DE2513211B2 - Umrichter mit gleichspannungszwischenkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit einem netzgefühnen gesteuerten Gleichrichter, einem selbstgeführten Wechselrichter, einem den Gleich- und den Wechselrichter verbindenden Gleichspannungszwischenkreis variabler Spannung, Steuersätzen zur Erzeugung von Zündimpulsen für die Stromrichterventile des Glexh- und des Wechselrichters und einer Kommutierungseinrichtung für die Stromrichterventile des Wechselrichters mit laststromabhängig nachladbaren Kommutierungskondensatoren.

Solche Umrichter sind bekannt (Siemens-Zeitschrift 1967, S. 133-138). Sie werden wegen ihres einfachen Konzeptes vielfach angewendet, beispielsweise zur Speisung von Drehstrommaschinen, insbesondere auch zur Speisung von mehreren Motoren. Bei diesen Umrichtern werden die Kommutierungskondensatoren zur Deckung der Kommutierungsverluste nach jeder Kommutierung mit der vom Laststrom her in der Kommutierungsinduktivität gespeicherten Energie und aus d^r Energie des Zwischenkreises nachgeladen, damit bleibt die Kommutierfähigkeit auch bei kleiner Zwischenkreisspannung weitgehend sichergestellt. Üblich ist es bei diesen Umrichtern, die an den Ausgangsklemmen abfallende Spannung über einen Spannungsindikator und den über die Ausgangsklemmen fließenden Strom über einen Stromindikator zu erfassen und diese Spannungs- und Stromwerte als Istwerte für die Reglung des Umrichters zu verwenden. Bei solchen Umrichtern ist die Kommutierfähigkeit bei kleinen Gleichspannungen und Leerlauf oder kleiner Vorlast dann beschränkt, wenn eine große Laststromänderung erfolgt, insbesondere wenn ein Laststromsprung eintritt, wie er beispielsweise durch das Zuschalten einer Drehstrommaschine auf den Umrichterausgang oder durch Kurzschluß an der Lastschiene hervorgerufen werden kann. Dabei kann es zu Kommutierungskurzschlüssen kommen, was zum Ausfall des Umrichters führt. Die gleiche Wirkung kann auftreten, wenn bei einem Mehrmotorenantrieb eine der laufenden Maschinen defekt wird und nicht über geeignete Sicherungen angeschlossen ist.

Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so auszugestalten, daß die Kommutierfähigkeit auch bei großen und plötzlichen Laststromänderungen erhalten bleibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß einer Auswerteschaltung der mit einem Spannungs-

1 τ

indikator erfaßte Spannungswert der an den Ausgangsklemmen des Umrichters liegenden Spannung und der mit einem Stromindikator erfaßte Stromwert des über die Ausgangsklemmen fließenden Laststromes gleichgerichtet zugeführt ist, daß der mit dem Spannungsindikator erfaßte Laststrom in der Auswerteschaltung zusätzlich einem während jeder Kommutierung der Stromrichterventile des Wechselrichters eingeschalteten Analogwertspeichers zugeführt ist, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem von dem Spannungsin- ι ο dikator erfaßten Spannungswert zur Bildung eines Meßwerts für die Kommutierungsspannung mit gleichen Vorzeichen einer Additionsstufe zugeführt ist, daß der Additionsstufe außerdem mit entgegengesetztem Vorzeichen der vom Stromindikator erfaßte Stromwert ι j unmittelbar zugeführt ist und daß der Additionsstufe eine Grenzwertstufe nachgeschaltet ist, deren Ausgang mit einem Eingang des Steuersatzes für die Stromrichterventile des Wechselrichters ve.bunden ist und Löschimpulse zur Einleitung der Kommutierung auslöst, wenn der Betrag des Ausgangssignals der Additionsstufe bei einem Ansteigen des Laststromes einen Grenzwert unterschreitet Vorzugsweise ist der Analogwertspeicher bei jeder Kommutierung für eine Tastzeit einschaltbar, die kleiner ist als die Ladezeitkonstante des Analogwertspeichers.

Bei dem erfindungsgemäßen Umrichter wird in der Auswerteschaltung die an den Kommutierungskondensatoren anstehende Kommutierungsspannung, die ein Maß für die Kommutierfähigkeit ist, mit der Aufgangsspannung und dem bei der vorangegangenen Kommutierung abkommutierten Laststrom erfaßt, dessen Stromwert im Analogwertspeicher gespeichert ist. Ein aus diesen beiden Größen gebildeter Wert wird mit dem abzukommutierenden Laststrom verglichen. Unterschreitet bei einem Ansteigen des Laststromes der Betrag der beim Vergleich erhaltenen Größe einen mit der Grenzwertstufe einzustellenden Grenzwert, so wird vorzeitig die nächste Kommutierung eingeleitet. Durch während des weiteren Laststromanstiegs auf die vorbeschriebene Weise eingeleitete weitere vorzeitige Kommutierungen lädt sich der Kommutierungskondensator stufenweie auf eine höhere Kommutierungsspannung auf, und nach einer begrenzten Folge von vorzeitig ausgelösten Kommutierungen besitzt die Kommutierungsspannung einen Wert, der zur Kommutierung des sprunghaft angestiegenen Laststromes ausreicht. Kommutierungskurzschlüsse sind dabei mit Sicherheit vermieden, da immer die vorzeitige nächste Kommutierung ausgelöst wird, solange die Kommutierungsfähigkeit noch ausreicht. Es ist zu betonen, daß für die Überwachung der Kommutierfähigkeit Istwerte verwendet werden, die für die Regelung des Umrichters ohnehin abgefragt werden. Der schaltungstechnische Aufwand wird damit wesentlich vereinfacht, insbesondere wird vermieden, daß die relativ hohe Spannung an den Kommutierungskondensatoren die bis zu 1 kV betragen kann, über Gleichspannungswandler zu erfassen und zur Überwachung der Kommutierfähigkeit auszuwerten ist.

