DE2534102C3 - Schaltungsanordnung und Betriebsverfahren zur Zwangskommutierung eines Wechselrichters - Google Patents

Description

Bei einem Wechselrichter mit Zwangskommuticrung nimmt der Slartvorgang eine gewisse Zeil in Anspruch, da die Kommulierungseinrichiungen zunächst entladen sind und somit noch nicht in der Lage sind, die Ventilslröme zu löschen. Die Wechselrichterausgangsspannung wird daher üblicherweise von einem kleinen Anfangswert ausgehend durch eine entsprechende Veränderung des Züiulwinkels der Ziindimpulse allmählich bis /um Nennwert der Wechselrichler-Ausgangsspannung hochgefahren, wobei sich dieser Vorgang über mehrere Perioden der Wechselspannung und damit über mehrere Kommuticrungsvorgänge erstreckt. Dieser langsame Anfahrvorgaiij; ist bei Wechselrichtern nachteilig, bei denen eine schnelle l.astübernahme gefordert wird, insbesondere bei Wechselrichtern, die in unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage!! oder zur Deckung von Lastspitzen in Versorgungsnetzen eingesetzt sind.

Bei statischen Wechselrichtern für Nolstromanla gen sind drei Verfahren /ur Inbetriebnahme bekannt (Brown Bovcrie-Mitteilungen l°70, Nr. 5, Seite 227 bis 22^l>):

Bei einer echten unterbrechungslreien Stromversorgung ist der Verbraucher ständig an den Wechselrichter angeschlossen, der seinerseits über eine Batterie und ein Batterieladegcrät an ein Versorgungsnetz angeschlossen ist. Bei einem Net/ausfall gehl die Speisung des Verbrauchersohne Unterbrechung weiter; die Energie wird dann aus der Batterie entnommen. Das Batterieladegerät ist so dimensioniert, dall es gleichzeitig den vollen Verbrauch des Wechselrichters abgeben und nach einem Netzausfall die Batterie wieder aufladen kann Das Battericladegeräl ist daher relativ groß. Der Wirkungsgrad der gesamten Anlage ist durch die ständige zweimalige Encrgicuinforuuing schlecht.

Erlaubt der Verbraucher eine Unterbrechung seiner Stromversorgung in der Größenordnung der Schaltzeit von Schützen, so ist es günstiger, den Verbraucher im Normalbetrieh aus dem Netz zu speisen und erst im Störungsfall auf den Wechselrichter umzuschalten. Der Wechselrichter arbeitet in der Bereitschaftsstellung bereits im Leerlaufbetrieb. Die gesteuerten llalbleiterventile in den Ventilzweigen des l.eistungsteils 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 I 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 zugesehal-

Id. I):is Batierieladegerat kann hier am kleinsten sein, da es nach einem Net/ausfall nur die Batterie wieder aufladen muli. Her Wirkungsgrad ist im Normalhetrieh sehr günstig. Bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch die relativ lange Unterbrechung von etwa 1 Sekunde heim Umschalten nachteilig, die sich aus dem eingangs lieschriehenen langsamen Hochfahren der Wechselrichter-Λusgangsspannung zwangsläufig ergibt.

Aus der DE-AS 12 22 156 ist eine Schaltungsanordnung zur Zwangskommutierung eines Wechselrichters mit gesteuerten Hauptvenlilen und diesen zugeordneten. Energiespeicher (Kommutierungskondensatoren. Komimiticrungsinduktivitatcii) enthaltenden Komniutierungseinrichtungen bekannt, bei der mindestens ein Energiespeicher in Bcreitschaflsstellung über eine Ladeeinrichtung so weit aufladbar is', daß beim Hinschalten des Wechselrichters eine ausreichende Löschenergie für das zuerst >u löschende I iaijp!ventil /ur Verfügung steht, /ur Inbetriebnahme der bekannten Schaltungsanordnung wird der Koinmutierungskondensator als Energiespeicher in der Konimuiierungscinrichtung 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 Kommulicrungskoudcnsators zwangsläufig vorgegeben ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur /wangskoiumutieruug eines Wechselrichters der zuletzt genannten Art zu schaffen, durch die der Wechselrichter in beliebiger Phasenlage besonders schnell \om Stillstand auf volle l.eistuugsabgabe gesteuert werden kann.

