DE2541661A1

DE2541661A1 - Verfahren zum betrieb eines lastgefuehrten wechselrichters und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2541661A1
Application number: DE19752541661
Authority: DE
Inventors: Lovro Dipl Ing Vukasovic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1977-03-24
Also published as: US4039923A; DE2541661C3; IN146962B; NL7610142A; AT351108B; DD127154A5; FR2325238A1; GB1543955A; IT1068465B; ATA644576A; BR7606158A; JPS5239130A; SE7609817L; FR2325238B1; DE2541661B2; BE846272A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den

Berlin und München " Werner-von-Siemens-Straße

Unsere Zeichen: VPA 75 P 3181 BRD Soe 21 Sie

Verfahren zum Betrieb eines lastgeführten Wechselrichters und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Verfahren zum Betrieb eines lastgeführten Wechselrichters mit Thyristoren, bei dem Thyristoren unter Berücksichtigung ihrer Schon- und der Kommutierzeit des Wechselrichters vor jedem Nulldurchgang der Lastspannung in einem Zeitpunkt gezündet werden, der aus drei Meßspannungen bestimmt ist, wobei die eine Meßspannung phasengleich und proportional zur Lastspannung, die zweite Meßspannung phasengleich und proportional zur differenzierten Lastspannung und die dritte Meßspannung dem Wechselrichterausgangsstrom proportional ist, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Wechselrichter, dessen Wechselstromausgänge mit einem Parallelschwingkreis als Last verbunden sind und einer Auswerteschaltung, in der Stromfühler zur Messung des Wechselrichterausgangsstromes und Spannungsfühler zur Messung der Schwingkreisspannung angeordnet sind, denen ein Netzwerk mit um etwa 90° phasenverschiebenden Bauelementen nachgeschaltet ist, das mit den Eingängen eines G-renzwertmelders verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Triggereingang eines Steuersatzes verbunden ist, der Zündimpulse für die Thyristoren des Wechselrichters bildet.

Ein solches Verfahren und die Vorrichtung sind aus der DT-OS 2 008 239 bekannt. Dort ist ein Wechselrichter mit Parallelschwingkreis als Last, ein sogenannter Parallelschwingkreiswechselrichter beschrieben, bei dem Abgriffe am Kondensator des Parallelschwingkreises über ein differenzierendes Netzwerk, das beispielsweise die Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators oder die Serienschaltung eines Widerstandes mit einer Spule sein kann, einem Grenzwertmelder zugeführt sind. Dabei kann zur Potentialtrennung ein Übertrager zwischen die Abgriffe am Kondensator und das differenzierende Netzwerk geschaltet sein. Der Grenzwertmelder gibt einen Triggerimpuls an den Steuerabsatz ab und löst damit Zündimpulse für die

709812/016S original inspected

g VPA 75 P 3181 BRD

Thyristoren des Wechselrichters aus, wenn der Strom im differenzierenden Netzwerk zu Null geworden iat. Die zeitliche Lage der Triggerimpulse bezogen auf die Nulldurchgänge der Last- bzw. Schwingkreisspannung des Parallelschwingkreises ist durch die Widerstands- und die Kapazitäts- bzw. Induktivitätswerte des differenzierenden Netzwerkes gegeben, die so ausgewählt werden, daß jeder Triggerimpuls um eine konstante Zeitspanne vor dem zugehörigen Nulldurchgang der Schwingkreisspannung liegt. Die für jede Halbperiode der Schwingkreisspannung konstante Länge des Zeitintervalls ist größer als die Schon- bzw. Freiwerdezeit der Thyristoren gewählt, womit die Kommutierzeit des Wechselrichters berücksichtigt ist. Da die Kommutierzeit stromabhängig ist, ist die Wahl eines konstanten Zeitintervalls nicht befriedigend. Beim bekannten Wechselrichter ist daher vorgesehen, durch Umschaltung auf unterschiedliche Kondensatoren oder Spulen die Länge des Zeitintervalls unterschiedlichen Betriebszuständen anzupassen. Zusätzlich können bei dem bekannten Wechselrichter mehrere Auswerteschaltungen vorgesehen sein, um die Kommutier- und Schonzeit bei stark unterschiedlichen Betriebszuständen zu erfassen. Schließlich ist für den bekannten Wechselrichter eine Auswerteschaltung beschrieben, bei der die Schwingkreisspannung und die differenzierte Schwingkreisspannung über das beschriebene differenzierende Netzwerk und mit einem Stromwandler der Wechselrichterausgangsstrom erfaßt und ein Triggerimpuls ausgelöst wird, wenn die Summe dieser drei Signale Null ist. Dabei werden die Impedanzen im Netzwerk, die die Proportionalität der Signale bestimmen, so eingestellt, daß bei der niedrigeren Betriebsfrequenz die Schwingkreisspannung und der Wechselrichterausgangsstrom, bei höheren Betriebsfrequenzen die Schwingkreisspannung und ihr Differential und bei höheren Betriebsfrequenzen und höheren Strömen alle drei Signale die Lage der Triggerimpulse und damit die Zündzeitpunkte bestimmen. In der obengenannten DT-OS ist ausgeführt, daß mit diesem Verfahren eine optimale Anpassung des Zündzeitpunktes an die realen Betriebsverhältnisse ebenfalls nicht gegeben ist.