Vorteilhaft ist es, dem Analogwertspeicher einen Schalter vorzuschalten, der mit jedem Löschimpuls zu schließen ist, mit dem eine Kommutierung im Wechselrichter eingeleitet wird. In einer besonders einfachen Ausführungsform des ebschaltbaren Analogwertspei- (>s chers ist dieser mit einem Operationsverstärker realisiert, dessen invertierender Eingang mit einer Klemme eines Schalters und dessen Ausgang über einen Kondensator mit dem invertierenden Eingang und über einen Widerstand der anderen Klemme des Schalters verbunden ist, der auch der Lastslromwert zugeführt ist.

Sind in den Umrichterausgang Drosseln oder eir Anpassungstransformator geschaltet, so muß die Ausgangsspannungs-lstwerterfassung hinter den Drosseln bzw. dem Anpassungstransformator erfolgen. Damit wird die sonst proportionale Beziehung zwischen der Kommutierungsspannung und der Ausgangsspannung stromabhängig. Um diesen Effekt bei der Überwachung der Kommutierfähigkeit zu berücksichtigen, und zum Ausgleich von Dämpfungsfaktoren in Umschwingkreisen kann in der Auswerteschattung neben der ersten eine zweite Additionsstufe vorgesehen sein, wobei der zweiten Additionsstufe der Spannungswert und das Ausgangssignal des Analogwertspeichers mit gleichen Vorzeichen zugeführt sind und der Ausgang der zweiten Additionsstufe einerseits mit der ersten Additionsstufe und andererseits mit einem Eingang einer die Tastzeit des Analogwertspeichers bestimmenden, monostabilen Kippstufe verbunden ist, über den die Impulslänge des Ausgangsimpulses der Kippstufe zu verändern ist. Dabei kann der zweiten Additionsstufe der Spannungswert über eine dritte Additionsstufe zugeführt sein, an der außer dem Spannungswert der Ausgang einer Differenzierstufe liegt, deren Eingang der Laststromwert zugeführt ist.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichter beispielhaft anhand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert. In den Figuren sind einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Umrichters dargestellt. Dabei sind gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt einen Mehrmotorenantrieb mit wenigstens zwei Drehstrommaschinen la und \b, die Drehstromsynchronmaschinen oder -asynchronmaschinen sein können. Die Drehstrommaschinen 1 werden aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S, Tuber einen fremdgesteuerten, netzgeführten Gleichrichter 2, einen Gleichspannungszwischenkreis 3 mit einer Glättungsdrossel 4 und einem Zwischenkreiskondensator 5 und einen selbstgeführten, fremdgesteuerten Wechselrichter 6 gespeist. Im Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter 2 aus sechs steuerbaren Thyristoren 2a — 2/ in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Der Wechselrichter 6 besteht aus Hauptthyristoren 7 a bis Tl in Drehstrombrückenschaltung 7 und Freilauf- bzw. Rückstromdioden 8a bis 8/ in Drehstrombrückenschaltung 8, wobei die beiden Brückenschaltungen 7 und 8 antiparallel zueinander geschaltet sind, so daß zu jedem Hauptthyristor 7a bis 7/"eine Diode 8a bis 8/antiparaliel liegt.

Der Wechselrichter ist mit einer Kommutierungseinrichtung 9 für die Hauptthyristoren Ta bis Tf versehen, in der jedem Hauptthyristor 7a bis 7/ ein Löschkreis, bestehend aus der Reihenschaltung von einem der Löschthyristoren 10a bis 1 Of und einem der Kommutierungskondensatoren 11a bis lic parallel geschaltet ist Dabei ist jeweils ein gemeinsamer Kommutierungskondensator 11 a bis 11 c für jeweils zwei Brückenzweige mit den Hauptthyristoren 7a und Td bis Tc und 7j vorgesehen, die einen gemeinsamen HauptanschluD besitzen. Im Kommutierungsstromkreis liegen außerdem noch Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/" und Begrenzungsdrosseln 13a bis 13/ Im Ausführungsbeispiel sind die Begrenzungsdrosseln zwischen die Hauptthyristoren 7a bis Tf und die zugehörigen Löschthyristoren 10a bis 10/ und die Kommutierungs-

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21!

drosseln 12a bis 12/zwischen die Hauptthyristoren 7a bis 7f und die zugehörigen Freilaufdioden 8a bis 8/ geschaltet. Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/ unterteilt und jedem Hauptthyristor 7a bis 7/ist eine der Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/gesondert zugeordnet. Für die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Umrichters ist die spezielle Anordnung der Kommutierungs- und der Begrenzungsdrosseln nach Fig. 1 unwesentlich. Kommutierungs- und Begrenzungsdrosseln können auch an ι ο anderer Stelle der Kommutierungsstromkreise angeordnet sein.

