DE2421193A1 - Inverterkommutierungsschaltung - Google Patents

Inverterkommutierungsschaltung

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DE2421193A1
DE2421193A1 DE19742421193 DE2421193A DE2421193A1 DE 2421193 A1 DE2421193 A1 DE 2421193A1 DE 19742421193 DE19742421193 DE 19742421193 DE 2421193 A DE2421193 A DE 2421193A DE 2421193 A1 DE2421193 A1 DE 2421193A1
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inverter
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Westinghouse Brake and Signal Co Ltd
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Description

Tel. No. 381233
Telex: 212979 karpd
W. 26 297/74 8/Re.-
Westinghouse Brake and Signal Company Limited, London (England)
Inverterkommutierungsscha1tung.
Die Erfindung bezieht sich auf Inverterkommutierungsschaltungen und insbesondere auf Schaltungen zum Kommutieren von Invertern bzw. Wechselrichtern derjenigen Art, die steuerbare Halbleitergleichrichter oder Thyristoren enthalten, wobei der Laststrom im Betrieb in einem Stromweg, der eine Resonanzlast enthält, gewöhnlich in natürlicher Weise dadurch komrnutiert wird, daß ein steuerbarer Halbleitergleichrichter oder Thyristor in einem anderen Stromweg, der die Last enthält, an einem Zeitpunkt gezündet wird, der in Übereinstimmung mit der-Lastspannungswellenform ausgewählt ist. Ein solcher Inverter wird nachstehend als " Inverter der beschriebenen Art " bezeichnet.
Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung ist eine Inverterkommutierungsschaltung für einen Inverter der beschriebenen Art geschaffen, der eine Kommutierungseinrichtung enthält, · welche eir. „·η aufgeladenen Kommutierungsenergiespeicher in einen Zwangskommutierungsweg legt, um einen Strom zu kommutieren, der in wenigstens einem Teil eines dieser Stroniwege eingeleitet ist, und um zu"bewirken, daß der kommutierte Strom in diesem wenigstens einen Teil fließt, bevor der nächste Nulldurchgang der Lastspannung auftritt.
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Der Strom kann in dem genannten wenigstens einen Teil vor dem nächsten Nulldurchgang.gelöscht oder wieder gestartet werden, oder der Strom kann in dem genannten wenigstens einen Teil aufrechterhalten werden, während er zwischen anderen Teilen der Wege vor dem nächsten Nulldurchgang kommutiert wird.
Der Kommutierungsenergiespeicher kann ein Kondensator sein, der mit Strom aus einer Wechselstromquelle aufladbar ist, die von einem steuerbaren Halbleitergleichrichter gesteuert wird. Der Ladestrom kann von einem Nulldurchgang der Wechselstromwellenform der Quelle kommutiert werden. Der Zwangskommutierungsweg kann einen steuerbaren Halbleiter-Kommutierungsgleichrichter enthalten, um den Kondensator über den einen Stromweg bei einem gewählten Wert des in ihm fließenden Stromes zu schalten, sowie eine Diode enthalten, um den entladenen Kondensator zu überbrücken. Der gewählte Wert des Stromes kann bis zu dem Vollaststrom des Inverters betragen.
Die Schaltung kann einen Steuerimpulsgenerator enthalten, der Impulse erzeugt, um
a) den steuerbaren Halbleitergleichrichter, über den der Kondensator aufgeladen wird, leitend zu machen,
b) den oder die steuerbaren Halbleitergleichrichter in dem einen Stromweg leitend zu machen,
c) den steuerbaren Halbleiter-Kommutierungsgleichrichter leitend zu machen und
d) den bzw. die steuerbaren Halbleitergleichrichter in dem genannten einen Stromweg wieder leitend zu machen.
Der Impuls zum Wiederleitendmachen des bzw. der steuerbaren Halbleitergleichrichter in dem genannten einen Stromweg kann in der Zeit von einem Stromkreis gesteuert werden, der auf den Augenblickswert der Lastspannung und seiner ersten Ableitung mit Bezug auf die Zeit anspricht und ein Stufen-Voreilen in dem Zündwinkel erzeugt, das von dem
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Ansprechen darauf bestimmt wird und über einen Zeitraum in dem Bereich von fünf bis zehn Perioden der Lastspannung andauert.
Die Schaltung kann einen Detektor, der auf das Intervall zwischen den Impulsen anspricht, welche den bzw. die steuerbaren Halbleitergleichrichter in dem genannten einen Stromweg leitend bzw. wieder leitend machen, zusammen mit einem Anzeiger enthalten, der die Größe dieses Intervalls darstellt.
Die genannte Kommutierungseinrichtung kann eine Schalter einrichtung, welche den aufgeladenen Energiespeicher steuerbar zwischen Punkte in den Stromwegen schaltet, in Verbindung mit einer den Energiespeicher wiederaufladenden Einrichtung enthalten, wodurch der Energiespeicher nach einem Kommutierungsvorgang genügend wiederaufgeladen wird, um in der Lage zu sein, einen weiteren Kommutierungsvorgang durchzuführen.
