DE2541687B2 - Umrichter und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Umrichter und verfahren zu seinem betrieb

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DE2541687B2 DE19752541687 DE2541687A DE2541687B2 DE 2541687 B2 DE2541687 B2 DE 2541687B2 DE 19752541687 DE19752541687 DE 19752541687 DE 2541687 A DE2541687 A DE 2541687A DE 2541687 B2 DE2541687 B2 DE 2541687B2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit einem Wechselrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung, dessen Ausgangsklemmen mit einem Parallelschwingkreis als Last und dessen Eingangsklemmen über einen Gleichstromzwischenkreis mit Glättungsdrossel und einen steuerbaren Gleichrichter mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind und bei dem die Eingangsklemmen des Wechselrichters mit einer Hilfskommutierungseinrichtung überbrückt sind, die einen aus einer Gleichspannungsquelle nachladbaren Kondensator aufweist, zu dem steuerbare Stromrichterventile in Reihe ίο geschaltet sind und ein Verfahren zum Betrieb, insbesondere zur Inbetriebnahme, des Umrichters, bei dem während der Anfahrphase Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters zusammen mit Stromrichterventilen der Hilfskommutierungseinrichlung vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung gezündet werden und bei dem nach Beendigung der Anfahrphase wechselweise nur Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters gezündet werden und die Stromrichterventile der Hilfskommutierungseinrichtung ungezündet bleiben.
Ein solcher Umrichter und ein solches Betriebsverfahren sind aus der DT-OS 20 56 847 bekannt. Dieser Umrichter mit einem Parallelschwingkreis als Last ist im eingeschwungenen Zustand lastgeführt, und die Arbeits-
frequenz des Wechselrichters wird von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt. Der Strom geht dabei in direkter Kommutierung von einem Brückenzweig des Wechselrichters auf den folgenden über, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator des Parallelschwingkreises zur Verfügung gestellt wird. In der Anfahrphase reicht die Ladung des Kondensators zur direkten Kommutierung nicht aus, und es muß daher während dieses Zeitraums indirekt kommutiert werden. Dazu ist beim bekannten Umrichter eine Hilfskommutierungseinrichtung vorgesehen, die aus dem aus einer Gleichspannungsquelle nachladbaren Kondensator besteht, der zu den Gleichspannungsklemmen einer Brückenschaltung aus Thyristoren in Reihe geschaltet ist, deren Wechselspannungsklem-
mer. über die Reihenschaltung einer Drossel und eines weiteren Kondensators verbunden sind. Außerdem ist bei dem bekannten Umrichter als Vorstromeinrichtung die Reihenschaltung eines Thyristors und eines Kondensators vorgesehen, dem ein Widerstand parallel geschaltet ist und mit der die Eingangsklemmen des Wechselrichters ebenfalls überbrückt sind. Zum Anfahren wird beim bekannten Umrichter der Thyristor der Vorstromeinrichtung gezündet, bis ein Strom vorgegebener Größe in der Glättungsdrossel fließt. 1st dieser
so Strom erreicht, so werden Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters gezündet, es fließt nun Strom über die Last, der eine Schwingung anregt, und der Thyristor der Vorstromeinrichtung erlischt. Im oder kurz vor dem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung werden anschließend die vorher nichtleitenden Thyristoren des Wechselrichters und Thyristoren in den zugehörigen diagonalen Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet. Die Spannung des nachladbaren Kondensators der Hilfskommutierungseinrichtung liegt nun als negative Sperrspannung an den Thyristoren des Wechselrichters und löscht die bisher stromführenden Thyristoren. Nun wächst die Spannung am Kondensator der Brückenschaltung der Hilfskommutierungseinrichtung, bis die gezündeten
h5 Thyristoren des Wechselrichters den Strom übernehmen können, worauf die stromführenden Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung erlöschen. Dieses Schaltspiel wiederholt sich im oder kurz vor jedem
nachfolgenden Nulldurchgang der Schwingkreisspantiung. Dabei lädt sich der Kondensator der Brückenschaltung der .Hilfskommutierungseinrichtung immer mehr auf und seine Spannung wirkt der Spannung der nachladbaren Kondensators entgegen, so daß die H'.lfskommutierungseinrichtung nach einer gewissen Zeitspanne wirkungslos wird, womit die Anfahrphase beendet ist und der Umrichter mit direkter Kommutierung im Normalbetrieb arbeite'. Dieser Umrichter ist während der Anfahrphase nicht lastgeführt, er wird jcoch während dieses Betriebszustandes mit der Frequenz der Schwingkreisspannung der Last geführt. Diese Vorteile werden jedoch mit einem großen Aufwand für die Steuerung und einer aufwendigen Hilfskommutierungseinrichtung erreicht.
Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art mit einer einfachen Hilfskommutierungseinrichtung auszurüsten, mit der der Betneb während der Anfahrphase verbessert wird.
Esfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hilfskommutierungseinrichtung aus der Reihenschaltung eines Thyristors, eines Transistors und des Kondensators besteht.
Bei dem erfindungsgemäßen Umrichter ist die Zahl der benötigten steuerbaren Stromrichterventile wesentlieh verringert und damit auch der Aufwand für die Steuerung wesentlich vereinfacht, da sowohl auf die Brückenschaltung von Thyristoren in der Hilfskommutierungseinrichtung als auch auf die Vorstromeinrichtung verzichtet wurde. Dabei ist zu betonen, daß in der so Hilfskommutierungseinrichtung der Thyristor durch eine Diode ersetzt werden kann, wenn die Sperrspannung des Transistors für eine höhere Betriebsspannung ausgelegt ist und daß anstelle des Transistors ein ausschaltbarer Thyristor eingesetzt werden kann.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb, insbesondere zum Anfahren, des erfindungsgemäßen Umrichters werden mit Betriebsbeginn Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters und der Thyristor der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet und der Transistor ausgesteuert, wobei Thyristor und Transistor der Hilfskommutierungseinrichtung für eine Zeitspanne stromführend bleiben, die größer als die Freiwerdezeit der Thyristoren des Wechselrichters ist, anschließend werden vor jedem Nulldurchgang der t> Schwingkreisspannung Thyristoren nachfolgend stromführender Brückenzweige des Wechselrichters und der Thyristor und der Transistor der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet bzw. ausgesteuert, wobei der Thyristor und der Transistor der Hilfskommutienjngseinrichtung jeweils für eine konstante Zeitspanne stromführend bleiben und die Zündimpulsdauer für die Thyristoren der Wechselrichter größer als diese konstante Zeitspanne ist und wobei mit Erreichen einer vorgegebenen Schwingkreisspannung die Anfahrphase π beendet ist. Dabei können mit Betriebsbeginn zuerst nur Thyristoren in diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters gezündet werden und so lange stromführend bleiben, bis ein Strom vorgegebener Größe erreicht wird, der für die gesamte Anfahrphase durch Steuerung ho des Gleichrichters konstant gehalten wird, wobei das oben geschilderte Schaltspiel nach Erreichen dieses Stromes durch Zündung der Thyristoren nachfolgend siruffiiührender Brückenzweige des Wechselrichters und der Stromrichterventile der Hilfskommutierungs- iy"> einrichtung eingeleitet wird. Bei diesem bevorzugten Betriebsverfahren wird die Schonzeit der Thyristoren Hes Wechselrichters durch eine negative Vorspannung kleingehalten, wobei der Umrichter während des Anfahrens nicht lastgeführt, sondern mit der Frequenz der Schwingkreisspannung selbstgeführt ist. Außerdem verdeutlicht dieses Betriebsverfahren die Vereinfachung der Steuerung.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichter und das Verfahren zu seinem Betrieb beispielhaft anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt das Schakbild eines erfindungsgemäßen Umrichters. Ein Wechselrichter 1 ist aus Thyristoren 2, 3,4 und 5 in Einphasenbrückenschaltung aufgebaut. Die Ausgangsklemmen 6 des Wechselrichters sind von einem Parallelschwingkreis 7 als Last überbrückt, der aus der Parallelschaltung einer Drossel Ta und eines Kondensators Tb besteht. Die Eingangsklemmen 8 des Wechselrichters 1 sind über einen Gleichstromzwischenkreis 9 mit Glättungsdrossel 10 und einen Gleichrichter 11 mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, die an den Klemmen 12 liegt. Der Gleichrichter 11 ist aus Thyristoren 11a bis Hd in Brückenschaltung aufgebaut. Die Eingangsklemmen 8 des Wechselrichters 1 sind von einer Hilfskommutierungseinrichtung 13 überbrückt, die aus einem Thyristor 14, einem Transistor 15 und einem Kondensator 16 besteht, die in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator 16 ist aus einer Gleichspannungsquelle 17 mit der angegebenen Polarität nachladbar, die beispielsweise ein Gleichrichter geringer Leistung sein kann. Für die Thyristoren des Wechselrichters I1 des steuerbaren Gleichrichters 11, des Thyristors 14 und des Transistors 15 sind Steuereinrichtungen vorzusehen, die in der Figur nicht dargestellt sind, um die Übersichtlichkeit zu wahren.
