DE2446390C3

DE2446390C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum phasenrichtigen Start eines statischen Wechselrichters mit Zwangskommutierung

Info

Publication number: DE2446390C3
Application number: DE19742446390
Authority: DE
Inventors: Janos Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Udvardi-Lakos
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1974-09-27
Publication date: 1977-03-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum phasenrichtigen Start eines statischen Wechselrichters mit Zwangskommutierung, der einen Leistungsteil mit gesteuerten Hauptventilen und diesen zugeordneten Kommutierungskreisen und einen mit einer Netzspannung synchronisierten Steuersatz zur Bildung von Zündimpulsen aufweist.

Bei bekannten statischen Wechselrichtern mit Zwangskommutierung nimmt der Startvorgang eine gewisse Zeit in Anspruch, da die Kommutierungseinrichtungen zunächst entladen sind und damit zunächst noch nicht die vollen Ventilströme löschen können. Üblicherweise wird daher die Wechselrichterausgangsspannung durch eine entsprechende Veränderung des Zündwinkels der Zündimpulse von einem kleinen Ausgangswert ausgehend allmählich bis zum Nennwert der Wechselrichterausgangsspannung hochgefahren. Dieser Vorgang erstreckt sich über mehrere Perioden der Wechselspannung und damit über mehrere Kommutierungsvorgänge. Dieser langsame Anfahrvorgang ist insbesondere bei Wechselrichtern nachteilig, bei denen eine schnelle Lastübemahinc gefordert wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Wechselrichter als zusätzliches Leistungsaggregat Bedarfsspitzen eines Versorgungsnetzes decken soll oder wenn der Wechselrichter in einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage eingesetzt ist, bei der im Normalbetrieb ein Verbraucher unmittelbar aus einem öffentlichen Netz und im Notbetrieb über den Wechselrichter aus einer Ersatzstromquelle gespeist wird.

Aus der CH-PS 3 38 230 ist eine Stromversorgungsanlage für Wechselstrom bekannt, die einen Generator >5 für Netzbetrieb und einen Wechselrichter für Notstrombetrieb umfaßt Die Laststromumschaltung von Netzbetrieb bei Netzausfall und das Einschalten des Wechselrichteranlaßorgans läuft durch Abfall eines Generatorspannungswächters an. Die Pause zwischen Netzausfall und WechseJrichterspeisung wird durch einen auf die Nennfrequenz abgestimmten Parallelresonanzkreis überbrückt Als Wechselrichter ist insbesondere ein rotierender Umformer vorgesehen, dessen Anlaufzeit durch Vorerregung verkürzt ist Als Wechselrichter ²S kann auch ein statischer Wechselrichter mit elektrischen Ventilen verwendet werden, wobei der Zündmechanismus der Ventile als Anlaßorgan dient Hinweise auf einen phasenrichtigen Start des Wechselrichters können der CH-PS 3 38 230 jedoch nicht entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für einen statischen Wechselrichter zu schaffen, womit der Wechselrichter phasenrichiip pesiartet und in äußerst kurzer Zeit auf seine volle Nennleistung gebracht werden kann.

Erfindungsgemäß wird hierzu ein Startverfahren für einen Wechselrichter der eingangs genannten Art mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:
a) Im Bereitschaftsbetrieb werden die Energiespeicher in den Kommutierungskreisen des Leistungsteils des Wechselrichters mit einer vorgegebenen Polarität vorgeladen; die Weitergabe der Zündimpulse des. auch im Bereitschaftsbetrieb ständig mitlaufenden Steuersatzes an die gesteuerten Ventile des Leistungsteils wird gesperrt,

b) bei einem Startbefehl werden die Zündimpulse sofort freigegeben, wenn die durch die Polarität der Vorladung der Kommutierungskreise vorbestimmte Polarität der Ausgangsspannung des Wechselrichters mit der geforderten Polarität übereinstimmt,

c) wenn bei einem Startbefehl die durch die Polarität der Vorladung der Kommutierungskreise vorbestimmte Polarität der Ausgangsspannung des Wechselrichters mit der geforderten Polarität nicht übereinstimmt, wird die Freigabe der Zündimpulse so lange verzögert, bis die Polaritäten übereinstimmen.

