DE2541712B2

DE2541712B2 - Umrichter und Verfahren zu seinem Betrieb

Info

Publication number: DE2541712B2
Application number: DE19752541712
Authority: DE
Inventors: Lovro Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Vukasovic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1979-01-04
Also published as: JPS5910153B2; JPS5256326A; DE2541712A1; DE2541712C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit einem Wechselrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung, dessen Ausgangsklemmen mit einem Parallelschwingkreis und dessen Eingangsklemmen über einen Gleichstrornzwischenkreis und einen steuerbaren Gleichrichter mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind und ein Verfahren zum Betrieb des Umrichters, bei dem Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters synchron mit der Schwingkreisspannung des Parallelschwingkreises wechselweise gezündet werden.

Ein solcher Umrichter und das Betriebsverfahren sind aus den Brown Boveri Mitteilungen, Band 53 (1966), Nr. 10. Seiten 693 bis 701 bekannt. Umrichter mit einem Parallelschwingkreis als Last werden insbesondere in induktiven Erwärmungs- und Schmelzanlagen benutzt, wobei die elektrische Energie auf induktivem Wege in das zu erwärmende Gut übertragen wird. Diese

<s Umrichter sind im eingeschwungenen Zustand lastgeführt und die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters wird von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt Der Strom geht dabei in direkter Kommutierung von stromführenden Brückenzweigen des Wechselrichters auf die nachfolgend stromführenden über, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator des Parallelschwingkreises zur Verfügung gestellt wird. Bei diesen Umrichtern treten Probleme auf, wenn ein Betrieb bei höheren Frequenzen erforderlich ist, da

i·; der Frequenzbereich nach oben durch die Kenndaten der Thyristoren des Wechselrichters begrenzt ist. Außerdem sind im allgemeinen besondere Maßnahmen für das Anfahren bzw. Anschwingen des Umrichters erforderlich, da in diesem Betriebszustand Jie Ladung

2(i des Schwingkreiskondensators zur direkten Kommutierung nicht ausreicht. Schließlich bereitet häufig die Anpassung der Last Schwierigkeiten, d;i es während des Betriebes im allgemeinen wegen der Erwärmung zu einer Widerstandsveränderung in der Last und damit zu einer Änderung der Schwingkreisfrequenz kommt.

Es besteht die Aufgabe, mit einer Ausbildung eines Umrichters der eingangs genannten A rt die Probleme in der Anfahrphase zu lösen und ihn gegebenenfalls auch bei höheren Frequenzen betreiben zu können.

in Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit dem Pp.rallelschwingkreis ein Kondensator in Reihe zwischen die Ausgangsklemmen des Wechselrichters geschaltet ist, der wenigstens zusammen mit der Spule des Parallelschwingkreises einen Serienschwing-

r, kreis bildet.

Bei dem erfindungsgemäßen Umrichter wirkt der Serienschwingkreis in Verbindung mit der Wechselrichterbrücke während der Anfahrphase wie eine Hilfskommutierungseinrichtung, wie sie beispielsweise aus der US-PS 35 99 073 bekannt ist. Mit einem Verfahren, wie es dort beschrieben ist, läßt sich daher der erfindungsgemäße Umrichter ohne Schwierigkeiten anfahren, wobei der Kondensator des Parallelschwingkreises zur direkten Kommutierung nicht eingesetzt

4) wird. Gegenüber bekannten Umrichtern ist jedoch der erfindungsgemäße Umrichter im Aufbau sowohl bezüglich der benötigten Bauelemente als auch bezüglich der Steuerung wesentlich einfacher.
Bei einem bevorzugten Verfahren zum Betrieb des

-,ο erfindungsgemäßen, selbstgeführten und wenigstens teilweise lastgetakteten Umrichters liegen zwischen der Zündung der Thyristoren aufeinanderfolgend stromführender Brückenzweige des Wechselrichters π Halbschwingungen bzw. -perioden des Parallelschwingkrei-

