DE2534102B2

DE2534102B2 - Schahungsanordnung und Betriebsverfahren zur Zwangskommutierung eine Wechselrichters

Info

Publication number: DE2534102B2
Application number: DE19752534102
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.- Ing. 8521 Tennenlohe Meissen; Janos Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Udvardi-Lakos
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-07-30
Filing date: 1975-07-30
Publication date: 1978-04-06
Also published as: DE2534102A1; DE2534102C3

Description

Bei einem Wechselrichter mit Zwangskommutierung 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 Wechselrichterausgangsspannung 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 Wechselrichtern, die in unterbrechungsfreien Stromversoigungsanlagen oder zur Deckung von Lastspitzen in Versorgungsnetzen eingesetzt sind.

Bei statischen Wechselrichtern für Notstromanlagen sind drei Verfahren zur Inbetriebnahme bekannt (Brown Bowrie-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 ein Batterieladegerät an ein Versorgungsnetz angeschlossen ist. Bei einem Netzausfall geht die Speisung des Verbrauchers ohne Unterbrechung weiter; 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.

Erlaubt der Verbraucher eine Unterbrechung seiner Stromversorgung in der Größenordnung der Schaltzeit von Schützen, so ist es günstiger, den Verbraucher im Normalbetrieb aus dem Netz zu speisen und erst im Störungsfall auf den Wechselrichter umzuschalten. Der Wechselrichter arbeitet in der Bereitschaftsstellung bereits im Leerlaufbetrieb. Die gesteuerten Halbleiterventile in den Ventilzweigen des Leistungsteils werden im Leerlaufbetrieb von den Zündimpulsen des Steuersatzes angesteuert. 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.

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 zugeschal-

tct. Das Batterieladegerät kann hier am kleinsten sein, da es nach einem Netzaüsfall 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 Wechselrichier-Ausgangsspannung zwangsläufig ergibt.

Aus der DT-AS 1222 156 ist eine Schaltungsanordnung zur Zwangskommutierung eines Wechselrichters mit gesteuerten Hauptventilen und diesen zugeordneten. Energiespeicher (Kommutierungskondensatoren, Kom»nu£ierungsinduktivitäten) enthaltenden Kommutierungseinrichtungen bekannt, bei der mindestens ein Energiespeicher in Bereitschaftsstellung über eine Ladeeinrichtung so weit aufladbar ist, daß beim Einschalten des Wechselrichters eine ausreichende Löschenergie für das zuerst zu löschende Hauptventil zur Verfügung steht. Zur Inbetriebnahme der bekannten Schaltungsanordnung wird der Kommutierungskondensator als Energiespeicher in der Kommutierungseinrichtung auf die zur ersten Kommutierung notwendige Spannung aufgeladen. Die Inbetriebnahme dieses bekannten Wechselrichters ist jedoch nur mit derjenigen Phasenlage der Wechselrichter-Ausgangsspannung möglich, die durch die Polarität des vorgeladenen Kommutierungskondensators zwangsläufig vorgegeben ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Zwangskommutieruvig eines Wechselrichters der zuletzt genannten Art zu schaffen, durch die der Wechselrichter in beliebiger Phasenlage besonders schnell vom Stillstand auf volle Leistungsabgabe gesteuert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Kommutierungseinrichtung jeweils zwei über Ladeeinrichtungen mit entgegengesetzter Polarität aufladbare Energiespeicher zugeordnet sind, daß beim Einschalten des Wechselrichters in beliebiger Phasenlage für den ersten Kommutierungsvorgang derjenige Energiespeicher auf die betreffende Kommutierungseinrichtung schaltbar ist, dessen Vorladung die zur Löschung des entsprechenden Hauptventils richtige Polarität aufweist, und daß für die weiteren Kommutierungsvorgänge jeweils beide Energiespeicher zusammengeschaltet sind.

Ein zwangskommutierter Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann besonders schnell in beliebiger Phasenlage gestartet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Wechselrichter mit einer durch äußere Bedingungen festgelegten Phasenlage gestartet werden soll, die nicht fest vorgegeben werden kann.

Die erfindungsgeniäße Schaltungsanordnung läßt sich besonders einfach realisieren, wenn als aufladbare Energiespeicher in den Komniutierungseinrichtungen jeweils zwei Kommutierungskondensatoren vorgesehen sind, die in der Bereitschaftsstellung über Ladeeinrichtungen auf Spannungen entgegengesetzter Polarität aufgeladen sind, die über den im Leistungsbetrieb auftretenden Kommutierungsspannungen liegen, und die im Leistungsbetrieb parallel geschaltet sind. Bereits bei der ersten Kommutierung steht dann eine ausreichende Energie zur Löschung des vollen Ventilstromes zur Verfügung.

Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist ein Betriebsverfahren möglich, bei dem der Wechselrichter in der Bereitschattsstellung nicht im Leerlaufbetrieb arbeitet, sondern stillgesetzt ist. In der Bereitschaftsstellung läuft jedoch die mit dem Netz synchronisierte Steuereinheit 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. Verluste und Geräusche im Leistungsteil des Wechselrichters, insbesondere durch Transformatoren und Drosseln, fallen in der Bereitschaftsstellung nicht an.

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 Kommutierungeinrichtungen bereits vorgeladen sind, und zwar auf jede der beiden möglichen Polaritäten.

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 Wechselrichter ist dies unverzüglich möglich, da die diesen Ventilzweigen zugeordneten Kommutierungseinrichtungen über einen der beiden Energiespeicher mit der richtigen Polarität vorgeladen sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Wechselrichterschultung mit paarweise angeordneten Korn mutierungs kondensatoren als Energiespeicher in den Kommutierungseinrichtiingeii und Ladeeinrichtungen,

Fig. 2 ein Impulsprogramm für den Normalhetrieb des Wechselrichters nach Fig. 1 mit den Zündimpulsen für die gesteuerten Ventile, den Spannungsverläufen an beiden Kommutierungskondensatoren und den zeitlichen Verlaufen der Wechselrichter-Phasenspannungen,

Fig. 3 ein linpulsprogramm für einen Start mit dom Konimutierungskondensator Cl.

Fig. 4 ein Impulsprogramm für einen Start mit dem Kiimmutierungskondensator C2, Fig. 5 ein Ausführungsbetspiel einer Starteinheit.

Fig. 6 ein Alisführungsbeispiel einer Freigabeeinheit,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Freigabesperre mit einem zugehörigen Impulsprogramm.

Fig. 8 die Anordnung einer erfindungsgeniäßen Wechselrichterschaltung in einer Einrichtung /ur unterbrechungsfreien Stromversorgung,

Fig. ¹J-16 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit Impulsprogrammen und Schaltungsanordtuingen für verschiedene Startabläufe.

Fig. 1 zeigt eine Wechselrichterschaltung, deren Prinzip beispielsweise bekannt ist aus Heumann Stumpe »Thyristoren«, 3. Auflage 1474, Seiten 1S5 bis 187. Beider dort beschriebenen Schaltungsanordnung können die Brückenzweige des Wechselrichters von einem einzigen Löschkondensator gelöscht werden. Dieses Löschverfahren mit einem gemeinsamen Löschkondensator wird als Summenlöschung bezeichnet.

Hauptventile des Wechselrichters sind mit «1 bis »6 und ihnen antiparallel geschaltete Rückstromdiodcn mit f/1 bis i/6 bezeichnet. Die Kommutierungseinrichtungen enthalten Löschventile «21-«26 und Kommutierungskondensatoren Cl und Cl. Die Pha- "> senspannungen U_R, U_s, U₇ des Wechselrichters werden an Drosseln Lr, Ls, Lt abgegriffen.

Im Gegensatz zu bekannten Wechselrichterschaltungen mit Summenlöschung, die nur einen einzigen Kommutierungskondensator aufweisen, sind erfin- i" dungsgemäß zwei Kommutierungskondensatoren Cl, Cl mit zugehörigen Ladeeinrichtungen vorgesehen. Die Ladeeinrichtung für den Kommutierungskondensator Cl enthält einen an eine Wechselspannungsquclle angeschlossenen Übertrager Ul, eine Diode ί/11 als Gleichrichter, einen Widerstand /1 und einen Schalter 51. Diese Ladeeinrichtung lädt in der Bereitschaftsstellung den Kommutierungskondensator Cl auf eine Spannung mit der angegebenen Polarität auf, deren Spannungswert höher ist als die im Leistungs- :o betrieb auftretende Kommutierungsspannung. Die Ladeeinrichtung für den Kommutierungskondensator Cl ist analog aufgebaut und enthält einen Übertrager Ul, eine Diode i/12, einen Widerstand rl und einen Schalter 52. Wenn die Widerstände rl bzw. rl entsprechend groß gewählt werden, kann auf die Schalter 51 bzw. 52 verzichtet werden. Die beiden Kommutierungskondensatoren liegen dann auch im Leistungsbetrieb an den Ladeeinrichtungen. Im folgenden wird jedoch zur besseren Erläuterung der erfindungsgemä- «1 Ben Grundlagen ein Betrieb der Ladeeinrichtungen über Schalter beschrieben, die bei einem Startbefehl geöffnet werden.