Vorzugsweise ist die Kommutierungseinrichtung eine solche, die eine erzwungene Kommutierung unbegrenzt fortzusetzen vermag. Der Kommutierungsenergiespeicher kann ein Kondensator sein, der aus einer äußeren Gleichstromquelle oder mit zweckentsprechenden Invertern und/oder Inverterschaltungen unabhängig aufladbar ist, indem ein oder mehrere ausgewählte Thyristoren in dem Inverter und/oder der Inverterschaltung gezündet werden. Die dem Energiespeicher wiederaufladende Einrichtung kann eine Spule enthalten, die mit dem Kondensator und/oder einer sonstwo in der Schaltung vorhandenen Induktanz in Reihe geschaltet ist. Die Schaltereinrichtung kann einen steuerbaren Halbleiterschalter enthalten, und sie kann von einem entgegengesetzt parallelgeschalteten Paar Thyristoren oder von einem Triac gebildet sein.
Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung ist eine Inverterkommutierungsschaltung für einen Inverter der beschriebenen Art geschaffen, bei welcher der Inverter eine Vollwellenbrücke ist, die ein Paar Gleichstromanschlüsse,
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an denen im Betrieb Gleichstromenergie empfangen wird, und ein Paar Wechselstromanschlüsse aufweist, an denen im Betrieb Wechselstromenergie ( die im Betrieb von der Gleichstromenergie abgeleitet wird) abgegeben wird und mit denen die Last im Betrieb gekoppelt ist, wobei die Kommutierungseinrichtung eine aus einem Kondensator und einem steuerbaren, in zwei Richtungen leitenden Schalter bestehende Reihenkombination, die im Betrieb zwischen die Wechselstromanschlüsse geschaltet ist, und eine Steuereinrichtung umfaßt, welche im Betrieb mit der Last gekoppelt ist, um die an sie angelegte Spannung abzufühlen, und welche im Betrieb auch mit dem Inverter und dem Schalter gekoppelt ist, um den Inverter vom Beginn des Betriebs an zwangsweise zu kommutieren, bis die Last in Resonanz gerät und der Inverter in natürlicher Weise kommutiert, oder für ' irgendeine andere vorbestimmte Zeitdauer.
Vorzugsweise ist der Schalter ein Halbleiterschalter, und er kann von einem entgegengesetzt parallelgeschalteten Paar steuerbarer Halbleitergleichrichter oder Thyristoren gebildet sein. Vorzugsweise enthält die genannte Reihenkombination eine in Serie geschaltete Spule, um die Änderungsgeschwindigkeit des durch den Schalter fließenden Stromes zu begrenzen. Ein steuerbarer Schalter, der ein Halbleiterschalter, wie ein Thyristor,sein kann, kann über die Gleichstromanschlüsse geschaltet werden und steuerbar sein, us einen Fluß von Gleichstromenergie zu Beginn des Betriebes einzuleiten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Stromkreisdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Stromkreisdiagramm einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsform
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symbolisiert der Block Io eine phasenwinkelgesteuerte Gleichrichteranordnung, die eine ausgewählte Spannungshöhe aus einer Wechselstromzufuhr dem Inverter, der von 'einer Brücke aus steuerbaren Halbleitergleichrichtern 11, 12, 13 und 14 gebildet ist, über eine Drossel 17 zuführen kann, um die Last, die von einem Kondensator 15 und einer Induktionsspule ΐβ gebildet ist, mit Wechselstrom von einer Frequenz zu erregen, die an die Resonanzlast durch die Geschwindigkeiten angepaßt ist, mit welchen diagonal gegenüberliegende Paare der Gleichrichter 11, 12, IJ> und 14 in den· leitenden Zustand gebracht werden.
Inverter der beschriebenen Art sind bekannt, und im Betrieb wird nach einer Anfangsdauer der Strom in jedem diagonal gegenüberliegenden Paar der Gleichrichter durch . das Leitendmachen des anderen Paares kommutiert, so daß der Strom in dem einen Stromweg durch die Last hindurch auf den anderen Stromweg durch die Last ΜηαμΓοη geschaltet wird. Eine solche Kommutierung ist gewöhnlich als "natürliche" Kommutierung bekannt.
Eine natürliche Kommutierung wird leicht erhalten, wenn der Inverter läuft, um jedoch die Laufbedingung zu erreichen, ist es häufig notwendig, während der Anfangsdauer eine "erzwungene " Kommutierung anzuwenden. Um eine "erzwungene " Kommutierung zu erzielen, kann der Strom durch einen leitenden steuerbaren Halbleitergleichrichter auf einen Wert reduziert werden, bei dem der leitende Zustand nicht langer aufrechterhalten werden kann, wonach der Gleichrichter nach einer kurzen Dauer in den Sperrzustand umkehrt, in welchem, sofern nicht wieder ein Zündimpuls an sein Tor angelegt wird, kein Strom durch den Gleichrichter hindurchgeht, selbst wenn die Bedingungen dann solche werden, daß ein Strom in anderer Weise hindurchgehen könnte.
