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Schaltungsanordnung und Betriebsverfahren für einen Wechselrichter
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung und ein Betriebsverfahren
für einen Wechselrichter mit zünd- und löschbaren Ventilzweigen.
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Bei einem derartigen Wechselrichter nimmt der Startvorgang eine gewisse
Zeit in Anspruch, da die Kommutierungseinrichtungen zunächst entladen sind und somit
noch nicht in der Lage sind, die Ventilströme zu löschen. Die Wechselrichter-Ausgangsspannung
wird daher üblicherweise von einem kleinen Anfangswert ausgehend durch eine entsprechende
Veränderung des Zündwinkels der Zündimpulse allmählich bis zum Nennwert der Wechselrichter-Ausgangsspannung
hochgefahren, wobei sich dieser Vorgang über mehrere Perioden der Wechselspannung
und damit über mehrere Kommutierungsvorgänge erstreckt. Dieser langsame Anfahrvorgang
ist bei Wechselrichtern nachteilig, bei denen eine schnelle Lastübernahme gefordert
wird, insbesondere bei Wpohselrichtern, die in unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen
oder zur Deckung von Lastspitzen in Versorgungsnetzen eingesetzt sind.
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Bei statischen Wechselrichtern für Notstromanlagen sind drei Verfahren
zur Inbetriebnahme bekannt (Brown Boveri-Mitteilungen 1970, Nr. 5, Seite 227 bis
229): Bei einer echten unterbrechungsfreien Stromversorgung ist der Verbraucher
ständig an den Wechselrichter angeschlossen, der seinerseits über eine Batterie
und cin Batterieladegerät an ein Versorgungsnetz angeschlossen ist. Bei einem Netzausfall
geht die Speisung des Verbrauchers ohne Unterbrechung reiter; die energie wird dann
aus der Batterie entnommen. Das Batterieladegerät ist so dimensioniert, daß es gleichzeitig
den vollen Verbrauch
des Wechselrichters abgeben und nach einem
Netzausfall die Batterie wieder aufladen kann. Das Batterieladegerät ist daher relativ
groß. Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage ist durch die ständige zweimalige Energieumformung
schlecht.
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Lrlaubt der Verbraucher eine Unterbrechung seiner Stromvcrsorgung
in der Größenordnung der Schaltzeit von Schützen, so ist es günatiger, den Verbraucher
im Normalbetrieb aus dem Netz zu speisen und erst im Störungsfall auf den Wechselrichter
umzuschalten. Der Wechselrichter arbeitet in der Bereitschaftsstellung bereits im
Leerlaufbetrieb. Die gesteuerten Halbleiterventile in den Ventilzweigen des Leistungsteils
werden i Leerlaufbetrieb von den Zeitimpulsen des Steuersatzes angesteuert.
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Die Kommutierungseinrichtungen sind ebenfalls in Betrieb. Der Wechselrichter
liefert eine Leerlauf-Ausgangsspannung. Das Batterieladegerät muß außer der Ladeleistung
nach einem Netzausfall auch die Leerlaufverluste des Leistungsteils des Wechselrichters
decken, die in der Größenordnung von 5% seiner Nennleistung liegen.
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Bei Verbrauchern, die eine Umschaltpause von etwa 1 Sekunde erlauben,
ist es schließlich bekannt, den Verbraucher im Normalbetrieb aus dem Netz zu speisen.
Der Wechselrichter ist ausgeschaltet. Das Batterieladegerät hält die Batterie in
Schwebeladung. Bei einem Netzausfall wird der Wechselrichter eingeschaltet. Nach
Erreichen seiner Betriebswerte nach etwa 1 Sekunde wird ihm der Verbraucher zugeschaltet.
Das Batterieladegerät kann hier am kleinsten sein, da es nach einem Netzausfall
nur die Batterie wieder aufladen muß. Der Wirkungsgrad ist im Normalbetrieb sehr
günstig. Bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch die relativ lange Unterbrechung
von etwa 1 Sekunde beim Umschalten nachteilig, die sich aus dem eingangs beschriebenen
langsamen Hochfahren der i!e chselrichter-Ausgangsspannung zwangsläufig ergibt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
ftir einen Wechselrichter zu schaffen, der besonders schnell vom Stillstand auf
volle Leistungsabgabe
gesteuert werden kann. Die Erfindung bezweckt
außerdcm ein hierfür geeignetes Betricbsverfahren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in den Kommutierungseinrichtungen
für die Ventilzweige jeweils zwei Energiespeicher(Kommutierungskondensatoren bzw.
Kommutierungsinduktivitäten)vorgesehen sind, die in der Bereitschaftsstellung über
Ladeeinrichtungen mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen sind und die im Leistungsbetrieb
zusammengeschaltet sind.
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Diese Schaltungsanordnung ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme
des Wechselrichters mit einem Betriebsverfahreii mit folgenden Verfahrensschritten:
a) In der Bereitschaftsstellung ist die Weitergabe der Zündimpulse einer ständig
mitlaufenden und mit einem Netz synchronisierten Steuereinrichtung an die gesteuerten
Ventile im Leistungsteil des Wechselrichters gesperrt und die beiden Energiespeicher
in den jeweiligen Kommutierungseinrichtungen sind mit entgegengesetzter Polarität
aufgeladen, b) bei einem Startbefehl werden die Zündimpulse nach einem Impulsprogramm
derart freigegeben, daß unverzüglich diejenigen Hauptventile gezündet werden, die
der im Startaugenblick geforderten Polarität der Wechselrichter-Ausgangsspannung
zugeordnet sind, und daß bei der ersten Kommutierung eines Hauptventils derjenige
Energiespeicher auf die betreffende Kommutierungseinrichtung geschaltet wird, dessen
Vorladung die zur Löschung dieses Ventils richtige Polarität aufweist, c) von der
nächstfolgenden Kommutierung an werden die beiden Energiespeicher in den Kommutierungseinrichtungen
während der Kommutitrungsvorgänge jeweils zusammengeschaltet.