Die Kommutierungskondensatoren Cl und C2 weisen jeweils nur die Hälfte der Kapazität auf, die r, bei einer Summenlöschung mit einem einzigen Kommutierungskondensator erforderlich wäre. Der zusätzliche Schaltungsaufwand, der dadurch entsteht, daß an Stelle eines einzigen Kommutierungskondensators deren zwei vorgesehen werden müssen, ist daher vertretbar. Die Kapazität der Kommutierungskondensatoren bestimmt sich aus der Nennleistung des Wechselrichters und aus den Stromstärken der Ventilströme.

Inder Schaltungsanordnung der Fig. 1 sind weiterhin gesteuerte Hilfsventil nll-nll vorgesehen. Durch geeignete Steuerung dieser Hilfsventil kann bei der ersten Kommutierung einer der beiden Kommutierungskondensatoren Cl bzw. C2 auf das zu löschende Hauptventil geschaltet werden. Bei den fol- -,0 gendcn Kommutierungen können die beiden Kommutierungskondensatoren durch entsprechende Ansteuerung der Hilfsventile parallel betrieben werden.

Die Erfindung ist bei einem Wechselrichter mit Summenlöschung in besonders einfacher Weise schaltungstechnisch zu realisieren. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Wechselrichter mit Summenlöschung beschränkt, sondern kann beispielsweise auch bei Wechselrichtern mit Phasenfolgelöschung oder Einzellöschung angewendet werden. _fa0

In Fig. 2 ist ein Impulsprogramm für den Normalbetricb dargestellt, das die Zündimpulse für die gesteuerten Hauptventile «l-«6 und für die gesteuerten Löschventile «21-«26 sowie die Zündimpulse für die gesteuerten Hilfs-Ventile «11-«14 enthält. Man er- _b5 kennt, daß die Löschventile jeweils im Anschluß an die Stromzuführungsdauer der zugehörigen Hauptvcntilc gezündert werden. Die Hilfs-Ventile nil und «13 sowie die Hilfsventile «12 und «14 werden jeweils beide gemeinsam gezündet, und zwar gleichzeitig mit einem der Löschventile «21—/i26. Die Hilfsventile »11 und «13 werden gleichzeitig mit den Löschventilen «21. «23, «25 für die Hauptventile «1, «3, /;5 gezündet, während die Hilfs-Ventile «12 und «14 jeweils gleichzeitig mit den Löschventilen «22, «24, «26 für die Hauptventile «2, «4, «6 gezündet werden. Auf diese Weise sind die beiden Kommuticrungskondensatoren Cl und C2 während der Kommutierungsvorgänge parallel geschaltet.

Die Spannungsverläufe U_CXA und U_C2ll an den Punkten A und B weisen somit den dagestellten identischen Verlauf auf.

Die Phasenspannungen U_R, U_s und U₁ des Wechselrichters zeigen den bekannten Verlauf.

Fig. 3 zeigt ein gleichartig aufgebautes Impulsprogramm für einen phasenrichtigen Schnellstart des Wechselrichters in dem mit einem durchgehenden senkrechten Strich gekennzeichneten Zeitpunkt. Es sei vorausgesetzt, daß die Steuereinrichtung des Wechselrichters mit einem Drehstromnetz synchronisiert ist, auf das der Wechselrichter bei einem Netzausfall unverzögert aufgeschaltet werden soll. Es sei hierzu beispielsweise erforderlich, daß die Phasenspannungen U_R und U_s im Startaugenblick positive Polarität und die Phasenspannung U_T im Startaugenblick eine negative Polarität aufweist.

Vordem Start sind die beiden Kommutierungskondensatoren Cl und C2 mit unterschiedlicher Polaritäl aufgeladen, wie der Verlauf der Spannungen U_ciA und U_C1H an den Punkten A und B erkennen läßt, Die Vorladespannung ist höher als die im Betrieb auftretende Spannung.

Im Startaugenblick werden die Zündimpulse det mit dem Drehstromnetz synchronisierten Steuereinrichtung an sämtliche Ventile freigegeben mit Ausnahme des Ventils «13. Es werden somit die Hauptventile «1, «3 und «4 gezündet. Der erste Kommutierungsvorgang erfolgt am Hauptventil «1 durch Zündung des zugeordneten Löschventils «21. Gleichzeitig wird auch das Hilfs-Ventil «11 gezündet. Damit ist bei der ersten Kommutierung der Kommutierungskondensator Cl wirksam. Bei allen folgenden Kommutierungsvorgängen werden dann die Hilfs-Ventile «11 und «13 bzw. «12 und «14 gemeinsam gezündet Folglich arbeiten die Kommutierungskondensatorer Cl und C2 während der Kommutierungsvorgänge parallel.