Es besteht die Aufgabe, das Verfahren der eingangs genannten Art und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so abzuän -

^09812/0165

ς VPA 75 P 3181 BRD

dern, daß Kommutier- und Schonzeiten verzögerungsfrei erfaßt werden, die den realen Betriebsverhältnissen optimal entsprechen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Zündzeitpunkt durch den Schnittpunkt der ersten Meßspannung mit einer abgeleiteten Spannung bestimmt ist, die durch Addition der zweiten und dritten Meßspannung gewonnen wird, daß der Spitzenwert der zweiten Meßspannung gleich ox .U₁ _.t ist, worin or die Kreisfrequenz der Lastspannung,U₁ der Spitzenwert der ersten Meßspannung und t die Schonzeit ist und daß der Spitzenwert der drits

ten Meßspannung gleich

WV

ist, worin t, die Kommutierzeit und I (t_v + t ) der Momentanwert des Wechselrichterausgangsstromes I (t) im Zeitpunkt t_k + t_s ist.

Bei den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benützten spannungs-, frequenz- und stromproportionalen Meßspannungen können die Proportionalitätsfaktoren der drei Meßspannungen so gewählt werden, daß die Kommutier- und Schonzeit des Wechselrichters in jedem Betriebszustand verzögerungsfrei und optimal erfaßt wird, da die Schon- bzw. Freiwerdezeit durch die Grenzdaten der Thyristoren als Konstante vorgegeben ist und sich die Kommutierzeit des Wechselrichters berechnen läßt, wozu beispielsweise auf das Buch von Heumann-Stumpe "Thyristoren" Verlag B.G. Teupner 3. Auflage 1974, Seiten 88 bis 94 zu verweisen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kommutierzeit mittels des Wechselrichterausgangsstromes und der Lastspannung verzögerungsfrei direkt erfaßt, wobei gleichzeitig die Schonzeit mit erfaßt wird. Man erreicht damit einen besseren Wirkungsgrad und verbesserte dynamische Eigenschaften des Umrichters, und da das erfindungsgemäße Verfahren in jedem Betriebszustand optimal arbeitet, ist ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor für die Kommutier- und Schonzeit nicht erforderlich, wie er beim bekannten Verfahren verwendet wird. Dadurch erhält man eine bessere Ausnutzung der Thyristoren des Wechselrichters. Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter vereinfacht,

709812/0165

VPA 75 P 3181 BRD

wenn man für «^die beim Betrieb auftretende größte Kreisfrequenz

CtX_1n^_x der Lastspannung und für U₁ der größte betriebsmäßige Spitzenwert !!..____ gewählt wird. Vorzugsweise entspricht I. (t, + t )

I OIucLjl wit ο

dem Spitzenwert I des Wechaelrichterausgangsstromes I (t). Vorteilhaft ist es, die dritte Meßspannung durch Integration des Wecliselrichterausgangsstromes I (t) zu gewinnen. Da-

mit entfallen Schnittpunkte, die zu Fehlimpulsen führen, zu deren Unterdrückung beim bekannten Wechselrichter beispielsweise eine aufwendige Auswahlschaltung mit digitalen Gliedern eingesetzt werden muß.