Es sei jetzt auf die in Fig. 1 mit 21 bis 26 bezeichneten Teile Bezug genommen, welche eine Kommutierungsschaltung gemäß der Erfindung zeigen, die so angeschlossen
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ist, daß sie während einer Anfangsdauer des Arbeitens des Inverters eine " erzwungene " Kommutierung herbeifUhrt. Mit 2o ist ein Impulsgenerator bezeichnet, der geeignete Zündimpulse für die steuerbaren Halbleitergleichrichter lo, 11, 12, 13, 14, 21 und 25 im Ansprechen auf ein Startsignal oder ein Signal erzeugt, das von der
Tin i. Spannung an der ' . ,_ , , „-,„•-Wellenform drer/7vorr dem Kondensator 15 und der Spule 16 gebildeten Last abgeleitet wird. Solche Impulserzeugungsstromkreise sind in der Technik bekannt, obwohl es bevorzugt wird, daß das Merkmal des Ansprechens auf die Lastspannungswellenform dasjenige ist, wie es in der britischen Patentschrift 1 295 839 aufgezeigt ist.
Das Inbetriebsetzen des Inverters durch das Arbeiten der Kommutierungsschaltung wird nachstehend beschrieben.
Das Anlegen des Startsignals an den Impulsgenerator 2o bewirkt sowohl die fortgesetzte Zufuhr· von Zündimpulsen zu dem Gleichrichter Io als auch die Zufuhr eines einzelnen Zündimpulses zu dem Gleichrichter 25. Die Impulse für den Gleichrichter Io werden zeitlich so eingestellt, daß eine Invertereingangsspannung von einem gewählten Wert erzeugt wird. Das Leitendwerden des Gleichrichters 25 ermöglicht, daß der Kondensator 23 aus einer Wechseistromquelle über einen Transformator 26 und einen Widerstand 24 aufgeladen wird. Wenn der Kondensator 23 aus der Spannungsquelle auf diese Weise bis zu einem maximal möglichen Ausmaß aufgeladen ist, wird durch das Aufhören des Ladestromflusses bei einem Nulldurchgang des Wechselstromes der Gleichrichter 25 gelöscht, der danach an dem Vorgang nicht mehr teilnimmt, so daß der Kondensator 23 im aufgeladenen Zustand verbleibt, aber nicht mehr mit der Ladestromquelle über den Transformator 26 verbunden ist.
Sobald der Kondensator 23 einmal aufgeladen ist, was der Fall sein kann, bevor dem Gleichrichter Io Impulse zugeführt werden, werden Zündimpulse dem einen diagonalen Paar
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von Gleichrichtern, z.B. den Gleichrichtern 11-und 14 zugeführt, so daß der gesteuerte Gleichrichter" Io Strom über die Drossel 17, einen der Gleichrichter, z.B. den .Gleichrichter 11, die von dem Kondensator 3 5 und der Spule T6 gebildete Resonanzlast, den anderen Gleichrichter, z.B. den Gleichrichter 1*1-, und zurück zu dem gesteuerten Gleichrichter Io zuführen kann. Dieser Strom baut sich unter der seine Anstiegsgeschwindigkeit begrenzenden Steuerung der Drossel 17 auf, bis er einen ausgewählten Wert erreicht. Dieser ausgewählte Wert kann von einem Gleichstomtransformator abgefühlt werden, der z.B. in bekannter Weise in den Rückkehrweg zu dem Gleichrichter Io geschaltet ist.
Wenn der ausgewählte Wert erreicht ist, wird der Impulsgenerator 2o veranlaßt, dem steuerbaren Halbleitergleichrichter 21 einen Zündirapuls zuzuführen, um ihn in den leitenden Zustand zu bringen. Dadurch wird der aufgeladene Kondensator 23 in einen Kommutierungsweg über den Laststromweg geschaltet, der von den leitenden Gleichrichtern Π und ]4 gebildet ist. Der Kondensator 23 ist so aufgeladen worden, daß sein mit dem Gleichrichter 21 verbundener Belag sich auf einem negativen Potentialjmit Bezug auf den anderen Belag befindet. Das negative Potential an dem Kondensator 23 leitet den Strom von dem Weg durch die Last ab.
Da nunmehr ungenügender Strom durch die leitenden Gleichrichter 11 und 14 hindurchgeht, wird daher der Strom in diesen Gleichrichtern zwangskommutiert, und diese Gleichrichter gelangen wieder in den Sperrzustand in ihrer normalen Erholungszeit.
