DE2615691B2 - Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Sättigung des Eisenkernes des Wechselrichtertransformators eines Wechselrichters - Google Patents

Description

glied mit der Einrichtung zur betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes verbunden ist, wobei ein Anstieg des Magnetisierungsstromes im Sinne einer Absenkung der Steuerspannung für den Steuersatz des Wechselrichters wirkt. Eine andere Möglichkeit sieht vor, daß ein Verstärker in den Spannungsregelkreis eingeschaltet ist, der mit dem betreffenden Regelkreissignal und über ein Differenzierglied mit der Einrichtung aus betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes verbunden ist, wobei ein Anstieg des Magnetisierungsstromes wiederum im Sinne einer Absenkung der Steuerspannung für den Steuersatz des Wechselrichters wirkt Der genannte Verstärker kann im Regelgrößenkanal oder im Führungsgrößenkanal des Spannungsreglers, vorzugsweise aber im Ausgang des Spannungsreglers angeordnet sein.

Die beim Beginn der Sättigung auszulösende momentane vorzeitige Beendigung der jeweils am Wechselrichtertransformator anliegenden Spannungshalbwelle kann jedoch auch durch einen Eingriff in den Steuersatz bewirkt werden.

Bei einem Wechselrichter, dessen Eingangsgleichspannung über einen nach dem Zerhackerprinzip arbeitenden Gleichstromsteller geführt ist, kann die beim Beginn der Sättigung ausgelöste momentane vorzeitige Beendigung der jeweils am Wechselrichtertransformator anliegenden Spannungshalbwelle durch einen Eingriff in die Steuereinrichtung des Gleichstromstellers derart erfolgen, daß der Gleichstromsteller vorzeitig gesperrt gesteuert wird. Dies kann durch Aufschaltung des Differentialquotienten des Betrags des Magnetisierungsstromes auf die Spannungsregelung des Gleichstromstellers erfolgen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Eingriffes in die Spannungsregelung eines Wechselrichters,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Stromwandleranordnung zur Erfassung des Magnetisierungsstromes,

F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromwandleranordnung zur betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes,

Fig.5—7 weitere Ausführungsbeispiele von Eingriffen in die Spannungsregelung von Wechselrichtern,

F i g. 8 und 9 Ausführungsbeispiele von digitalarbeitenden Stromwandleranordnungen zur betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes,

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen über einen Gleichstromsteller gespeisten Wechselrichter.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist ein Verbraucher 1 über einen Wechselrichtertransformator 4 an einen Wechselrichter 2 angeschlossen, der aus einer Gleichspannungsquelle 3 gespeist wird, die beispielhaft als Batterie dargestellt ist Es sind jedoch beliebige andere Gleichspannungsquellen möglich. Dem Wechselrichter 2 ist eine Steuereinheit zugeordnet, die einen Steuersatz 8 und einen Spannungsregler 9 enthält. Der Steuersatz 8 erzeugt Zündimpulse für die gesteuerten Ventile des Wechselrichters 2, deren ZUndwinkel von der ihm am Eingang Sa zugeführten Steuerspannung bestimmt wird. Es wird angenommen, daß eine Erhöhung der Steuerspannung am Eingang 8a des Steuersatzes 8 eine Vergrößerung des Effektivwertes der Wechselrichter-Ausgangsspannung bewirkt

Der als PI-Regler ausgebildete und unsymmetrisch betriebene Regelverstärker 9, dessen Rückführung mit der Reihenschaltung eines Kondensators 11 und eines Widerstandes 12 beschaltet ist, ist mit seinem invertierenden Eingang an einen Vergleichspunkt 16 angeschlossen, der mit dem Führungsgrößenkanal, dem Regelgrößenkanal und einem zusätzlichen Kanal beschaltet ist Der Führungsgrößenkanal liegt über einem Eingangs-Widerstand 14 an einem mit einer konstanten Gleichspannung gespeisten Potentiometer 15 zur Einstellung des Sollwertes. Der Regelgrößenkanal ist über einen Eingangs-Widerstand 13, über eine Gleichrichterschaltung 22, die erforderlichenfalls noch eine Glättung und eine Anpaßschaltung enthalten kann, mit einem Meßfühler 21 für die Verbraucherspannung verbunden. Der Meßfühler 21 kann auch im Ausgang des Wechselrichters 2 angeordnet sein. Der nichtinvertierende Eingang des Regelverstärkers 9 liegt über einen Widerstand 10 am Bezugspotential.