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Die Erfindung läßt sich besonders einfach realisieren, werni in den
Kommutierungseinrichtungen für die Ventilzweige jeweils zwei Kommutierungskonedensatoren
vor;csohcn sind, die in der
Bereitschaftsstellung über Ladeeinrichtungen
mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen sind und die im Leistungsbetrieb parallel
geschaltet sind. Vorteilhaft wird bei der Vorladung die Ladespannung eines jeden
Kommutierunbskondensators höher gewählt als die im Leistungsbetrieb auftretende
Kommutierungs-Spannung. Bereits bei der ersten Kommutierung steht dann eine ausrcichende
Energie zur Löschung dcs vollen Ventilstromes zur Vrfügung.
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Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter arbeitet in der Bereitschaftsstellung
nicht im Leerlaufbetrieb, sondern ist stillges£'tzt. In der Bereitssschaftsstellung
l;S.uft jedoch die illit dem Itet synshronisicrte Stcuereinheit mit dem Steuersatz
und der Regeleinrichtung. Es kann eine Spannungsregelung oder eine Lastregelung
vorgesehen sein. Die Weitergabe der Zündimpulse der Steuereinheit ist jedoch gesperrt.
Durch den ständigen Betrieb der Steuereinheit entstehen nur geringe Betriebskosten.
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Verluste und Geräusche im Leistungsteil des Wechselrichters, insbesondere
durch Transformatoren und Drosseln, fallen in der Bereitschaftsstellung nicht an.
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Bei einem Startbefehl kann der Leistungsteil des Wechselrichters unverzüglich
durch Freigabe der Zündimpulse phasenrichtig in Betrieb genommen werden, da die
beiden Energiespeicher in den jeweiligen Kommutierungseinrichtungen bereits vorgeladen
sind, und zwar auf jede der beiden möglichen Polaritäten.
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Die Polaritäten der Wechselrichter-Ausgangsspannung sind den einzelnen
Ventilzweigen fest zugeordnet, Die geforderte Polarität der Wechselrichter-Ausgangsspannung
im Augenblick der Inbetriebnahme erfordert somit, daß die ihr zugeordneten Ventilzweige
gezündet werden. Beim erfindungsgemäßen lJechselrichter ist dies unverzüglich möglich,
da die diesen Ventilzweigen zugeordneten Kommutierungseinrichtungenn über einen
der beiden Energiespeicher mit der richtige Polarität vorgcladen sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihr in den Unteransprüchen
näher
gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden im
folgenden näher beschricben. Es zeigen: Fig. 1 eine Wechselrichterschaltung mit
paarweise angeordneter Kommutierungskondensatoren als bnergicspeicher in den Kommutierungseinrichtungen
und Ladeeinrichtungen, Fig. 2 ein Impulsprogramm für den Normalbetrieb des irechselrichters
nach Figur 1 mit den Zündimpulsen für die gesteuerten Ventile, den Spannungsverläufen
an beide Kommutierungskondensatoren und den zeitlichen Verlauten en der Wechselrichter-Phasenspannungen,
Fig. 3 ein Impulsprogramm für einen Start mit dem Kommutierungskondensator cl, Fig.
4 ein Impulsprogramm für einen Start mit dem Kommutierungskondensator C2, Fig. 5
ein Ausführungsbeispiel eincr Starteinheit, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer
Freigabeeinheit, Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Freigabe sperre mit einei
zugehörigen Impulsprogramm, Fig. 8 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung
in einer Einrichtung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung, Fig. 9-16 eine andere
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit Impulsprogrammen und
Schaltungsanordnungen für verschiedene Startabläufe.
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Figur 1 zeigt eine Wechselrichterschaltung, deren Prinzip beispielsweise
bekannt ist aus Heumann/Stumpe "Thyristoren", 3.
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Auflage 1974, Seiten 185 bis 187. Bei der dort beschriebenen Schaltungsanordnung
können die Brückenzweige des Wechselrichters von einem einzigen Löschkondensator
gelöcijt werden. Dieses Löschverfahren mit einem gemeinsamen Löschkondensator wird
als Summenlöschung bezeichnet.
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Die Hauptventile des Wechselrichters sind mit n1 bis n6 und die ihnen
antiparallel geschalteten Rück-Stromdioden mit dl bis d6 bezeichnet. Die Kommutierungseinrichtungen
enthalten die Löschventile n21 - n26 und die Kommutierungskondensatoren Cl und C2.
Die Phasenspannungen UK, Us, UT des llcchselrichters werden an Drosseln Lr, Ls,
Lt abgegriffen.
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Im Gegensatz zu bekannten Wechselrichterschaltungen mit Summenlöschung,
die e nur einen einzigen Kommutierungskondensator aufweisen, sind erfindungsgemäß
zwei KommutierungskondeIlsatoren Cl, C2 mit zugehörigen Ladeeinrichtungen vorgesehen.
Die Ladeeinrichtung für den Kommutierungskondensator C1 enthält einen an eine Wechselspannungsquelle
angeschlossenen übertrager 01, eine Diode d11 als Gleichrichter, einen Widerstand
rl und einen Schalter 51. Diese Ladeeinrichtung lädt in der Bereitschaftssteilung
den Kommutierungskondensator C1 auf eine Spannung mit der angegebenen Polarität
auf, deren Spannungswert höher ist als die im Leistungsbetricb auftretende Kommutierungsspannung.