Mittlerweile ist die Ladung auf dem Kondensator 23 von dem Stromfluß zu der Drossel 17 und. dem Gleichrichter umgekehrt worden, und diese Umkehr bringt eine Diode 22 in leitenden Zustand und bewirkt, daß der Strom fortfährt, durch den Nebenschluß zu fließen, der von der Diode in den Zwangskommutierungswegen gebildet ist. Mit dem Aufhören des Stromflusses durch die Gleichrichter 11 und 14 sucht die in den Lastkreisen des Kondensators 15 und der Spule l6 angesammelte Energie in normaler Weise den Stromfluß aufrecht-•409846/0887
zuerhalten und verhält sich daher in schwingender Weise. Diese Neigung zum Schwingen erstreckt sich jedoch nicht Über die erste Halbperiode hinaus, da der Impulsgenerator .2o so ausgeführt ist, daß er auf diese Halbperiode über die bei' 15/"!6 angedeutete Verbindung anspricht, um den vorher leitenden Gleichrichtern 11 und 14 Zündimpulsejzuzufuhren. Das Ansprechen des Impulsgenerators 2o auf das über die Verbindung 15/36 zugeführte Signal ist vorzugsweise derart, daß es der normalen, natürlich kommutierten Situation um einen Betrag voreilt, der so gewählt ist, äaß das Halten von genügend Spannung auf dem Kondensator 15 und das Ansammeln einer Spannungserhöhung auf ihm in nachfolgenden Perioden gewährleistet wird, um die Kommutierung der Invertergleichrichter 11, 12, 13 und 14 sicherzustellen.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß das Ingangsetzen des Inverters in zwei Phasen erfolgt. In der ersten Phase wird der Zwangskommutierungskreis für den Gebrauch bereit gemacht und Energie in dem Lastkreis gespeichert. Die erste Phase wird beendet durch das Zünden des Kommutierung gleichrichter in dem Zwangskommutierungsweg, wodurch die Kommutierung der Ströme in dem Lastkreis und die Rückführung der vorher leitenden Gleichrichter in einen Sperrzustand bewirkt wird. In der zweiten Phase ruft die in dem Lastkreis gespeicherte Energie eine Schwingung in dem Lastkreis hervor, die veranlaßt wird, sich über eine Dauer von etwa fünf bis zehn Perioden aufzubauen, indem abwechselnde Paare der Gleichrichter 11, 12, 13 und 14 in leitenden Zustand anZeitpunkten gebracht werden, die vor denjenigen liegen, welche durch die normale Arbeitsfrequenz des Lastkreises festgesetzt sein würden. Während der zweiten Phase kann der Zündwinkel in progressiver Weise oder in Stufenart gesteuert werden. In der Stufenart kann der Winkel auf einem Wert gehalten werden, der eine angemessene Kommutierungsspannung auf dem Kondensator 15 gewährleistet, und dann kann er, wie oben erwähnt, durch die Lastspannungswellenform gesteuert werden. In_ der progressiven V/eise spricht ein Stromkreis auf
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die Lastspannung an und verzögert nur die Ziindimpulse zu dem Zeitpunkt, an welchem der Wert der Lastspannung für die Kommutierung angemessen ist. Diese progressive ,Steuerungsweise kann derart sein, daß sie in die vorgenannte Form wechselt, sobald einmal die maximal zulässige Verzögerung auftritt. Die progressive Weise hat den Vorteil, daß der Inverter während der kritischen Anlaßdauer viel toleranter für Laständerungen gemacht wird und sogar ermöglicht, den Zündwinkel vorzuverlegen, wenn sich die Last ändert.
Bei einem typischen Inverter, der so ausgeführt ist, daß er an einer Induktionserhitzungslast bei ungefähr 3 kHz arbeitet, ist eine Arbeitshalbperiode ungefähr 167 Mikrosekunden lang, und die Gleichrichter 11, 12, 13 und 14 v/erden für ein Abschaltintervall von 25 bis 35 Mikrosekunden gewählt. Der Gleichrichter Io führt etwa 25,^ der maximalen Spannung zu. Bei dieser ausgewählten Spannungshöhe könnte der zugeführte Strom auf eine falsche Höhe s'teigen, jedoch beträgt der ausgewählte Stromwert für das Arbeiten des Impulsgenerators etwa 13% der vollen Last.