Erfindungsgemäß ist der Leistungsteil des Wechselrichters im Bereitschaftsbetrieb nicht in Betrieb, es läuft jedoch bereits der Steuersatz, und die Energiespeicher in den Kommutierungskreisen des Leistungsteils sind mit einer vorgegebenen Polarität vorgeladen. Die Zündimpulse des Steuersatzes sind im Bereitschaftsbetrieb gesperrt. Durch den ständigen Betrieb des Steuersatzes und durch die Vorladung der Energiespeicher in den Kommutierungskreisen entstehen nur

geringe Betriebskosten. Verluste und Geräusche im Leistungsteil des Wechselrichters, insbesondere durch Transformatoren und Drosseln, fallen im Bereitschaftsbetrieb nicht an. Bei einem Startbefehl wird der Leistungsteil des Wechselrichters entweder sofort auf die gewünschte Leistungsabgabe gesteuert, wenn die geforderte Polarität seiner Ausgangsspannung mit der durch die Vorladung der Energiespeicher in den Kommutierungskreisen vorbestimmten Pokrität der Ausgangsspannung übereinstimmt, oder die Freigabe der Zündimpulse wird so lange verzögert, bis die Polaritäten übereinstimmen. Die maximal mögliche Verzögerung beträgt eine halbe Periodendauer der Wechselspannung.

Das erfindungsgemäße Verfahren und ein Ausführungsbeispiel einer geeigneten Starteinrichtung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Schnellstart eines Wechselrichters,

Fig.2 eine schematische Darstellung einer hierzu geeigneten Starteinrichtung,

F i g. 3 wesentliche Spannungsverläufe in der Schaltung nach F i g. 1.

In der Darstellung der F i g. 1 ist ein Verbraucher 1 im Normalbetrieb über ein beispielsweise als Bandfilter ausgebildetes Filter 2 und einen durchlässig gesteuerten Schalter 3 an ein öffentliches Netz 4 mit der Netzspannung U_n angeschlossen. Bei einer für den Verbraucher unzulässigen Abweichung oder einem Ausfall der Netzspannung Un wird von einer nicht näher dargestellten Überwachungseinrichtung auf Notbetrieb umgeschaltet. Hierzu wird ein Wechselrichter 5 gestartet, der Netzschalter 3 in Sperrung gesteuert und ein weiterer Schalter 6 im Ausgang des Wechselrichters durchlässig gesteuert. Die Versorgung des Verbrauchers 1 erfolgt jetzt aus einer Ersatzstromquelle 7 über den Wechselrichter 5 mit der Ausgangsspannung Uw und das Filter 2. Das Filter 2 dämpft beim Normalbetrieb die hochfrequenten und niederfrequenten Verzerrungen der Netzspannung und siebt beim Notbetrieb die Ausgangsspannung des Wechselrichters. Beim Umschalten vom Normalbetrieb auf den Notbetrieb können die energiespeichernden Filterelemente kurzzeitig die Versorgung des Verbrauchers übernehmen. Bei Verbrauchern, die eine oberwellenhaltige Versorgungsspannung mit kurzzeitigen Unterbrecnungen vertragen, kann das Filter entfallen. Die Eingangsspannung des Filters ist mit Uf und die Verbraucherspannung mit U_L bezeichnet.

Da bei nicht gezündeten Ventilen des Wechselrichters ein Stromfluß auf der Ventilseite seines Ausgangstransformators nicht zustande kommen kann, kann der Schalter 6 im allgemeinen entfallen. Der Schalter 6 erweist sich jedoch für Wartungsarbeilen als zweckmäßig-

Die Schalter 3 und 6 können sowohl als mechanische Schnellschalter oder auch als steuerbare Halbleiterschalter ausgebildet sein. Ebenso sind Kombinationen von unterschiedlichen Schalteinrichtungen in Reihenoder Parallelschaltung möglich.