Die Ladeeinrichtung für den Kommutierungskondensator C2 ist analog aufgebaut und
enthält einen tbcrtrager Ü2, eine Diode d12,einen Widerstand r2 und einen Schalter
S2.
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Wenn die Widerstände rl bzw. r2 entsprechend groß gewählt werden,
kann auf die Schalter Sl bzw. S2 verzichtet werden. Die beiden Kommutierungskondensatoren
liegen dann auch im Leistungsbetrieb an den Ladeeinrichtungen. Im folgenden wird
jedoch zur besseren Brläuterung der erfindungsgemäßen Grundlagen ein Betrieb der
Ladeeinrichtungen über Schalter beschrieben, die bei einem Startbefehl geöffnet
werden.
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Die Kommutierungskondensatoren Cl und C2 weisen jeweils nur die Hälfte
der Kapazität auf, die bei einer Summenlöschung mit einem einzigen Kommutierungskondensator
erforderlich wäre.
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Der zusätzliche Schaltungsaufwand, der dadurch entsteht, daß anstelle
eines einzigen Kommutierungskondensators deren zwei vorgesehen werden müssen, ist
daher vertretbar. Die Kapazität der Kommutierungskondensatoren bestimmt sich aus
der Nennleistung des .techselrichtcrs und aus den Stromstärken der Ventilströme.
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In der Schaltungsanordnung der Fig. 1 sinkt weiterhin gesteuerte Hilfsventile
nil - n14 vorgesehen. Durch geeignete Steuerung dieser Hilfsventile kann bei der
ersten Kommutierung einer der beiden Kommutierungskondensatoren C1 bzw. C2 auf das
zu löschende Hauptventil geschaltet werden. Bei den folgenden Kommutierungen können
die beiden Kommutierungskondensatoren durch entsprechende Ansteuerung der Hilfsventile
parallel betricben werden.
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Die Erfindung ist bei einem Wechselrichter mit Summenlöschung in besonders
einfacher Weise schaltungstechnisch zu realisieren.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Wechselrichter mit Summcnlöschung
beschränkt, sondern kann beispielsweise auch bei Wechselrichtern mit Phasenfolgelöschung
oder Einzellöschung angewendet werden.
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In Fig. 2 ist ein Impulsprogramm für den Normalbetrieb dargestellt,
das die Zündimpulse für die gesteuerten Hauptventile n1 - n6 und für die gesteuerten
Löschventile n21 - n26 sowie die Zündimpulse für die gesteuerten Hilfs-Ventile n11
- n14 enthält. Man erkennt, daß die Löschventile jeweils im Anschluß an die Stromführungsdauer
der zugehörigen Hauptventile gezündet werden. Die Hilfs-Ventile n11 und n13 sowie
die Hilis-Ventile n12 und n14 werden jeweils beide gemeinsam gezündet, und zwar
gleichzeitig mit einem der Löschventilc n21 - n26. Die IIilfsventile nil und n13
werden gleichzeitig mit den Löschventilen n21, n23, n25 für die Hauptventile nl,
n3, n5 gezündet, während die Hilfs-Ventile n11 und n14 jeweils glcichzcitig mit
den Löschventilen n22, n24, n26 für die Hauptventile n2, n4, n6 gezündet werden.
Auf diese Weise sind die beiden Kommutierungskondensatoren Cl und C2 während der
Kommutierungsvorgänge parallelgeschaltet.
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Die Spannungsverläufe UC1A und Uc2B an den Punkten Ä und I3 weisen
somit den darg,estelltell identischen Verlauf auf.
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Die Phasenspannungen UlR, U; und UT des Wechselrichters zeigen den
bekannten Verlauf.
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Fig. 3 zeigt ein gleichartig aufgebautes Impulsprogramm für einen
phasenrichtigen Schnellstart des Wechselrichters in den init einem durchgehenden
senkrechten Strich gekennzeichneten Zeitpunkt. £5 sei vorausgesetzt, daß die Steuereinrichtung
des Wechseirichters mit einem Drehstromnetz synchronisicrt ist, auf das der Wechselrichter
bei einem Netzausfall unverzögert aufgeschaltet werden soll. Es sei hierzu beispielsweise
erforderlich, daß die Phasenspannungen UR und US im Startaugenblick positive Polarität
und die Phasenspannung UT im Startaugenblick eine negative Polarität aufweist.
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Vor dem Start sind die beiden Kommutierungskondensatoren Cl und C2
mit unterschicdlicher Polarität aufgeladen, wie der Verlauf der Spannungen UC1A
und Uc2B an den Punkten A und B erkennen läßt. Die Vorladespannung ist höher als
die im Betrieb auftretende Spannung.
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Im Startaugenblick werden die Zündimpulse der mit dem Drehstromnetz
synchronisierten Steuereinrichtung an sämtliche Ventile freigegeben mit Ausnahme
des Ventils n13. fis werden somit die Hauptventile nl, n3 und n6 gezündet. Der erste
Kommutierungsvorgang erfolgt am Hauptventil nl durch Zündung des zugeordneten Löschventils
n21. Gleichzeitig wird auch das Hilfs-Ventil nil gezündet. Damit ist bei der ersten
Kommutierung der Kommutierungskondensator Cl wirksam. Bei allen folgenden Kommutierungsvorgängen
werden dann di( Hilfs-Ventile nil und n13 bzw. n12 und n14 gemeinsam gezündet. Folglich
arbeiten die Kommutierungskondensatoren C1 und C2 während der Kommutierungsvorgänge
parallel.