In Fig. 4 ist in ähnlicher Weise ein Startvorganj; dargestellt, bei dem die Phasenspannungen U_R und U_T im Startaugenblick eine negative Polarität aufweisen sollen, während die Phasenspannung U_s positiv sein soll. Die erste Kommutierung für das Hauptventi «4 erfolgt durch Zünden des zugehörigen Löschventils «24 und durch gleichzeitige Zündung des HilfsVentils «14. Die erste Kommutierung des Hauptventils /i4 erfolgt somit unter Zuhilfenahme der Ladung des Kondensators C2.

In Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt die den Startablauf nach den in den Fig. 3 und 4 angegebenen Impulsprogrammen steuert.

Die Steuereinheit ist in herkömmlicher Weise aufgebaut und enthält einen Steuersatz 1 und eine vorgeschaltete Regeleinrichtung 2 zur Spannungsregelung oder zur Lastregelung. Die Ausgangsspannung dei Regeleinrichtung 2 bestimmt den Zündwinkel dei Zündimpulse des Steuersatzes. Der Steuersatz 1 ist ir

nicht dargestellter, bekannter Weise mit einem Wechsel- oder Drehspannungsnetz synchronisiert. Vorzugsweise sind Maßnahmen getroffen, die sicherstellen, daß die Zündiinpulse des Steuersatzes im Startaugenblick bereits den richtigen Zündwinkel "> aufweisen, der für eine sofortige volle Lastübernahme durch den Wechselrichter erforderlich ist, beispielsweise durch eine Führung der Ausgangsspannung der Regeleinrichtung 2 im Bereitschaftsbetrieb.

Die Zündimpulse des Steuersatzes 1 für die gesleu- '< > erten Hauptventile und die gesteuerten Löschventile in den Ventilzweigen des Wechselrichters werden über eine Durchschalteinheit 3 geführt, deren Ausgänge mit denjenigen gesteuerten Ventilen in Wirkverbindung stehen, deren Bezugszeichen aus Fig. 1 r> übernommen und in Klammern angegeben sind. Die Zündimpulsc an die gesteuerten" Hilfs-Ventile «11-«14 sind über eine Freigabeeinheit 4 geführt. Die Durchschalteinheit 3 und die Freigabeeinheit 4 sind vorzugsweise vor den Leistungsstufen 1 b zur BiI- -" dung der Zündimpulse angeordnet, damit die Signalverarbeitung auf niedrigem Leistungsniveau vorgenommen werden kann.

In der Bcreitschaftsstellung des Wechselrichters sind der Steuersatz 1 und die Regeleinrichtung 2 in .'5 Betrieb. Die Weitergabe der Zündimpulse an die gesteuerten Hauptventile nl—n6 und an die gesteuerten Löschventile «21-«26 wird jedoch von der Durchschalteinheit 3 gesperrt, während die Weitergabe der Zündimpulse an die gesteuerten Hilfs-Ventile «11 bis jn «14 von der Freigabeeinheit 4 gesperrt wird. Die Durchschalteinheii. 3 kann durch ein Signal an ihrer Eingangsklemme 3a freigegeben werden.

Um zu verhindern, daß die Startfreigabe in einen Kommutierungsvorgang fällt, ist eine Sperrstufe 7 r> vorgesehen. Die Sperrstufe 7 kann entweder von den Zündimpulsen für die gesteuerten Löschventile beaufschlagt sein, oder aber von den Zündimpulsen für die gesteuerten Hilfs-Ventile «11-«14, da deren Zündimpulse gleichzeitig mit den Zündimpulsen für w die gesteuerten Löschventile gebildet werden.

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 Sperrsignal erzeugt. Wenn die Sperrstufe 7 ein Sperrsignal erzeugt, kann der Befehls-Speicher 6 erst mit dem Verschwinden dieses Sperrsignals gesetzt werden. Das Ausgangssignal des Befehlsspeichers 6 gelangt auf den Eingang 4a der Freigabeeinheit 4 und auf den Eingang 3ο der Durch- ^r,o schalteeinheit 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.

Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit einer schaltungstechnischen Realisierung der Freigabeeinheit 4 zur Steuerung der Zündimpulsfreigabe an die gesteuerten Hilfs-Ventile nll-nl4. Da die gesteuerten Hilfs-Ventile nil und /il3 sowie «12 und nl4 im Lei- t,o stungsbetrieb jeweils gleichzeitig gezündet werden, bildet der Steuersatz jeweils nur ein Zündsignal für die Hilfs-Ventile /ill, /ι13 und für die Hilfs-Ventile «12, /il4. Diese Zündsignale sind der Freigabeeinheit 4 eingangsseitig zugeführt. b5

Die Zündsignale für die Hilfs-Ventile /ill, /il3 bzw. /1I2, «14 bestimmen die Polarität der Spannung an den beiden Kondensatoren Cl und Cl im Leistungsbetrieb. Diese Zündiinpulse 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 0-Signa! auf 1-Signal wechselt, so wechselt die Kondensatorspannung von negativ auf positiv. Indiesem Falldarf beider in Fig. 1 eingetragenen Vorladung der Kondensatoren Cl und C2 nur das Hilfs-Ventil «11 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 0-Signal.

Wenn vom Steuersatz aus ein 1 -Signal als Zündimpuls für die Hilfs-Ventile /ill, «13 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 «11 in Wirkverbindung steht. Wenn ein 1-Signal als Freigabesignal an der Eingangsklemme 4a bereits ansteht, gelangt ein Zündimpuls an das Hilfs-Ventil «11. Das Hilfs-Ventil «13 erhält jedoch keinen Zündimpuls, da das Flip-Flop 11 nicht gesetzt ist und damit auch der mittlere Eingang des UND-Gliedes 15 nicht mit einem 1-Signal angesteuert ist. Der Zündimpuls an das Hilfs-Ventil «11 wird auf den Impulseingang einer monostabilen Kippstufe 16 gegeben. Mit der fallenden Flanke am Ende des Zündimpulses wird von der monostabilen Kippstufe 16 ein Impuls abgegeben, der über ein ODER-Glied 17 das Flip-Flop 11 setzt. Wenn das Flip-Flop 11 gesetzt ist, liegen die mittleien 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 Hilfs-Ventile «11, «13 und «12, «14.

Wenn sich in einem anderen Startaugenblick das Flip-Flop 10 beispielsweise gerade im rückgesetzten Zustand befindet, so wird zunächst das Hilfs-Ventil «14 in analoger Weise gezündet. Am Ende des Zündimpulses für das Hilfs-Ventil «14 wird über eine weitere monostabil Kippstufe 20 und das ODER-Glied 17 das Flip-Flop 11 gesetzt. Anschließend daran werden die Zündimpulse für die Hilfs-Ventile «11, «13 und «12, «14 so lange ungehindert durchgeschaltet, bis an Klemme 12 ein Rücksetzsignal für das Flip-Flop

11 erscheint.

Fig. 7a zeigt eine Möglichkeit einer schaltungstechnischen Realisierung einer Sperrstufe 7. Die Zündimpulse für die gesteuerten Hilfs-Ventile «11, «13 und für die gesteuerten Hilfs-Ventile «12, «14 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. 7 b dargestellt. Von den Ausgangssignalen d und e wird jeweils eine monostabile Kippstufe 22 bzw. 23 angestoßen, die Impulse α und b mit einer Impuls-

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lange /,. abgeben. Die Impulslange /,. ist so bemessen, daß sie kurzer ist als die Halbperiode /, der Signale ä und e. Die Signale α und b werden einem ODER-Glied 24 uingangsscitig zugeführt. Durch das ODER-Glied 24 entsteht aus den Signalen u und b ein Signal t\ das jeweils kurz vor Beginn eines jeden Konimutierungsvorganges den Signalzustand 0 aufweist und damit in diesen Zeiträumen die Startfreigabe sperrt.

Fig. 8 zeigt als bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung den prinzipiellen Aufbau einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage. Ein 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 Netzspannung und siebt beim Leistungsbetrieb des Wechselrichters dessen Ausgangsspannung. Beim Umschalten vom Netzbetrieb auf den Leistungsbetrieb des Wechselrichters können die L-nergiespeichernden Filterelemente kurzzeitig die Versorgung des Verbrauchers zumindest teilweise übernehmen. Bei einem gegen Verzerrungen und kurzzeitige Unterbrechungen seiner Versorgungsspannung unempfindlichen Verbraucher kann das Filter 31 entfallen.

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. Der Regeleinrichtung 2 ist vorzugsweise eine Nachführeinrichtung zugeordnet, die gewährleistet, daß die Ausgangsspannung der Regeleinrichtung bereits im Startaugenblick den richtigen Wert aufweist. Die letztgenannten Maßnahmen sind in der Zeichnung nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Zur Steuerung des Startvorganges ist eine Kommandostufc 33 vorgesehen, die eingangsseitig mit einem Spannungsmcßfühier 29 für die Netzspannung des Versorgungsnetzes 27 verbunden ist. Bei einem Einbruch der Netzspannung erzeugt die Kommandostufe 33 das Signal »START«. 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 den Leistungsteil des Wechselrichters 25 frei. Der Wechselrichtur wird phasenrichtig gestartet. Bei einer Wiederkehr der Netzspannung bildet die Kommandostufe 33 ein Rücksetzsignal an Klemme 9 für den Speicher 6. Die Kommandostufe 33 steuert außerdem die Umschalteinrichtung 30.

