisströme werden in ihrer Höhe durch die Wahl der Anzapfpunkte al, a2 bezüglich der Enden der Primärwicklung ρ eingestellt. Sie sollen in ihrer Höhe etwa gleich dem Spitzenwert des zu erwartenden, transformatorisch auf die Primärseite bezogenen Laststroms sein, damit die Form der Ausgangsspannung erhalten bleibt. Daher können sie bei längerem Leerlaufbetrieb des Wechselrichters zu beträchtlichen Betriebskosten führen. Die Kreisströme und damit die Verluste im Leerlauf sind beim dargestellten Wechselrichter nennenswert dadurch vermindert, daß die sonst üblichen Seriendioden, die sonst jeweils zwischen einem Ende der Primärwicklung ρ und einer Anode der Hauptventile n1, n2 angeordnet sind, weggelassen wurden. Ihre Bahnverluste können also zu den Leerlaufverlusten nichts beitragen. Trotzdem ist durch das eingefügte Schaltelement g gewährleistet, daß^ei^e Änderung der Belastung noch eine Änderung der Eingangsgleichspannung U zu einer Verminderung der Kondensatoraufladung führen kann. In einem ausgeführten Wechselrichter betrug die Reduzierung der LeerlaufVerluste, die das Weglassen der Seriendioden ergab, etwa 14 %.

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Als elektronisches Schaltglied g kann insbesondere, wie in der Figur eingezeichnet, ein Triac verwendet werden. Stattdessen können auch antiparallel geschaltete Thyristoren geringerer Leistung als die Hauptventile n1, n2 eingesetzt werden, von denen der eine gleichzeitig mit dem einen Hauptventil n1 und der andere gleichzeitig mit dem anderen Hauptventil n2 zündbar ist.

Die Einschaltsignale des Schaltgliedes g werden über eine potentialtrennende ODER-Schaltung ο aus den Zündimpulen für die Hauptventile n1, n2 gewonnen. Dadurch ist gewährleistet, daß die Einschaltsignale zeitlich genau mit den Zündimpulsen synchronisiert sind. Ein besonderer Steuersatz für das Schaltglied g erübrigt sich damit.

Wichtig bei der Steuerung des Schaltgliedes g ist es, daß seine Einschaltsignale um einiges zeitlich kürzer sind als die HaIhperiodendauer der Ausgangsspannung des Wechselrichters. Bei Verwendung eines Triacs als Schaltglied g sollten also Nadel- oder Kurzimpulse zur Zündung verwendet werden. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß der Wechselrichter im allgemeinen so ausgelegt ist, daß die Umladez,eit des Kommutierungskondensators k klein gegenüber der Halbperiodendauer der Ausgangsspannung ist. Das Schaltglied sollte nur während dieser kurzen Umladung eingeschaltet sein. Die Einschaltdauer sollte also jeweils nicht größer sein als die Umladezeit des Kommutierungskondensators k. Störungen, die nach Ende des Einschaltsignals und damit nach Ende der Umladung auftreten, können dann nicht mehr zur teilweisen Entladung des Kommutierungskondensators k führen.

Das Schaltglied g sollte also so gesteuert werden, daß es jeweils ^l genau im Zündaugenblick der Hauptventile n1, n2 geschlossen und nach Ablauf der Umladezeit des Kommutierungskondensators k wieder geöffnet wird. Diese Umladezeit kann z. B. ein Fünftel der Halbperiodendauer betragen. Folglich sollte dann auch die Einschaltdauer des Schaltgliedes g gleich einem Fünftel der Halbperiodendauer oder, was dasselbe ist, gleich einem Fünftel der Strom-

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führungszeit eines der Hauptventile n1, n2 sein. Dann kann sich der Kommutierungskondensator k anschließend bei Schwankungen der Last 1 oder der Eingangsgleichspannung U nicht wieder entladen. Die Kondensatorladung bleibt ungeschmälert erhalten, bis sie beim nächsten Zünden eines Hauptventils n1, n2 zum Löschen des anderen Hauptventils n2 bzw. n1 herangezogen wird.