Bei dem beschriebenen Umrichter wird durch Steuerung des Gleichrichters 2 die Zwischenkreisspannung im Gleichspannungszwischenkreis 3 und damit die Größe der Spannung gesteuert, die den Drehstrommaschinen la und 16 zugeführt wird. Die Frequenz der Maschinenspannung wird durch die Taktfrequenz der Hauptthyristoren des Wechselrichters 6 und die Drehrichtung der Drehstiommaschinen 1 durch die Reihenfolge der Stromführung der Hauptthyristoren des Wechselrichters 6 bestimmt. Dabei wird zur Steuerung der Thyristoren des Gleichrichters 2 ein Steuersatz benutzt, wie er beispielsweise in dem Buch von G. Möltgen, »Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren«, Siemens AG 1967, Seite 279/280 beschrieben ist. Die Hauptthyristoren 7a bis 7/des Wechselrichters 6 bzw. die Löschthyristoren 10a bis 10/werden mit einem Steuersatz 14 über Leitungen 15 mit Zündimpulsen bzw. über Leitungen 16 mit Löschimpulsen angesteuert. Der Steuersatz 14 enthält einen Impulsgeber mit nachgeschaltetem Ringzähler. Der Steuersatz und die Steuerleitungen zu den Zündelektroden des Gleichrichters 2 sind in der F i g. 1 nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

£s wird nun die Kommutierung der Hauptthyristoren beschrieben. Der Strom im Kommutierungsstromkreis, also der Laststrom, den der zu löschende Hauptthyristor führt, sei mit k und die Spannung am Kommutierungskondensator mit Uc bezeichnet. Für die Beschreibung wird vorausgesetzt, daß die Kommutierungskondensatoren 11a bis lic mit der gezeigten Polarität und der Kommutierungsspannung U_m aufgeladen sind und daß die Hauptthyristoren 7a, 7b und 7/Strom führen und daß der Laststrom vom Hauptthyristor 7a auf den Hauptthyristor 7d kommutiert werden soll. Bei der angegebenen Ladung der Kommutierungskondensatoren 11a bis lic können die Hauptthyristoren 7a und 7b der linken Brückenhälfte und der Hauptthyristor 7/der rechten Brückenhälfte gelöscht werden. Zur Löschung des stromführenden Hauptthyristors 7a wird der zugehörige Löschthyristor 10a gezündet Der Entladestrom des Kommutierungskondensators Ha fließt nun über den Löschthyristor 10a, die Begrenzungsdrossel 13a und den Hauptthyristor 7a und baut den Laststrom im Hauptthyristor 7a ab. Erreicht der Entladestrom die Größe des Laststromes im Hauptthyristor 7a, so erlischt der Hauptthyristor 7a, und der an der Kommutierungsdrossel 12a abfallende Teil der Spannung des Kommutierungskondensators Ha liegt als negative Sperrspan-Tiung am Haupvihyristor 7a Der Laststrom fließt fiber den Kommutierungskondensator Ha, den Löschthyristor 10a, die Begrenzungsdrossel 13a und die Kommutierungsdrossel 12a weiter. Der Kommutierungskondensator Ha lädt sich nun über den Kommutierungs-Stromkreis, d.h. über die Kommutierungsdrossel 12a, die Begrenzungsdrossel 13a und die Freilaufdiode 8a um. In diesem Schwingkreis steigt der Umschwingstrom des Kommutierungskondensators lla sinusförmig auf seinen Maximalwert an, den er im Nulldurchgang der Kommutierungsspannung U_c erreicht. Anschließend nimmt der, jetzt durch die Kommutierungsdrossel 12a und die Begrenzungsdrossel 13a getriebene Umschwingstrom wieder ab. Sobald der Umschwingstrom die Größe des Laststromes erreicht hat, wird der Strom durch die Freilaufdiode 8a zu Null und der Laststrom beginnt auf die Freilaufdiode Sd zu kommutieren, die nun leitend wird. Das bedeutet, daß das Potential des zugehörigen Hauptanschlusses von minus nach plus wechselt. In diesem Zeitpunkt beginnt ein weiterer Schwingungsvorgang unter Einbeziehung der Zwischenkreisspannung Uz und mit dem Momentanwert der Spannung U_c am Kommutierungskondensator lla und dem Stromwert im Umschwingkreis als Anfangsbedingung. Es fließt daher während der Kommutierung auf die Freilaufdiode Sd ein ebenfalls von der Kommutierungsdrossel 12a und der Begrenzungsdrossel 13a getriebener Strom, der die Spannung am Kommutierungskondensator erhöht, was einer laststromabhängigen Nachladung des Kommutierungskondensators lla durch die Kommutierungsdrossel 12a und die Begrenzungsdrossel 13a entspricht. Mit dieser laststromabhängigen Nachladung der Kommutierungskondensatoren 11 wird der Umrichterbetrieb bei kleinen Zwischenkreisspannungen U_z und bei Leerlauf sichergestellt, so lange nicht sprunghaft eine große Laststromänderung eintritt Ist die Kommutierung auf die Freilaufdiode Sd beendet, so erlischt der Löschthyristor 10a, und der Kommutierungskondensator lla besitzt die richtige Polarität und Spannung zur Löschung des Hauptthyri stors7d, wobei die Polarität umgekehrt zu der in F i g. 1 gezeigten ist Durch die Kommutierung des Laststromes auf die Freilaufdiode 8a, die unter der Wirkung der Induktivität der Wicklungen der Drehstrommaschinen 1 erfolgt wird ein Freilaufkreis geschlossen und der Strom fließt über die Freilaufdiode Sd, die Kommutierungsdrossel 12c/, die stromführenden Hauptthyristoren und die Wicklungen der Motoren 1. Nun wird der Hauptthyristor 7d gezündet und übernimmt im Stromnulldurchgang den Laststrom und die Kommutierung ist beendet