Zur Erfassung des Magnetisierungsstromes ist ein Differenzstromwandler 5 vorgesehen, der eine erste, vom Strom in den Primärwicklungen 4p des Wechselrichtertransformators 4 durchflossene Primärwicklungen ρ 1 und eine zweite, vom Strom in der Sekundärwicklung 4s des Wechselrichtertransformators 4 durchflossene Primärwicklung ρ 2, sowie eine Sekundärwicklung s aufweist Durch die Windungszahlen der Primärwicklungen wird die Gewichtung und durch ihren Wicklungssinn die Polarität der Transformatorströme berücksichtigt Die Windungszahlen der beiden Primärwicklungen pi und ρ2 des Differenzstromwandlers 5 stehen im gleichen Verhältnis zueinander wie die Windungszahlen von Primärwicklungen Ap und Sekundärwicklung 4s des Wechselrichtertransformators 4.

Der Wicklungssinn der beiden Primärwicklungen ρ 1 und ρ 2 des Differenzstromwandlers 5 ist derart, daß die Ströme gegensinnige magnetische Durchflutungen hervorrufen. Unterschiede in den magnetischen Durchflutungen erzeugen in der Sekundärwicklung s einen Strom, der an den Ausgangsklemmen 6, 7 abgegriffen und in einer Gleichrichterbrückenschaltung 20 gleichgerichtet wird. Die Gleichrichterbrückenschaltung 20 ist mit einem Bürdenwiderstand 18 abgeschlossen, dem ein Kondensator 19 zur Unterdrückung von Störspannungsspitzen parallelgeschaltet ist Die Spannung am Bürdenwiderstand 18 bildet den Betrag des Magnetisierungsstromes ab. Die an der Klemme 60 abgegriffene

so Spannung am Bürdenwiderstand 18 wird dem Vergleichspunkt 16 des Regelverstärkers 9 über ein Differenzierglied zugeführt, das eine Reihenschaltung eines Kondensators 17a und eines Widerstandes XJb umfaßt Ein über den normalen wechselstrommäßigen Verlauf hinausgehender starker Anstieg des vom Differenzstromwandler 5 erfaßten und in der Gleichrichterbrückenschaltung 20 betragsmäßig umgesetzten Magnetisierungsstromes wirkt sich am Regelverstärker 9 wie eine plötzliche Absenkung des Sollwertes aus. Die Steuerspannung am Ausgang des Regelverstärkers 9 sinkt und die nächste Kommutierung des Wechselrichters 2 wird bereits zu einem früheren Zeitpunkt eingeleitet, als dies ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen der Fall wäre. Damit wird ein weiterer Anstieg des Magnetisierungsstromes und eine Sättigung des Transformatorkerns des Wechselrichtertransformators 4 zuverlässig verhindert
Die in F i g. 1 dargestellte Aufschaltung des Differen-

tialquotienten des Betrags des Magnetisierungsstromes auf den Vergleichspunkt 16 des Regelverstärkers 9 erfordert keinerlei Änderungen in der Steuereinrichtung des Wechselrichters und kann auch bei vorhandenen Anlagen nachträglich eingebaut werden.

In der Darstellung der F i g. 2 sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Der Regelverstärker 9 ist bezüglich seiner Rückführung und der Beschattung des Führungsgrößenkanals und des Regelgrößenkanals wie to im bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel der F i g. 1 aufgebaut Der Ausgang des Regelverstärkers 9 ist über einen Widerstand 25 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines als Spannungsfolger beschalteten Operationsverstärkers 24 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 24 ist außerdem mit dem Differenzierglied 17a, 176 verbunden, das in der bereits beschriebenen Weise über die Klemme 60 an den Bürdenwiderstand 18 und die Gleichrichterbrückenschaltung 20 angeschlossen ist, die von der Einrichtung 5 zur Erfassung des Magnetisierungsstromes gespeist ist Der Operationsverstärker 24 arbeitet in der dargestellten Beschallung als Vergleicher, dessen Ausgangsspannung dem Eingang 8a des Steuersatzes 8 als Steuerspannung zugeführt wird. Bei einem Anstieg des Magnetisierungsstromes wird die Steuerspannung für den Steuersatz abgesenkt

Bei der in Fig.2 dargestellten Aufschaltung des Differentialquoiienten des Betrags des Magnetisierungsstromes auf die Steuerspannung für den Steuer- 3u satz ist der Einfluß des integralen Verhaltens der Spannungsregler 9 eliminiert

F i g. 3 zeigt einen Stromwandler 5a zur Erfassung des Magnetisierungsstromes eines komplizierten aufgebauten Wechselrichtertransformators 4a mit einer Primär- wicklung Aq und einer Sekundärwicklung 4r, an die der Verbraucher 1 angeschlossen ist Der Wechselrichter 2a ist in bekannter Weise aufgebaut Für jede Polarität seiner Ausgangsspannung ist ein Brückenzweig mit zwei Thyristoren π 1, λ 2 bzw. η 3, π 4, die jeweils über eine Induktivität L1 bzw. L 2 miteinander verbunden sind, und jeweils ein Brückenzweig mit zwei antiparallelen Dioden dl, d2 bzw. d3, dA vorgesehen. Die Ausgänge des Wechselrichters 2a sind an die Endanschlüsse 26 und 29 und an Anzapfungen 27 und 28 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a geschaltet.