Ei findlingsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß jeder Kommutierungseinrichtung jeweils zwei über Ladeeinrichtungen mit entgegengesetzter Polarität aiifladhare Energiespeicher zugeordnet sind. diiU beim Einschalten des Wechselrichters in beliebiger Phasenlage für den ersten Kommutierungsvorgaug derjenige Energiespeicher auf die betreffende Koiumutierungseinrichtung schaltbar ist. dessen Vorladung die zur Löschung des entsprechenden llaupt- \entils richtige Polarität aufweist, und daß für die weiteren Koniimiticrungsvorgängc jeweils beide Energiespeicher zusammengeschaltet sind.

Ein zwangskonimuticrtcr Wechselrichter mit einer cil'indungsgcmaßcn 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 erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich besonders einfach realisieren, wenn als auf ladbare Energiespeicher in den Kommutierungseinrichtungen jeweils zwei Kommutierungskondcnsatorcn vorgesehen sind, die in der Bereitschaftsstellung über Ladeeinrichtungen auf Spannungen entgegengesetzter Polarität aufgeladen sind, die über den im Leistungsbetrieb auftretenden Kommutierungsspunnungen liegen, und die im Leistungsbetrieb parallel geschaltet sind. Bereits bei der ersten Kommutierung steht dann eine ausreichende Energie zur Loschung des vollen , Ventilstromes zur Verfugung.

Bei einer crfindungsgemaUeii Schaltungsanordnung ist ein Betriebsverfahren möglich, bei dem der Wechselrichter in der Hereitsehaftsstellung nicht im Leerlaufbetrieb arbeitet, sondern stillgesetzt ist. In der Bereitschaftsstellung läuft jedoch die mit dem Netz synchronisierte Steuereinheit mi? dem Steuersatz und der Regeleinrichtung. Es kann eine Spannungsregelung oder eine Lastregelung vorgesehen sein. Die Weilergabe der Zündimipulse 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 /ündimpulse phasenrichtig in Betrieb genommen weiden, 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-Au-.-gangsspannuiig im Augenblick der Inbetriebnahme erfordert somit, daß die ihr zugeordneten Ventilzweigc gezündet werden. Beim crfiiutungsgcinaßcn Wechselrichter ist dies unverzüglich möglich, da die diesen Vemil/wcigcn zugeordneten KomniutierimgN-einrichtungen über einen der beiden Energiespeicher mit der richtigen Polarität vorgeladen sind.

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

Fig. 1 eine Wcchselrichterschaltung mit paarweise angeordneten Kommutierungskondensatoren .ils Energiespeicher in den Kommtiticrungsciiirichtiiugcn und Ladeeinrichtungen,

Fig. 2 ein Impulsprogramni für den Normalbcinel· iles Wechselrichters nach Fig. I mit den /iindimpul sen für die gesteuerten Ventile, den Spannungsvei laufen an beiden kominutierungskondensatoren und den zeitlichen Verläufen der Wechselrichter-Phasensp.m nungen.

Fig. 1 ein Impalsprogramm fur einen Start mil dem Kommutierungskondensator Cl.

Fig. 4 ein Impulsprogramm fiir einen Start mit dem Kommutierungskondensator C'2, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Staricinhcii.

Fig. h ein Ausführungsheispiel einer Freigabeeinheit.

Fig. 7 ein Ausführungsheispicl einer Freigabe spcrre mit einem zugehörigen linpulsprogramm.

Fig. 8 die Anordnung einer erfindungsgemäßeu Wechselrichlerschaltung in einer Einrichtung zur iinlerbrechungsfreien Stromversorgung.

Fig. ¹J-If) eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit Impulsprogrammen und Schaltungsanordnungcn für verschiedene Startabläufe.