Wie oben beschrieben, wird am Ende der ersten Schwingungshalbperiode das vorher nicht leitende Gleichrichterpaar 12 und 13 gezündet. Falls an diesem Zeitpunkt ungenügende Spannung an dem Lastkondensator 15 vorhanden ist, um zu bewirken, daß der Strom in den dann leitenden Gleichrichtern 11 und 14 kommutiert wird, dann wird der überschüssige Strom, der sich aus dem Leiten aller vier Gleichrichter ergibt, von einem Schutzkreis festgestellt, der dem oben genannten Gleichstromtransformator zugeordnet ist, und dieser Schutzkreis arbeitet genügend rasch, um die von dem' gesteuerten Gleichrichter Io zugeführte Spannung herabzusetzen und dadurch jede Beschädigung des Gleichrichters oder des Inverters zu verhindern.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Intervall zwischen dem ersten Zündimpuls und dem zweiten Zündimpuls, die dem Gleichrichterpaar 11, 14 zugeführt werden, mittels Detektorkreisen gemessen und an einem Anzeiger wieder-
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gegeben wird, der für e'ine den Inverter bedienende Person sichtbar ist. Falls aus irgendeinem Grund, wie dem Arbeiten des oben genannten Schutzkreises, das Ingangsetzen des .Inverters beendet wird, dann kann die Länge dieses Intervalls der Bedienungsperson einen Hinweis über den Grund der Beendigung liefern. Falls beispielsweise die Bedienungsperson eine unrichtige Arbeitsspule oder eine übermäßige Last an den Inverter angeschlossen hat, dann ist das Intervall merklich verschieden von demjenigen, welches für normales schwingendes Arbeiten erwartet wird, und die Bedienungsperson würde daher wissen, welche Korrekturgröße sie anzulegen haben würde, um ein richtiges Arbeiten bei dem nächsten Versuch zum Ingangsetzen des Inverters zu ermöglichen. Die Anzeige muß natürlich quantitativ sein, jodoch braucht sie nicht eine genaue Zeitdauer zu sein, indem sie lediglich eine Anzeige hinsichtlich des Ausmaßes.der Abweichung von einem normalen Wert sein könnte.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen haben beide Wechselstromquellen eine Nennfrequenz von 5° Kz, obwohl auch andere sogenannte Industriefrequenzen, wie z.B. 60 Hz verwendet werden können.
Es gibt Umstände, unter denen die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht zufriedenstellend arbeiten können. Eine solche Situation tritt beispielsweise in dem Fall auf, in welchem die Last mit dem Inverter durch einen Transformator oder einen anderen Teil gekoppelt ist, der ein relativ langsames Aufbauen der Lastspannungsschwingungen verursacht. Dieses Problem kann durch die nachstehend anhand von Fig. zu beschreibende Ausführungsform der Erfindung überwunden werden.
Gemäß Fig. 2 weist ein Vollwellenbrückeninverter einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten steuer baren Halbleitergleichrichter oder . Thyristor 3° bzw. J>1, 32 und 33 auf. Der Inverter empfängt Gleichstrom aus einer geeigneten Quelle, die beispielsweise, wie in der Zeichnung dargestellt, ein Dreiphasen-5oHz-Thyristorumformer 3^ ist, der in Reihe mit einer beträchtlichen Induktanz 35 liegt, die dazu dient, die nominell konstante Spannungsnatur des Umformers 34 gegenüber derjenigen einer Konstantstromquelle
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zu modifizieren.
Die Wechselstromanschlüsse des Inverters sind mit einem Transformator 36 verbunden, der dazu- dient, den Wechselstromausgang des Inverters an eine induktive-resistive Last zu koppeln, die in der Zeichnung schematisch durch eine Induktanz 37 und einen Reihenwiderstand 38 dargestellt ist. Ein geeigneter Kapazitanzwert, der von einem Kondensator 39 dargestelt ist, ist der Last parallelgeschaltet, um die Last bei der gewünschten Frequenz selbstschwingend zu machen, die für industrielle Induktionserhitzungsanwehdungen 3 ^Hz betragen kann.
Um den Inverter während des Ingangsetzens, d.h. bevor die Kombination aus der Lastinduktanz 37 und dem Kondensator 39 in Resonanz gerät, zwangsweise zu kommutieren, ist eine Reihenkombination aus einem Kondensator 4o, einer Spule 4l ( die hinsichtlich der geforderten Arbeitsfrequenz eine Luftkerndrossel sein kann ) und einem steuerbaren, in zwei Richtungen leitenden Schalter ( der von einem Paar entgegengesetzt parallelgeschalteter gesteuerter Halbleitergleichrichter oder Thyristoren 42 und gebildet ist ) zwischen die Wechselstromanschlüsse des Inverters geschaltet. Ferner ist über diese Wechselstromanschlüsse ein Steuerkreis 44 geschaltet, welcher die an den Transformator 36 und damit an die Last angelegte Spannung abfühlt· und dahingehend arbeitet, die Zündung der Thyristoren 30 bis 33 in dem Inverter und die Thyristoren 42 und 43 in dem Schalter zu steuern, wie dies nachstehend beschrieben wird. (Alternativ kann der Steuerkreis 44 auch direkt über die Last geschaltet sein).
Vor dem Ingangsetzen und während der Umformer und sämtliche Thyristoren 30 bis 33 und 42, 43 sich in dem abgeschalteten oder nicht-leitenden Zustand befinden, wird der Kondensator 4o derart aufgeladen, daß seine Ver-
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bindung mit der Verbindungsstelle der Thyristoren 3ö und 32 relativ zu seiner Verbindung mit der Spule 4l positiv ist. (Gewünschtenfalls kann eine entgegengesetzte Polarität der Ladung verwendet werden, und es können zweckentsprechende Änderungen in der folgenden Sequenz von Vorgängen getroffen werden). Die Einrichtung, mittels welcher der Kondensator 4o aufgeladen wird, ist aus Gründen der besseren Übersicht weggelassen worden, und sie kann irgendeine geeignete Form haben, wie z.B. die Form des oben in bezug auf Fig. 1 beschriebenen Kondensatorladekreises oder alternativ die Form einer intermittierenden Verbindungj z.B. mittels eines Thyristors (nicht dargestellt) zwischen der Verbindungsstelle des Kondensators 4o mit der Spule 4l und
positiven oder negativen Ausgangsanschluß des dem/Umformers 54( je nach der geforderten Polarität der Kondensatorladung) im Verein mit einem gleichzeitigen Leitendmachen des entsprechenden Thyristors 3o oder 32.