Im normalen Betriebszustand werden wechselweise die Thyristoren 2 und 4 oder 3 und 5 der diagonalen Brückenzweige des Wechselrichters 1 mit der Frequenz der Schwingkreisspannung des Parallelschwingkreises 7 gezündet. Dabei wird von einem Stromrichterzweig auf den nachfolgend stromführenden Stromrichterzweig direkt kommutiert, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator Tb des Parallelschwingkreises 7 zur Verfügung gestellt wird. In der Anfahrphase reicht die Ladung des Kondensators Tb zur direkten Kommutierung nicht aus. Es muß daher in diesem Betriebszustand indirekt kommutiert werden, wobei gleichzeitig dafür gesorgt werden muß, daß der Schwingkreiskondensator Tb so schnell wie möglich eine Ladung erhält, die zur direkten Kommutierung ausreicht.
Der Betrieb des Umrichters gemäß Fig. 1 in der Anfahrphase wird anhand der F i g. 2 näher erläutert, in der der Strom U in der Glättungsdrossel, die Zwischenkreisspannung U1, die Spannung Uc am Kondensator 16 und die Schwingkreisspannung Us am Kondensator Tb über der Zeit f aufgetragen sind. Mit Betriebsbeginn werden d;e Thyristoren 2 und 4 oder die Thyristoren 5 und 3 gezündet und bleiben so lange stromführend, bis ein Vorstrom Ido vorgegebener Größe erreicht ist. Dieser Vorstrom Uo wird beispielsweise mit nicht dargestellten Stromwandlern in der Speiseleitung des Gleichrichters 11 erfaßt und während der gesamten Anfahrphase durch Steuerung der Thyristoren 11a bis Uddes Gleichrichters 11 konstant gehalten. Es ist hier zu erwähnen, daß die Einstellung eines konstanten Vorstromes für das Anfahren zwar vorteilhaft, aber nicht erforderlich ist. Für das folgende sei angenommen, daß mit Betriebsbeginn die Thyristoren 2 und 4 gezündet wurden. Hat der Vorstrom die vorgegebene
Größe Ido erreicht, so wird zusammen mit den Thyristoren 3 und 5 des Wechselrichters 1 der Thyristor 14 der Hilfskommutierungseinrichtung 13 gezündet und der Transistor 15 ausgesteuert. Die Spannung Uc des Kondensators 16 liegt nun als negative Sperrspannung an den Thyristoren des Wechselrichters 1 und die stromführenden Thyristoren 2 und 4 werden gesperrt. Der Transistor 15 der Hilfskommutierungseinrichtung 13 bleibt für eine Zeitspanne Δίο ausgesteuert, die größer als die Freiwerdezeit der Thyristoren 2 bis 5 des Wechselrichters 1 ist Nach Ablauf der Zeitspanne At0 sperren der Transistor 15 und der Thyristor 14, und der Strom kommutiert auf die gezündeten Thyristoren 3 und 5 des Wechselrichters I, an denen Zündimpulse einer Dauer Δ tz liegen, die größer als die Zeitspanne Δ fo ist. Selbstverständlich können die Thyristoren 3 und 5 auch erst während oder am Ende der Zeitspanne At0 gezündet werden. Kurz vor dem nächsten Nulldurchgang der Schwingkreisspannung Us werden zusammen mit den Stromrichterventilen 14 und 15 die Thyristoren 2 und 4 des Wechselrichters 1 gezündet. Die Thyristoren 2 und 4 übernehmen nach der konstanten Zeitspanne Δ k in der der Transistor 15 stromführend ist, wieder den Strom. Diese indirekte Kommutierung wird in gleicher Weise bei jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung durchgeführt. Dabei lädt sich der Kondensator 7 b des Schwingkreises 7 in jeder Halbwelle stärker auf, und die Schwingkreisspannung Us wacht mit jeder Halbwelle an, wie F i g. 2 zeigt. Hat die Schwingkreisspannung Us einen vorgegebenen Wert Us, erreicht, der zur direkten Kommutierung der Thyristoren 2 bis 4 des Wechselrichters 1 ausreicht, so werden die Stromrichterventile 14 und 15 der Hilfskommutierungseinrichtung 13 nicht mehr gezündet und der Wechselrichter 1 in üblicher Weise mit direkter Kommutierung betrieben Von diesem Zeitpunkt an wird auch der Zwischenkreisstrom Id nicht mehr konstantgehalten, sondern wächsi ebenfalls an.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Thyristor 14 als Schutz für den Transistor 15 eingesetzt ist, um einen Transistor 15 benutzen zu können, dessen Sperrspannung für geringe Betriebsspannung ausgelegt ist Die