Der Stromwandler 5a enthält eine vom Strom in der Sekundärwicklung 4rdes Wechselrichtertransformators 4a durchflossene Primärwicklung ρ 15, sowie weitere Primärwicklungen ρ 11—ρ 14, die an die Ausgänge des Wechselrichters 2a angeschlossen sind. Die Windungszahlen und der Wickelsinn der Primärwicklungen pll—ρ 15 sind den Windungszahlen der entsprechenden Transformatorwicklungen so zugeordnet, daß ein in der Sekundärwicklung s' des Stromwandlers 5a induzierter und an den Ausgangsklemmen 6a, 7a abgegriffener Strom ein Abbild des Magnetisierungsstromes des Wechselrichtertransformators 4a ist

Der Mittelpunkt der Induktivität L 2 im Wechselrichter 2a ist über die Primärwicklung pH des Stromwandlers 5a mit dem Endanschluß 29 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators verbunden. Die Windungszahlen der Primärwicklung pH des Stromwandlers 5a entspricht der Windungszahl zwischen dem Mittelpunkt 30 und dem Endanschluß 29 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a, multJDliziert mit einem konstanten Faktor. Die Windungszahl der Pirmärwickhing ρ 12 des Stromwandlers 5a entspricht der Windungszahl zwischen dem Mittelpunkt 30 und dem Anschluß 28 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a, multipliziert mit dem gleichen Faktor. Die Windungszahl der Primärwicklung ρ 13 des Stromwandlers 5a entspricht der Windungszahl zwischen dem Mittelpunkt 30 und dem Anschluß 27 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a, multipliziert mit dem gleichen Faktor. Die von der Primärwicklung ρ 13 hervorgerufene Durchflutung ist der von der Wicklung ρ 12 hervorgerufenen Durchflutung entgegengerichtet Die Windungszahl der Primärwicklung ρ 14 des Stromwandlers 5a entspricht der Windungszahl zwischen dem Mittelpunkt 30 und dem Endanschluß 26 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a, multipliziert mit dem gleichen Faktor. Die von der Primärwicklung ρ 14 hervorgerufene magnetische Durchflutung ist der von der Primärwicklung pH hervorgerufenen Durchflutung entgegengerichtet. Die Windungszahl der Primärwicklung ρ 15 des Stromwandlers 5a entspricht der Windungszahl der Sekundärwicklung Ar des Wechselrichtertransformators 4a, multipliziert mit dem gleichen Faktor. Die von den Primärwicklungen pH und ρ 12 hervorgerufenen magnetischen Durchflutungen sind den in den Primärwicklungen ρ 13, ρ 14, ρ 15 hervorgerufenen Durchflutungen entgegengerichtet

im Ausiuhrungsbeispie! der Fig.4 ist der Verbraucher 1 über einen Wechselrichtertransformator Ab an einen Wechselrichter 2b angeschlossen. In den Verbindungsleitungen vom Wechselrichter 2b zur Primärwicklung des Wechselrichtertransformators Ab sind Stromwandler 40—43 angeordnet In der Verbindungsleitung von der Sekundärwicklung des Wechselrichtertransformators Ab zum Verbraucher 1 ist ein weiterer Stromwandler 44 angeordnet Als Stromwandler können — ebenso wie in den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung — elektromagnetisch arbeitende Wandler, Hall-Wandler, elektronische Zerhackerwandler oder Wandler nach dem Prinzip von Spannungs-Frequenz-Wandlern verwendet werden, wobei letztere mit allen Spannungstrennungsarten arbeiten können, wie beispielsweise auf induktiven oder optischen Weg oder mit Hilfe von Ultraschall Die Stromwandler 40—44 sind jeweils mit ihrem einen Anschluß mit dem Bezugspotential und mit ihrem anderen Anschluß über einen der Eingangswiderstände 46—49 bzw. über den Eingangswiderstand 39 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 45 verbunden. Die Rückführung des Operationsverstärkers 45 ist mit einem ohmschen Widerstand 50 beschaltet Sein nichtinvertierender Eingang liegt über einen Widerstand 51 am Bezugspotential. In der dargestellten Beschattung arbeitet der Operationsverstärker 45 als Summierverstärker, wobei beispielsweise die Ausgangsspannungen der Stromwandler 40, 41 und 44 mit negativer Polarität und die Ausgangsspanungen der Stromwandler 42 und 44 mit positiver Polarität wirksam werden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 45 ist dem Magnetisierungsstrom proportional.

