DE2446299C2 - Wechselrichter für wechselweisen Bereitschaftsbetrieb oder Lastbetrieb - Google Patents

Description

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleinrichtung (10) im Führungsgrößenkanal (17) ständig eine konstante Sollwert-Spannung zugeführt ist.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleinrichtung (10) im Führungsgrößenkanal (17) während des Bereitschaftsbetriebs der Meßwert der Verbraucherspannung bei einem Startbefehl an Stelle des Meßwertes der Verbraucherspannung eine konstante Sollwert-Spannung zugeführt ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselrichtermodell (7) zur Ermittlung der synthetischen Istwert-Spannung mit einer der Eingangsspannung des Leistungsteils (4) des Wechselrichters entsprechenden Spannung beaufschlagt ist, die als laststrombezogener Wert der Eingangsspannung des Leistungsteils (4) des Wechselrichters aus einem Meßwert der Leerlaufspannung der Gleichspannunsquelle (5), aus Amplitude und/oder Phase des Laststromes des Verbrauchers (1) und gegebenenfalls aus weiteren Einzelgrößen ermittelt ist.

5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Leistungsteil mit Kurzimpulsen gesteuert ist, gekennzeichnet durch ein Wechselrichtermodell (7), bei dem für jede Phasenspannung zwei Flip-Flops (23, 24) vorgesehen sind, deren Setzeingänge von den Zündimpulsen für die Hauptventile (n_hp, n_hn) und deren Löscheingänge von den Zündimpulsen für die Löschventile (n_lp, n,_n) des Leistungsteils (4) des Wechselrichters angesteuert sind und deren Ausgangssignale elektronische Schalter (25, 26) steuern, die jeweils eine Gleichspannung mit einer der Polarität der Ausgangsspannung des Leistungsteils (4) des Wechselrichters entsprechenden Polarität auf einen Ausgang (28) schalten (Fig. 2)

6. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dessen Leistungsteil mit Langimpulsen gesteuert ist, gekennzeichnet durch ein Wechselrichtermodell mit zwei elektronischen Schaltern, die jeweils von den Zündimpulsen für ein Hauptventil und den Zündimpulsen für ein Löschventil eines Ventilzweiges des Leistungsteils des Wechselrichters abwechselnd durchlässig bzw. gesperrt gesteuert sind und die jeweils eine Gleichspannung mit einer der Polarität der Ausgangsspannung des Leistungsteils des Wechselrichters entsprechenden Polarität auf einen Ausgang schalten.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter für wechselweisen Bereitschaftsbetrieb oder Lastbetrieb dessen Steuereinheit einen Steuersatz mit einer vorgeschalteten Regeleinrichtung zur Spannungsregelung enthält.

Bei statischen Wechselrichtern für Notstromanlagen sind drei Verfahren zur Inbetriebnahme bekannt (Brown Boveri Mitteilungen 1970, Nr. 5. Seiten 227 bis 229):

Bei einer echten unterbrechungsfreien Stromversorgung sind die Verbraucher ständig an den Wechselrichter angeschlossen, der über eine Batterie und ein Ladegerät an ein Versorgungsnetz angeschlossen ist. Bei Netzausfall geht die Speisung des Verbrauchers ohne Unterbrechung weiter, denn die Energie wird dann der Batterie entnommen. Das Ladegerät muß so dimensioniert sein, daß es gleichzeitig den vollen Verbrauch des Wechselrichters abgeben und nach einem Netzausfall die Batterie wieder aufladen kann. Das Ladegerät wird also relativ groß. Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage ist durch die ständige zweimalige Energieumformung schlecht.

Erlaubt der Verbraucher eine Unterbrechung seiner Stromversorgung in der Größe der Schaltzeit von Schützen, so ist es günstiger, den Verbraucher im Normalbetrieb aus dem Netz zu speisen und erst im Störungsfall auf den Wechselrichter umzuschalten. Dei Wechselrichter arbeitet im Bereitschaftsbetrieb im Leerlauf. Im Leerlaufbetrieb werden die Zündimpulse des Steuersatzes auf die gesteuerten Halbleiterventile des Leistungsteils durchgeschaltet, dessen Kommutierungseinrichtungen ebenfalls in Betrieb sind. Dei Wechselrichter liefert eine Lcerlauf-Ausgangsspannung. Das Ladegerät muß außer der Ladeleistunj nach einem Netzausfall auch die Leerlaufverluste de« Leistungsteils des Wechselrichters decken.