-,-, ses, wobei η eine ungerade, natürliche Zahl (n = 1,3, 5...) ist. Für eine Frequenzverfielfachung ist n>\ zu wählen, d. h. die Taktfrequenz mit der die Thyristoren zu zünden sind, ist kleiner als die Frequenz des Parallelschwingkreises. Dabei kann es für die optimale

ho Anregung der Schwingung des Parallelschwingkreises günstig sein, die Frequenz des Serienschwingkreises kleiner als die des Parallelschwingkreises zu wählen. Vorzugsweise wird man die Frequenz des Serienschwingkreises größer als die des Parallelschwingkrei-

b) ses wählen, da man damit auch während des Betriebes die Vorteile des selbstgeführten Wechselrichters beibehält. Die Thyristoren sind allerdings nicht während der gesamten Halbwelle, in der sie gezündet wurden

durchlässig, was sich im allgemeinen jedoch nicht auswirkt Soll jedoch die volle Ausgangsleistung des Wechselrichters erreicht, d, h. sollen die Grenzdaten der Thyristoren voll ausgenützt werden, so ist eine Frequenz des Serienschwingkreises zu wählen, die etwa gleich der des Parallelschwingkreises ist.

Vorteilhaft ist es, die Zahl n, d. h. die Taktfrequenz während des Betriebes zu ändern. Damit erhält man, insbesondere bei konstanter Gleichspannung im Zwischenkreis eine einfache Möglichkeit die abgegebene Leistung schnell zu regeln, die bei bekannten Umrichtern mit dem steuerbaren Gleichrichter geregelt wird. Vorzugsweise sind hierzu die Ausgangsklemmen des Gleichrichters mit einem weiteren Kondensator überbrückt.

Vorteilhaft ist es, die Ausgangsklemmen des Wechselrichters über den Kondensator an Anzapfungen der Spulen des Parallelschwingkreises zu führen. Damit wird die Last mit der Induktorspule angepaßt, was bei hochohmiger und niederohmiger Last zu etwa gleicher Schwingkreisfrequenz führt und womit Änderungen des Lastwiderslandes während des Betriebes ausgeglichen sind.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichter beispielhaft an Hand der F i g. 1 und 2 näher erläutert.

Fi g. 1 zeigt das Schaltbeispiel eines erfindungsgemäßen Umrichters. Ein Wechselrichter 1 ist aus Thyristoren 2, 3, 4 und 5 in Einphasenbriickenschaltung aufgebaut. Die Gleichstromklemmen 6 des Wechselrichters 1 sind über einen Gleichstromzwischenkreis 7 mit Glättungsdrossel 8 und einem Gleichrichter 9 mit einem Drehstromnetz verbunden, das an den Klemmen 10 liegt. Der Gleichrichter 9 ist aus Thyristoren 9a bis 9/ϊη Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Sein Ausgang ist von einem Kondensator 11 überbrückt.

Über die Ausgangsklemmen 12 des Wechselrichters 1 wird ein Parallelschwingkreis 13 als Last gespeist, der aus einer Spule 14, einem Kondensator 15 und einem Da npfungswiderstand 16 besteht, die parallel geschaltet sind. Der Parallelschwingkreis 13 ist in Serie mit einem Kondensator 17 zwischen die Ausgangsklemmen 12 geschaltet. Dabei sind beim Ausführungsbeispiel die Leitungen an Anzapfungen 14a und 14i der Schwingkreisspule 14 geführt und zum Kondensator 17 liegt eine weitere Drossel 18 in Reihe.

Für die Thyristoren 2 bis 5 des Wechselrichters 1 und die Thyristoren 9a bis 9f des Gleichrichters 9 sind Steuereinrichtungen vorzusehen, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Solche Steuersätze für Gleichrichter und für Wechselrichter sind an sich bekannt.