Als Stromwandler 40—44 können einheitlich aufgebaute Wandler verwendet werden, insbesondere auch sogenannte Durchsteckwandler. Ein Durchsteckwandler enthält eine Sekundärwicklung auf einem Eisenkern, der über eine die Primärwicklung bildende Stromschiene gesteckt wird. Bei einheitlicher Wandlerübersetzung werden die Transformatorströme über die Widerstands-

werte der Eingangswiderstände 46—49 und 39 gewichtet. Diese Eingangswiderstände sind jeweils der zugehörigen wirksamen Windungszahl der Primäröder Sekundärwicklungen des Wechselrichtertransformators umgekehrt proportional

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 43, die den Magnetisierungsstrom abbildet, wird einer Gleichrichterschaltung zugeführt Die Gleichrichterschaltung enthält einen Operationsverstärker 58, dessen Rückführung mit einem ohmschen Widerstand 57 beschaltet ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 58 liegt über einen Eingangswiderstand 54 und eine Diode 52 am Ausgang des Summierverstärkers 45, sowie über einen weiteren Widerstand 56 am Bezugspotential. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 58 liegt über einen Eingangswiderstand 55 und eine antiparallel geschaltete Diode 53 am Ausgang des Summierverstärkers 45, sowie über einen weiteren Widerstand 59 am Bezugspotential. Die Spannung am Ausgang 60 des Operationsverstärkers 58 ist dem Betrag des Magnetisierungsstromes proportional. *

F i g. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Steuersatz 8 eines Wechselrichters. Die Spannung an Klemme 60, die dem Betrag des Magnetisierungsstromes proportional ist, wird auf ein Differenzierglied geführt, das einen Operationsverstärker 61 enthält, dessen invertierender Eingang mit der Reihenschaltung eines Kondensators 17a und eines Widerstandes 176 beschaltet ist Die Rückführung des Operationsverstärkers 61 ist mit einem ohmschen Widerstand 63 beschaltet Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 61 liegt über einen Widerstand 62 am Bezugspotential. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 61 ist der zeitlichen Änderung des Betrages des Magnetisierungsstromes proportional. Der Ausgang des Operationsverstärkers 61 ist über einen Eingangswidersand 64 mit dem Vergleichspunkt 16 des Regelverstärkers 9 verbunden, der im übrigen mit dem Führungsgrößenkanal und dem Regelgrößenkanal in der gleichen Weise wie in F i g. 1 beschaltet ist

F i g. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Steuersatz 8 eines Wechselrichters. Das Differenzierglied ist in der gleichen Weise aufgebaut und beschaltet wie in Fig.5. Der Spannungsregler 9 ist in der gleichen Weise aufgebaut und beschaltet wie in Fig.2. Der Ausgang des Spannungsreglers 9 ist über einen Eingangswiderstand 25 und der Ausgang des Differenziergliedes ist über einen Eingangswiderstand 64 mit dem nichtinvertierenden Eingang einen als Spannungsfolger betriebenen Operationsverstärkers 24 verbunden, der bereits in Fig.2 beschrieben wurde. Der Ausgang des Spannungsfolgers 24 ist mit dem Eingang 8a des Steuersatzes 8 verbunden.

Fig.7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Vergleichspunkt 16 des Spannungsreglers 9 mit dem Führungsgrößenkanal, dem Regelgrößenkanal und über ein Differenzierglied mit der Klemme 60 verbunden ist, an der eine dem Betrag des Magnetisierungsstromes proportionale Spannung ansteht Die Wirkungsweise der Schaltung ist analog zur Schaltung nach F i g. 1.

Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden die Verarbeitung von analogen Spannungen. Es sind jedoch auch . Schaltungen möglich, die mit eingeprägten Stromsignalen oder mit anderen Mitteln der Informationsverarbeitung realisiert werden, insbesondere auch mit Bausteinen der Digitaltechnik.

F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer digitalen Lösung. Der Verbraucher 1 ist über einen Wechselrichtertransformator 4c mit einem Wechselrichter 2 verbunden. In den Zuleitungen zu den Wicklungen des Wechselrichtertransformators 4c sind digital arbeitende Stromwandler 70 und 71 eingeschaltet Die digitalen Stromwandler können beispielsweise mit einer Betriebsfrequenz von 20 MHz arbeiten, wobei eine

ίο Abfrage mit 10 kHz erfolgt Die Ausgangsfrequenzen der digitalen Stromwandler sind den jeweiligen Strömen proportional.

Den digitalen Stromwandlern 70 bzw. 71 sind Frequenzteilerschaltungen 72 bzw. 73 nachgeschaltet, deren Teilverhältnisse jeweils entsprechend den Windungszahlen der Primärwicklung bzw. der Sekundärwicklung des Wechselrichtertransformators 4c eingestellt sind. Die Gewichtung der Ströme in den Wicklungen des Wechselrichtertransformators erfolgt somit durch die Teilerverhältnisse der Frequenzteilerschaltungen.