Bei Verbrauchern, die eine Umschaltpause vor etwa 1 Sekunde erlauben, ist es schließlich bekannt den Verbraucher im Normalbetrieb aus dem Netz zi speisen. Der Wechselrichter ist ausgeschaltet. Das La degerät hält die Batterie in Schwebeladung. Bei Netz ausfall wird der Wechselrichter eingeschaltet. Nad Erreichen seiner Betriebswerte nach etwa 1 Sekunde werden ihm die Verbraucher zugeschaltet. Das Lade gerät kann hier am kleinsten sein, da es nach einerr Netzausfaü nur die Batterie wieder aufladen muß. Dei Wirkungsgrad ist im Normalbetrieb sehr günstig. Be diesem bekannten Verfahren wurde jedoch bisher die

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relativ lange Unterbrechung beim Umschalten als den. Sobald der Start des Leistungsteils erfolgt ist,

eachteilig angesehen. wird die synthetische Istwert-Spannung vom Regel-

" Der Erfindung Hegt daher die Aufgbe zugrunde, größenkanal der Regeleinrichtung abgeschaltet und

inen Wechselrichter zu schaffen, dessen Leistungsteil statt dessen wird der Meßwert der Ausgangsspannung

besonders schnell vom Stillstand auf volle Leistungs- 5 des, Wechselrichter als tatsächlicher Istwert auf den

abaabe gesteuert werden kann Regelgrößenkanal der Regeleinrichtung geschaltet.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Wechselrich- Als Sollwertspannung kann der Regeleinrichtung

_t j_er eingangs genannten Art durch folgende Merk- ständig eine konstante Spannung zugeführt werden,

male erreicht: die dem Nennwert der Verbraucherspannung ent-

a) Eine Freigabeeinheit zwischen dem Steuersatz «> spricht. Es ist jedoch auch möglich, der Regeleinrich- und dem Leistungsteil des Wechselrichters, die tung im Bereitschaftsbetrieb den Meßwert der Verim Bereitschaftsbetrieb die Weitergabe der braucherspannung und bei einem Startbefehl eine Zündimpulse des auch während des Bereit- konstante Sollwertspannung im Führungsgrößenkanal Schaftsbetriebes arbeitenden Steuersatzes an den zuzuführen. Dies hat den Vorteil, daß kein Stromstoll Leistungsteil des Wechselrichters sperrt, 15 auftritt, wenn beim Start der tatsächliche Wert der

b) ein mit den Zündimpulsen des Steuersatzes be- Verbraucherspannung vom Nennwert abweicht, aufschlagtes Wechselrichtermodell zur Ermitt- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre in lung einer synthetischen Istwert-Spannung, die den Unteransprüchen gekennzeichneten Ausgestalim Bereitschaftsbetrieb der auch während des tungen werden an Hand der Zeichnungen näher be-Bereitschaftsbetriebes arbeitenden Regelein- ao schrieben. Es zeigt

richtung im Regelgrößenkanal zugeführt ist, Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines erfin-

c) eine Kommandostufe, die bei einem Startbefehl dungsgemäßen Wechselrichters,

die Freigabe der Zündimpulse des Steuersatzes Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer Stufe zur

für den Leistungsteil des Wechselrichters veran- Bildung eines laststrombezogenen Wertes der Einlaßt und nach erfolgtem Start des Leistungsteils as gangsspannung des Wechselrichters und eines Wecnden Regelgrößenkanal der Regeleinrichtung von selrichtermodells,

der synthetischen Istwert-Spannung des Wech- Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung des Zusam-

selrichtermodells auf den Meßwert der Aus- menwirkens einer Kommandoeinheit, einer Regelgangsspannung des Wechselrichters umschaltet. einrichtung und einer Freigabeeinheit, Der Leistungsteil des erfindungsgemäßen Wech- 30 Fig. 4 eine andere Ausführungsforni einer Komselrichters arbeitet im Bereitschaftsbetrieb nicht im mandoeinheit.