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In Fig. 4 ist in ähnlicher Weise ein Startvorgang dargestellt, bei
dem die Phasenspannungell UR und UT im Startaugenblick eine negative Polarität aufweisen
sollen, während die Phasenspannung US positiv sein soll. Die erste Kommutierung
ftir das Hauptventil n6 erfolgt durch Zünden des zugehörigen Löschventils n2G
und
durch gleichzeitige Zündung des Hilfs-Ventils n14. Die erste Isomrnuticrung des
Hauptventils n6 erfolgt somit unter Zuhilfenahme der Ladung des Kondensators C2.
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In iPig. 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die den Startablauf
nach den in den Figuren 3 und 4 angegebenen Impulsprogrammen steuert.
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Die Steuereinheit ist in herkömmlicher Weise aufgebaut und enthält
einen Steuersatz 1 und eine vorgeschaltete Regel ein richtung 2 zur Spannungsregelung
oder zur Lastregelung. Pie Ausgangsspannung der Regeleinrichtung 2 bestimmt den
Zündwinkel der Zündimpulse des Steuersatzes. Der Steuersatz 1 ist in nicht dargestellter,
bekannter Weise mit einem liechsel- oder Drehspannungsnetz synchronisiert. Vorzugsweise
sind Maßnahmen getroffen, die sicherstellen, daß die Zündimpulse des Steuersatzes
im Startaugenblick bereits den richtigen Zünawinkel aufweisen-, der für eine sofortige
volle Lastübernahme durch den Wechselrichter erforderlich ist, beispielsweise durch
eine Führung der Ausgangsspannung der Regeleinrichtung 2 im Bereitschaftsbetrieb.
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Die Zündimpulse des Steuersatzes 1 für dic gesteuerten Hauptventile
und die gesteuerten Löschventile in den Ventilzweigen des .;rechselrichters werden
über eine Durchschalteinheit 3 geführt, deren Ausgänge mit denjenigen gesteuerten
Ventilen in Wirkverbindung stehen, deren Bezugszeichen aus t?ig. 1 übernommen und
in Klammern angegeben sind. Die Zündimpulse an die gesteuerten Hilfs-Ventile nil
- n14 sind über eine Freigabeeinheit 4 geführt. Die Durchschalteinheit 3 und die
Freigabeeinheit 4 sind vorzugsweise vor den Leistungsstufen 1b zur Bildung der Zündimpulse
angeordnet, damit die Signalverarbeitung auf niedrigem Leistungsniveau vorgenommen
werden kann.
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In der Bereitschaftsstellung des Wechselrichters sind der Steuersatz
1 und die Regeleinrichtung 2 in Betrieb. Die Weitergabe der Zündimpulse an die gesteuerten
Hauptventile n1 -
6 und an die gesteuerten Löschventile n21 - n26
wird jedoch von der Durchschalteinheit 3 gesperrt, während die Weitergabe der Zündimpulse
an die gesteuerten Hilfs-Ventile n11 bis n14 von der Freigabeeinheit 4 gesperrt
wird. Die Durchschalteinheit 3 kann durch ein Signal an ihrer Eingangsklemme 3a
freigegeben werden.
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Um zu verhindern, daß die Startfreigabe in einen Kommutierungsvorgang
fällt, ist eine Sperrstufe 7 vorgesehen. Die Spcrrstufe 7 kann entweder von den
Zündimpulsen für die gesteuerten Löschventile beaufschlagt sein, oder aber von den
Zündimpulsen für die gesteuerten Hilfs-Ventile nil - nl4, da deren Zündimpulse gleichzeitig
mit den Zündimpulsen für die gesteuerten Löschventile gebildet werden.
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Ein Startbefehl "START" an Klemme 8 wird über ein Sperrgatter 5 auf
den Eingang eines Befehls-Speichers 6 durchgeschaltet, wenn die Sperrstufe 7 kein
entsprechendes Sporrsignal erzeugt. Wenn die Sperrstufe 7 ein Sperrsign&l erzeugt,
kann der Befehls-Speicher 6 erst mit dem Verschwinden dicscs Spcrrsignals gesetzt
werden. Das Ausgangssignal dcs Befehlsspeichers G gelangt auf den eingang 4a der
Freigabeeinheit 4 und auf den Lingang 3a der Durchschalteeinheit 3 und gibt die
Durchschalteinheit 3 und die Freigabeeinheit 4 frei. Der Speicher 6 kann durch ein
Rücksetzsignal an seiner weiteren Eingangsklemme 9 wieder rückgesetzt werden, beispielsweise
wenn der Wechselrichter stillgesetzt werden soll.
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Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit einer schaltungstechnischen Realisierung
einer Freigabeeinheit 4 zur Steuerung der Zündimpulsfreigabe an die gesteuerten
Hills-Ventile nil - n14.
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Da die gesteuerten Hilfs-Ventile nil und n13 sowie n12 und n14 im
Leistungsbetrieb jeweils gleichzeitig gezündet werden, bildet der Steuersatz jeweils
nur ein Zündsignal für dit llilfs-Ventile n11, n13 und für die Hilfs-Ventile n12,
n1Zr. Diese Zündsignale sind der Freigabeeinheit 4 eingangsseitig zugeführt.
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Die Zündsignale für die Hilfs-Ventile nil, n13 bzw. n12, n14 bestimmen
die Polarität der Spannung an den beiden Kondensatoren C1 und C2 im Leistungsbetrieb.
Diese Zündimpulse werden dem Setzeingang bzw. dem Rücksetzeingang eines Flip-Flops
10 eingangsseitig zugeführt. Die Ausgangssignale des Flip-Flops 10 weisen somit
einen Verlauf auf, welcher dem Verlauf der Polarität der Kondensatorspannung entspricht.