Die Frequenzteilerschaltungen 72 und 73 sind mit den Zähleingängen eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 74 verbunden, beispielsweise ist die Frequenzteilerschal tung 73 mit dem Vorwärts-Zähleingang und die Frequenzteilerschaltung 72 mit dem RUckwärts-Zähleingang des Zählers 74 verbunden. Die Differenzbildung der gewichteten Transformatorströme erfolgt somit im Vorwärts-Rückwärts-Zähler 74, an dessen Datenausgängen eine dem Magnetisierungsstrom proportionale Zahl erscheint. Diese Zahl wird für ein Abfrageintervall in einem Register 77 gespeichert Es wird jeweils nur die absolute Zahl vom Ausgang des Zählers 74 ins Register 77 übernommen. Das Vorzei chen der Zahl am Zählerausgang wird nicht weiter verfolgt Dies ist eine digitale Gleichrichtung, wodurch die im Register 77 gespeicherte Zahl dem Betrag des Magnetisierungsstromes entspricht Der Inhalt des Registers 77 wird in einem Digital-Analog-Wandler 78 in eine analoge Spannung umgesetzt, die an Klemme 60 erscheint und dem Betrag des Magnetisierungsstromes entspricht Die Spannung an Klemme 60 kann in einer der bereits beschriebenen Weisen differenziert und weiter verarbeitet werden.

Zur Festlegung des Abfragetaktes ist ein Impulsgeber (dock) 75 vorgesehen, der den Übernahmeeingang des Registers 77 und über ein Impulsverzögerungsglied 76 den Rücksetzeingang des Zählers 74 beaufschlagt Die zyklische Abfrage der Stromwandler erfolgt somit in der bei digitalen Meßschaltungen üblichen Weise.

Fig.9 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer digitalen Lösung. Die Ströme in den Wicklungen des Wechselrichtertransformators 4cwerden wiederum von digital arbeitenden Stromwandlern 70 und 71 erfaßt und in Frequenzteilerschaltungen 72 und 73 durch die entsprechenden Windungszahlen dividiert. Die Ausgangsimpulse der Frequenzteilerschaltungen 72 und 73 werden den Eingängen von Vorwärts-RUckwärts-Zählern 80 und 81 in der Weise zugeführt, daß beispielsweise der Frequenzteiler 72 mit den Rückwärts-Zähleingängen der Zähler 80 und 81 und der Frequenzteiler 73 mit den Vorwärts-Zähleingängen der Zähler 80 und 81 verbunden ist. Die Datenausgänge der beiden Zähler 80 bzw. 81 sind mit Registern 82 bzw. 83 verbunden. Ein digitaler Subtrahierer 84, beispielsweise ein Differenzgatter, bildet die Differenz der gespeicherten Registerinhalte. Ein Impulsgeber (dock) 75 zur Vorgabe des

Abfragetaktes ist mit dem Rücksetzeingang des Zählers 80 und mit dem Obernahmeeingang des Registers 82 sowie über eine Impulsumkehrstufe 85 mit dem Rücksetzeingang des Zählers 81 und dem Übernahmeeingang des Registers 83 verbunden. Es werden jeweils nur die absoluten Zahlenwerte ohne Berücksichtigung der Vorzeichen von den Zählern in die Register übernommen. Die Zähler 80 bzw. 81 werden vom Impulsgeber 75 abwechselnd freigegeben bzw. rückgesetzt Während der Zähler 80 rückgesetzt wird, läuft der ι ο Zähler 81, und umgekehrt Die Übernahme der Zählerstände in die nachgeordneten Register erfolgt jeweils nach Ablauf der Freigabezeit für einen Zähler. Der Subtrahierer 84 bildet die Differenz der Registerinhalte und damit auch die Differenz der zeitlich '5 aufeinanderfolgenden Zählerstände. Die Ausgangsfrequenz des Subtrahierers 84 stellt bei konstantem Abfragetakt ein MaB für den Differentialquotienten des Betrages des Magnetisierungsstromes dar. Die Ausgangsfrequenz des Subtrahierers 84 wird über einen Digital-Analog-Wandler 78 in eine analoge Spannung umgesetzt, die dem Differentialquotienten des Betrags des Magnetisierungsstromes proportional ist und nach einem der bereits beschriebenen Beispiele weiter verarbeitet werden kann.

Während im Ausführungsbeispiel der Fig.8, das beispielsweise mit einem Ein-Register-Microprozessor realisierbar ist, jeweils zwischen den Zählzeitabschnitten inaktive Zeitabschnitte (handling-time) für das Rücksetzen des Zählers und die Übernahme des Zählerstandes in das Register liegen, treten beim Ausführungsbeispiel der F i g. 9, das mit einem Zwei-Register-Microprozessor realisiert werden kann, keine inaktiven Zeitabschnitte auf. In F i g. 9 läuft immer einer der beiden Zähler.

Eine digitale Auswertung, wie sie in den F i g. 8 und 9 anhand von digitalen Bausteinen dargestellt und beschrieben wurde, kann insbesondere auch mit Hilfe eines Digitalrechners erfolgen, beispielsweise eines Microprozessors.

