DE2459810A1

DE2459810A1 - Elektrischer inverter

Info

Publication number: DE2459810A1
Application number: DE19742459810
Authority: DE
Inventors: Brian John Chalmers; John Philip Gibson
Original assignee: CAV Ltd
Current assignee: CAV Ltd
Priority date: 1973-12-22
Filing date: 1974-12-18
Publication date: 1975-07-03
Also published as: FR2255740A1; JPS50113726A; US3939392A

Description

COHAUSZ & FLOPACK

PATENTANWALTS B ÜF. O
D-4 DÜSSELDORF . SCHUMANNSTR. 9T " r\ ι Γ Q Q Λ Π

PATENTANWALTS:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. W. FLORACK · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

C.A.T. Limited

Weil Street

GB-Birmingham 17· Dezember 1974

Elektrischer Inverter

Die Srfindung betrifft einen elektrischen Inverter.

Sin Inverter gemäß der Srfindung ist gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Stromleitung, ein invertierendes netzwerk, das zwischen die Stromleitungen geschaltet ist, mehrere Ausgangsanschlüsse, die dem invertierenden Netzwerk zugeordnet sind und an die im Betrieb eine Last ansgeschlossen ist, eine Strommeßeinrichtung in einer Stromleitung und im Betrieb dann in Funktion setzbare Mittel, wenn der Strom in der Sinrichtung einen Sollwert erreicht, derart, daß ein Fließen von Strom von einer Stromleitung zur anderen durch die Last während einer bestimmten Zeitdauer unterbunden wird.

Die Srfindung ist nachstehend an Hand der Zeichungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

i"ig. 1 ein Schaltbild, das einen Inverter zeigt, der in einem Ausf.ührungsbeispiel der Srfindung verwendet wird,

Fig. 2 eine Darstellung der Zündungsimpulse, die an Thyristoren angelegt werden, welche einen Teil des Inverters nach Fig. 1 bilden,

Fig. 3 die Darstellung einer Ausführung einer Zündungssteuerschaltung,

Fig. 4 und 5 Darstellungen von Teilen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung,

Wa/Ti - 2 -

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Fig. 6 bis 8 die Larstellungen von möglichen Wellenformen innerhalb der Schaltung nach Fig. 1 und

"Fig. 9 die Darstellung eines anderen Teils der Zündungs Steuer se haltung.

Gemäß Fig. 1 sind eine positive und eine negative Stromleitung 11 bzw. 12 vorgesehen. T-Iit der Stromleitung 11 sind die Anoden zweier Thyristoren I3a, 14a verbunden, wobei die Kathode des Thyristors 14a mit der Leitung 11 durch den Anoden-Kathoden-Weg einer Diode 15a verbunden ist. Die Kathoden der Thyristoren 1Ja, 14a sind durch einen Induktor 16a und einen Kondensator 17a in Reihe miteinander und weiter mit den Anoden zweier Thyristoren 18a, 19a verbunden, deren Kathoden mit der Leitung 12 verbunden sind. Die Anode des Thyristors 19a ist mit der Leitung 12 durch den Kathoden-Anoden-Weg einer Diode 21a verbunden, und die Anode des Thyristors 19a liefert einen Eingang zu einer Dreiphase»- last 22. Darüber hinaus sind herkömmliche Unterdrückungen einsetzbar, um die Rate des Spannungs- nnd/oder Stromstärkenanstiegs an verschiedenen Punkten im Inverter zu begrenzen.

Die bisher beschriebenen Bauteile werden für die anderen beiden Phasen verdoppelt, und sie sind durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet, an die für die anderen beiden Phasen die Buchstaben b bzew. c angefügt sind.