Durch die laststromabhängige Nachladung der Kommutierungskondensatoren ist die Kommutierfähigkeit des beschriebenen Umrichters in weiten Grenzen gesichert Bei einem sprunghaften Laststromanstieg, beispielsweise ausgelöst durch das Zuschalten einer Drehstrommaschine 1 besteht jedoch insbesondere bei kleinen Zwischenkreisspannungen und unbelastetem Umrichterausgang die Gefahr eines Kommutierungskurzschlusses und des damit verbundenen Ausfalls des Umrichters. Um diese Gefahr auszuschließen, ist beim erfindungsgemäßen Umrichter eine Überwachung der Kommutierfähigkeit des Umrichters und eine durch diese Überwachung auslösbare Kommutierung für die Stromrichterventil·; des Wechselrichters vorgesehen, mit der eine vorzeitige Kommutierung eingeleitet wird, wenn der Lastetrom Werte anzunehmen droht, die nicht mehr kommutiert werden können.

Bei Umrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis und stromabhängiger Nachladung der Kommutierungskodensatoren ist die Höhe der Kommutierungsspan-

?yW οΓ°ϊ ^{m den Kommutie}ningskondensatoren ein MaB für die Kommutierfähigkeit Im stationären Fall ist die jeweils vorhandene Kommutierungsspannung 14, eine Funktion der Zwischenkreisspannung U₂ und des abkommutierten Laststromes i. Näherungsweise erhält

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man beim oben beschriebenen Umrichter für die Kennlinien U_m = /((/&*)die Beziehung:

worin der Stromabhängigkeitsfaktor Z' ein modifizierter Wellenwiderstand des Umschwingkreises ist Die Kennlinien gemäß der Beziehung (1) zeigt Fig.2 bei verschiedenen Zwischenkreisspannungen Uz\ bis Uz5 als Parameter. Mit einer Erfassung der Kommutierungs- ι ο spannung U_n, an den Kommutierungskondensatoren könnte daher eine Überwachung der Kommutierfähigkeit bewirkt werden. Eine Erfassung der Kommutierungsspannung an den drei Kommutierungskondensatoren 11a bis Hc würde jedoch wegen der dazu benötigten Gleichspannungswandler einen hohen meßtechnischen Aufwand bedeuten und kann daher aus wirtschaftlichen Gründen nicht eingesetzt werden.