Führt beispielsweise der obere Ausgang des Flip-Flops 10 ein 1-Signal, so ist im
Leistungsbetrieb des Wechselrichters die Kondensatorspannung an den Punkten A und
B (Fig. 1) positiv. Führt dagegen der untere Ausgang des Flip-Flops 10 ein 1-Signal,
so ist die Kondensatorspannung an den Punkten A und B negativ. Wenn das Signal am
oberen Ausgang des Flip-Flops 10 von O-Signal auf 1-Signal wechselt, so wechselt
die Kondensatorspannung von negativ auf positiv. In diesem Fall darf bei der in
Fig. 1 eingetragenen Vorladung der Kondensatoren C1 und C2 nur das Hilfs-Ventil
nil gezündet werden. Dies wird durch die dem Flip-Flop 10 nachgeschaltete logische
Schaltung erreicht. Diese enthält ein weiteres Flip-Flop 11, das vor dem Start durch
ein Rücksetzsignal an seinem Rücksetz-Eingang 12 rückgesetzt wurde. Der eingezeichnete
Ausgang des Flip-Flops 11 führt daher in der Bereitschaftsstellung ein Signal.
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Wenn vom Steuersatz aus ein 1-Signal als Zündimpuls für die Hilfs-Ventile
nil, n13 ausgegeben wird, so wird das Flip-Flop 10 gesetzt. Sein oberer Ausgang
führt ein 1-Signal, das über ein ODER-Glied 13 an einen der Eingänge eines UND-Gliedes
14 gelangt, dessen Ausgang mit der Steuerstrecke des Ventils nil in Wirkverbindung
steht. Wenn ein 1-Signal als Freigabesignal an der Eingangsklemme 4a bereits ansteht,
gelangt ein Zündimpuls an das Hilfs-Ventil nil. Das Hilfs-Ventil n13 erhält jedoch
keinen Zündimpuls, da das Flip-Flop 11 nicht gesetzt ist und damit auch der mittlere
Ausgang des UND-Gliedes 15 nicht mit. einem 1-Signal angesteuert ist. Der Zündimpuls
an das Hilfs-Ventil nil wird auf den Impulseingang einer monostabilen Kippstufe
16 gegeben. Mit der fallenden
Flanke am nde des Zündimpulses wird
von der monostabilen Kippstufe 16 ein Impuls abgegeben, der über ein ODER-Glied
17 das Flip-Flop II setzt. Wenn das Flip-Flop 11 gesetzt ist, liegen die mittleren
und unteren Eingänge der UND-Glieder 14 und 15 sowie 18 und 19 ständig auf 1-Signal.
An den Ausgängen der UND-Glieder 14, 15 und 18, 19 erscheinen die vom Steuersatz
ausgegebenen Zündimpulse für die Hilis-Ventile n11, n13 und n12, n14.
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Wenn sich in einem anderen Startaugenblick das Flip-Flop 10 beispielsweise
gerade im rückgesetzten Zustand befindet, so wird zunächst das Hilfs-Ventil n14
in analoger Weise gezündet.
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Am lande des Zündimpulses für das Hilfs-Ventil n14 wird über eine
weitere monostabile Kippstufe 20 und das ODICR-Glied 17 das Flip-Flop 11 gesetzt.
Anschließend daran werden die Zündimpulse für die Hilfs-Ventile n11, n13 und n12,
n14 solange ungehindert durchgeschaltet, bis an Klemme 12 ein Rücksetzsignal für
das Flip-Flop 11 erscheint.
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Fig. 7a zeigt eine Möglichkeit einer schaltungstechnischen Realisierung
einer Sperrstufe 7. Die Zündimpulse für die gesteuerten Hilfs-Ventile n11, n13 und
für die gesteuerten Hilfs-Ventile n12, n14 beaufschlagen den Setzeingang und den
Rücksetzeingang eines Flip-Flops 21. Der zeitliche Verlauf der Ausgangssignale d
und e des Flip-Flops 21 sind in Fig. 7b dargestellt. Von den Ausgangssignalen d
und e wird jeweils eine monostabile Kippstufe 22 bzw. 23 angestoßen, die Impulse
a und b mit einer Impulslänge tv abgeben. Die Impulslänge tv ist so bemessen, daß
sie kürzer ist als die Halbperiode to der Signale d und e. Die Signale a und b werden
einem ODER-Glied 24 eingangsseitig zugeführt. Durch das ODER-Glied 24 entsteht aus
den Signalen a und b ein Signal c, das jeweils kurz vor Beginn eines jeden Kommutierungsvorganges
den Signalzustand 1 aufweist, und damit in diesen Zeiträumen die Startfreigabe sperrt.
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Fig. 8 zeigt als bevorzugtes jN:nwendungsbeispiel der Erfindung
den
prinzipiellen Aufbau einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage. Sin Verbraucher
32 ist über ein Filter 31 und eine Umschalteinrichtung 30 an ein öffentliches Versorgungsnetz
27 bzw. an den Ausgang eines Wechselrichters 25 angeschlossen, der aus einer Batterie
26 als Gleichspannungsquelle gespeist ist. Das Filter 31 dämpft Verzerrungen der
NctzspannunL, und siebt beim Leistungsbetrieb des Wechsclrichters dessen Ausgangsspannung.
Beim Umschalten vom Netzbetrieb auf den Leistungsbetrieb des Wechselrichters können
die energiespeichernden Filterelemente kurzzeitig die Versorgung des Verbrauchers
zumindest teilweise übernehmen. Bei einem gegen Verzerrungen und kurzzeitige Unterbrechungen
seiner Versorgungsspannung unempfindlichen Verbraucher, kann dasFilter 31 entfallen.