Fig. 1 zeigt eine Wechsclriehtcrschaltung. deren Prinzip beispielsweise bekannt ist aus Heumann Slumpe »Thyristoren«, 3. Auflage 1474. Seiten 185 bis 187. Bei der dort beschriebenen Schaltungsanordnung können die Brückenzweige des Wechselrichters von einem einzigen Lösehkondensatoi geloscht wer den. Dieses Löschverfahren mil einem gemeinsamen Löschkondensator wird als Sunimeiilöschung bezeichnet.

Hauptventile des Wechselrichters sind mit /il his nd und ihnen antiparallel geschaltete Rückstromdioden mit dl bis (/6 bezeichnet. Die Kommutierungseinrichtungen enthalten Löschventile /i21-/i26 und Kommuticrungskondcnsatoren (1 und C2. Die Phasenspannungen U_K, U_s, U₁ des Wechselrichters werden an Drosseln Lr. Ls, Li abgegriffen.

Im Gegensatz zu bekannten Wcchsclriehterschaltungcn mit Summenlöschung, die nur einen einzigen Kommuticrungskondensator aufweisen, sind erfindungsgemäß zwei Kommutierungskondensatoren Cl. ("2 mit zugehörigen Ladeeinrichtungen vorgesehen. Die Ladeeinrichtung für den Kommutierungskondensator Cl enthält einen an eine Wcchselspannungsqueilc angeschlossenen übertrager O\, eine Diode </ll als Gleichrichter, einen Widerstand rl und einen Schalter Sl. Diese Ladeeinrichtung lädt in der Bereitschaftsstellung den Kommutierungskondensator Cl auf eine Spannung mit der angegebenen Polarität auf, deren Spannungswert höher ist als die im Leistungsbetrieb auftretende Kommutierungsspannung. Die Ladeeinrichtung für den Kommuticrungskondensator (2 ist analog aufgebaut und enthält einen Übertrager Ul, eine Diode dll, einen Widerstand rl und einen Schalter 52. Wenn die Widerstände rl bzw. rl 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 Erläuterung der erfindungsgemäßen 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 bei einer Summenlöschung mit einem einzigen Kommuticrungskondensator 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 Vcntilströme.

Inder Schaltungsanordnung der Fig. 1 sind weiterhin gesteuerte Hilfsventile nll-nll vorgesehen. Durch geeignete Steuerung dieser Hilfsventile kann bei der ersten Kommutierung einer der beiden Kommutierungskondensatoren Cl bzw. C2 auf das zu löschende Hauptventil geschaltet werden. Bei den folgenden Kommutierungen können die beiden Kommuticrungskondensatorer. 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.

In Fig. 2 ist ein Impulsprogramm für den Normalbetrieb dargestellt, das die Zündimpulse für die gesteuerten Hauptventile mI— «6 und für die gesteuerten Löschventile nll-nl6 sowie die Zündimpulse für die gesteuerten Hilfs-Ventile nll-nl4 enthält. Man erkennt, daß die Löschventile jeweils im Anschluß an die Stromzuführungsdauer der zugehörigen Hauptventile gezündert werden. Die Hilfs-Ventile nil und

ii 13 sowie die Hilfsventile »12 und /il4 werden jeweils beide gemeinsam gezündet, und zwar gleichzeitig mit einem der Löschventile »21-//26. Die Hilfsventile »ill und »13 werden gleichzeitig mit ilen Löschventilen ;i21,/i23. «25 für die Hauptventile ;il. /i3. JiS gezündet, während die Hilfs-Ventile /il2 und /ι 14 jeweils gleichzeitig mit den Löschventilen /i22. n24, nid für die Hauptventile /i2, n4, ;i6 gezündet werden. Auf diese Weise sind die beiden Komntuticlungskondcnsatoren Cl und i'2 während der Kommutierungsvorgänge parallel geschaltet.

Die Spannungsverläufe U, _M und Ll, ,„ an den Punkten A und B weisen somit den dagcstclllcn identischen Verlauf auf.

Die Phasensparsnungen U_H, 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 U₇ im Startaugenblick eine negative Polarität aufweist.