Um einen möglichst raschen Start des Leistungsteil des Wechselrichters zu ermöglichen, arbeitet sein Steuersatz 8 auch im Bereitschaftsbetrieb, bei dem der Verbraucher 1 aus dem Netz 4 gespeist wird. Die Zündimpulsausgänge des Steuersatzes 8 sind über eine Starteinrichtung 9 geführt, die die Zündimpulse für die iresteuerten Ventile des Leistungsteils sperrt. Erst bei einem Startbefehl an der Eingangsklemme 10 der Starteinrichtung 9 werden die Zündimpulse in der beschriebenen Weise entweder unverzögert oder verzögert durchgeschaltet.

Der Leistungsteil 5 des Wechselrichters enthält im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mittelpunkts-Brückenschaltung mit den gesteuerten Hauptventilen 7"! und T2 und den Reihendioden DIl und D 21. Außerdem sind Freilaufdioden D1 und D 2 vorgesehen.

Den Kommutierungskreis bilden ein Kommutierungskondensator C und eine Kommutierungsinduktivität L (M. Meyer, »Thyristoren in der technischen Anwendung«, Siemens Aktiengesellschaft, 1967, Seite 124). Die Polarität der Kondensatorspannung und der Magneti-

¹S sierungszustand der Induktivität bestimmen die Polarität der Ausgangsspannung des Wechselrichters. Bei einer bestimmten Polarität der Energiespeicher des Kommutierungskreises kann die Zündung der gesteuerten Ventile Ti und T2 nur in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen.

Erfindungsgemäß sind im Bereitschaftsbetrieb die Energiespeicher C und L im Kommutierungskreis des Leistungsteils vorgeladen. Die Vorrichtungen zur Vorladung der Energiespeicher sind jedem Fachmann geläufig und daher in der Zeichnung nicht näher dargestellt. Zur Vorladung eines Kondensators kann dieser über einen Schalter an eine Gleichspannung angeschlossen werden, die entweder von der Ersatzstromqnelle 7 oder einer eigenen Batterie abgegriffen wird. Bei einem Startbefehl wird der Schalter geöffnet und damn die Vorladung des Kondensators beendet. Zur Vorladung einer Induktivität kann <Jicse ¹^t zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen Eisenkern ausgebildet sein, wobei eine Wicklung über einen Schalter an eine Gleichspannung angeschlossen ist. Bei einem Startbefehl wird der Schalter geöffnet. Die Zündimpulse des ständig mitlaufenden Steuersatzes 8 sind gegenüber dem Leistungsteil gesperrt. Bei einem Startbefehl an der Eingangsklemme 10 werden die Zündimpulse entweder sofort freigegeben, wenn die durch die Polarität der Vorladung der Kommutierungskreise vorbestimmte Polarität der Ausgangsspannung des Wechselrichters mit der geforderten Polarität übereinstimmt, oder die Freigabe der Zündimpulse wird bis zur Übereinstimmung dieser Polaritäten verzögert.

F i g. 2 zeigt schematisch ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Starteinrichtung 9. Ein Flip-Flop 12 ist an seinem Setzeingang mit den Zündimpulsen für die eine Polarität einer Phase der Wechselrichter-Ausgangsspannung (Ventil Ti) und an seinem Rücksetzeingang mit den Zündimpulsen für die inverse Polarität dieser Phase der Wechselrichterausgangsspannung (Ventil 72) angesteuert. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 12 wechselt somit in der gleichen Weise, wie sich die Polarität der Ausgangsspannung des Wechselrichters ändern würde, wenn die Zündimpulae des Signalteils 8a des Steuersatzes an die gesteuerten Ventile Tl und T2 freigegeben wären. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 12 ist beispielsweise immer dann ein L-Signal, wenn auf dem mit dem Ventil Ti in Wirkverbindung stehenden Zündimpulsausgang des Signalteils 8a des Steuersatzes ein Zündimpuls für dieses Ventil ansteht. Ein UND-Glied 16 wird nur dann durchgesteuert, wenn sowohl das Ausgangssignal des Flip-Flops 12 ein L-Signal ist, als

auch ein L-Signal als Startbefehl an der Eingangsklemme 10 ansteht. Das UND-Glied 16 ist mit dem Setzeingang eines Speichers 13 verbunden, dessen Ausgangssignal ein Freigabesignal für die beiden

Sperrgatter 14 und 15 darstellt, die zwischen dem Signalteil 8a des Steuersatzes und dem Leistungsteil fib des Steuersatzes mit den Leistungsstufen L1 und L 2 geschaltet sind.