Beim Ingangsetzen wird zuerst der Umformer 34 in den leitenden Zustand bei einem kleinen festen Leitungswinkel getriggert oder gepulst. Gleichzeitig mit einem Zündimpuls an dem Umformer 34 werden die Thyristoren 3o und 32 in den leitenden Zustand getriggert oder gepulst, so daß Strom durch den Umformer J)K, die Induktanz 35* den Thyristor 30 und den Thyristor 32 hindurchzufließen beginnt. (Als Alternative zum Leitendmachen der Thyristoren 30 und 32, um-den Strom durch die Induktanz einzuleiten, kann auch ein nicht dargestellter "Brechstangen" -Thyristor, der direkt über den Umformer 34 und die Induktanz 35 geschaltet ist, leitend gemacht werden).
Bei einer vorbestimmten Stromhöhe, die beispielsweise in dem Bereich von 5o# bis loo# des nominellen Volllaststromes liegen kann, werden die Thyristoren 3I und 42 (oder die Thyristoren 31, 42 und 32 in der "Brechstangen"-Alternative) in den leitenden Zustand gepulst. Wegen der Vorladung auf dem Kondensator 4o kehrt der Thyristor 30 (oder der "Brechstangen"-Thyristor) in den nichtleitenden Zustand zurück, und der umlaufende Strom wird zu dem Weg
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übertragen, der die Thyristoren 31, 42, 32 enthält.
Der Kondensator 4o wird infolgedessen entladen und aufgrund der Spule 41 mit- entgegengesetzter Polarität wieder.,aufgeladen. (Es kann hier bemerkt werden, daß eine primäre Funktion der Spule 4l darin besteht, die Änderungsgeschwindigkeit (d.i/dt) des durch die Thyristoren 42 und 4J1 fließenden Stromes zu begrenzen. Sollten die "Thyristoren 42 und 43 eine.ausreichende di/dt-Fähigkeit haben, dann kann die Spule 4l weggelassen werden, da die angemessene Wiederaufladung des Kondensators 4o im allgemeinen durch die sonstwo in der Schaltung vorhandenen Induktanzen .gewährleistet wird). Nach dem Wiederaufladen des Kondensators 4o wird der Strom zu dem Parallelkreis über die Primärwicklung des Transformators 36 übertragen, und der Thyristor 42 kehrt in den nichtleitenden Zustand zurück. Der Strom in der Primärwicklung des Transformators 36 leitet eine gedämpfte sinusförmige Spannungsschwingung über der Parallelkombination aus der Last'induktanz 37 ( mit dem Widerstand 38) und dem Kondensator 39 ein. Kurz hinter der Spitze der ersten Halbperiode der sinusförmigen Spannungsschwingung werden die Thyristoren 30, 43 und 33 in den leitenden Zustand gebracht, und die Thyristoren 3I und 32 werden durch die Spannung auf dem Kondensator 4o nicht-leitend gemacht.. Der Kondensator 4o wird erneut entladen und wieder auf die entgegengesetzte Polarität aufgeladen, wonach der Thyristor 43 nicht-leitend wird. Der Stromfluß geht daher jetzt durch den Thyristor 3o, den Transformator 36 und den Thyristor 33 hindurch. "..:■■■■-'-- .
Der vorstehende Vorgang wird wiederholt, wobei die Thyristorengruppen 31* 32, 42 und 3o* 43, 33 abwechselnd an Halbperiodenintervallen der LastSpannungsschwingung leitend gemacht- werden. Wenn die Amplitude der Lastspannungsschwingung. sich auf eine Höhe aufgebaut hat, die ausreichend ist, damit abwechselnde Paare der Invert er-Thyris tor er. 3o, 33 und 31, 32 durch die- Ladung auf dem Kondensator 39
abgeschaltet, d.h. nicht-leitend gemacht werden, dann kann ' 409846/0887
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das Triggern der Thyristoren 42 und 43 unterbrochen werden. Alternativ könnte der Steuerkreis 44 einen Zeitgeber für die einfache Fortsetzung der erzwungenen Kommutierung des Inverters während einer vorbestimmten Zeitdauer enthalten. Falls die Last einen Q-Faktor aufweist, der so niedrig ist, daß er den Aufbau von Schwingungen verhindert, könnte die erzwungene Kommutierung des Inverters unbegrenzt fortgesetzt werden.