Vordem Start sind die beiden Kommutierungskondensatoren Cl und Cl mit unterschiedlicher Polarität aufgeladen, wie der Verlauf der Spannungen U_{( M} und U_{( 2H} an den Punkten A und B erkennen läßt. Die Vorladespannung ist höher als die im Betrieb auftretende Spannung.

Im Startaugenblick werden die Zündimpulse der mit dem Drehstromnetz synchronisierten Steuereinrichtung an sämtliche Ventile freigegeben mit Ausnahme des Ventils «13. Es werden somit die Hauptventile n\, n3 und r\4 gezündet. Der erste Kommutierungsvorgang erfolgt am Hauptventil nl durch Zündung des zugeordneten Löschventils nil. Gleichzeitig wird auch das Hilfs-Ventil mII gezündet. Damit ist bei der ersten Kommutierung der Kommutierungskondensator Cl wirksam. Bei allen folgenden Kommutierungsvorgängen werden dann die Hilfs-Ventile /ill und nl3 bzw. «12 und nl4 gemeinsam gezündet. Folglich arbeiten die Kommutierungskondensatoren Cl und C2 während der Kommutierungsvorgänge parallel.

In Fig. 4 ist in ähnlicher Weise ein Startvorgang dargestellt, bei dem die Phasenspannungen U_R und Uj im Startaugenblick eine negative Polarität aufweisen sollen, während die Phasenspannung U₅ positiv sein soll. Die erste Kommutierung für das Hauptventil r4 erfolgt durch Zünden des zugehörigen Löschventils nl4 und durch gleichzeitige Zündung des Hilfs Ventils nl4. Die erste Kommutierung des Hauptventils «4 erfolgt somit unter Zuhilfenahme der Ladung des Kondensators C2.

In Fig. S 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 der Regeleinrichtung 2 bestimmt den Zündwinkel der Zündimpulse des Steuersatzes. Der Steuersatz 1 ist in

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

Die Zundimpulse des Steuersatzes 1 für die gesteuerten 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 i^r> übernommen und in Klammern angegeben sind. Die Zundimpulse an die gesteuerten Hilfs-Ventile nll-«14 sind über eine Freigabeeinheit 4 geführt. Die Durchschalteinheit 3 und die Freigabeeinheit 4 sind vorzugsweise vor den Leistungsstufen Ib zur BiI-dung der Zündimpulse angeordnet, damit die Signalverarbeitung auf niedrigem Leistungsniveau vorgenommen werden kann.

In der Bereitschaftsstellung des Wechselrichters sind der Steuersatz 1 und die Regeleinrichtung 2 in Betrieb. Die Weitergabe der Zündimpulse an die gesteuerten Hauptventile nl-n6 und an die gesteuerten Löschventile n21-n26 wird jedoch von der Durchschalteinheit 3 gesperrt, während die Weitergabe der Zundimpulse an die gesteuerten Hilfs-Ventile nil bis jo /il4 von der Freigabeeinheit 4 gesperrt wird. Die Durchschalteinheit 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 λ 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 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 Aa der Freigabeeinheit 4 und auf den Eingang 3 a der Durch-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 HilfsVentile nil und nl3 sowie π 12 und «14 im Lei- &o srungsbetrieb jeweils gleichzeitig gezündet werden, bildet der Steuersatz jeweils nur ein Zündsignal für die Hilfs-Ventile nil, nl3 und für die Hilfs-Ventile /il2, «14. Diese Zündsignale sind der Freigabeeinheit 4 eingangsseitig zugeführt.

Die Zündsignale für die Hilfs-Ventile nil, nl3 bzw. nl2, nl4 bestimmen die Polarität der Spannung an den beiden Kondensatoren Cl und Cl im Lei-

stungsbetrieb. Diese Zundimpulse 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 ß(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-Signal auf 1-Signal wechselt, so wechselt die Kondensatorspannung von negativ auf positiv. In diesem Fall darf bei der in F i g. 1 eingetragenen Vorladung der Kondensatoren Cl und Cl 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 0-Signal.