Beim erfindungsgemäßen Umrichter wird ausgenützt, daß die Ausgangsspannung U, des Umrichters, die an seinen Ausgangsklemmen a abfällt der Zwischenkreisspannung Uzdirekt proportional ist (U_a = k ■ Uz). Der Ausgangsspannungswert ist daher entsprechend der Beziehung (1) ein Maß für die Kommutierungsspannung, wobei noch der Anteil zu berücksichtigen ist, der im stationären Zustand dem abkommutierten Laststrom Jb proportional ist Dieser Anteil wird beim erfindungsgemäßen Umrichter dadurch berücksichtigt, daß bei jeder Kommutierung der Wert des Laststromes k erfaßt und in einen Analogwertspeicher eingelesen wird. Aus dem Spannungswert der Ausgangsspannung U_a und dem Stromwert des Laststromes Jb läßt sich damit ein Grenzwert bilden, der vom Laststromwert k> bis zur folgenden Kommutierung nicht überschritten werden darf, wenn die Kommutierfähigkeit sichergestellt sein soll. Wird dieser Grenzwert vom Laststrom überschritten, so wird vorzeitig die nachfolgende Kommutierung ausgelöst für die nun der in den Speicher eingelesene, eine höhere Kommutierungsspannung bedingende Teil des erhöhten Laststromwertes als Vergleichsstandard gilt Die Kommutierungsspannung an den Kommutierungskondensatoren und damit die Kommutierfähigkeit wird bei sprunghafter Laststromerhöhung demgemäß während des Laststromanstieges mit mehreren, aufeinanderfolgenden, vorzeitig ausgelösten Kommutierungen stufenartig auf einen Wert erhöht mit dem der sprungartig angestiegene Strom kommutiert werden kann. Die beschriebene Überwachung spricht dann nicht mehr an und der Umrichter läuft wieder im normalen Betrieb. Die stufenartige Erhöhung der Kommutierungsspannung bei aufeinanderfolgenden, durch einen Laststromstoß vorzeitig ausgelösten Kommutierungen ist in Fig. 3 gezeigt, in der die Kommutierungsspannung Ua, in Prozent des dem Laststromstoß entsprechenden Endwertes über der Anzahl π der Kommutierungen aufgetragen ist, wobei eine sprungartige Laststromerhöhung bei konstanter Zwischenkreisspannung t/z vorausgesetzt ist

Im Aasführungsbeispiel nach Fig. 1 wird der Laststrom h mit einem Stromindikator 17 und die Ausgangsspannung V, des Umrichters mit einem Spannungsindikator Ig erfaßt die mit den Ausgangsklemmen a verbunden sind. Diese Spannungs- und Stromindikatoren sind üblicherweise ohnehin als Istwertgeber für die Regeleinrichtung des Umrichters angeordnet und bedeuten keinen zusätzlichen wirtschaftlichen Aufwand. Der Stromindikator 17 ist mit Stromwandlern I7a realisiert, denen Bürdenwiderstände Mb und ein Gleichrichter 17c nachgeschaltet sind Am Ausgang Md erhält man als Laststromwert eil Abbild des gleichgerichteten Laststromes ^- De: Spannungsindikator 18 ist mit einem Übertragungs transformator 18a und einem Gleichrichter 18/ aufgebaut, an dessen Ausgang 18c die heruntertransfor mierte und gleichgerichtete Ausgangsspannung ansteht Der Ausgang 17ti des Stromindikators 17 ist über einer Eingang 19 einer Auswerteschaltung 20 mit einei Additionsstufe 21 und mit einem im Ausführun^sbeispiel mittels einen Schalters 22 einschaltbaren Analogwertspeichers 23 verbunden, dessen Ausgang ebenfalls mi) der Additionsstufe 21 verbunden ist Der Ausgang 18c des Spannungsindikators 18 ist über einen weiterer Eingang 24 der Auswerteschaltung 20 ebenfalls mit der Additionsstufe 21 verknüpft Der Additionsstufe 21 ist ein Grenzwertmelder 25 nachgeschaltet, dessen Ausgang über einen Ausgang 26 und die Leitung 26a mil einem Eingang 14a des Steuersatzes 14 verbunden ist über den eine Kommutierung mit der oben beschriebenen Impulsfolge auszulösen ist Anzuführen ist noch, daO bei diesem Ausführungsbeispiel wegen der Speisung von Motoren vorausgesetzt werden kann, daß der dreiphasige Wechselrichter 6 symmetrisch belastet isl und daß damit die Auswerteschaltung für alle drei Phasen benutzt werden kann. Ist die symmetrische Belastung nicht gegeben, muß für jede Phase eine eigene Auswerteschaltung angeordnet werden.

Der Schalter 22 ist beim Ausführungsbeispiel durch Löschimpulse des Steuersatzes 14 zu schließen, die über die Leitungen 16 an einen dritten Eingang 27 der Auswerteschaltung 20 geführt sind. Beim Ausführungsbeispiel ist zwischen den Eingang 27 und den Betätigungseingang 22a des Schalters 22 eine monostabile Kippstufe 28 geschaltet, deren Ausgangsimpulslänge mit einem Trimmpotentiometer 29 oder mit einer Steuerspannung verändert werden kann.

In der in Fi g. 1 gezeigten Auswerteschaltung 20 wird bei jeder Kommutierung mit dem Löschimpuls, der die Kommutierung auslöst der Schalter 22 geschlossen und der im Zeitpunkt der Kommutierung fließende Laststrom oder ein diesem Laststrom proportionaler Wert in den Analogwertspeicher 23 eingelesen. Der im Analogwertspeicher 23 gespeicherte Stromwert der dem bei der vorhergehenden Kommutierung abkommutierten Strom entspricht wird in der Addiitionsstufe 21 zum Wert der Ausgangsspannung addiert womit ein Vergleichswert gewonnen wird, der ein Maß für die Kommutierungsspannung und damit für die Kommutierfähigkeit des Umrichters ist Von diesem Vergleichswert wird der Wert des inzwischen fließenden Laststromes subtrahiert Unterschreitet das so gewonnene Signal einen Grenzwert, der durch die Grenzwertstufe 25 gegeben ist, so wird über die Leitung 26 vorzeitig die nächste Kommutierung eingeleitet, um einen Kommutierungskurzschluß zu verhindern. Da nun ein größerer Laststrom fließt, wird bei dieser vorzeitigen Kommutierung die Kommutierungsspannung infolge der stromabhängigen Nachladung erhöht und auch ein höherer Stromwert in den Analogwertspeicher 23 eingelesen, der nun für die Größe des Vergleichswertes maßgebend ist Damit erhält man, wie bereits ausgeführt, bei einer sprunghaften Laststromänderung ein stufenförmiges Ansteigen der Kommutierungsspannung auf einen Wert, der für die Kommutierung des angestiegenen Laststromes ausreichend ist