Leerlaufbetrieb, sondern ist stillgesetzt. Im Bereit- In Fig. 1 ist ein Verbraucher 1 über ein Filter 2 und

schaftsbetrieb läuft jedoch die Steuereinheit mit dem einen Umschalter 3 an eine Netzspannung U_n bzw. Steuersatz und der Regeleinrichtung sowie ein Wech- an den Ausgang des Leistungsteils 4 eines Wechselselrichtermodell. Die Zündimpuise des Steuersatzes 35 richters angeschlossen, der aus einer Gleichspansind im Bereitschaftsbetrieb durch eine Freigabeein- nungsquelle 5 gespeist ist. Das Filter 2 dämpft beim neit gesperrt Durch den ständigen Betrieb der Steu- Netzbetrieb die hoch- und niederfrequenten Verzerereinheit und des Wechselrichtermodells entstehen rungen der Netzspannung und siebt beirn Notbetrieb nur eeringe Betriebskosten. Verluste und Geräusche die Ausgangsspannung des Wechselrichters. Beim im Leistungsteil des Wechselrichters, insbesondere 40 Umschalten vom Netzbetrieb auf den Notbetneo durch Transformatoren und Diosseln, fallen im Be- können die energiespeichernden Filterelemente kurzreitschaftsbetrieb nicht an. zeitig die Versorgung des Verbrauchers ^TlnH^'

Bei einem Startbefehi kann der Leistungsteil des Bei Verbrauchern, die eine oberwellenhaltige Speise-Wechselrichters unverzüglich durch Freigabe der spannung mit kurzzeitigen Unterbrechungen ^ve«ra-Zündimpulse in Betrieb genommen werden, da die « gen, kann das Filter entfallen. Dem Leistungsteil 4 des ZündimpuLe bereits im Bereitschaftsbetrieb den er- Wechselrichters ist eine Steuereinrichtung mit einem forderlichen Zündwinkel aufweisen. Steuersatz 9 und einer Regeleinrichtung 10 zur Span-

Beim erfindungsgemäßen Wechselrichter werden nungsregelung sowie eine Freigabeeinheit 11 zugeder Regeleinrichtung in der Steuereinheit des Wech- ordnet. Weiterhin ist ein Wechselnchtermode1 7 vorselrichters im Bereitschaftsbetrieb eine synthetische 50 gesehen, das eingangsseitig mit einem Meßfühler O zur stwert-Spannung von einem Wechrelrichtermodell Erfassung der Spannung der G^chspannungundeineSollwertspannungeingangsseitigeingegeben. quelle 5, mit einer von e«nem Meßfühler^e beaufüie Regeleinrichtung ist damit bereits im Bereit- schlagten Laststromerfassung 8 und mit den Ausgan schaftsbetrieb in Eingriff. Das Ausgangssignal der gen für die Zündimpulse des Steuersatzes 9 verbun-Regeleinrichtung weist daher in jedem beliebigen ₅₅ den ist. Eine Kommandoeinheit 12 ist ™ J'^ne Startaugenblick bereits die richtige Polarität und den Eingangsklemme 18 mit einem ^St^^eh'»ⁿ**"" richtigen Spannungswert auf. Der Leistungsteil des bar. Die Kommandoeinheit 12 steuert Je Umschalter Wechselrichters kann auf Grund dieser Voreinstel- 13 und 14 im Regelgroßenkanal 16 und im Fuhrungs-Ig de Regeleinrichtung von jedem beliebigen größenkanal 17 der Regeleinrichtung 10^und beeuv Startaugenblick an eine Ausgangsspannung in der 60 flußt die Freigabestufe 11. Der Regelgroßenkana116 richten Höhe und der richtigen Phasenlage liefern. ist über den Umschalter 13 «^ ™g^Ä Die Voreinstellung der Regeleinrichtung ermöglicht tischen Istwertspannung vom y^™£?™Wereinen Start des Wechselrichters schneller als eine Pe- oder vom Meßwert der m.t «nem Meßfühler19 er riode der Wechselspannung, obwohl die Anregelzeit faßten Ausgangsspannung de^s

brauchers oder mit einer konstanten Sollwertspannung eines Sollwertspannungsgebers 15 verbunden.

Das Wechselrichtermodell 7 kann grundsätzlich wieder Leistungsteil 4 des tatsächlichen Wechselrichters aufgebaut sein, jedoch mit entsprechend kleiner dimensionierten Bauelementen. Da jedoch die Ausgangsspannung des Leistungsteiis eines Wechselrichters und die Zündimpulse seines Steuersatzes in einer festen Beziehung zueinander stehen, ist es möglich, ein einfacheres Wechselrichtermodell zur Ermittlung der synthetischen Istwertspannung aufzubauen.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Wechselrichtermodells zur Ermittlung der synthetischen Istwertspannung. Die aus Fig. 1 übernommenen Baugruppen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ein Leistungsteil 4 zur Bildung eines einphasigen Wechselstromes enthält die Hauptventile n_hp und n_hn sowie die Löschventile n_lp und n_ln für die positive und negative Halbwelle der Wechselrichterausgangsspannung. Die Steuereingänge der Ventile sind über die Freigabestufe 11 mit den Impulsausgängen des Steuersatzes 9 verbunden. Eingangsseitig ist der Leistungsteil 4 an die Gleichspannungsquelle 5 angeschlossen.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß zur einfacheren Erläuterung der Leistungsteil 4 lediglich schematisch für einen einphasigen Wechselrichter 'argestellt ist. Der Übergang auf einen dreiphasigen »Vechselrichter ist ohne weiteres möglich.