Digitale Auswertungen können auch bei Wechselrichtertransformaturen eingesetzt werden, die komplizierter aufgebaut sind, beispielsweise bei dem in den F i g. 3 und 4 dargestellten Wechselrichtertransformatoren. Es ist jeweils nur auf eine vorzeichenrichtige Beschattung der digitalen Stromwandler mit den Vorwärts-Zähleingängen bzw. den Rückwärts-Zähleingängen der Vorwärts-Rückwärts-Zähler sowie auf Teilerverhältnisse der Frequenzteilerschaltungen zu achten, die den Windungszahlen der betreffenden Transformatorwicklungen bzw. Teilwicklungen entsprechen.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Verbraucher 1 über einen Wechselrichtertransformator 4c/ mit einem Wechselrichter 2 verbunden ist, dessen Eingangsgleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle 3 über einen Gleichstromsteller 89 nach dem Zerhackerprinzip geführt ist Der Gleichstromsteller 89 kann in bekannter Weise von einer Steuereinrichtung 90 gesteuert werden, die eine Spannungsregelung und einen Steuersatz enthält Der Magnetisierungsstrom des Wechselrichtertransformators 4c/ wird wiederum durch Differenzbildung des gewichteten Primärstromes und des gewichteten Sekundärstromes des Wechselrichgertransformators gebildet, die von Stromwandlern 86 und 87 erfaßt werden. Eine den Stromwandlern 86,87 nachgeschaltete Einrichtung 88 erzeugt ein Signal, das dem Differentialquotienten des Betrages des Magnetisierungsstromes proportional ist Dieses Signal beaufschlagt zusätzlich die Steuereinrichtung 90 des Gleichstromstellers 89 im Sinne, daß bei einer starken Erhöhung des Differentialquotienten des Magnetisierungsstromes der Gleichstromsteller 89 vorzeitig gesperrt gesteuert wird. Dies kann beispielsweise in der gleichen Weise geschehen, wie dies bei den Steuereinrichtungen für Wechselrichter bereits beschrieben wurde.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Sättigung des Eisenkerns des Wechselrichtertransformators eines Wechselrichters mit einer Steuereinrichtung, die die Spannungszeitflächen der Wechselrichterhalbwellen steuert, wobei die Steuereinrichtung von einer den Magnetisierungszustand des Eisenkernes erfassenden Meßeinrichtung beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung als Einrichtung zur betragsmäßigen Erfassung und Differenzierung des Magnetisierungsstromes des Eisenkernes des Wechselrichtertransformators ausgebildet ist und daß die Beeinflussung der Steuereinrichtung des Wechselrichters in Abhängigkeit vom Differentialquotienten des Magnetisierungsstromes in der Weise vorgesehen ist, daß durch den beim Beginn der Sättigung auftretenden stark erhöhten Differentialquotienten die jeweils am Wechselrichtertransformator anliegende Spannungshalbwelle momentan vorzeitig beendet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Magnetisierungsstromes Stromwandler in den Zuleitungen zur Primärwicklung und zur Sekundärwicklung des Wechselrichtertransformators vorgesehen sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzstromwandler (5) mit zwei Primärwicklungen (p 1, ρ 2) und mit einer Sekundärwicklung (s) vorgesehen ist, wobei die beiden Primärwicklungen (pi, ρ2) des Differenzstromwandlers (5) vom Primärstrom und vom Sekundärstrom des Wechselrichtertransformators (4) durchflossen sind und das Windungszahlenverhältnis der Primärwicklungen (p 1, ρ 2) des Differenzstromwandlers (S) dem Windungszahlenverhältnis der Wicklungen (4p, 4s) des Wechselrichtertransformators (4) entspricht (Fig. 1).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 für einen Wechselrichter, dessen Primärwicklung über Endanschlüsse und Zwischenanzapfungen mit den Ausgängen des Wechselrichters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromwandleran-Ordnung (5a) vorgesehen ist, die eine vom Sekundärstrom des Wechselrichtertransformators (4a) durchflossene Primärwicklung (p 15), eine der Anzahl der Teilwicklungen der Primärwicklung (4q) des Wechselrichtertransformators (4a) entsprechende Anzahl von weiteren Primärwicklungen (p 11 — ρ 14) sowie eine Sekundärwicklung (ä) aufweist, wobei die Windungszahlen und der Wicklungssinn der Primärwicklungen (p 11-p 15) der Stromwandleranordnung (Sa) entsprechend den Windungszahlen der ^5S Wicklungen bzw. der Teilwicklungen des Wechselrichtertransformators (4a) und deren Stromflußrichtung gewählt ist (F i g. 3).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzstromwandler (5) bzw. die Stromwandleranordnung (Sa) einen Kern mit Luftspalt aufweist