Bei einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind zwei Spannungsfühler für die Schwingkreisspannung vorgesehen, wobei jedem Spannungsfühler ein Spannungsteiler nachgeschaltet ist und ein Abgriff jedes Spannungsteilers mit einem Eingang einer Vergleichsstufe verbunden ist, wobei in einem der Spannungsteiler ein 90°-Phasenschieber geschaltet ist und die Anschlüs se einer der Widerstände eines Spannungsteilers mit den Ausgängen des Stromfühlers verbunden sind. Durch Wahl der Impedanzwerte dieses Netzwerks können die oben angegebenen Proportionalitätsfaktoren in einfacher Weise eingestellt werden. Dabei ist es vorteilhaft, die beiden Spannungsfühler mit einem Übertrager zu realisieren, dessen Sekundärwicklung eine Anzapfung besitzt, an der ein Bezugspotential liegt, mit dem auch jeder der beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung über einen der Spannungsteiler verbunden ist. Dieser Übertrager dient nicht nur zur Potentialtrennung, sondern mit ihm wird auch der Aufbau der Auswerteschaltung wesentlich vereinfacht.

Wie beim bekannten Übertrager kann der 90°-Phasenschieber eine Spule oder ein Kondensator sein. Dabei kann zur Kompensation des !Frequenzganges der Impedanz sowohl der Spule als auch dem Kondensator ein weiterer Kondensator vorgeschaltet sein, dem gegebenenfalls noch ein Widerstand parallel geschaltet sein kann. Zur Kompensation bei hohen Schwingkreiafrequenzen kann Widerständen des Spannungsteilers, der nur aus ohmschen Widerständen aufgebaut ist, ein spannungsabhängiger Widerstand parallel geschaltet sein. Vorteilhaft ist es, dem Stromwandler einen Integrator nachzuschalten.

709812/0165

-Sf-

g VPA 75 P 3181 BRD

Damit erhält man Meßspannungen, die, wie bereits ausgeführt, nur einen Schnittpunkt pro Halbwelle der Lastspannung besitzen, was die Steuerung wesentlich vereinfacht.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt das Schaltbild eines Umrichters mit lastgeführtem Wechselrichter, wobei als Wechselrichter ein Parallelschwingkreisumrichter gezeigt ist. Es ist hier zu betonen, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren auch im Zusammenhang mit anderen lastgeführten Wechselrichtern, beispielsweise bei einem Wechselrichter einsetzen läßt, dessen Wechselstromausgänge mit einem Serienschwingkreis verbunden sind. In Figur 1 ist der Wechselrichter 1 mit Thyristoren 2 bis 5 in Einphasenbrückenschaltung aufgebaut. Über die Wechselstromausgänge 6 des Wechselrichters 1 wird ein Parallelschwingkreis 7 als Last gespeist, der aus der Parallelschaltung einer Drossel 7a und eines Kondensators 7b besteht. Die Gleichstromansohlüsse 8 des Wechselrichters 1 sind über einen Gleichstromzwischenkreis 9 mit Glättungsdrossel 10 und einen Gleichrichter 11 mit einem Drehstromnetz verbunden, das an den Klemmen 12 liegt. Der Gleichrichter 11 ist aus Thyristoren 11a bis 11f in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut.

Zur Erfassung der Kommutier- und Schonzeit ist eine Auswerteschaltung 13 vorgesehen, auf deren Aufbau noch näher eingegangen wird. Die Eingänge 13a und 13b der Auswerteschaltung 13 sind mit den beiden Belägen des Kondensators 7b des Schwingkreises 7 verbunden und über ihre beiden Eingänge 13c und I3d fließt der Wechselrichterausgangsstrom I_w< Der Ausgang 13e der Auswerteschaltung ist mit dem Sriggereingang 14a eines Steuersatzes 14 für die Thyristoren 2 bis 5 des Wechselrichters 1 verbunden. Die Steuerleitungen 14b bis He, die zu den Steuerelektroden der Thyristoren 2 bis 5 führen, sind in Figur 1 nur angedeutet. Der Steuersatz 14 kann beispielsweise einem Steuersatz entsprechen, wie er aus dem Buch von D. Ernst und D. Ströle "Industrieelektronik"