Wenn vom Steuersatz aus ein 1 -Signal als Zündimpuls für die Hilfs-Ventile «11, «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 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 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 monostabile Kippstufe 20 und das ODER-Glied 17 das Flip-Flop 11 gesetzt. Anschließend daran werden die Zündimpulse für die Hilfs-Ventile nil, «13 und nil, π 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, nl3 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 mii einer Impuls-

länge r, abgeben. Die Impulslänge /„ ist so bemessen, daß sie kurzer ist als die Halbperiode i_o der Signale d und e. Die Signale α und b werden einem ODER-Glied 24 eingangsseitig zugeführt. Durch das ODER-Glied 24 entsteht aus den Signalen α und b '< ein Signal c, das jeweils kurz vor Beginn eines jeden Kommutierungsvorganges den Signalzustand 0 aufweist und damit in diesen Zeiträumen die Startfreigabe sperrt.

Fig. 8 zeigt als bevorzugtes Anwendungsgebiet der i< > 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 energiespeichernden 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 Zünd- so impulse 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 eingangs- v-, seitig 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 -to in der Zeichnung nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Zur Steuerung des Startvorganges ist eine Kommandostufe 33 vorgesehen, die eingangsseitig mit einem Spannungsmeßfühler 29 für die Netzspannung des Versorgungsnetzes 27 verbunden ist. Bei einem Einbruch der Netzspannung erzeugt die Kommartdostufe 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 Wechselrichter 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 Erfindung einen einphasigen Wechselrichter, bei dem ^o 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 /i33 und der parallelgeschalteten Reihenschaltung eines Hauptventils w41 und einer Reihendiode n43. Der untere Brückenzweig besteht aus der Reihenschaltung eines Hauptventils /i32 mit einer Reiheniiiode «34 und der parallelgeschalteten Reihenschaltung eines Hauptventils «42 mit einer Reihendiode n44. Die Hauptventile «31 und /i41 sowie die Hauptventile «32 und «42 werden jeweils gleichzeitig und gemeinsam gezündet. Die Hauptventile übernehmen auch die Aufgabe der Hilfsventil zur Zuschaltung der beiden Kominutierur.gskondensatoren 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 Ll. Den Kommutierungskondensatoren CIl und C12 sind Ladeeinrichtungen 34 und 35 zugeordnet, die bei einem Startbefehl von einer Schalteinrichtung 36 abgeschälte t werden können.

Fig. 10 zeigt für den Normalbetrieb des Wechselrichters nach Fig. 9 den Verlauf seiner Ausgangsspannung U_n sowie ein Impuisprogramm für die Zündimpulse der gesteuerten Hauptventile «31. «41 und »32, «42 sowie weiterhin den Verlauf der Spannungen U_cu und U_cn 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 Kommutierungskonuensatoien 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 Konimutierungsfähigkeit des Wechselrichters bei der ersten Kommutierung vermindert. Für geeignete Anwendungsfälle kann dies zulässig sein.

Die Netzspannung ü\ 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 Netz spannung U_n in der positiven Halbwelle. Beim Startbefehl werden die Zündimpulse freigegeben, mit Ausnahme des gerade anstehenden Zündimpulses für das Hauptventil n32. Die erste Kommutierung erfolgt mit der Ladung des Kondensators CU. Danach arbeiten die beiden Kommutierungskondensatoren CH und C12 parallel.

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

In der Darstellung der Fig. 13 ist der Steuersatz in einen Signalteil la und Leistungsendstufen 16 aufgeteilt. Der Signalteil la ist in bekannter Weise mit

einem Wcdise-Ispannungsnetz synchronisiert. Eine vorgeschaltete Regeleinrichtung 2, die als Spannungsregelung oder Lastregelung ausgebildet sdn kann, erzeugt die Steuerspannung für den Steuersatz. Da die paralleigeschaiteten Hauptventile «31. /(41 bzw. «32, «42 jeweils gleichzeitig und gemeinsam gczündet werden, erzeugt der Signfl'eil 1« des Steuersatzesgemeinsame Zündsignale lüi «31, «41 bzw. für f/32, «42. Diese Ziindsignale werden in den Leistungsendstufen \b verstärkt und an diejenigen llüuptvcntile weitergegeben, deren Bezug-zeichen aus Fig. ^l> in Klammern angegeben sind.