Bei Laststromänderungen, die mit relativ geringer Geschwindigkeit ablaufen, läßt sich mit einer Einschalt-

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bzw. Tastzeit τ, die größer als die Ladezeitkonstante T des Analogwertspeichers 23 ist, der genaue Laststromwert des Kommutierungszeitpunktes in den Analogwertspeicher einlesen. Insbesondere für schnelle dynamische Vorgänge ist dies nicht immer ausreichend. Unter der Voraussetzung schneller Laststromänderungen, d. h. bei sprunghaft ansteigendem Laststrom, wird daher eine Einschalt- bzw. Tastzeit τ des Schalters 22 gewählt, die kleiner als die Ladezeitkonstante T des Analogwertspeichers ist, und damit ein Momentan wert ι ο gespeichert, der kleiner als der Momentanwert des Laststroms ist, wobei bei die bei den einzelnen Kommutierungen gespeicherten Momentanwerte dem Laststrom verzögert folgen. Mit einer entsprechenden Festlegung des Grenzwertes der Grenzwertstufe 25 kann man damit jedem dynamischen Vorgang gerecht werden, wobei zu erwähnen ist, daß in die Dynamik die Daten des Laststromkreises eingehen. Günstig hat sich ein Verhältnis von Einschaltzeit τ zu Ladezeitkonstante Γνοη 1 :40 erwiesen. Um die Tastzeit τ des Schalters 22 variieren zu können, wurde im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 dem Betätigungseingang 22a des Schalters 22 die monostabile Kippstufe 27 vorgeschaltet, mit deren veränderbarer Ausgangsimpulslänge die Tastzeit τ des Schalters 22 einzustellen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Auswertestufe 20 zeigt die F i g. 4. In diesem Ausführungsbeispiel ist der einschaltbare Analogwertspeicher 23 mit einem Operationsverstärker 30 realisiert, dessen nichtinvertierender Eingang 30a mit Nullpotential und dessen invertierender Eingang 30b über den Schalter 22 und einen Widerstand 31 mit der Eingangsklemme 19 verbunden ist, an der der Lastsiromwert ansteht. Der Ausgang 30c des Operationsverstärkers 30 ist über einen Kondensator 32 mit dem invertierenden Eingang 30f> des Operationsverstärkers 30 und über einen Widerstand 33 mit dem Verbindungspunkt 34 zwischen dem Schalter 22 und dem Widerstand 31 verbunden. Als Schaher 22 ist ein FET-Schalter eingesetzt. Für den Analogwertspeicher 23, der auch mit »sample and hold«-Stufe bezeichnet wird, ergibt sich bei geschlossenem Schalter 22 ein Übertragungsverhalten gemäß der Beziehung:

U„

(1 -e- τ-).

(2)

45

worin U₃oc die Spannung am Ausgang 30c des Operationsverstärkers, t/19 die dem Laststrom i₀ entsprechende Spannung am Eingang 19, und Ä31 bzw. R₃₃ die Widerstandswerte der Widerstände 31 und 33 und Γ die Ladezeitkonstante des Speichers gemäß der Beziehung T= R₃₃ · C₃₂ ist wobei mit C₃₂ die Kapazität des Kondensators 32 bezeichnet ist Mit einer Tastzeit τ des Schalters 22 erhält man damit:

Da die P-Verstärkung des Speichers unverändert bleiben muß, kann man bei konstantem τ die Ladezeitkonstante T nur durch eine Veränderung des Kondensators 32 anpassen. Zweckmäßiger ist es, die Tastzeit r mit einer Kippstufe 28 zu verändern, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist. Zu berücksichtigen ist dabei noch, daß bei einer Auswerteschaltung 20, die für alle drei Phasen des Wechselrichters 6 entsprechende Fig. 1 benützt wird, die Ladezeitkonstante TVerdreifacht werden muß, da die dreifache Anzahl von Kommutierungen stattfindet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ist der Betätigungseingang 22a des Schalters 22 über ein entkoppelndes Diodengatter 35 mit Eingängen 27 der Auswerteschaltung 20 verbunden. Das Diodengatter 35 ist aus Dioden 35a bis 35/aufgebaut, wobei jeweils eine Diode zur Entkopplung einer Löschimpulse führenden Leitung 16 nachgeschaltet ist Damit ist sichergestellt, daß der Schalter 22 mit jedem vom Steuersatz 14 abgegebenen Löschimpuls geschlossen wird und für die Dauer des Löschimpulses geschlossen bleibt. Die Tastzeit τ des Schalters 22 ist damit durch die Dauer der Löschimpulse gegeben, falls nicht eine monostabile Kippstufe 28 vorgesehen ist, mit der die Tastzeit r verändert werden kann.