Als Eingangsgröße für das Wechselrichtermodell wird die laststrombezogene Eingangsgleichspannung des Leistungsteils des Wechselrichters benötigt. Da im Bereitschaftsbetrieb der Leistungsteil des Wechselrichters stillgesetzt ist, steht nur die Leerlauf spannung der Gleichspannungsquelle 5 als Meßwert zur Verfügung. Es ist jedoch wünschenswert, als Eingangsgröße für das Wcchselrichtermodel! die unter Last auftretende Batteriespannung zu ermitteln. Hierzu ist eine Spannungserfassung mit einem Gleichspannungswandler 21 und einem Summierverstärker 22 vorgesehen. Der Gleichspannungswandler 21 transformiert die Leerlaufspannung der Batterie 5 auf ein für die weitere Verarbeitung geeignetes Niveau und führt sie über einen ersten Eingangswiderstand dem Summierverstärker 22 zu. Über einen weiteren Eingangswiderstand wird eine den Laststrom abbildende Zusatzspannung von der Laststromerfassung 8 eingespeist. Die Laststromerfassung 8 kann beispielsweise als Einstellpotentiometer ausgebildet und auf einen mittleren Laststrom des Verbrauchers eingestellt sein.

Wenn der Wechselrichter als Ersatzstromaggregat für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung dient, so kann über eine geeignete Laststromerfassung 8 mit einem Meßfühler 8a auch der tatsächliche Laststrom des Verbrauchers erfaßt und gegebenenfalls gespeichert werden. Das Verhältnis der beiden Eingangswiderstände des Summierverstärkers entspricht dem bei Belastung auftretenden Spannungsabfall der Batterie. Am Ausgang des Summierverstärkers 22 erscheint daher der laststromabhängige Spannungswert der Batterie.

Das in Fig. 2 dargestellte Wechselrichtermodell ist zur Nachbildung eines Wechselrichters geeignet, dessen Leistungsteil mit Kurzimpulsen gesteuert ist. Das Wechselrichtermodell 7 besteht aus den beiden Flip-Flops 23 und 24 und den von ihnen gesteuerten Schal tern 25 und 26, die beispielsweise als FET-Schalter ausgebildet sein können. Jedes der beiden Flip-Flops 23 und 24 ist am Setzeingang von den Zündimpulsen für das Hauptventil und am Löscheingang von den Zündimpulsen für das Löschventil einer Polarität der Ausgangsspannung des Leistungsteils 4 angesteuert. Daraus folgt, daß das Flip-Flop 23 gesetzt wird, wenn der Steuersatz 9 einen Zündimpuls für das Hauptventil n_hp ausgibt, und daß das Flip-Flop 23 gelöscht wird, wenn der Steuersatz 9 einen Zündinipuls für das z.ugehörige Löschventil n_lp ausgibt. Dieses gilt in analoger Weise auch für das Flip-Flop 24. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 23 ist daher ein L-Signal, wenn der Leistungsteil des Wechselrichters eine positive Ausgangsspannung erzeugen würde. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 24 ist ein L-Signal, wenn der Leistungsteil 4 eine negative Ausgangsspannung erzeugen würde. Durch das L-Signal vom Flip-Flop 23 wird der Schalter 25 durchlässig gesteuert und damit der laststromabhängige Spannungswert der Batterie als Ausgangsspannung des Summierverstärkers 22 auf die Ausgangsklemme 28 geschaltet. Bei einem L-Signal des Flip-Flops 24 wird der Schalter 26 durchlässig gesteuert und der von einem Umkehrverstärker 27 invertierte laststromabhängige Spannungswert der Bat-

a5 terie auf den Ausgang 28 geschaltet. An der Ausgangsklcmme 28 erscheint somit als synthetische Istwertspannung stets eine Spannung derjenigen Polarität, die der Leistungsteil des Wechselrichters abgeben würde, wenn die Zündimpulse des Steuersatzes 9 von der Freigabestufe 11 freigegeben wären.