Eine Sperrstufe 39 verhindert unzulässig rasch aufeinanderfolgende Kommutierungen unmittelbar nach dem Startaugenblick. Die Sperrstufe 39 enthält einen 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 Verzögerungs'ichaittingn-;;; j_rei 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 ^fachen Wert einer Kommutierungsdauer beträgt. Die zweite monostabile Kippstufe 45 hat eine Impulsdauer, die wesentlich kleiner als eine Kommutierungsdauer ist, beispielsweise ¹Z₁₀₀ einer Kommutierungsdauer. Die dritte monostabile Kippstufe 46 hat eine Impulsdauer, die größer als eine Kommutierungsdauer ist und beispielsweise wiederum den l,5fachen 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.

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 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 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. Es erfolgt dann lediglich eine Übernahmesperre während der Impulsdauer der monostabilen Kippstufe 44.

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, «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, «42 beaufschlagt. Die Befehlsspeicher 47 und 48 können durch ein Rücksetzsignal an der weiteren Eingangsklemme 9 wieder rückgesetzt werden, beispielsweise wenn der Wechselrichter stillgesetzt wer

den soll.

Bei einem Startbefehl an Klemme 8 werden die Sperrmittel 52-55 vor den Endstufen Ib des Steuersatzes vom Aiisgangssigr.a! eines Verzögerungsgliedes 49 mit einer sehr kleinen Verzögerungszeit freigegeben. Das Verzögerungsglied 49 sorgt dafür, daß dir. Freigabe erst dann erfolgt, wenn die Refehlvspeicher

47 und 48 gesetzt sind. Fulls die Endstufen 1/? des Steuersatzes eine ausreichende Ansprechverzögerung aufweisen, kann das Verzögerungsglied 49 entfallen.

In der Bcrdtschaftsstellungsind die Sperrgatter 41 und 42 der Sperrstufc 39 diiichlässie gesteuert. Der Speicher 40 wird im Takt der Zündsignale für die Ventile «31, «41 bzw. «321, n42 gesetzt und rückgesetzt. Die Zündsignale am Ausgang des Speichers 40 werden von den Sperrgattern 52-55 gesperrt.

Bei einem Startablauf gemäß Fig. 11 steht im Startaugenblick ein Zündsiignal für die Ventile «31, «41 an. Der Speicher 40 is,t gesetzt Der obere Ausgang des Speichers 40 fühirt ein Zündsignal, das auf die oberen Eingange der Sperrgatter 52 und 54 gelangt. Das Sperrgatter 51 wird vom Startbefeh! 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 «41. Das Ventil «31 erhält zunächst keinen Zündimpuls, da der Befehlsspeicher

48 nicht gesetzt ist. Nach der ersten Kommutierung erscheint ein Zündsignal für die Ventile «32, «42. Falls die Sperrstufe 39 die Übernahme der neuen Zündimpulse in den Speicher 40 nicht sperrt, wird der Speicher4) rückgesetzt. Das Sperrgatter 50 wird vom Startbefehl durchlässig gesteuert. Der Befehlsspeicher 48 wird gesetzt. Das Ausgamgssignal 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 «32, «42 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 «42. Das Ventil «.32 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. 11 dargestellt. Die beiden Kommutierungskondensatoren CIl und C12 sind jedoch in der Bereitschaftsstellung auf eine höhere Spannung als die im Leistungsbetrieb auftretende Kommutierungsspannung aufgeladen. Dadurch hat der Wechselrichter bereits bei der ersten Kommutierung seine volle Kommutierungsfähigkeit.