709812/0165

VPA 75 P 3181 BRD

Springer-Verlag 1973, Seiten 54 und 55 beschrieben ist. Auch für den Gleichrichter 11 ist ein Steuereatz vorzusehen. Dieser Steuersatz wurde in der Figur nicht eingezeichnet, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Er kann beispielsweise einem Steuersatz entsprechen, wie er aus dem Buch von G. Möltgen ^ttNetzgeführte Stromrichter mit Thyristoren" Siemens AG 1967, Seite 275 oder 280 bekannt ist. Außerdem ist als weiterer Istwertgeber für die Steuerung noch ein Stromwandler in der Speiseleitung des Gleichrichters 11 vorzusehen. Dieser Stromwandler ist in Figur 1 ebenfalls nicht eingezeichnet.

Im Betriebszustand werden wechselweise die Thyristoren 2 und 5 oder 3 und 4 der diagonalen Brückenzweige des Wechselrichters 1 mit der Frequenz der Schwingkreisspannung Ug des Parallelschwingkreises gezündet. Die Zündung erfolgt kurz vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung TJ, wobei der Zündzeitpunkt t durch die Schonzeit der Thyristoren, die mindestens deren Freiwerdezeit entsprechen muß und die Kommutierzeit des Umrichters bestimmt ist. Dabei wird von einem Brückenzweig auf den nachfolgend stromführenden Brückenzweig direkt kommutiert, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator 7b des Parallelschwingkreises 7 zur Verfügung gestellt wird. Die für den Zündzeitpunkt berücksichtigte Kommutier- und Schonzeit soll dem jeweiligen Betriebszustand des Umrichters entsprechen, da sonst der Wirkungsgrad des Umrichters herabgesetzt und seine dynamischen Eigenschaften verschlechtert werden. Außerdem erreicht man damit eine bessere Ausnutzung der Thyristoren. Das erfindungsgemäße Verfahren, das eine optimale Anpassung der Kommutier- und Schonzeiterfassung an veränderliche Betriebszustände beinhaltet, wird anhand der Figur 2a bis 2f näher erläutert. In Figur 2 sind die Schwingkreisspannung U_, der Wechselrichterausgangsstrom I . die Zwischenkreisspannung U^ und Meßspannungen U^ bis U, die abgeleitete Spannung U. und die Ausgangsspannung U^, der Auswerteschaltung 13 über der Zeit t aufgetragen. Die Meßspannungen U^ bis U, werden in der Auswertesohaltung 13 gebildet und zur Spannung U, sind die beiden Meßspannungen U« und U, addiert. Figur 2a zeigt die Schwingkreisspannung U_g, mit einem Nulldurchgang im Zeitpunkt t . In der ersten gezeigten Halbperiode fließt der

709812/0165

	VPA	75	P	254	1661
- r-
40			3181	BRD

Wechselrichterausgangsstrom I^ über die Thyristoren 2 und 5. Im Zeitpunkt t^werden die Thyristoren 3 und 4 der nachfolgend stromführenden diagonalen Brückenzweige des Wechselrichters 1 gezündet. Nun überlappen sich im Intervall zwischen den Zeitpunkten t^und t.· die Ströme über die Thyristoren 2 und 5 und die Thyristoren 3 und 4 und der Wechselrichterausgangsstrom I nimmt ab. Im Zeitpunkt t.., in dem der Wechselrichterausgangsstrom I durch Null geht, liegt die Spannung des Schwingkreiskondensators 7b als negative §p%rrspaiinung an den Thyristoren 2 und 5, die nun erlöschen. Nach dem Zeitpunkt t liegt positive Sperrspannung an den Thyristoren 2 und 5. Demnach muß der Zündzeitpunkt t so eingestellt sein, daß die Zeitspanne t, zwischen t und t.. der vom Umrichter benötigten Kommutierzeit und die Zeitspanne t zwischen t.. und t der !Freiwerdezeit entspricht. Die Freiwerdezeit der Thyristoren ist eine Eonstante, die durch die Grenz- bzw. Kenndaten der Thyristoren gegeben ist. Die Kommutierzeit t, ist eine anlagenbedingte Größe, die unter anderem von Betriebszuständen abhängig ist und beispielsweise nach der oben angegebenen Literaturstelle berechnet werden kann. In der Auswerteschaltung 13 werden Meßspannungen U₁ , U₂ und U, gewonnen, mit denen sich der Zündzeitpunkt t so erfassen läßt, daß die Kommutierzeit t, und