Die vollen Einzelheiten des Steuerkreises 44 sind nicht gegeben worden, da sie keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden, und zahlreiche Stromkreisformen, welche in der Lage sind, die oben beschriebene Lastspannungsabfühlung sowie die Triggerfunktionen der gesteuerten Halbleitergleichrichter, oder Thyristoren durchzuführen, sind für den Fachm-ann auf diesem Gebiet leicht erkennbar.
Falls der Inverter mit der Last nicht durch einen Transformator gekoppelt ist, dann sollte eine Reiheninduktanz die Stelle des Transformators einnehmen Oder ein anderes geeignetes „Mittel vorgesehen werden, um zu verhindern, daß dpr Kondensator 39 die erzwungene Kommutierung stört. Ferner würde eine solche Reiheninduktanz dazu dienen, die Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt) zu begrenzen, die den Inverterthyristoren aufgedrückt wird.
Die Thyristoren'42 und 43 können in einer einzigen steuerbaren, in zwei Richtungen leitenden Vorrichtung, wie einem Triac, kombiniert werden.
Obwohl der Inverter und die Last so dargestellt und beschrieben sind, daß sie einphasig sind, kann die Erfindung auch mit mehrphasigen Invertern und Lasten durchgeführt werden.
Weitere Abwandlungen und Änderungen sind für den Fachmann offensichtlich.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    / 1. J Inverterkommutierungsschaltung für einen Inverter bzw. Wechselrichter derjenigen Art, der steuerbare Halbleitergleichrichter oder Thyristoren enthält, wobei der Laststrom im Betrieb in einem Stromweg, der eine Resonanzlast enthält, gewöhnlich in natürlicher Weise dadurch kömmutiert wird, daß ein steuerbarer Halbleitergleichrichter oder Thyristor in einem anderen Stromweg, der die Last enthält, an einem Zeitpunkt gezündet wird, der in Übereinstimmung mit der LastSpannungswellenform ausgewählt ist, gekennzeichnet durch eine Kommutierungseinrichtung (21, 22/ 23; 4o, 41, 42, 43),welche einen aufgeladenen Kommutierungsenergiespeicher (23J ^o) in einen Zwangskommutierungsweg legt, um einen Strom zu kommutieren, der in wenigstens einem Teil (11 oder 12 oder. 13 oder 14; 30 oder 31 oder 32 oder 33) eines der Stromwege (11, l6, 14 oder 13* l6, 12; 30, 36» 33 oder 31.» 36, 32) einhieltet ist, und um zu bewirken, daß der kömmutierte Strom in diesem wenigstens einen Teil fließt, bevor der nächste Nulldurchgang der Lastspannung auftritt.
    2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in dem genannten wenigstens einen Teil (11 oder 12 oder I3 oder 14) vor dem nächsten Nulldurchgang gelöscht und wieder gestartet wird.
    3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungsenergiespeicher ein Kondensator (23) Ist, der mit Strom aus einer Wechselstromquelle (26) aufladbar ist, die von einem steuerbaren Halbleitergleichrichter (25) steuerbar ist.
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    4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwangskommutierungsweg einen steuerbaren Halbleiterkommutierungsgleichrichter (21) 'enthält, um den Kondensator (23) über den einen Stromweg (11, l6, 14 oder 13," 16, 12) bei einem gewählten Wert des darin fließenden Stroms zu schalten, und ferner eine Diode (22) enthält, um den entladenen Kondensator (23) zu überbrücken.
    5. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen Steuerimpulsgenerator (2o), der Impulse erzeugt, um
    a) den steuerbaren Halbleitergleichrichter (25), über den der Kondensator (23) aufgeladen wird, leitend zu machen,
    b) den bzw. die steuerbaren Halbleitergleichrichter (11, l4 oder 13* 12) in dem einen Stromweg (11, l6, 14 oder 13, 16, 12) leitend zu machen,
    c) den steuerbaren Halbleiterkommutierungsgleichrichtpr (21) leitend zu machen und
    d) den bzw. die steuerbaren Halbleitergleichrichter (11, 14 oder 13,12) in dem einen Stromwee (11, 16, 14 oder 13, 16,12) erneut leitend zu machen.
    6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls zum erneuten Leitendmachen des bzw. der steuerbaren Halbleitergleichrichter (11, 14 oder 13,12) in dem einen Stromweg (11, 16, 14 oder 13, 16, 12) von einem Stromkreis (2o) zeitlich steuerbar ist, der auf den Augenblickswert der Lastspannung und seine erste Ableitung mit Bezug auf die Zeit anspricht und ein Stufenvoreilen in dem Zündwinkel erzeugt, das von dem Ansprechen darauf bestimmt wird und über einen Zeitraum in dem Bereich von fünf bis zehn Perioden der Lastspannung andauert.