Durch den Kondensator 17 und einen Teil der Parallekchwir.gkreisspule 14 wird ein Serienschwingkreis gebildet, dem im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 auch noch die Glättungsdrossel 8 und die Drossel 18 angehören. Es ist hier zu betonen, daß sowohl die Glättungsdrossel 8 als auch die Drossel 18, unter Umständen auch beide Drosseln für die Schaltung nicht erforderlich sind und weggelassen werden können. Die erwähnten, den Serienschwingkreis bildenden Bauteile sind so auszuwählen, daß die Schwingungsfrequenz des Serienschwingkreises größer, gleich oder kleiner als die Schwingungsfrequenz des Parallelschwingkreises 13 ist. Vorzugsweise werden sie so ausgewählt, daß die Schwingungsfrequenz des Serienschwingkreises größer als die Schwingungsfrequenz des Parallelschwingkreiscs ist. Unter dieser Voraussetzung wird das Betriebsverfahren in Zusammenhang mit F i g. 2 näher geschildert.

In Fig.2 sind die Schwingkreisipannung U, des Parallelschwingkreises 13 und die impulsförmigen Ströme h und h, die über die Thyristoren 2 und 3 fließen, wenn diese durchlässig sind, über der Zeit t aufgetragen.

-, Zum Betrieb des Wechselrichters werden wechselweise Thyristoren 2 und 5 oder 3 und 4 in diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters 1 in Phase mit der Schwingkreisspannung ίΛ gezündet. Damit erhäli man Impulsströme h und /3, die in Phase mit der

id Schwingkreisspannung U_s liegen, wobei durch die Zündung der Thyristoren der Anfang der impulsförmigen Ströme h und /3 so eingestellt wird, daß er vor, im oder nach dem jeweiligen Nulldurchgang der Schwingkreisspannung £Λ liegt Die jeweils gezündeten Thyri-

Γι stören 2 und 5 oder 3 und 4 des Wechselrichters 1 werden jedoch nicht wie beim bekannten Umrichter erst am Ende der zugehörigen Halbwelle der Schwingkreisspannung t/_s des Parallelschwingkreises 13 gelöscht, sondern die Löschung erfolgt vermittels des

21) Serienschwingkreises, der mit dem Kondensator 17

gebildet ist, bereits nach einer '-.npulsdauer -,', die kleiner als eine Halbperiode -,' des Parallelschwingkrei-

J₁ ses ist, da der Serienschwingkreis mit einer größeren Frequenz schwingt als der Parallelschwingkreis. Für die Schwingung des Parallelschwingkreises 13 ist es nicht erforderlich, ihn in jeder Halbwelle anzustoßen. Es kann vielmehr, wie Fig.2 zeigt, nach einer Energieeinspeisung mit einem impulsförmigem Strom h oder I₃ der

Wechselrichter für eine Zeit To bzw. eine Anzahl π =

von Halbschwingungen ungezündet bleiben, in denen dann im Schwingkreis 13 eine gedämpfte Schwingung erfolgt. Um den Parallelschwingkreis 13 im richtigen Takt anzustoßen, muß dabei π eine ungerade natürliche Zahl sein, d. h. η = 1,3,5... usw.

Für eine Frequenzvervielfachung ist n> 1 zu wählen. Damit wird ein Betrieb bei wesentlich höheren Frequenzen ermöglicht, der nicht mehr durch die C^renzdaten der Thyristoren, sondern nur noch durch die Dämpfung des Parallelschwingkreises beschränkt ist, da sichergestellt sein muß, daß die Schwingung im Parallelschwingkreis 13 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen von Thyristoren 2 bis 5 des Wechselrichters 1 wegen der Dämpfung nicht zu stark abnimmt. Günstig ist es hierbei, die Schwingungsfrequenz des Serienschwingkreises kleiner als die des

Parallelschwingkreises zu wählen, da dann ·," größer als '.,' ist und die Zeitfläche der impulsförmigen Ströme A

und /2 die Spannungszeitfläche der Schwingkreisspannung Us völlig überdeckt, womit man eine optimale Anregung des Parallelschwingkreises 13 erhält.