Der Ausgang 30c des Operationsverstärkers 30 ist über einen Widerstand 36, der Eingang 19 über einen Widerstand 37 und der Eingang 24 über einen Widerstand 38 mit der Additionsstufe 21 verbunden. Der Additionsstufe 21 ist als Grenzwertmelder ein Operationsverstärker 25 nachgeschaltet dessen Ausgang mit dem Ausgang 26 der Auswerteschaltung 20 verbunden ist Durch eine entsprechende Wahl der Widerstandswerte der Widerstände 31,33 und 36 bis 38 läßt sich ein Grenzwert einstellen, der eine laufende Überwachung der Kommutierfähigkeit sicherstellt und mit dem durch vorzeitige Auslösung von Kommutierungen die Gefahr von Kommutierungskurzschlüssen ausgeschaltet ist.

In Fi g. 1 sind dem Umrichterausgang a Drosseln 39 vorgeschaltet. Anstelle dieser Drosseln 39 können auch Anpassungstransformatoren als Längsinduktivitäten vorhanden sein. Wird der Spannungsindikator 18 auch als Istwertgeber für die Wechselrichterreglung benutzt so muß aus reglungstechnischen Gründen der Spannungsindikator 18, wie in Fig. 1 gezeigt den Längsinduktivitäten 39 nachgeschaltet sein. Damit wird die sonst proportionale Zuordnung zwischen Ausgangsspannung und Zwischenkreisspannung noch stromabhängig, wobei gilt:

worin \ U von

55

U30C _ ^33

U_e = k- U₂- ,1U,

di

-Ί9

K,

Durch entsprechende Vorgabe von Γ oder τ kann man die Übertragungsfunktion (3) bei η Kommutierungen an einen Spannungsverlauf gemäß F i g. 3 anpassen.

abhängt.

Ein Ausführungsbeispiel der Auswerte- bzw. Rechen schaltung 20, mit der auch diese Abhängigkeit berücksichtigt wird, ist in Fig.5 gezeigt Bei diesem Ausführungsbeispiel ist neben der ersten Additionsstufe 21 eine weitere Additionsstufe 40 vorgesehen, der {über den Eingang 24 der mit dem Spannungsindikator 18 erfaßte Spannungswert und über den Eingang 19 und eine Differenzierstufe 43 das differenzierte Signal des mit dem Stromindikator erfaßten Laststromwertes

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zugeführt ist. Die Ädditionsstufe 40 ist ihrerseits mit der Additionsstufe 21 verbunden. In der Additionsstufe 40 wird aus der Ausgangsspannung ίΛ die Zwischenkreisspannung Uz nachgebildet, in dem der durch die Längsinduktivitäten 39 bewirkte Spannungsverlust AlJ ausgeglichen wird.

In der Auswerteschaltung nach Fig.5 ist außerdem noch eine weitere Additionsstufe 41 enthalten, deren Eingänge mit der Addilionsstufe 40 und dem Analogwertspeicher 23 und deren Ausgang einerseits mit der Additonsstufe 21 und andererseits über einen Verstärker 42 mit dem Eingang 28a der Kippstufe 28 verbunden ist, über den die Länge der Ausgangsimpulse der Kippstufe 28 verändert werden kann. Mit dieser Erweiterung wird der Dämpfungsfaktor d des Umschwingkreises ausgeglichen, der von der Kommutierungsspannung abhängig ist. Um die Tastzeit τ in Abhängigkeit von der Kommutierungsspannung zu ändern, wird damit über den Anpaßverstärker 42 dem Verstelleingang 28a der Kippstufe 28 ein Wert zugeführt, der der Kommutierungsspannung proportional ist. Um den Dämpfungsfaktor d auszugleichen, muß τ um so größer werden, je kleiner die Kommutierungsspannung ist. Dabei sollte jedoch τ immer kleiner als die halbe Periodendauer des Umschwingkreises bleiben.

Mit der Auswerteschaltung 20 nach F i g. 5 ist eine äußerst genaue Nachbildung der Kommutierfähigkeit und ihre Überwachung möglich. Im allgemeinen wird eine so genaue Nachbildung nicht erforderlich sein. Da der Überwachungsbereich im allgemeinen klein ist, kann auf die Anpassung des Dämpfungsfaktors und damit auf die Additionsstufe 41 und die Kippstufe 28 meist verzichtet werden. Als Durchschaltzeit τ für den Schalter 22 wird dann nur die Impulsdauer der Löschimpulse benutzt. Auch wenn Längsinduktivitäten 39 vorhanden sind, können in den meisten Fällen die Differenzierstufe 43 unH die Additionsstufe 40 weggelassen werden, wenn man den mit dem Spannungsindi-