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Der Steuersatz 1 des Wechselrichters ist über einen Synchronisierabgriff
28 mit der Netzspannung des Versorgungsnetzes 27 synchronisiert. Die Zündimpulse
des Steuersatzes 1 werden über die Durchschalteinheit 3 und die Freigabeeinheit
4 geführt. Die Regeleinrichtung 2 ist als Spannungsregelung ausgebildet und ist
in bekannter Weise von einem Spannungssollwert und einem Spannungsistwert eingangsseitig
beaufschlagt.
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Der Regeleinrichtung 2 ist vorzugsweise eine Nachftihreinrichtung
zugeordnet, die gewährleistet, daß die Ausgangsspariiiung der Regeleinrichtung bereits
im Startaugenblick den richtigen Wert aufweist. Die letztgenannten Maßnahmen sind
in der Zeichnung nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren.
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Zur Steuerung des Startvorganges ist eine Kommandostufe 33 vorgesehen,
die eingangsseitig mit einem Spannungsmeßfühler 29 für die Netzspannung des Versorgungsnetzes
4 verbunden ist.
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Bei einem lLinbruch der Netzspannung erzeugt die Kommando stufe 33
das Signal 1?STÄRTV?. Die Kommandostufe 33 kann auch von anderen Meßwerten angesteuert
werden. Das Signal "START" an Klemme 8 setzt in der beschriebenen Weise den Speicher
6 und gibt damit die Zündimpulse des Steuersatzes 1 an drei Leistungsrutil des Wechsclrichters
25 frei. Der Wechselrichter wird phasenrichtig gestartet. Bei einer iiiederkehr
der Netzspannung
bildet die Kommandostufe 33 ein Rücksetzsignal
an Klemme 9 für den Speicher 6. Die Kommandostufe 33 steuert außerdem die Umschalteinrichtung
30.
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Fig. 9 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen
einphasigen Wechselrichter, bei dem für ,jede Polarität der Ausgangsspannung Brückenzweige
mit parallelgeschalteten Ventilen vorgesehen sind, um die Nennleistung zu erhöhen.
Der obere Brückenzweig besteht aus der Reihenschaltung eines Hauptventils n31 mit
einer Reihendiode n33 und der parallelgeschalteten Reihenschaltung eines Hauptventils
n41 und einer Reihendiode n43. Der untere Brückenzweig besteht aus der Reihenschaltung
eines Hauptventils n32 mit einer Reihendiode n34 und der parallelgeschalteten Reihenschaltung
eines Hauptventils n42 mit einer Reihendiode n44. Die Hauptventile n31 und n41 sowie
die Hauptventile n32 und n42 werden jeweils gleichzeitig und gemeinsam gezündet.
Die Hauptventile übernehmen auch die Aufgabe der Hilfsventile zur Zuschaltung der
beiden Kommutierungskondensatoren CII und C12. Hierdurch entsteht kein Mehraufwand
an Ventilen.
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Der dargestellte Wechselrichter enthält weiterhin in bekannter Weise
die Riickstromdioden n35 und n36, sowie eine Kommutierungsinduktivität L1. Den Kommutierungskondensatoren
C11 und C12 sind Ladeeinrichtungen 34 und 35 zugeordnet, die bei einem Startbefehl
von einer Schalteinrichtung 36 abgeschaltet werden können.
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Fig. 10 zeigt für den Normalbetrieb des Wechselrichters nach Fig.
9 den Verlauf seiner Ausgangs spannung Uw, sowie ein Impulsprogramm für die Zündimpulse
der gesteuerten Hauptventile n31, n41 und n32, n42, sowie weiterhin den Verlauf/U011
und Uc12 an den Kommutierungskondensatoren C11 und C12.
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*der Spannungen
Fig. 11 zeigt den Ablauf eines Startvorganges,
wenn der Wechselrichter nach Fig. 9 in einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage
gemäß Fig. 8 als Ersatzstromaggregat eingesetzt ist. Die Kommutierungskondensatoren
C11 und C12 sind in der Bereitschaftsstellung mit entgegengesetzter Polarität auf
eine normale Kommutierungsspannung aufgeladen. Da bei der ersten Kommutierung nach
dem Start nur einer der beiden Kommutierungskondensatoren wirksam ist, ist die Kommutierungsfähigkeit
des Wechselrichters bei der ersten Kommutierung vermindert. Für geeignete Anwendungsfälle
kann dies zulässig sein.
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Die Netzspannung UN bricht in der negativen Halbwelle zusammen.
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Aus dem Zusammenbruch der Netzspannung wird ein Startbefehl für den
Wechselrichter abgeleitet. Zum phasenrichtigen Start des Wechselrichters muß dessen
Ausgangsspannung zunächst negative Polarität aufweisen. Da der Steuersatz des Wechselrichters
mit dem Netz synchronisiert ist, erzeugt der Steuersatz bereits in der Bereitschaftsstellung
die richtigen Zündimpulse, die bis zum Startbefehl gesperrt sind. Mit dem Startbefehl
werden die Zündimpulse freigegeben mit Ausnahme des im Startaugenblick anstehenden
Zündimpulses für das Hauptventil n31. Die Ausgangsspannung Uw des Wechselrichters
hat die geforderte negative Polarität. Die erste Kommutierung erfolgt mit der Ladung
des Kommutierungskondensators C12. Danach arbeiten die beiden Kommutierungskondensatoren
CII und C12 parallel.