Fig. 2 zeigt die Torschaltungsanordnungen für die vier Thyristoren in einer der Phasen. Die Torsignale, die an die Thyristoren angelegt werden, können Gleichstromsignale sein, oder sie können aus Impulsketten bestehen. Wenn eine Impulskette eingesetzt wird, hat vorzugsweise der erste Impuls der Kette eingafe größere Amplitude und/oder eine längere Impulslänge als die übrigen Impulse. Wie zu sehen ist, wird in einem bestimmten Punkt im Arbeitsablauf einer Phase Torstrom den Thyristoren 14a und 18a zugeleitet, so daß der Kondensator 17a geladen wird, wobei seine rechte Platte positiv wird. Torstrom hört durch die Thyristoren 14a, 18a auf, und nach einer kurzen Verzögerung D1 wird der Thyristor 13a gezündet, was bewirkt, daß der Kondensator 17a den Thyristor 14a kommutiert. Bach einer Gesamtverzögerung D2, die größer als D1 ist,

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wird der Thyristor 19a gezündet, und weil die Thyristoren 15a und 19a nun beide leiten, wird der Kondensator 17a geladen, wobei seine linke Platte positiv wird. Später im Arbeitsablauf wird der "Torstrom von den Thyristoren 15a und 19a entfernt, und dann wird nach einer weiteren kurzen Verzögerung BI der Thyristor 18a gezündet, gfolgt von einer Zündung des Thyristors 14a und so weiter. Es erfolgt eine weitere Verzögerung D5, »während der die Thyristoren 18a und 14a von Zündungsimpulsen abgeschnitten werden, so daß zwei Kommutationen nicht nahe aufeinander folgen können.

Die Arbeitsweise der anderen beiden Phasen erfolgt entsprechend, die Zündungsimpulse für die verschiedenen Schaltungen überlappen sich aber natürlich. In einer typischen Anordnung handelt es sich bei der Last 22 um einen Dreiphasenmotor, und die Welle des Motors betrieb irgeiöeine zweckmäßige Form eines Encoders zur Lieferung von Ausgangsimpulsen in drei Ketten, jeweils eine Kette für jede Phase. Eine typische Anordnung ist in der folgenden Tabelle angegeben.

Wellenwinkel	A	0°	1	60°	1	120°	1	180°	0	240°	0	500°	0	560°	(0°)
PHASE	B	0		0		1		1		1		0
PHASE	C	,1		0		0		0		1		1
PHASE

Fig. 5 zeigt die Zündungssteuerschaltung, die drei Eingangsanschlüsse A, B, 0 hat, denen die Ausgänge, die in der Tabelle gezeigt sind, zugeleitet werden könnten, um den Inverter in der erforderlichen Weise arbeiten zu lassen. Aus Gründen, die noch ersichtlich sein werden, werden die Ausgänge jedoch nicht direkt den Anschlüssen A, B, C zugeleitet, für den Moment reicht es aber aus, wenn angeommen wird, daß dem so wäre. Fig. +35 zeigt 12 UITD-Torsehaltungen, die den 12 Thyristoren im Inverter jeweils zugeordnet sind. Jede der TJUD-Torschaltungen erzeugt bei Empfang von zwei ^ingängen eines logischen Werts 1 einen Ausgang zur Betätigung der Zündungsschaltung, die dem betreffenden Thyristor zugeordnet ist. Wie zu sehen ist, ist der Anschluß A mit dem Eingang einer bistabilen Schaltung 51 verbunden, die eine erste Ausgangsleitung 52a, welche mit den Tor-* schaltungen verbunden ist, die den Thyristoren 18a und 14a zugeordnet

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sind, und eine zweite Ausgangsleitung 33^a hat, die mit der Torschaltung verbunden ist, die den Thyristoren 19a und 1Ja zugeordnet ist. In einem Zustand der bistabilen Schaltung 31a führen die Leitungen 32a eine logische 1 bzw. 0, und in dem anderen Zustand befinden sie sich auf e»iner logischen 0 bzw. 1. Der Anschluß A ist ferner mit einer ausschließlichen ODER-Torschaltung 54^a verbunden, die einen Eingang von der Leitung 33a erhält und einen Ausgang über eine FUliD-Torschaltung 35 ^{an e}iⁿ Verzögerungsnetzwerk 36 liefert, das den Ausgang von drei Leitungen 37» 38» 39 bestimmt. Die Leitung 37 liiert Eingänge zu den Torschaltungen, die den Thyristoren 15a und 18a zugeordnet sind, und die Leitung 38 liefert Eingänge zu den Tor schaltungen, die den Tyihyristoren 14a und 19^a zugeordnet sind. Die Anschlüsse B unC haben entsprechende Sätze Bauteile, die ihnen zugeordnet sind, und diese sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, an die die Buchstaben b bzw. c angefügt sind. Die Bauteile 35 und 56 und die Leitungen 57» 58 und 59 sind für alle drei Phasen gemeinsam vorgesehen, und wie ersichtlich, ist die Leitung 59 mit den bistabilen Schaltungen 51a, 51b, 5I verbunden, nnd zwar aus Gründen, die noch zu beschreiben sein werden.