Fig. 9 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der ErIindung einen einphasigen Wechselrichter, bei dem für jede Polarität der Ausgangsspannung Brüekenzweige mit parallclgeschaltetcn Ventilen vorgesehen sind, um die Nennleistung zu erhöhen. Der obere Brückenzweig besteht aus der Reihenschaltung eines Hauptvcntils «31 mit einer Reihendiode /i33 und der parallclgeschaltetcn Reihenschaltung eines Hauptventils /i41 und einer Reihendiode /i43. Der untere Brückenzweig besteht aus der Reihenschaltung eines Hauptventils »32 mit einer Reihendiode «34 und der parallelgeschalteten Reihenschaltung eines Hauptventils /;42 mit einer Reihendiode /i44. Die Hauptventile /;31 und «41 sowie die Hauptventile «32 und «42 werden jeweils gleichzeitig und gemeinsam gezündet. Die Hauptventile übernehmen auch die Aufgabe der Hilfsventil zur Zuschaltung der beiden Kommutierungskondensatoren CIl und C12. Hierdurch entsteht kein Mehraufwand an Ventilen.

Der dargestellte Wechselrichter enthält weiterhin in bekannter Weise die Rückstromdioden «35 und «36 sowie eine Kommutierungsinduktivität LX. Den Kommutierungskondensatoren CIl und C12 sind Ladeeinrichtungen 34 und 35 zugeordnet, die bei einem Startbef'ehl von einer Schalteinrichtung 36 abgeschaltet werden können.

Fig. K) zeigt für den Normalbetrieb des Wechselrichters nach Fig. 9 den Verlauf seiner Ausgangsspannung U_w sowie ein Impulsprogramm für die Zündimpulse der gesteuerten Hauptventile «31, «41 und «32, «42 sowie weiterhin den Verlauf der Spannungen (/,,, und i/_cl, an den Kommutierungskondensatoren CIl und C12.

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 CIl 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.

Die Netzspannung U_n bricht in der negativen Halbwelle zusammen. Auf 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 «31. Die Ausgangsspannung U_w des Wechselrichters hat die geforderte negative Polarität. Die erste Kommutierung erfolgt mit der Ladung des Kommutierungskondensators C12. Danach arbeiten die beiden Kommutierungskondensatoren CIl und C12 parallel.

Fig. 12 zeigt in gleicher Weise den Ablauf eines Startvorganges bei einem Zusammenbruch der Netzspannung U_n in der positiven Halbwelle. Beim Startbefehl werden die Zündimpulse freigegeben, mit Ausnahme des gerade anstehenden Zündimpulses für das Hauptventil «32. Die erste Kommutierung erfolgt mit der Ladung des Kondensators CIl. Danach arbeiten die beiden Kommutierungskondensatoren CIl und C12 parallel.

Fig. 13 zeigt eine Schaltungsanordnung, die den Startublauf gemäß den Fig. 11 und 12 steuert.

In der Darstellung der Fig. 13 ist der Steuersatz in einen Signalteil 1« und Leistungsendstufen Ib aufgeteilt. Der Signalteil 1« ist in bekannter Weise mit

einem Wechselspannungsnet/, synchronisiert. Eine vorgeschaltete Regeleinrichtung 2, die als Spannungsregelung oder Lastrcgelung ausgebildet sein kann, erzeugt die Steuerspannung für den Steuersatz. Da die parallelgeschalteten Hauptventile «31, /i41 > bzw. /i32, /;42 jeweils gleichzeitig und gemeinsam gezündet werden, erzeugt der Signalteil Io des Steuersatzes gemeinsame Zündsignale für /i31, /i41 bzw. für /i32, /i42. Diese Zündsignale werden in den Leistiüigsendstufen 1/; verstärkt und an diejenigen m Hauptventile weitergegeben, deren Bezugszeichen aus Fig. y in Klammern angegeben sind.