ίο Hilfskommutierungseinrichtung 13 wird damit wesentlich verbilligt. Anstelle des Thyristors 14 kann jedoch auch nur eine Diode eingesetzt werden, und es kann auch nur ein ausschaltbarer Thyristor verwende! werden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Umrichters bleiben dabei erhalten. Zu erwähnen ist noch, daO der Thyristor 14 zusammen mit einem Schalter, der den Transistor 15 und den Kondensator 16 überbrückt, als Überspannungsschutz verwendet werden kann, wobei der Thyristor 14 zu zünden und der Schalter zu schließen ist, wenn an den Eingangsklemmen 8 des Wechselrichters eine Überspannung auftritt.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Umrichter das Anfahren wesentlich vereinfacht und verbessert ist. Der Umrichter isi während der Anfahrphase nicht lastgeführt, und die Schonzeit der Thyristoren des Wechselrichters wire wegen der vom Kondensator 15 gelieferten negativer Vorspannung sehr kleingehalten. Dabei wird dei Umrichter von Anfang an auch während des Anfahren; mit der Schwingkreisspannung geführt, und gegenübei dem bekannten Umrichter ist die Zahl der benötigter Halbleiterbauelemente stark verringert, womit die Steuerung wesentlich vereinfacht wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Umrichter mit einem Wechselrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung, dessen Ausgangs klemmen mit einem Parallelschwingkreis als Last und dessen Eingangsklemmen über einen Gleichstromzwischenkreis mit Glättungsdrossel und einen steuerbaren Gleichrichter mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind und bei dem die Eingangsklemmen des Wechselrichters mit einer Hilfskommutierungseinrichtung überbrückt sind, die einen aus einer Gleichspannungsquelle nachladbaren Kondensator aufweist, zu dem steuerbare Stromrichterventile in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskommutierungseinrichtung (13) aus der Reihenschaltung eines Thyristors (14) eines Transistors (15) und des Kondensators (16) besteht.
2. Verfahren zum Betrieb eines Umrichters nach Anspruch 1, bei dem während der Anfahrphase Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters zusammen mit Stromrichterventilen der Hilfskommutierungseinrichtung vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung gezündet werden und bei dem nach Beendigung der Anfahrphase nur Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters gezündet werden und die Stromrichterventile der Hilfskommutierungseinrichtung ungezündet bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß mit Betriebsbeginn Thyristoren in diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters und der Thyristor der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet und der Transistor ausgesteuert wird und der Thyristor und der Transistor der Hilfskommutierungseinrichtung für eine Zeitspanne (Ata) stromführend bleiben, die größer ab die Freiwerdezeit der Thyristoren des Wechselrichters ist, daß anschließend vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung (Us) Thyristoren nachfolgend stromführender Brückenzweige des Wechselrichters und der Thyristor und der Transistor der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet bzw. ausgesteuert werden, wobei der Thyristor und der Transistor der Hilfskommutierungseinrichtung jeweils für die konstante Zeitspanne (Δ to) stromführend bleiben und die Zündimpulsdauer (U) für die Thyristoren der Wechselrichter größer als diese konstante Zeitspanne ist und daß mit Erreichen einer vorgegebenen Schwingkreisspannung (Uso) die Anfahrphase beendet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Betriebsbeginn nur Thyristoren in diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters gezündet werden und so lange stromführend bleiben, bis ein Strom vorgegebener Größe (Id0) erreicht wird, der für die gesamte Anfahrphase durch Steuerung des Gleichrichters konstant gehalten wird und daß erst bei Erreichen dieses Stromes Thyristoren der nachfolgend stromführenden Brükkenzweige des Wechselrichters und der Thyristor und der Transistor der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet werden.
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