Wenn die Arbeitsweise der Phase A betrachtet wird, führen bei einem WeI-lenwinklel von beispielsweise 359 die Leitungen 32a und 33^a Signale 0 bzw. 1, die Leitungen 37 und 38 führen Signale 1, und die Leitung 39 führt ein Signal 0. Wie zu sehen ist, erhalten unter diesen Umständen die Torschaltungen der Thyristoren 19a und 13a Torsignale, wie das erforderlich ist. Am 36O -Punkt wechselt sich der Einagangam Anschluß A von 0 auf 1, und damit sind die beiden Eingangssignale zur Torschaltung 34a die gleichen, und die Torschaltung 54a liefert einen Eingang über die Torschaltung 35» um das Verzögerungsnetzwerk 36 zu triggern. Ein Triggern des Verzögerungsnetzwerks 56 treibt die Leitungen 57 und 58 auf eine binäre 0, und die Leitung 59 wird auf eine binäre 1 überführt, um damit die bistabile Schaltung 5"Ia zu triggern, so daß die Leitung 33a das Signal 0 und die Leitung 32a das Signal 1 führt. Die bistabilen Schaltungen 51a, 31b und 31c werdennun von der Leitung 39 außer Punktion gesetzt. Wie zu sehen ist, erzeugt nun keine der Torschaltungen, die den Thyristoren 13a, 14a,_19a, 18a iugeordnet sind, einen Ausgang. Am Ende der Verzögerungszeit D1 erscheint jedoch das Signal 1 an der

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Leitung 37, so daß die''.torschaltung des Thyristors 18a einen Zündungsimpuls oder Zündungsimpulse erhält. Zur Zeit D2 erscheint auch ein Signal 1 an der Leitung 58, so daß Zündungsimpulse der Torschaltung des Thyristors 14a zugeleitet werden. Zur Zeit T3 kehrt die Leitung 59 auf das Signal 0 zurück, und die MestaMlen Schaltungen 31a, 31b und 31c werden außer Funktion gesetzt. Die Arbeitsweise ist die gleiche für die beiden anderen Phasen, und sie kann ohne weiteres aus Pig. 3 in Verbindung mit der Tabelle ersehen werden, in der die Signale angezeigt sind, die den Anschlüssen A, B und C in Pig. 3 gzugeleitet werden können.

Wenn der durch die Vorrichtung 25 (Fig. 1) fließende Strom unter einem Sollwert liegt, ist die Arbeitsweise des Inverters genau die, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, und die Spannungs- und Stromwellenformen in den verschiedenen Teilen der Schaltung sind die, wie sie in I¹Ig. 6 gezeigt sind. Es sind im übrigen sechs leitende Fließanordnungen innerhalb des Inverters während eines Arbeitsspiels vorhanden, und als Beispiel ist eine typische leitende I¹ ließ anordnung zur Zeit T1, die in Pig. 6 dargestellt ist, in Pig. 4 gezeigt. Strom fließt dem Motor durch die Thyristoren 14a und 14c zu, wobei der Rückweg durch den Thyristor 19b geht. Me anderen fünf leitenden Fließanordnungen können ohne weiteres identfiziert werden, zum Zwecke der Erklärung, was geschieht, 'wenn Strom in der Vorrichtung 23 einen Sollwert überschreitet, ist es jedoch am zweckmäßigsten, lediglich die leitenden Wege zu betrachten, die in Pig. 4 gezeigtsind. Wenn zu irgendeiner Zeit der in der Vorrichtung 23 fließende Strom den Sollwert überschreitet, wird der Thyristor 19b abgeschaltet, uri zwar für eine bestimmte feste Zeitdauer, und während dieser Zeit fällt der Stromfluß in der Vorrichtung 23 auf Null ab. Das wird durch normale Umschaltanordnungen innerhalb des Inverters selbst erreicht. In dem Augenblick, in dem der Strom in der Vorrichtung 2p den Sollwert überschreitet, wird entsprechend der Thyristor 18b geündet, so daß der Thyristor 19b ägeschaltet wird. Kurz danach wird der Thyristor 14"k gezündet, und der Kondensator 17ϊ> schließt seinen Ladevorgang über den Thyristor 18b und den Thyristor 14b oder die Diode 15b ab, und daraufhin schaltet sich der Thyristor 18b ab. Die Schaltung hat dann die in I¹ ig. 5 gezeigte Torrn, wobei Torsignale an die