ζ κ. .

die Schonzeit t_g an den jeweiligen Betriebszustand angepaßt sind. Dabei ist die Meßspannung U₁ der Schwingkreisspannung proportional, für sie gilt

(K₁ = const) sinert

Die frequenzabhängige Meßspannung Up wird aus U₁ durch Phasenvers °
gilt

verschiebung um 90° bzw. Differentiation gewonnen und für sie

U₂ = K₂* I_Q* cosiwt (K₂ = const) Die Meßspannung U, ist ein Abbild des Wechselrichterausgangsstromes I , für sie gilt

^K3^-I _w (*) (^K3 = const)

Worin I der Spitzenwert von I_y (t) und f (t) eine Funktion der Zeit t ist.

709812/016S

— jg —

VPA 75 P 3181 BRD

In der Figur 2e sind zwei Meßspannungen U,¹ und U,ⁿ eingezeichnet. Die Meßspannung U,' ist dem Wechselrichterausgangsstrom I

j W

direkt proportional. Die Meßspannung U-," ist durch Integration des Wechselrichterausgangsstromes I (U," = K, I ff(X) dt gewonnen. In der Figur 2c ist neben der Meßspannung U₁ und der Meßspannung Up die abgeleitete Spannung U.¹ und U.ⁿ eingezeichnet, zu der die Meßspannungen U« und U,' bezw. U« und U,^M addiert sind,

In der Auswerteschaltung wird mit einem Grenzwertmelder festgestellt, daß ein Schnittpunkt der Meßspannung U₁ mit der Spannung U. vorliegt. Dabei sei für das folgende vorausgesetzt, daß die Zeitskala auf den Zeitpunkt t₀ bezogen sei. Der Zeitpunkt t₁ entspricht dann t und 4er Zeitpunkt t entspricht t, + t . Für den

ο Ζ JS. Θ

Zeitpunkt t gilt I (t_H) = 0 und U₁ = U₀. Daraus resultiert mit

S φΑ? ,S \ C-

der Annahme »t *-r- und ^iWt₀ -»" ort,, :

S *!■ ff ο S t = ^K2

S «r-

^K1

Die Schonzeit t ist also frequenzunabhängig und nur durch die Konstanten K₁ und K« bestimmt.
Für den Zeitpunkt t = t + t, gilt I (t) > 0 und U₄ = U₉ . Mit

—yJZ S XL W I C

der Annahmen X„<K>> und /f&orX ~ «^ t .cos ar X ~ 1 erhält man

Z * 0 Z Z' Z

daraus:

■ ^O

Geht man weiterhin davon aus, daß gilt

I=I . f(t) und I (t„) = I , w wo wz' wo'

so erhält man die strom- und frequenzabhängige Kommutierzeit in:

X_z = ^K2 ₊ 1 . ^ . ¹WO .

damit reduzieren sich die Gleichungen für U₁, Up und U, zu: U₁ = U₁₀ . sin Ar t

wo

t_k . i_w(t)

709812/0165

VPA 75 P 3181 BRD

Worin noch, füritr, U^₀ und I die betriebsmäßigen Spitzenwerte eingeführt werden können. Die Proportionalitätsfaktoren in t und t_k lassen sich, wie noch gezeigt werden wird, durch Wahl der Bauelemente der Auswerteschaltung 13 in einfacher Weise einstellen. Man erhält damit eine Kommutier- und Schonzeiterfassung, die praktisch, für alle Betriebszustände des Umrichters optimal ist, die verzögerungsfrei erfolgt und mit der man die oben aufgezählten Vorzüge erhält.