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

gestellt. Es sind jedoch ebenfalls die Kommutierungskondensatoren CIl und C12 in der Bereitschaftsstellung 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 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 Ausgangeines UND-Gliedes 61 verbunden. Der Befehlsspeicher 56 wird gesetzt, wenn ent-

weder mit der Flanke des Startbefehls die Zündsignale für die Ventile «31, «41 anstehen oder wenn der Befehlsspeicher 57 gesetzt ist, der Startbefehl anstehl und die ansteigende Flanke des Zündsignals für die Ventile «31, «41 erscheint. Dem Setzeingang de« Speichers 57 sind in analoger Weise ein ODER-Gliec 58 und zwei UND-Glieder 62 und 63 vorgeschaltet Der Befehlsspeicher 57 wird gesetzt, wenn die Zündsignale für die Ventile «32, «42 anstehen und dei Startbefehl erscheint oder wenn der Speicher 56 gesetzt ist und der Startbefehl und die ansteigende Flanke des Zündsignals für die Ventile «32, «42 erscheint. Die Befehlsspeicher 56 und 57 können durch einen Haltbefehl an der weiteren Eingangsklemme 5 wieder rückgesetzt weiden, beispielsweise wenn dei Wechselrichter stillgesetzt werden soll. Mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 16 laufen die in der Fig. 14 und 15 dargestellten Startvorgänge ab.

Hierzu I 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I. Schaltungsanordnung /in Zwungskommuiicrung eines Wechselrichters niit gesteuerten Hauptventilen und diesen zugeoidnetcn, Energiespeicher (Kommuticruugskoiulcnsatorcn. Koniniutierungsinduktivitäten) enhultendeii Kommuticruiigscinrichtungcn, hei der mindestens ein Energiespeicher in Bcreitschaftsstellung über eine Ludeeinrichtung so weit aufladhar ist, daß beim Einschalten des Wechselrichters eine ausreichende Lösehencrgic für das zuerst zu löschende Hauptventil zur Verfugung steht, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Koininiitierungseinrichtuiig jeweils zwei über Ladeeinrichtungen mit entgegengesetzter Polarität auliadbaic Energiespeicher zugeordnet sind, ilali beim Einschalten des Wechselrichters in beliebiger Phasenlage für den ersten Komnuiticriingsvorgang derjenige Energiespeicher auf die betreffende Kommuiicrungseinrichtung schallbar ist, dessen Vorladung die zur Löschung des entsprechenden llauplvcn-IiIs richtige Polai itäl aufweist, und daß für die weiteren Komnuilicrungsvorgüngc jeweils beide Energiespeicher zusanimengeschaltet sind.

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet. daß als aul'ladharc Energiespeicher in ilen Kommuticruugscinrichtungen jeweils zwei Koinniutierungskondenstoren vorgesehen sind, die in der Bcreilschaftsstcllung über Ladeeinrichtungen auf Spannungen entgegengesetzter Polarität aufgeladen sind, die über den im Leistungsbetrieb auftretenden Komniuticrungsspannungen liegen, und die im Leistungsbetrieb parallel geschaltet sind.

   .1. Hetriebsverfahren für eine Schaltungsanordnung zur /wangskommuficmng eines Wechselrichters nach Anspruch I, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   a) Iu der Bereitschaftsstellung wird die Weitergabe der /.ündiiiipulse einer ständig mitlaufenden und mit einem Netz synchronisierten Steuereinrichtung an die gesteuerten Ventile im Leistungsteil des Wechselrichters gesperrt, und die beiden Energiespeieher in den jeweiligen Kommuticrungscinrichtimgcn werden mit entgegengesetzter Polaritiit aufgeladen,

   b) bei einem Startbefehl werden die Zündimpulsc nach einem linpulsprogramm 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 llauptventils derjenige Energiespeicher auf die betreffende Kommutierungscinrichlung geschaltet wird, dessen Vorladung die zur Löschung dieses Ventils , richtige Polarität aufweist,

   c) von der nächstfolgenden Kommutierung an werden die beiden Energiespeicher in den Kommuticrungscinrichlungcn während der Kommuticrungsvorgänge jeweils /usani- , mengesehaltet.

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