Das dargestellte Wechselrichtermodell läßt sich grundsätzlich auch für Wechselrichter verwenden, die mit Langimpulsen gesteuert sind. Hierbei können jedoch die beiden Flip-Flops entfallen. Die Schalter werden dann unmittelbar von den Langimpulsen gesteuert.

Fig. 3 verdeutlicht das Zusammenwirken zwischen der Kommandoeinheit 12, der Regeleinrichtung 10. dem Steuersatz 9 und der Freigabestufe 11. Im Bereitschaftsbetrieb befinden sich die Schalter 13 und 14 in der gezeichneten Lage. Die Eingangssignale der als PI-Verstarker dargestellten Regeleinrichtung 10 sind die synthetische Istwertspannung von Klemme 28 im Regelgrößenkanal 16 und der Meßwert der Verbraucherspannung vom Meßfühler 20 im Führungsgrößenkanal 17. Die Regeleinrichtung 10 beeinflußt den Steuersatz 9 derart, daß die synthetische Istwertspannung und die Verbraucherspannung in Phase und Amplitude übereinstimmen. Dadurch ist ein Start des Leistungsteils des Wechselrichters in jedem Augenblick möglich, obwohl die Anregelzeit der Regeleinrichtung wesentlich größer ist als eine Periode der Wechselrichter-Ausgangsspannung. Bei einem Startbefehl an Klemme 18 schaltet die Kommandoeinheit 12unverzögert an Stelle des Meßwertes der Spannung am Verbraucher einen konstanten Sollspannungswert vom Sollspannungsgeber 15 auf den Führungsgrößenkanal 17 und gibt über die Freigabeeinrichtung 11 die Zündimpulse des Steuersatzes 9 für die Ventile im Leistungsteil des Wechselrichters frei. Die Freigabestufe 11 besteht aus einer Anzahl UND-Glieder, deren einer Eingang jeweils mit einer Zündimpulsleitung und deren anderer Eingang mit einer gemeinsamen Freigabeleitung beschaltet ist. Nach Ablauf einer vor gegebenen Zeitspanne, die durch ein Zeitglied mit Ansprechverzögerung realisiert sein kann und die derjenigen Zeitspanne entspricht, die bis zur vollen Lastübernahme durch den Wechselrichter vergeht.

schaltet die Kommandoeinheit 12 an Stelle der synthetischen Istwert-Spannung die vom Meßfühler ISt erfaßte Ausgangsspanimng des Wechselrichters als echten Istwert auf den Regelgrößcnkanal 16 der Regeleinrichtung 10.

Die Freigabestufe IJ ist zweckmaßigerweise vor Jen 1. eistungsstiiten des Steuersatzes angeordnet

l-'ig. 4 zeigt eine andere Möglichkeit zur Realisierung einer Kommandoeinheit 12. Bei einem Startbet'ehl an Klemme J8 wird unverzögcrt der Schalter 14 umgesteuert Nach einer Rückmeldung vom Steuersatz 9 an Klemme 29, die anzeigt, daß der Leistungsteil des Wechselrichters iii Betrieb ist, wird der Upischalter 13 umgesteuert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. '■ Patentansprüche:

   Γ. 'Wechselrichter für wechselweisen Bereitschaftsbetrieb oder Lastbetrieb, dessen Steuereinheiteinen Steuersatz mit einer vorgeschalteten Regeleinrichtung zur Spannungsregelung enthält, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   a) Eine Freigabeeinheit (11) zwischen dem SteuersaU (9) und dem Leistungsteil (4) des « Wechselrichters, die im Bereitschaftsbetrieb die Weitergabe der Zündimpulse des auch während des Bereitschaftsbetriebes arbeitenden Steuersatzes (9) an den Leistungsteil (4) des Wechselrichters sperrt, ¹S

   b) ein mit den Zündimpulsen des Steuersatzes

   (9) beaufschlagtes Wechselrichtermodell (7) zur Ermittlung einer synthetischen Istwert-Spannung, die im Bereitschaftsbetrieb der auch während des Bereitschaftshetriebes ar- *o beitenden Regeleinrichtung (10) im Regelgrößenkanal (16) zugeführt ist,

   c) eine Kommandostufe (12), die bei einem Startbefehl die Freigabe der Zündimpulse des Steuersatzes (9) für den Leistungsteil (4) »5 des Wechselrichters veranlaßt und nach erfolgtem Start des Leistungsteils (4) den Regelgrößenkanal (16) der Regeleinrichtung

   (10) von der synthetischen Istwert-Spannung des Wechselrichtermodells (7) auf den Meßwert der Ausgangsspanr.ung des Wechselrichters umschaltet.