Es sei zur Erläuterung angenommen, daß die Vorladung der Energiespeicher im Kommutierungskreis des Leistungsteils des Wechselrichters mit einer derartigen Polarität vorgenommen ist, daß der Wechselrichter nur mit dem Ventil Tl gestartet werden darf. Steht zum Zeitpunkt eines Startbefehls auf dem zum Ventil Ti führenden Impulsausgang des Signalteils 8a des Steuersatzes ein Zündimpuls an, so wird das UND-Glied 16 durchgesteuert und der Speicher 13 unverzüglich gesetzt, so daß mit seinem Ausgangssignal die Sperrgatter 14 und 15 durchgesteuert werden. Der entsprechende Zündimpuls kann daher unverzögert über die Leistungsstufe L1 auf das Ventil Ti gegeben werden.

Steht dagegen zum Zeitpunkt eines Startbefehls auf dem zum Ventil T2 führenden Impulsausgang des Signalteils 8a des Steuersatzes ein Zündimpuls an, so bleibt das UND-Gatter 16 gesperrt. Der Speicher 13 wird nicht gesetzt, und die Sperrgatter 14 und 15 sperren die Zündimpulse. Diese Sperre bleibt so lange wirksam, bis auf dem zum Ventil Tl führenden Impulsausgang des Signalteils 8a des Steuersatzes ein Zündimpuls erscheint.

Der Speicher 13 kann durch einen Rückstellbefehl an seinem Rücksetzeingang 11 wieder zurückgesetzt werden. Dies kann beispielsweise bei der Inbetriehnahme geschehen.

Fig.3 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Netzspannung U_n, der Ausgangsspannung Uw des Wechselrichters, der Eingangsspannung Ue am Filter 2 und der Verbraucherspannung Ul- Der Einbruch der

ίο Netzspannung erfolgt in ihrer positiven Halbwelle. Das Ventil Tl, das den positiven Anteil der Ausgangsspannung des Wechselrichters führt, wird daher sofort gezündet. Der Wechselrichter wird praktisch unverzögert gestartet. Für den Verbraucher ergibt sich keir merklicher Spannungseinbruch, da das vorgeschaltete Filter die Spannungsspitzen glättet.

Bei einem Einbruch der Netzspannung in einei negativen Halbwelle wird der Start des Wechselrichter! bis zum Beginn der nächsten positiven Halbwelh

zo verzögert.

Die Erfindung wurde bisher für einen einphasigei Wechselrichter beschrieben. Es ist jedoch ohne weitere möglich, mit einer sinngemäßen Vervielfachung dii Erfindung auch für einen dreiphasigen Wechselrichte anzuwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum phasenrichtigen Start eines statischen Wechselrichters mit Zwangskommutierung, der einen Leistungsteil mit gesteuerten Hauptventilen und diesen zugeordneten Kommutierungskreisen und einen mit einer Netzspannung synchronisierten Steuersatz zur Bildung von Zündimpulsen aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Im Bereitschaftsbetrieb werden die Energiespeicher in den Kommutierungskreisen des Leistungsteils des Wechselrichters mit einer vorgegebenen Polarität vorgeladen; die Weitergabe der Zündimpulse des auch im Bereitschaftsbetrieb ständig mitlaufenden Steuersatzes an die gesteuerten Ventile des Leistungsteils wird gesperrt,

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Starteinrichtung (9) mit einem Flip-Flop (12), das an seinem Setzeingang mit den Zündimpulsen für die eine Polarität einer Phase der Wechselrichter-Ausgangsspannung und an seinem Rücksetzeingang mit den Zündimpulsen für die inverse Polarität der Wechselrichter-Ausgangsspannung angesteuert ist, und mit einem logischen Verknüpfungsglied (16) zur konjunktiven Verknüpfung des Startbefehls mit dem Ausgangssignal des Flip-Flops (12), wobei das Ausgangssignal des logischen Verknüpfungsgliedes (16) Sperrgatter (14,15) für die Zündimpulse steuert.