Nach der Figur 1 enthält die potentialtrennende ODER-Schaltung ο zwei Zweige, mit denen die Einschalteignale für das Schaltglied g gebildet werden. Der eine Zweig besteht aus der Reihenschaltung eines Transformators ti mit einer Sperrdiode d1. Er liegt zwischen der Steuerleitung des ersten Hauptventils n1 und der Steuerelektrode des Schaltgliedes g. Der andere Zweig besteht aus derIteihenschaltung 'eines weiteren Transformators t2 mit einer weiteren Sperrdiode d2. Dieser Zweig liegt zwischen der Steuerleitung des zweiten Hauptventils n2 und der Steuerelektrode des Schaltgliedes g. Die beiden Transformatoren ti und t2 dienen-zur Potentialtrennung, während die beiden Sperrdioden d1 und d2 dafür sorgen, daß bei Zündung des einen Hauptventils n1 oder n2 über die ODER-Schaltung ο keine Rückwirkung auf die Steuerelektrode des anderen, nicht gezündeten Hauptventils n2 bzw. n1 auftritt, die zur unerwünschten Zündung führen könnte. Um nur Nadel- oder Kurzimpulse als Einschaltsignale zu verwenden, kann zwischen der ODER-Schaltung ο und der Steuerelektrode-des Schaltgliedes noch ein Differenzierglied angeordnet sein. Die beiden Transformatoren ti und t2 können durch einen einzigen (nicht gezeigten) Transformator ersetzt sein, der am Eingang des Differenziergliedes f angeordnet ist.

Zur Funktion des dargestellten Wechselrichters ist zu sagen, daß er dieselben Strom- und Spannungsverhältnisse besitzt wie der bekannte Wechselrichter mit Hauptventilen in Mittelpunktschaltung und mit Seriendioden, daß seine Verluste im Leerlauf- und im Lastbetrieb jedoch beträchtlich geringer, sind.-

9 Patentansprüche εωοο^/ / η α s -3
1 Figur

Claims

2360428 - 10 - VPA 73/3351 Patentansprüche

1. Selbstgesteuerter Wechselrichter mit steuerbaren Hauptventilen in Mittelpunktschaltung, denen ein Kommutierungskondensator, eine Vordrossel und je ein Rückarbeitsventil zugeordnet ist, und mit einem Transformator zum Anschluß einer

- veränderlichen Last, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kommutierungskondensator (k) ein elektronisches Schaltglied (g) in Reihe geschaltet ist, das jeweils zusammen mit den Hauptventilen (n1, n2) einschaltbar ist, wobei seine Einschaltdauer nicht größer ist als die Umladezeit des Kommutierungskondensators (k).

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisches Schaltglied (g) ein Triac vorgesehen ist.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisches Schaltglied (g) eine Antiparallelschaltung von steuerbaren Halbleiterventilen vorgesehen ist, von denen das eine mit dem einen Hauptventil (n1) und das andere mit dem anderen Hauptventil (n2) einschaltbar ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch, gekennzeichnet, daß als Halbleiterventile Thyristoren vorgesehen sind.

5. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des elektronischen Schaltgliedes (g) über eine potentialtrennende ODER-Schaltung (o) mit den Steuerleitungen der Hauptventile (n1, n2) verbunden ist.

6. Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialtrennende ODER-Schaltung (o) mindestens einen Transformator (ti, t2) enthält.

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7. Wechselrichter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialtrennende ODER-Schaltung (o) mindestens eine Sperrdiode (d1, d2) enthält.

8. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerelektrode des elektronischen Schaltgliedes (g) und der potentialtrennenden ODER-Schaltung (o) ein Differenzierglied (f) angeordnet ist.

9. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß"die Einschaltdauer des elektronischen Schaltgliedes (g) gleich der Umladezeit des Kommutierungs-kondensators (k) gewählt ist.

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