Im Schnittpunkt der Meßspannung U^ mit der Spannung U. wird von einer Vergleichsstufe der Auswerteschaltung ein Impuls U₁₃ abgegeben, dessen lage die Lage des Zündzeitpunktes repräsentiert. Der Figur 2c ist zu entnehmen, daß der Schnitt von TJ.. und U. ' nicht eindeutig zu sein braucht, sondern daß es durch geringfügige Spannungsänderungen zu weiteren Schnittpunkten kommen kann, die zu Fehlimpulsen führen, die unterdrückt werden müssen. Gewinnt man eine Spannung U," durch Integration aus I_w(t), wobei gilt

u₃« = K₃-i_wo . Jf(t)dt

so erhält man, wie die strichpunktiert eingezeichnete Spannung U." in Figur 2c zeigt, einen eindeutigen Schnittpunkt zwischen U- und UJ'. Für die Spannung U-, wurde dieser Schnittpunkt als maßgebend für die Impulsflanken bezeichnet. Zur Spannung U.., ist hierbei noch anzuführen, daß die ansteigende bzw. abfallende Impulsflanke anzeigt, welche der diagonalen Brückenzweige zu zünden sind. Beim Ausführungsbeispiel sind mit der ansteigenden Flanke die Thyristoren 3 und 4 und mit der abfallenden Flanke die Thyristoren 2 und 5 zu zünden.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung 13 ist in Figur 3 gezeigt. Die Eingänge 13a und 13b sind mit der Primärwicklung 15a eines Übertragers 15 verbunden, durch den die beiden Spannungsfühler zur Erfassung der Spannungen U- und Up realisiert sind. Die Sekundärwicklung 15b des Übertragers besitzt eine Mittelanzapfung 15c, die mit einem Bezugspotential verbunden ist. Zur Unterdrückung von Störungen können die beiden durch die Anzapfung getrennten Wicklungsteile der Sekundärwicklung 15b bifilar gewickelt sein. Ein Anschluß der Sekundärwicklung 15b ist über einen Spannungsteiler 16, der aus den Wider-

70981 2/0165

VPA 75 P 3181 BRD

ständen 17 und 18 aufgetaut ist, ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden. Auch der andere Anschluß der Sekundärwicklung liegt über einen Spannungsteiler 19 am Bezugspotential. Der Spannungsteiler 19 besteht aus der Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes 20, einer Spule 21 als 90 -Phasenschieber und eines Widerstandes 22. Die Eingänge 13c und 13d der Auswerteschaltung 13 sind mit der Primärwicklung eines Stromwandlers 23 verbunden, dessen Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 22a und 22b des Widerstandes 22 verbunden ist. Ein Abgriff 24 des Spannungsteilers 16 ist mit einem Eingang eines als Vergleichsstufe dienenden Operationsverstärkers 25 und ein Abgriff 26 des Spannungsteilers ist mit einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers 25 verbunden, dessen Ausgang an den Ausgang 13e der Auswerteschaltung 13 geführt ist. Unter der Annahme, daß die Wicklungsverhältnisse des Übertragers 15 und des Stromwandlers 23 gleich eins sind und daß für die Widerstandswerte der Widerstände 17» 20, der Induktivität der Spule 21 und der Widerstandwerte der Widerstände 22 und 18 R₁₇ = R₂O^ ^R18 ⁺ ^C*^*Z\ ^ ^R22 ^gil'^fc» erhält man für die Meßspannungen U₁ bis IU folgende Beziehungen,

IL. = I . R.JQ . sin *r t
U₀ = I'<5tf'L_o1 . cos or t

<L O ά. I

U₃ = R₂₂ . I_w(t)
woraus sich für die Schonzeit t und für die Kommutierzeit t^

unter der Annahme or t ■« *g- und art -&jf- berechnet:

t = ^L21
s «—

^R18
K = ¹W . ^ai7 . ^R22 mit U=I. R

JS π B (J

Den Beziehungen für t und t, ist zu entnehmen, daß t sowohl

B Jt ο

von der Schwingkreisfrequenz car als auch von der Schwingkreisspannung U frei und damit konstant ist. Somit sind die Induktivität L₂₁ und der Widerstandswert R_1Q so zu wählen, daß die Schonzeit wenigstens gleich der Freiwerdezeit der Thyristoren ist. Die Kommutierzeit t_fe ist vom Wechselrichterausgangsstrom I , von der Schwingkreisfrequenz und von der Schwingkreisspan-