Eine Sperrstufe 39 verhindert unzulässig rasch aufeinanderfolgende Kommutierungen unmittelbar nach dem Startaugenblick. Die Sperrstufe 39 enthält einen r> Speicher 40, dessen Eingänge über Sperrgatter 41 und

42 geführt sind. Die Sperrgatter 41, 42 können vom Ausgangssignal eines Verknüpfungsgliedes 43 durchlässig bzw. gesperrt gesteuert werden, dem eine Verzögerungsschaltung mit drei monostabilen Kippstufen .'o 44, 45, 46 vorgeschaltet ist. Die erste monostabile Kippstufe 44 weist eine Impulsdauer auf, die größer als eine Kommutierungsdauer ist und etwa den 1,5fachen Wert einer Kommutierungsdauer beträgt. Die zweite monostabile Kippstufe 45 hat eine Impuls- r> dauer, die wesentlich kleiner als eine Kommutierungsdauer ist, beispielsweise V₁₁₁₁₁ einer Kommutierungsdauer. Die dritte monostabile Kippstufe 46 hat eine Impulsdauer, die größer als eine Kommutierungsdauer ist und beispielsweise wiederum den m l,5fachcn 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 Kipp- π stufe 44 sperrt.

Die fallende Flanke des Impulses der monostabilen Kippstufe 44 stößt die monostabile Kippstufe 45 an. Für die Impulsdauer des Impulses der monostabilen Kippstufe 45 wird die Übernahme neuer Zündimpulse m in den Speicher 40 freigegeben. Die fallende Flanke des Ausgangsimpulses der monostabilen Kippstufe 45 stößt die monostabile Kippstufe 46 an, deren Ausgangssignal wiederum die Übernahme neuer Zündimpulse in den Speicher 40 sperrt. Nach Ablauf der Im- r, pulsdauer 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 wer- -,n den. Die dargestellte Sperrstufe 39 kann gegebenenfalls auch so vereinfacht werden, daß die monostabilen Kippstufen 45 und 46 sowie das Verknüpfungsglied

43 entfallen. Es erfolgt dann lediglich eine Übernahmesperre während der Impulsdauer der monostabilcn -,-> Kippstufe 44.

Inder Schaltungsanordnung nach Fig. 13 sind zwei Bcfehlsspeicher 47 und 48 vorgesehen. Der Setzeingang des Befehlsspeicliers 47 ist über ein Sperrgatter 51 mit dem am oberen Ausgang des Speichers 40 ab- _bl) gegriffenen Zündsignalen für die Ventile //31, /(41 beaufschlagt. Der Setzeingang des Befehlsspeichers 48 ist über ein Sperrgatter 50 mit dem Startbefehl an Klemme 8 und den Zündsignalen für die Ventile //32, /i42 beaufschlagt. Die Befehlsspeicher 47 und _hr, 48 können durch ein Rücksetzsignal an der weiteren Eiiigangsklemme 9 wieder rückgesetzt werden, beispielsweise wenn der Wechselrichter stillgesetzt werden soll.

Bei einem Startbefehl an Klemme 8 werden die Sperrgatter 52-55 vor den Endstufen 1/) 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 Steuersatzeseine ausreichende Ansprechverzögerung aufweisen, kann das Verzögerungsglied 49 entfallen.

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 /i31, /i41 bzw. /i32, /;42 gesetzt und rückgesetzt. Die Zündsignale am Ausgang des Speichers 40 werden von den Sperrgattern 52-55 gesperrt.

Bei einem Startablauf gemäß Fig. 1 1 steht im Startaugenblick ein Zündsignal für die Ventile /;31, /741 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. Das Sperrgatter 51 wird vom Startbefehl durchlässig gesteuert und der Befehlsspeicher 47 wird gesetzt. Das Ausgangssignal des Befehlsspeichers 47 steuert das Sperrgatter 54 durchlässig. Über die dem Sperrgatter 54 nachgeschaltete Endstufe gelangt ein Zündimpuls an das Ventil /i41. Das Ventil /ί31 erhält zunächst keinen Zündimpuls, da der Bcfehlsspeicher

48 nicht gesetzt ist. Nach der ersten Kommutierung erscheint ein Zündsignal für die Ventile /i32, /i42. Falls die Sperrstufe 39 die Übernahme der neuen Zündimpulse in den Speicher 40 nicht sperrt, wird der Speicher 4) rückgesetzt. Das Sperrgatter 50 wird vom Startbefehl durchlässig gesteuert. Der Befehlsspeicher 48 wird gesetzt. Das Ausgangssignal 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. 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.

Bei einem Startablauf gemäß Fig. 12 stehen im Startaugenblick am Ausgang des Speichers 40 die Zündsignale für die Ventile /i32, /i42 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. Über die dem Sperrgatter 53 nachgeschaltete Leistungsstufe des Steuersatzes gelangt ein Zündimpuls an das Ventil /i42. Das Ventil /i32 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 Ausgangssignal die Sperrgatter 54 und 55 durchlässig gesteuert.