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"■ \J ^mm -

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Thyristoren 14b selbst dann geschickt werden, wenn der Thyristor 14b nicht leitet. Der durch die Torrichtung 23 fließende btrora fällt nun auf ITuIl. Später wird der Thyristor 1 3b gezündet, und der Kondensator 17b entlädt sich dann resonant durch die Diode 15b. Kurz nach Zünden des Thyristors 19b und Abschließen des Ladevorgangs durch den Kondensator 17b über die Thyristoren 1Jb und 1^b hat die Schaltung die in Fig. 4 gezeigte Form, erneut, und wenn der Strom über den Sollwert erneut steigen sollte, kehrt die Schaltung in den in Fig. 5 gezeigten. Zustand für die feste Zeitdauer "zurück. Eine entsprechende Umschaltwirkung erfolgt in irgendeiner der sechs möglichen leitenden Fließanordnungen, wenn der Strom in der Torrichtung 23 den Sollwert überschreitet.

Wie zu sehen ist, ist die Umschaltwirkung in Fig. 4 und- Fig. 5 genau die gleiche wie die Umschaltwirkung, wenn der Inverter normal arbeitet. Die Art und Weise, wie das erreicht wird, wird noch zu beschreiben sein, für den Augenblick ist jedoch erneut auf Gi. 6 bezeug zu nehmen. In Fig.

6 zeigen die ersten drei Wellenformen die Spannungen an den Leitungen 31 bis 35» äie die Last 22 speisen, die nächste Wellenform zeigt die Spannung zwischen den Leitungen 31» 32, die nächsten drei Wellenformen zeigen den Strom, der in den drei Phasen des Motors fließt, und die letzte Wellenform stellt den Strom in der Leitung 12 dar, der unter dem Sollwert liegt, der durch die igestrichelte Linie dargestellt ist. Fig.

7 entspricht Fig. 6 und zeigt, was geschieht, wenn der Sollwert gerade erreicht wird, und Fig. 8 zeigt, was geschieht, wenn der Strom bestrebt ist, den Sollwert um einen erheblichen Be%trag zu überschreiten.

Um den erforderlichen Betrieb des Inverters zu erreichen, wenn der Strom den Sollwert überschreitet, braucht lediglich dafür gesorgt zu werden, daß die Signale an den Anschlüssen A, B, G in Fig. 3 während der genannten bestimmten Zeitdauer so modifiziert werden, daß die Schaltung so arbeitet, wie das im Zusammenhang mit Fig. 4 und.5 beschrieben worden ist* eine Tabelle ist bereits angegeben worden, in der gezeigt ist, welche Signale an den Anschlüssen A, B, C während des normalen Betriebs benötigt werden, d.h. wenn der Strom unter dem Sollwert liegt. Während der genannten Zeitdauer wird die Tabelle so modifiziert, daß die folgenden Werte entstehen.