Es kann auch die Zahl η während des Betriebs eine Funktion der Zeit sein und sich ändern. Damit läßt sich die an den Dämpfungswiderstand 16 abgegebene Leistung in ein'acher Weise regeln, wenn man eine konstante Gleichspannung am Eingang des Wechselrichters voraussetzt, die beim Ausführungsbeispiel mit dem Kondensator 11 erreicht wird. Di';se Regelung ist einfacher als die Leistungsregelung beim bekannten Umrichter, die mit dem steuerbaren Gleichrichter erfolgt. Dabei lUßt sich die mit Ausnutzung der Grenzdaten der Thyristoren gegebene volle Ausgangsleistung erhalten, wenn die Schwingungsfrequenz des

Serienschwingkreises etwn gleich der des Parallelschwingkreises 13 ist, wenn also

Durch die Anzapfung 14a und 14i> der Parallelschwingkreisspule 14 wird eine einfache Anpassung der Last an den Wechselrichter erhalten. Da die Last mit der Schwingkreisspule angepaßt ist. bleibt die Schwingkreisfrequenz bei hochohmiger und bei niederohmiger Last etwa gleich, was insbesondere für einen Schmclzprozeß wesentlich ist. bei dem sich der ohmsche Widerstand ändert.

Der Umrichter nach F-* i g. 1 ist noch mit einem Überspannungsschutz ergänzt, der insbesondere bei dem erfindungsgemäßen Umrichter eingesetzt werden kann, bei dem im Wechselrichter Überspannungen auftreten können. Dieser Überspannungsschutz ist mit gestrichelter Linie gezeichnet. Der GläUungsdrossel 10 ist ein Thyristor 19 parallel geschallet, der so gepolt ist, daß eine an der Glättungsdrossel 8 bei Stromabnahme auftretende Selbstinduktionsspannung in Durchlaßrichtung am Thyristor 19 liegt. Die Zündelektrode des Thyristors 19 ist mit dem Ausgang eines Grenzwertmelders 20 verbunden, dessen Eingänge mit den Gleichstromeingängen 6 des Wechselrichters 1 verbunden sind. Tritt eine Überspannung auf, so wird über den Grenzwertmelder 20 der Thyristor 19 gezündet, der die Glättungsdrossel 10 überbrückt. Die Überspannung wird damit abgebaut, wobei zu betonen ist, daß beim Ansprechen des beschriebenen Ubcrspannungsschut7.cs der Umrichter nicht abgeschaltet werden muß.

Hierzu I Blatt/.ckhnuiincn

Claims

Patentansprüche:

1. Umrichter mit einem Wechselrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung, dessen Ausgangsklemmen mit einem Parallelschwingkreis und dessen Eingangsklemmen über einen Gleichstromzwischenkreis und einen steuerbaren Gleichrichter mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Parallelschwingkreis (13) ein Kondensator (17) in Reihe zwischen die Ausgangsklemmen (12) des Wechselrichters (1) geschaltet ist, der wenigstens zusammen mit der Spule (14) des Parallelschwingkreises (14,15) einen Serienschwingkreis bildet

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Serienschwingkreises (17, 14) größer als die Frequenz des Parallelschwingkreises (14,15) ist

3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen (12) des Wechselrichters (1) über den Kondensator (17) an Anzapfungen (14a, Ub) der Spule (14) des Parallelschwingkreises geführt sind.

4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Kondensator (17) eine Drossel (18) in Reih.5 geschaltet ist.

5. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen des Gleichrichters (9) von einem weiteren Kondensator (11 ) überbrückt sind.

6. Verfahren zum Betrieb eines Umrichters nach einem der Ansprüche 1 bk 4, bei dem Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters synchron mit der Schw:ngkrf-^:-spannung des Parallelschwingkreises wechselweise gezündet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zündung der Thyristoren (2, 5 oder 3, 4) aufeinanderfolgend stromführender diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters (1) η Halbschwingungen des Parallelschwingkreises (13) liegen, wobei η eine ungerade natürliche Zahl (n = 1,3,5,...) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzverfielfachung n> 1 gewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungssteuerung die Zahl π während des Betriebes verändert wird.