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß in den Zuleitungen zur Primärwicklung und zur Sekundärwicklung des Wechselrichtertransformators (4b) Stromwandler (40—44) vorgesehen sind, die mit einer Summiereinrichtung verbunden sind, wobei die Gewichtungen der Summiereingänge den wirksamen Windungszahlen der jeweiligen Wicklungen bzw. Teilwicklungen des Wechselrichtertransformators (46) umgekehrt proportional sind und des Vorzeichen bzw. die Polarität der Summiereingänge dem jeweiligen Wicklungssinn entspricht (F i g. 4).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stromwandler (70, 71) mit digitalen Ausgangssignalen vorgesehen sind, die jeweils über Frequenzteiler (72, 73) mit einem der jeweiligen Windungszahl der betreffenden Wicklung bzw. der betreffenden Teilwicklung des Wechselrichtertransformators (46) entsprechenden Teilerverhältnis den Vorwärts- bzw. Rückwärts-Zähleingängen eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers (74) zugeführt sind (F i g. 8).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stromwandler vorgesehen sind, die nach dem Hallwandler-Prinzip, dem Spannungs-Frequenz-Wandler-Prinzip oder dem Prinzip von elektronischen Zerhackerwandiern arbeiten.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die beim Beginn der Sättigung ausgelöste momentane vorzeitige Beendigung der jeweils am Wechselrichtertransformator anliegenden Spannungshalbwelle durch eine vorzeitige Einleitung der nächstfolgenden Kommutierung des Wechselrichters erfolgt

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 für einen spannungsgeregelten Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, daß zur vorzeitigen Einleitung der nächstfolgenden Kommutierung des Wechselrichters eine Aufschaltung des Differentialquotienten des Betrags des Magnetisierungsstromes bei der Spannungsregelung in der Steuereinrichtung des Wechselrichters vorgesehen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichspunkt (16) für den Sollwert-Istwert-Vergleich bei der Spannungsregelung zusätzlich über ein Differenzierglied (Kondensator 17a, Widerstand YIb) mit der Einrichtung zur betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes verbunden ist, wobei ein Anstieg des Magnetisierungsstromes im Sinne einer Absenkung der Steuerspannung für den Steuersatz (68) des Wechselrichters (2) wirkt (F i g. 1).

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (24) in den Spannungsregelkreis eingeschaltet ist der mit dem betreffenden Regelkreissignal und über ein Differenzierglied (Kondensator 17a, Widerstand Y!b)mAder Einrichtung zur betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes verbunden ist, wobei ein Anstieg des Magnetisierungsstromes im Sinne einer Absenkung der Steuerspannung für den Steuersatz (8) des Wechselrichters wirkt (F i g. 2).

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker im Ausgang des Spannungsreglers angeordnet ist

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für einen Wechselrichter, dessen Eingangsgleichspannung über einen nach dem Zerhackerprinzip arbeitenden Gleichstromsteller geführt ist, dadurch gekennzeichnet daß die beim Beginn der Sättigung ausgelöste momentane vorzeitige Beendigung der jeweils am Wechselrichtertransformator (4d) anliegenden Spannungshalbwelle durch einen Eingriff in die Steuereinrichtung (90) des Gleichstromstellers

(89) derart erfolgt, daß der Gleichstromsteller (8S) vorzeitig gesperrt gesteuert wird (F i g. 10).

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Sättigung des Eisenkerns des Wechselrichtertransformators eines Wechselrichters mit einer Steuereinrichtung, die die Spannungszcitflächen der Wechselrichterhalbwellen steuert, wobei die ι ο Steuereinrichtung von einer den Magnetisierungszustand des Eisenkerns erfassenden Meßeinrichtung beeinflußbar ist Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt (DE-OS 2? 46 901).

Bei Wechselrichtertransformatoren besteht die Gefahr einer Sättigung des Transformatorkerns, wenn die Ausgangsspannung des Wechselrichters nicht vollkommen frei von Gleichspannungskomponenten ist, dh. wenn die positiven und negativen Spannungszeitflächen in der Ausgangsspannung des Wechselrichters nicht gleich groß sind. Unterschiede in den positiven und negativen Spannungszeitflächen können durch verschiedene Einflüsse hervorgerufen werden, beispielsweise durch eine Welligkeit der eingangsseitigen Gleichspannung, durch unterschiedliche Durchlaßspannungsabfälle der gesteuerten Wechselrichterventile, durch asymmetrische Ansteuerung oder durch unterschiedlichen Zündverzug der gesteuerten Wechselrichterventile, durch unterschiedliche Impedanzen in den Zuleitungen der einzelnen Ventile oder durch dynamische Regelvorgänge Bereits kleine Gleichspannungskomponenten können infolge der sehr kleinen ohmschen Widerstände in den Ventilzweigen des Wechselrichters zu großen Gleichstromkomponenten führen. Die Spitzenwerte des Magnetisierungsstromes können rasch erhebliche Werte erreichen. Insbesondere bei Wechselrichtern mit Halbleiterventilen wirken sich hohe Spitzenwerte des Magnetisierungsstromes störend aus, da sie zu einer Überlastung der Halbleiterventile führen können. Es ist deshalb üblich, Wechselrichter- +0 transformatoren eisenmäßig reichlich zu bemessen und ihre Magnetisierungskennlinie durch einen Luftspalt zu verflachen. Bei einem Transformator, dessen Eisenkern einen Luftspalt aufweist, wird ein größerer Wechselstrom zur Magnetisierung des Eisenkerns benötigt, jedoch können sich bei Überlagerung einer Gleichstromkomponente keine so hohen Spitzenwerte des Magnetisierungsstromes ausbilden wie bei Transformatoren, deren Eisenkern keinen Luftspalt aufweist. Die genannten Maßnahmen sind jedoch kostenaufwendig und bieten keine ausreichende Sicherheit