[o kator 18 erhaltenen Spannungswert leicht geglättet in die Auswerteschaltung 20 einführt. Schließlich kann man wie oben erwähnt davon ausgehen, daß ein dreiphasiger Wechselrichter für den Motorenbetrieb annähernd symmetrisch belastet wird. Dann genügt es, die Schaltung für alle drei Phasen gemeinsam zu benutzen, wie in F i g. 1 gezeigt ist, da dann die dreifache Anzahl von Kommutierungen stattfindet, muß jedoch die Zeitkonstante T des Analogwertspeichers 23 in Abweichung zu den Erläuterungen nach F i g. 4 verdreifacht werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß beim erfindungsgemäßen Umrichter Kommutierungskurzschlüsse aufgrund plötzlicher Laststromänderungen durch Schaltungsmaßnahmen ausgeschlossen sind, die sich mil einfachen Mitteln realisieren lassen. Dabei ist besonders hervorzuheben, daß als Spannungs- und Stromindikatoren Meßstellen benutzt werden, die zur Erfassung dei Istwerte für den Regler des Umrichters ohnehir erforderlich sind.

Hierzu 3 Blau Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Umrichter mit einem netzgefühnen, gesteuerten Gleichrichter, einem selbstgeführten Wechselrichter, einem den Gleich- und den Wechselrichter verbindenden Gleichspannungszwischenkreis variabler Spannung, Steuersätzen zur Erzeugung von Zündimpulsen für die Stromrichterventile des Gleich- und des Wechselrichters und einer Kommutierungseinrichtung für die Stromrichterventile des Wechselrichters mit laststromabhängig nachladbaren Kommutierungskondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß einer Auswerteschaltung (20) der mit einem Spannungsindikator (18) erfaßte Spannungswert der an den Ausgangsklemmen (a) des Umrichters liegenden Spannung (U_a) und der mit einem Stromindikator (17) erfaßte Stromwert des über die Ausgangsklemmen fließenden Laststromes (a>) gleichgerichtet zugeführt ist, daß der mit dem Stromindikator erfaßte Laststrom in der Auswerteschaltung (20) zusätzlich einem während jeder Kommutierung der Stromrichterventile (7a -7f) des Wechselrichters (6) eingeschalteten Analogwertspeicher (23) zugeführt ist, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem von dem Spannungsindikator (18) erfaßten Spannungswert zur Bildung eines Meßwertes für die Kommutierungsspannung mit gleichen Vorzeichen einer Additionsstufe (21) zugeführt ist, daß der Additionsstufe (21) außerdem mit entgegengesetztem Vorzeichen der vom Stromindikator (17) erfaßte Stromwert unmittelbar zugeführt ist und daß der Additionsstufe (21) eine Grenzwertstufe nachgeschaltet isi, deren Ausgang mit einem Eingang {\4a) des Steuersatzes (14) für die Stromrichterventile (7a-7f; 10a-10/? des Wechselrichters verbunden ist und Löschimpulse zur Einleitung der Kommutierung auslöst, wenn der Betrag des Ausgangssignals der Additionsstufe (21) beim Ansteigen des Laststromes (io) einen Grenzwert unterschreitet.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogwertspeicher (23) bei jeder Kommutierung für eine Tastzeit (τ) einschaltbar ist, die kleiner als die Ladezeitkonstante des Analogwertspeichers ist.

3. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analogwertspeicher (23) ein Schalter (22) vorgeschaltet ist, der mit jedem Löschimpuls zu schließen ist, mit dem eine Kommutierung im Wechselrichter eingeleitet wird.

4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einschaltbare Analogwertspeicher (23) mit einem Operationsverstärker (30) realisiert ist, dessen invertierender Eingang (306; mit einer Klemme eines Schalters (22) und dessen Ausgang {30c) über einen Kondensator (32) mit dem invertierenden Eingang und über einen Widerstand (33) mit der anderen Klemme (34) des Schalters verbunden ist, der auch der Laststromwert zugeführt ist(Fig.4).

5. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (20) neben der ersten (21) eine zweite Additionsstufe (41) vorgesehen ist, daß der zweiten Additionsstufe (41) der Spannungswert und das Ausgangssignal des Analogwertspeichers (23) mit gleichen Vorzeichen zugeführt sind, daß der Ausgang der zweiten Additionsstufe (41) einerseit; mit der ersten Additionsstufe (21) und andererseit! mit einem Eingang (28a; einer die Tastzeit (τ) des Analogwertspeichers bestimmenden, monostabiler Kippstufe (28) verbunden ist, über den die Impulslän ge des Ausgangsimpulses der Kippstufe zu verän dem ist(Fig.5).

6. Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Additionsstufe (41) dei Spannungswert über eine dritte Additionsstufe (40] zugeführt ist, an der außer dem Spannungswert dei Ausgang einer Differenzierstufe (43) liegt, deren Eingang der Laststromwert zugeführt ist (F i g. 5).

7. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Analogwertspeicher (23) über einen FET-Schalter (22) einschaltbar ist