Fig. 14 zeigt einen Startablauf wie in Fig. I 1 dargestellt. Die beiden Kommutierungskondensaloren CIl und C12 sind jedoch in der Bereiischaftsslellung auf eine höhere Spannung als die im Leistungsbetrieb auftretende Kommutierungsspan im ng aufgeladen. Dadurch hat der Wechselrichter bereits bei der ersten Kommutierung seine volle Kominutierungsfähigkeil.

Fig. 15 zeigt einen Startablauf wie in Fig. 14 dar-

gestellt. Es sind jedoch ebenfalls die Kommutierungskondensatoren CIl und C12in der Bereitschaftsstelluiig auf eine Spannung aufgeladen, die höher ist als die im Betrieb auftretende Kommutierungsspannung.

Fig. 16 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Steuerung des Startablaufs nach den Fig. 14 und 15. Der prinzipielle Aufbau dieser Schaltungsanordnung entspricht der Schaltungsanordnung nach Fig. 13. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Gegenüber der Schaltungsanordnung nach i< > Fig. 13 bestehen Unterschiede hinsichtlich der Eingangsbeschaltung der Befehlsspeicher.

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 Flanke des Slartbefehls die Zündsignal für die Ventile n31, .'/41 anstehen oder wenn der Be fehlsspeicher 57 gesetzt ist, der Startbefehl ansteh und die ansteigende Flanke des Zündsignals für di Ventile nil, /i41 erscheint. Dem Setzeingang de Speichers 57 sind in analoger Weise ein ODER-Glie 58 und zwei UND-Glieder 62 und 63 vorgeschaltet Der Befthlsspeicher57 wird gesetzt, wenn die Zünd signale für die Ventile «32, /i42 anstehen und de Startbefehl erscheint oder wenn der Speicher 56 ge setzt ist und der Startbefehl und die ansteigend Flanke des Zündsignals für die Ventile /i32, /i42 er scheint. Die Befehlsspeicher 56 und 57 können durc einen Haltbefehl an der weiteren Eingangsklemme · wieder rückgesetzt werden, beispielsweise wenn de Wechselrichter stillgesetzt werden soll. Mit der Schal tungsanordnung nach Fig. 16 laufen die in de Fig. 14 und 15 dargestellten Startvorgänge ab.

Hierzu 1 3 Blatt Zc ich nun sie π

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Zwangskommutierung eines Wechselrichters mit gesteuerten Hauptventilen und diesen zugeordneten, Energiespeicher (Kommutierungskondensatoren. Kommutierungsinduktivitäten) enhaltenden

Kommutierungseinrichtungen, bei der mindestens ein Energiespeicher in Bereitschaftsstellung über eine Ladeeinrichtung so weit aufladbar ist, daß beim Einschalten des Wechselrichters eine ausreichende Löschenergie für das zuerst zu löschende Hauptventil zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kommutierungseinrichtung jeweils zwei über Ladeeinrichtungen mit entgegengesetzter Polarität aufladbare Energiespeicher zugeordnet sind, daß beim Einschalten des Wechselrichters in beliebiger Phasenlage für den ersten Kommutierungsvorgang derjenige Energiespeicher auf die betreffende Kommutierungseinrichtung schaltbar ist, dessen Vorladung die zur Löschung des entsprechenden Hauptventils richtige Polarität aufweist, und daß für die weiteren Kommutierungsvorgänge jeweils beide Energiespeicher zusammengeschaltet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als aufladbare Energiespeicher in den Kommutierungseinrichtungen jeweils zwei Kommutierungskondenstoren vorgesehen sind, die in der Bereitschaftsstellung über Ladeeinrichtungen auf Spannungen entgegengesetzter Polarität aufgeladen sind, die über den im Leistungsbetrieb auftretenden Kommutierungsspannungen liegen, und die im Leistungsbetrieb parallel geschaltet sind.

3. Betriebsverfahren für eine Schaltungsanordnung zur Zwangskommutierung eines Wechselrichters nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) In der Bereitschaftsstellung wird die Weitergabe der Zündimpulse einer ständig mitlaufenden und mit einem Netz synchronisierten Steuereinrichtung an die gesteuerten Ventile im Leistungsteil des Wechselrichters gesperrt, und dit· beiden Energiespeicher in den jeweiligen Kommutierungseinrichtungen werden 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, wobei bei der ersten Kommutierung eines Hauptventils derjenige Energiespeicher auf die betreffende Kommutieriingseinrichtung 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 Kommutierungsvorgänge jeweils zusammengeschaltet.

4. Betriebsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabe der Zündimpulse bei unzulässig dicht aufeinanderfolgenden Kommutierungen gesperrt wird.