nung U abhängig. Damit ist eine eptimale Anpassung der Kommus

709812/0165

«V

VPA 75 P 3181 BRD

tierzeit an alle Betriebezustände gewährleistet. Durch die Wahl der Widerstandswerte R.. ~ und R„2 ist die Kommutierzeit an den für den Umrichter berechneten Wert anzupassen. Läßt man die Vor aussetzung E-iy = RpO ^fal-^^en» ^ao erhält man für die Schon- und Kommutierzeit in gleicher Weise die Beziehung: t_B + t_k = ^L21 . ^R17 + ¹W . ^R22 ' ^R17

Zur Vereinfachung können außerdem noch für U_, für or und für I_w die betriebsmäßigen Maximal- bzw. Spitzenwerte U_a___, I_i__rnmev und Ä^_max eingesetzt werden, womit sich die Beziehung zu t_s + t_k = ^L21 . ^R17 + ^Iwomax . ^R22 ' ^R17

⁵Ie ^20 ^max ' ^Usmax ^R18 vereinfacht.

Die angegebenen Beziehungen stimmen für die Voraussetzung ort« τ—. Diese Annahme ist bei sehr großen Schwingkreisfrequenzen nicht mehr gerechtfertigt. Um auch diesen Betriebszustand zu berücksichtigen, ist in Figur 3 den ohmschen Widerständen und 18 des Spannungsteilers 16 ein spannungsabhängiger Widerstand 26, ein sogenannter Varistor, parallel geschaltet, der in der Figur gestrichelt eingezeichnet ist. Zur Kompensation des Frequenzganges der Spule 21 kann außerdem dem Widerstand 20 des Spannungsteilers 19 ein Kondensator 27 und gegebenenfalls in Serie mit einem Widerstand 28 parallel geschaltet sein, die in Figur 3 ebenfalls gestrichelt eingezeichnet sind.

Figur 4 zeigt eine Abwandlung der Auswerteschaltung 13 nach Figur 3. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung des Stromwandlers 23 nicht direkt mit den Anschlüssen 22a und 22b des Widerstandes 22 verbunden. Es ist vielmehr über den Abgriff eines Widerstandes 30 und Widerstände 31 und 32 ein mit einem Kondensator 33 als Integrator 34- beschalteter Operationsverstärker 35 zwischengeschaltet. Neben der Potentialtrennung erhält man mit dieser Ausführungsform eine Meßspannung U,", die in .Zusammenhang mit Figur 2e mit ihren Vorteilen bereits erläutert wurde.

709812/0165

VPA 75 P 3181 BRD

Ein weiteres AusführungsBeispiel zeigt Figur 5. Bei diesem Ausführungfebeispiel ist der 90°-Phasenschieber, mit dem ein 90°- Phasenuntersehied zwischen den Meßspannungen TJ.. und Up erzeugt wird, durch einen Kondensator 36 realisiert, der im Spannungsteiler 16 dem Widerstand 17 parallel geschaltet ist. Die Spule 21 im Spannungsteiler 19 muß dann durch einen ohmschen Widerstand 37 ersetzt werden. In gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 erhält man auch bei diesem Ausführungsbeispiel Beziehungen für t, und t_s, mit denen sich durch eine entsprechende Wahl der Widerstands- und Kapazitätswerte die oben beschriebenen Vorteile erhalten lassen. Zur Kompensation sehr hoher Spannungen kann bei diesem Ausführungsbeispiel der spannungsabhängige Widerstand 27 dem Widerstand 20 parallel geschaltet sein und zur Kompensation des Frequenzganges der Impedanz 36 ist ein Kondensator 38 vorgesehen, der dem Widerstand 18 parallel geschaltet ist. Außerdem ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Integrator 34 durch ein RC-Glied realisiert, das aus dem Widerstand 39 und dem Kondensator 40 besteht, die zwischen den Widerstand 30 und die Anschlüsse 22a und 22b des Widerstandes 22 geschaltet sind.