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Fig. 12 zeigt in gleicher Weise den Ablauf eines Startvorganges bei
einem Zusammenbruch der Netzspannung UN in der positiven Halbwelle. Beim Startbefehl
werden die Zündimpulse freigegeben, mit Ausnahme des gerade anstehenden Zündimpulses
für das Hauptventil n42. Die erste Kommutierung erfolgt mit der Ladung des Kondensators
CII. Danach arbeiten die beiden Kommutierungskondensatoren CII und C12 parallel.
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Fig. 13 zeigt eine Schaltungsanordnung, die den Startablauf gemäß
den Figuren 11 und 12 steuert.
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In der Darstellung der Fig. 13 ist der Steuersatz in einen Signalteil
la und Leistungsendstufen Ib aufgeteilt. Der Signalteil la ist in bekannter Weise
mit einem Wechselspannungsnetz synchronisiert. Eine vorgeschaltete Regeleinrichtung,
die als Spannungsregelung oder Lastregelung ausgebildet sein kann, erzeugt die Steuerspannung
für den Steuersatz. Da die parallelgeschalteten Hauptventile n31, n1 bzw. n32, n42
jeweils gleichzeitig und gemeinsam gezündet werden, erzeugt der Signalteil la des
Steuersatzes gemeinsame Zündsignale für n31, n41 bzw. für n32, n42. Diese Zündsignale
werden in den Leistungsendstufen 1b verstärkt und an diejenigen Hauptventile weitergegeben,
deren Bezugszeichen aus Fig. 9 in Klammern angegeben sind.
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Eine Sperrstufe 39 verhindert unzulässig rasch aufeinanderfolgende
Kommutierungen unmittelbar nach dem Startaugenblick.
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Die Sperrstufe 39 enthält einen Speicher 40, dessen Eingänge über
Sperrgatter 41 und 42 geführt sind. Die Sperrgatter 41, 42 können vom Ausgangs signal
eines Verknüpfungsgliedes 43 durchlässig bzw. gesperrt gesteuert werden, dem eine
Verzögerungsschaltung mit drei monostabilen Kippstufen 44, 45, 46 vorgeschaltet
ist. Die erste monostabile Kippstufe 44 weist eine Impulsdauer auf, die größer als
eine Kommutierungsdauer ist und etwa den 1 5-fachen Wert einer Kommutierungsdauer
beträgt. Die zweite monostabile Kippstufe 45 hat eine Impulsdauer, die wesentlich
kleiner als eine Kommutierungsdauer ist, beispielsweise 1/100 einer Kommutierungsdauer.
Die dritte monostabile Kippstufe 46 hat eine Impulsdauer, die größer als eine Kommutierungsdauer
ist und beispielsweise wiederum den 1,5-fachen Wert einer Kommutierungsdauer beträgt.
Die positive Flanke eines Startsignals an Klemme 8 löst einen Impuls der monostabilen
Kippstufe 44 aus, der die Übernahme neuer Zündimpulse in den Speicher 40 für die
Impulsdauer der monostabilen Kippstufe 44 sperrt.
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Die fallende Flanke des Impulses der monostabilen Kippstufe 44 stößt
die mono stabile Kippstufe 45 an. Für die Impulsdauer des Impulses der monostabilen
Kippstufe 45 wird die Übernahme neuer Zündimpulse in den Speicher 40 freigegeben.
Die fallende Flanke des Ausgangsimpulses der monostabilen Kippstufe 45 steht die
monostabile Kippstufe 46 an, deren Ausgangssignal wiederum die Ubernahme neuer Zündimpulse
in den Speicher 40 sperrt. Nach Ablauf der Impulsdauer der monostabilen Kippstufe
46 wird die Übernahme neuer Zündimpulse in den Speicher 40 endgültig freigegeben.
Eine derartige Sperrstufe 39 ist insbesondere bei Wechselrichtern vorteilhaft, die
mit Hilfe eines Pulssteuerverfahrens gesteuert werden. Die dargestellte Sperrstufe
39 kann gegebenenfalls auch so vereinfacht werden, daß die monostabilen Kippstufen
45 und 46, sowie das Verknüpfungsglied 43 entfallen.
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Es erfolgt dann lediglich eine Übernahme sperre während der Impulsdauer
der monostabilen Kippstufe 44.
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In der Schaltungsanordnung nach Fig. 13 sind zwei Befehlsspeicher
47 und 48 vorgesehen. Der Setzeingang des Befehlsspeichers 47 ist über ein Sperrgatter
51 mit dem am oberen Ausgang des Speichers 40 abgegriffenen Zündsignalen für die
Ventile n31, n41 beaufschlagt. Der Setzeingang des Befehlsspeichers 48 ist über
ein Sperrgatter 50 mit dem Startbefehl an Klemme 8 und den Zündsignalen für die
Ventile n32, n42 beaufschlagt. Die Befehlsspeicher 47 und 48 können durch ein Rücksetzsignal
an der weiteren Eingangsklemme 9 wieder rückgesetzt werden, beispielsweise wenn
der Wechselrichter stillgesetzt werden soll.
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Bei einem Startbefehl an Klemme 8 werden die Sperrgatter 52 -55 vor
den Endstufen Ib des Steuersatzes vom Ausgangssignal eines Verzögerungsgliedes 49
mit einer sehr kleinen Verzögerungszeit freigegeben. Das Verzögerungsglied 49 sorgt
dafür, daß die Freigabe erst dann erfolgt, wenn die Befehlsspeicher 47 und 48 gesetzt
sind. Falls die Endstufen Ib des Steuersatzes eine ausreichende Ansprechverzögerung
aufweisen, kann das Verzögerungsglied 49 entfallen.
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In der Bereitschaftsstellung sind die Sperrgatter 41 und 42 der Sperrstufe
39 durchlässig gesteuert. Der Speicher 40 wird im Takt der Zündsignale für die Ventile
n31, n41 bzw. n32, n42 gesetzt und rückgesetzt. Die Zündsignale am Ausgang des Speichers
40 werden von den Sperrgattern 52 - 55 gesperrt.