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1	/ο	1	1	0
1	0	1	1	0Θ
1	0	1	1	O

Wellenwinkel 0° 6θ° 120° 180° 240° 500° 36θ°(θ°)

EHASE A
PHASE B
PHASE 0

Wenn ein Symbol I definiert wird, derart, daß I beim normalen Betrieb 0 ist, d.h. wenn der Strom unter dem Sollwert liegt, und daß I 1 während der bestimmten Zeit nach Feststellen einer Stromstärke über dem Sollwert ist, und wenn die Ausgänge von d4en drei Wellenencodem, die den Phasen A, B bzw. 0 zugeordnet sind, mit den Buchstaben A, B und 0 bezeichnet werden, kann der erforderliche Eingang am Anschluß A in Fig. 3 wie folgt ausgedrückt werden:

Eingang A = Α.Ϊ + A.B.C.I + A.B.C".I + A.B.C.I

Der erste Ausdruck in dieser Gleichung stellt die Situation dar, in der-die Stromstärke unter,dem Sollwert liegt, weil in diesem Fall der Eingang zum Anschluß A der gleiche wie der Ausgang von dem entsprechenden Encoder ist. Die anderen drei Ausdrücke erhält man durch eine Überprüfung der beiden Tabellen. Beim 2°-Punkt erzeugt der Encoder beispielsweise Signale 101 für die Phasen A, B, und G, und der erforderliche Eingang ist 111, ersichtlich aus der zweiten Tabelle. Der zweite Ausdruck in der logischen Darstellung des Eingangs A zeigt diesen Zustand an.

Der Ausdruck für den Eingang A kann durch normale mathematische Verfahren zur Herstellung des folgenden Ergebnisses behandelt werden.

Eingang A .= Α.Ϊ . AC.I . A.B.I . C.B.I Entsprechend kann gezeigt werden, daß

Eingang B = Β.Ϊ . A.C.I . A.B.I . B.C.I und

Eingänge - CI . A.C.I . A.B.I B.C.I

Sine einfache Anordnung zum Erreichen dieses Effekts ist in Fig. 9 ge-

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zeigt. Die Vorrichtung 2J ist ein Widerstand, dessen Spannung einem Verstärker 41 zugeleitet wird, dessen Ausgang einem Komparator 42 zugeleitet wird, der den bestimmten Stromstärkenwert durch Vergleich mit einem Bezugswert feststellt und dann einen Eingang zu einem Verzögerungsnetzwerk 45 liefert, dessen Aufgabe darin besteht sicherzustellen, daß von sehr kurzen Stromsp%itzen über den Sollwert hinaus keine notiz genommen wird. Der Ausgang von dem Verzögerungsnetzwerk 43 wird einer Zeitgabeschaltung 44 zugeleitet, die einen Eingang zu einem Logiknetzwerk liefert. Die Zeitgabeschaltung 44 stellt die genannte bestimmte Zeitdauer ein, während der der Inverter aus dem Zustand nach Fig. 4 (ader einen äquivalenten Zustand) in den Zustand nach Fig. 5 getrieben wird (oder einen äquivalenten Zustand).

Das Logiknetzwerk besteht aus zehn FÜWD-Torschaltungen und zwei Invertern. Der Eingang von der Schaltung 44 wird dreien der FÖUD-Torschaltungen zugeleitet, und diese Torschaltungen erhalten auch Eingänge von den Vellenencodern, um Ausgänge in der erforderlichen Veise zu erzeugen, wie das in der Zeichnung dargestellt ist. Ein invertiertes Signal wird den anderen drei FUND-Torschaltungen von der Schaltung 44 zugeleitet, um die anderen drei Ausdrücke in der Gleichung zu erzeugen. Die drei Ausgangs-FD¥D-Torschaltungen kombinieren die verschiedenen Ausdrücke gemäß der Darstellung, um die erforderlichen Eingänge zu den Anschlüssen A, B, C nach Pig. 3 ^zu liefern.

Es versteht sich, daß die Vorrichtung 2J irgendeine Gleichstrom-Meßeinrichtung sein kann, beispielsweise eine Hallsonde.