    7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Detektor (2o), der auf das Intervall zwischen den Impulsen anspricht, welche den bzw. die steuerbaren
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    Halbleitergleichrichter (I", l4 oder 13, 12) in dem einen Stromweg (11, l6, 14 oder 13, 16, 12) leitend bzw. erneut leitend machen, zusammen mit einem Anzeiger, welcher die Größe dieses Intervalls wiedergibt. .
    8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in dem genannten wenigstens einen Teil (3o oder 31 oder 32 oder 33) aufrechterhalten wird, während der Strom zwischen anderen Teilen der Stromwege (3o, 36, 33 oder 31* 36, 32) vor dem nächsten Mulldurchgang kommutiert wird.
    9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung (4o, 4l, 42, 43) eine Schalteinrichtung (42, 43),welche den aufgeladenen Energiespeicher (4o) steuerbar zwischen Punkte in den Stromwegen (30, 36, 33; 31* 36, 32) schaltet, in Verbindung mit einer den Energiespeicher (4o) wieder aufladenden Einrichtung (4l) enthält, wodurch der E-nergiespeicher (4o) nach einem Kommutierungsvorgang genügend „wieder aufgeladen wird, um in der Lage zu sein, einen weiteren KommutierungsVorgang durchzuführen.
    10. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung (4o, 4l, 42, 43) eine solche ist, welche die erzwungene Kommutierung unbegrenzt vorzusetzen vermag.
    11. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungsenergiespeicher ein Kondensator (4o) ist.
    12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (4o) aus einer äußeren Gleichstromquelle aufladbar ist.
    13. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (4o) durch Zünden eines oder mehrerer ausgewählter Thyristoren (30 und/oder 31 und/oder 32 und/oder 33 und/oder 42 und/oder 43) in dem Inverter (3o, 31* 32, 33) und/oder der Kommutierungseinrichtung (4o, 4l, 42, 43) aufladbar ist.
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    14. Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, falls direkt oder indirekt abhängig von Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Wiederauf-.laden des Energiespeichers eine Spule (4l), die mit dem Kondensator (4o) in Reihe geschaltet ist, und alternativ oder zusätzlich -eine sonstwo in der Schaltung vorhandene Induktanz (36) aufweist.
    15. Schaltung nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche Io bis 14, falls direkt oder indirekt abhängig von Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung (42, 43) einen steuerbaren Halbleiterschalter aufweist.
    16. Inverterkommutierungsschaltung für einen Inverter bzw. Wechselrichter derjenigen Art, der steuerbare Halbleitergleichrichter oder Thyristoren enthält, wobei der Laststrom im Betrieb in einem Stromweg, der eine Resonanzlast enthält, gewöhnlich in natürlicher Weise dadurch kommutiert wird, daß ein steuerbarer Halbleitergleichrichter oder Thyristor in einem anderen Stromweg, der die Last enthält, an einem„Zeitpunkt gezündet wird, der in Übereinstimmung mit der Lastspannungswellenform ausgewählt ist, und wobei der Inverter eine Vollwellenbrücke ist, die ein Paar Gleichstromanschlüsse, an denen im Betrieb Gleichstromenergie empfangen wird, und ein Paar Wechselstromanschlüsse aufweist, an welchen im Betrieb Wechselstromenergie ( die im Betrieb von der Gleichstromenergie abgeleitet ist) abgegeben wird und an welche im Betrieb die Last gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung eine Reihenkombination aus einem Kondensator (4o) und einem steuerbaren, in zwei Richtungen leitenden Schalter (42, 43) aufweist, wobei die Reihenkombination (4o, 42, 43) im Betrieb zwischen die Wechselstromanschlüsse geschaltet ist, und ferner eine Steuereinrichtung (44) aufweist, welche im Betrieb mit der Last (37, 38, 39) über ein Teil (36) gekoppelt ist, um die an sie angelegte Spannung abzufühlen, und welche außerdem im Betrieb an den Inverter (3o, 31, 32, 33) und den Schalter (42, 43)
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    gekoppelt ist, um den Inverter vom Beginn des Betriebes an zwangsweise zu kommutieren, bis die Last (37, 38, 39) in Resonanz gerät und der Inverter natürlich kommutiert, oder für irgendeine andere vorbestimmte Zeitdauer.
    ' ' 17· Schaltung nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (42,. 43) ein. Halbleiterschalter ist.
    18. Schaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter von einem entgegengesetzt parallelgeschalteten Paar steuerbar/HaTibleitergleichrichter oder Thyristoren (42, 43) gebildet ist.
    19. Schaltung nach einem der Ansprüche l6 bis l8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenkombination (4o, 4l, 42, 43) eine in Reihe geschaltete Soule (4l) aufweist, um die ÄndnrungsiJeschwindigkeit des durch den Schalter ( 42, 43) fließenden Stroms zu begrenzen.
    20. Schaltung nach einem der Ansprüche l6 bis 2 9, gekennzeichnet durch einen Ub-er die Gleichstromanschlüsse geschalteten steuerbaren Schalter, der steuerbar ist, um einen Fluß von Gleichstromenergie am Beginn des Betriebs einzuleiten.
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