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Bei einem Startablauf gemäß Fig. 11 steht im Startaugenblick ein Zündsignal
für die Ventile n31, n41 an. Der Speicher 40 ist gesetzt. Der obere Ausgang des
Speichers 40 führt ein Zündsignal, das auf die oberen Eingänge der Sperrgatter 52
und 54 gelangt.
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Das Sperrgatter 51 wird vom Startbefehl durchlässig gesteuert und
der Befehlsspeicher 47 wird gesetzt. Das Ausgangssingal des Befehlsspeichers 47
steuert das Sperrgatter 54 durchlässig.
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Über die dem Sperrgatter 54 nachgeschaltete Endstufe gelangt ein Zündimpuls
an das Ventil n41. Das Ventil n31 erhält zunächst keinen Zündimpuls, da der Befehlsspeicher
48 nicht gesetzt ist. Nach der ersten Kommutierung erscheint ein Zündsignal für
die Ventile n32, n42. Falls die Sperrstufe 39 die Übernahme der neuen Zündimpulse
in den Speicher 40 nicht sperrt, wird der Speicher 40 rückgesetzt. Das Sperrgatter
50 wird vom Startbefehl durchlässig gesteuert. Der Befehlsspeicher 48 wird gesetzt.
Das Ausgangs signal des Befehlsspeichers 48 steuert die Sperrgatter 52 und 53 durchlässig.
Somit sind sämtliche Sperrgatter 52 - 55 durchlässig gesteuert. Die gesteuerten
Ventile werden in der üblichen Weise mit Zündimpulsen beaufschlagt.
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Falls die Sperrstufe 39 die Übernahme neuer Zündimpulse für eine gewisse
Zeit verzögert, läuft der beschriebene Startvorgang in der gleichen Weise ab. Die
Sperrstufe 39 sorgt lediglich dafür, daß zwischen dem Start und der ersten Kommutierung
und gegebenenfalls der zweiten Kommutierung die zulässigen Mindestzeiten nicht unterschritten
werden.
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Bei einem Startablauf gemäß Fig. 12 stehen im Startaugenblick am Ausgang
des Speichers 40 die Zündsignale für die Ventile n32, n42 an. Vom Startbefehl wird
das Sperrgatter 50 durchlässig
gesteuert und damit der Speicher
48 gesetzt. Das Ausgangssignal des Speichers 48 steuert die Sperrgatter 52 und 53
durchlässig.
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Über die dem Sperrgatter 53 nachgeschaltete Leistungsstufe des Steuersatzes
gelangt ein Zündimpuls an das Ventil n32.
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Das Ventil n42 erhält zunächst noch keinen Zündimpuls, da das Sperrgatter
55 noch gesperrt ist. Nach der ersten Kommutierung wird das Sperrgatter 51 durchlässig
gesteuert, der Befehlsspeicher 47 gesetzt und mit seinem Ausgangs signal die Sperrgatter
54 und 55 durchlässig gesteuert.
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Fig. 14 zeigt einen Startablauf wie in Fig. 11 dargestellt. Die beiden
Kommutierungskondensatoren C11 und C12 sind jedoch in der Bereitschaftsstellung
auf eine höhere Spannung als die im Leistungsbetrieb auftretende Kommutierungsspannung
aufgeladen.
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Dadurch hat der Wechselrichter bereits bei der ersten Kommutierung
seine volle Kommutierungsfähigkeit.
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Fig. 15 zeigt einen Startablaufwle in Fig. 14 dargestellt. Es sind
Jedoch ebenfalls die Kommutierungskondensatoren C11 und C12 in der Bereitschaftsstellung
auf eine Spannung aufgeladen, die höher ist als die im Betrieb auftretende Kommutierungsspannung.
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Fig. 16 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Steuerung des Startablaufs
nach den Fig. 14 und 15. Der prinzipielle Aufbau dieser Schaltnngsanordnung entspricht
cEr Schaltungsanordnung nach Fig. 13. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fig. 13 bestehen Unterschiede hinsichtlich
der Eingangsbeschaltung der Befehlsspeicher.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 16 sind Befehlsspeicher 56 und
57 vorgesehen. Der Setzeingang des Befehlsspeichers 56 ist über ein ODER-Glied 59
mit dem Ausgang eines UND-Gliedes 60 und mit dem Ausgang eines UND-Gliedes 61 verbunden.
Der Befehlsspeicher
56 wird gesetzt, wenn entweder mit der t e
dii Startbefehls die Zündsignale für die Ventile n31, n41 anstehen oder wenn der
Befehlsspeicher 57 gesetzt ist, der Startbefehl ansteht und die ansteigende Flanke
des Zündsignals für die Ventile n31, n41 erscheint. Dem Setzeingang des Speichers
57 ist in analoger Weise ein ODER-Glied 58 und zwei UND-Glieder 62 und 63 vorgeschåltet.
Der Befehlsspeicher 57 wird gesetzt, wenn die Zündsignale für die Ventile n32, n42
anstehen und der Startbefehl erscheint oder wenn der Speicher 56 gesetzt ist und
der Startbefehl ansteht und die ansteigende Flanke des Zündsignals für die Ventile
n32, n42 erscheint. Die Befehlsspeicher 56 und 57 können durch einen Haltbefehl
an der weiteren Eingangsklemme 9 wieder rückgesetzt werden, beispielsweise wenn
der Wechselrichter stillgesetzt werden soll. Mit der Schaltungsanordnung nach Fig.
16 laufen die in den Figuren 14 und 15 dargestellten Startvorgänge ab.