Ansprüche

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Claims

1. Elektrischer Inverter, gekennzeichnet durch

eine erste und. zweite Stromleitung, ein invertierendes Netzwerk, das zwischen die Stromleitungen geschaltet ist, mehrere Ausgangsanschlüsse, die dem invertierenden Netzwerk zugeordnet sind und an die iam Betrieb eine Last angeschlossen ist, eine Strommeßeinrichtung in einer Stromleitung und im Betrieb dann in funktion setzbare Mittel, wenn der Strom in der Einrichtung einen Sollwert erreicht, derart, daß ein Vließen von Strom von einer Stromleitung zur anderen durch die Last während einer bestimmten Zeitdauer unterbunden wird.

2. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für eine Modifizierung des Betriebs des invertierenden Netzwerks sorgen.

5. Inverter nach Ansrpuch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel ein Verzögerungsnetzwerk aufweisen, derart, daß von sehr kurzen Stromstößen über den Sollwert hinaus keine Notiz genom-men wird.

4· Inverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel ferner einen Zeitgeber aufweisen, der dafür sorgt, daß eine Modifizierung des Betriebs des invertierenden Netzwerks nur während der bestimmten Zeitdauer erfolgt. . .

5· Elektrischer Inverter, gekennzeichnet durch eine positive und negative Stromleitung, ein invertierendes Netzwerk mit mindestens zwei Inversionsnetzwerken, von denen jedes erste und zweite Thyristoren aufweist, deren Anoden mit der positiven Stromleitung und deren Kathoden jeweils mit den Anoden von dritten und vierten Thyristorren verbunden sind, deren Kathoden mit der negativen Stromleitung verbunden sind, wobei eine Ausgangsleitung mit der Anode des vierten Thyristors verbunden ist und ein kommutierender Kondensator zwischen die Anoden des dritten und vierten Thyristors geschaltet ist, durch eine Zündungsschaltung, die Torsignale zu den Thyristoren der Inversionsnetzwerke in der Reihenfolge erster, vierter, dritter und zweiter Thyristor liefert, wo-

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-JE-

bei die den ersten und vierten !Thyristoren zugeleiteten Torsignale im wesentlichen zur gleichen Zeit wie der Beginn des Torsignals zum dritten Thyristor enden und die den zweiten und dritten Thyristoren zugeleiteten Torsignale im wesentlichen zur gleichen Zeit wie der Beginn des Torsignals zum ersten Thyristor enden, eine Strommeßvorrichtung zum Messen des Stroinf lusses in einer Stromleitung, Steuermittel zur Lieferung von Steuersignalen zur Zündungsschaltung, derart, daß ein Umschalten der Ausgangsleitungen zu der einen oder der anderen der Stromleitungen in einer vorgeschriebenen Zeitbeziehung vonstattengeht, wobei die Steuermittel bei Erhalt eines Signals von der Meßvorrichtung eine Modifizierung der Steuersignale so bewirken, daß für eine bestimmte Zeitdauer ein Fließen von Strom zwischen den Stromleitungen durch eine mit den Ausgangsleitungen verbundene Last aufhört.

6. Inverter nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung ein Verzögerungsnetzwerk aufweist·, das für eine Verzögerung der Zuleitung des Signals zu den Steuermitteisn sorgt, derart, daß von sehr kurzen Stromspitzen über den Sollwert hinaus keine lotiz genommen wird.

7· Inverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diel'ISeßvorrichtung einen Zeitgeber aufweist, der so betätigbar ist, daß sichergestellt wird, daß das Signal nur eine bestimmte Zeit dauert.

8. Inverter nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Iießvorrichtung einen Widerstand aufweist, der in eine der Stromleitungen eingeschaltet ist, und daß ein Komparator die an dem den Widerstand entstehende Spannung mit einer BezugsSpannung vergleicht.

9. Inverter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichn e t, da£ die I-ießvorrichtnng eine üallsonde ist.

10. Inverter nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel eine Logiknetzwerk sind.

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11. Inverter nach Anspruch 10, gekennzeichne, t durch Mittel zur Lieferung von Signalen zu den Steuermitteln in einer vorgeschriebenen Zeifbeziehung.

12. Inverter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die Mittel zur Lieferung von Signalen feein Encoder sind, der die Position der Antriebswelle eines Motors mißt, der mit Strom von den Ausgangsleitungen versorgt wird.

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