12 Patentansprüche
5 Figuren

709812/016S

/ς

Leerseite

Claims

VPA 75 P 3181 BRD Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines lastgeführten Wechselrichters mit Thyristoren, bei dem Thyristoren unter Berücksichtigung ihrer Schon- und der Kommutierzeit des Wechselrichters vor jedem Nulldurchgang der Lastspannung in einem Zündzeitpunkt gezündet werden, der aus drei Meßspannungen bestimmt ist, wobei die eine Meßspannung phasengleich und proportional zur Lastspannung, die zweite Meßspannung proportional und phasengleich zur differenzierten Lastspannung und die dritte Meßspannung dem Wechselrichterausgangsstrom proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzeitpunkt durch den Schnittpunkt der ersten Meßspannung (TJ.j) mit einer abgeleiteten Spannung (U.) bestimmt ist, die durch Addition der zweiten und dritten Meßspannung (Up» U^2 gewonnen wird, daß der Spitzenwert der zweiten Meßspannung (Up) gleich Cu-^a- t_a ist, worin ur die Kreisfrequenz der Lastspannung, U_n _Λ der Spitzenwert der ersten Meßspannung und t_ die Schonzeit iat und daß der Spitzenwert der dritten Meßspannung (U.,) gleich

¹W^k ⁺ V

ist, worin t, die Kommutierzeit und I_w(t_ + t, ) der Momentanwert

.K. W 5 JL

des Wechselrichterausgangsstromes I_w im Zeitpunkt t + t, ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für

die beim Betrieb auftretende größte Kreisfrequenz der Lastspannung und für U^ der größte betriebsmäßige Spitzenwert gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß I« (i*o ⁺ ^Tr) ^dem Spitzenwert I des Wechselrichterausgangs-

W S it WO

stromes I (t) entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Meßspannung (U^) durch Integration des Wechselrichterausgangsstromes I (t) gewonnen wird.

7 0 9 8 12/0165 °^R''^{GlNAL iNsp}ECTED

VPA 75 P 3181 BRD

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 Ms 4 mit einem Wechselrichter, dessen Wechselstromausgänge mit einem Parallelschwingkreis als Last verbunden sind und einer Auswerteschaltung, in der Stromfühler zur Messung des Wechselrichterausgangsstromes und Spannungsfühler zur Messung der Schwingkreisspannung angeordnet sind, denen ein Netzwerk mit etwa 90°-phasenverschiebenden Bauelementen nachgeschaltet ist, das mit den Eingängen eines Grenzwertmelder verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Triggersingang eines Steuersatzes verbunden ist, der Zündimpulse für die Thyristoren des Wechselrichters bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spannungsfühler (15) für die Schwingkreis spannung (U_) vorgesehen sind, daß jedem Spannungsfühler ein Spannungsteiler (16, 19) nachgeschaltet ist und ein Abgriff (24·» 26) jedes Spannungsteilers mit einem Eingang einer Vergleichsstufe (25) verbunden ist, daß in einem der Spannungsteiler (19 bzw. 16) ein 90°-Phasenschieber (21 bzw. 36) geschaltet ist und daß die Anschlüsse einer der Widerstände (22) eines Spannungsteilers (19) mit den Ausgängen des Stromfühlers (23) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einem Übertrager als Spannungsfühler, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungsfühler mit einem einzigen Übertrager (15) realisiert sind, dessen Sekundärwicklung (15b) eine Anzapfung (15c) besitzt, an der ein Bezugspotential liegt, mit dem auch jeder der beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung über einen der Spannungsteiler (16, 19) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der 90°-Phasenschieber eine Spule (21) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule (21) ein Kondensator (28) vorgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der 90°-Phasenschieber ein Kondensator ist.

709812/016S

3 VPA 75 P 3181 BRD

10. Vorrichtung nach Anspruch 9» daduroh gekennzeichnet, daß dem Kondensator (36) ein weiterer Kondensator (38) vorgeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Widerständen (17, 18 bzw. 20) des nur aus ohmschen Widerständen aufgebauten Spannungsteilers (16 bzw. 19) ein spannungsabhängiger Widerstand (27) parallel geschaltet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromwandler (23) ein Integrator (34) nachgeschaltet ist.

709812/0165