Bei dem aus der DE-OS 2146 901 bekannten Wechselrichter wird eine Sättigung des Eisenkerns des Wechselrichtertransformators durch eine magnetisch empfindliche Einrichtung zur Überwachung der Magnetfiußzustände der Halbwellen der Ausgangswechselspannung des Wechselrichtertransformators verhindert. Die Einrichtung erzeugt ein Ausgangssigaal entsprechend dem Magnetflußgleichgewicht, in alternierenden Halbwellen, welches die Steuereinrichtung des Wechselrichters beeinflußt Als Meßsonde für den Magnetflußzustand im Wechselrichtertransformator ist ein schmaler, C-förmiger Eisenkern mit einer Wicklung vorgesehen, der einen schlitzförmigen, gestuften Luftspalt im Eisenkern des Wechselrichtertransformators derart überbrückt daß dieser Luftspalt relativ frei vom Magnetfluß ist wenn nicht am Ende einer Hystereseschleife eine Sättigung bevorsteht. Sobald die Magnetflüsse in alternierenden Halbwellen der Ausgangsspannung des Wechselrichters ungleich werden und eine mögliche Sättigung des Kernes anzeigen, gibt die Wicklung der Meßsonde ein Signal als Zeichen der Unausgeglichenheit ab. Dieses Signal beeinflußt die Steuereinrichtung des Wechselrichters derart, daß die Größe der die Sättigung bewirkenden einen Spannungszeitflächen der einen Wechselspannungshalbwellen vermindert und die Spannungszeitflächen der anderen Wechselspannungshalbwellen vergrößert werden. Bei dieser bekannten Anordnung ist somit eine meßtechnisch aufwendige Erfassung des Magnetflußzustandes im Eisenkern des Wechselrichtertransformators vorgesehen, der zu diesem Zweck mit einem Luftspalt mit einer bestimmten geometrischen Form versehen ist die mit extrem hoher Genauigkeit eingehalten werden muß. Durch diesen Luftspalt werden jedoch die magnetischen Eigenschaften des Wechselrichtertransformators verschlechtert Die Unausgeglichenheit von alternierenden Halbwellen kann erst nach Ablauf von wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen festgestellt werden. Die Auswirkung eines entsprechenden Signals erstreckt sich über mehrere Perioden der Wechselrichterausgangsspannung. Hierdurch läßt sich zwar eine allmählich auftretende Veränderung der Steuerung des Wechselrichters kompensieren, nicht aber eine Sättigung des Eisenkernes des Wechselrichtertransformators bei dynamischen Vorgängen zuverlässig verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine Sättigung des Transformatorkerns von Wechselrichtertransformatcren auch bei dynamischen Vorgängen zuverlässig verhindert, und die mit einfachen meßtechnischen Mitteln arbeitet und keinen speziell ausgeführten Luftspalt im Transformatorkern erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßeinrichtung als Einrichtung zur betra gsmäßigen Erfassung und Differenzierung des Magnetisierungsstromes des Eisenkerns des Wechselrichtertransformators ausgebildet ist und daß die Beeinflussung der Steuereinrichtung des Wechselrichters in Abhängigkeit vom Differentialquotienten des Magnetisierungsstromes in der V/eise vorgesehen ist, daß durch den beim Beginn der Sättigung auftretenden stark erhöhten Differentialquotienlen die jeweils am Wechselrichtertransformator anliegende Spannungshalbwelle momentan vorzeitig beendet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird zur Verhinderung der Sättigung des Transformatorkerns kein Luftspalt im Kern benötigt. Die Ausbildung von unzulässig großen Magnetisierungsstromspitzen wird durch eine meßtechnisch einfache Stromerfassung und einen sofort wirksamen Eingriff in die Steuerung des Wechselrichters verhindert

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die beim Beginn der Sättigung ausgelöste momentane vorzeitige Beendigung der jeweils am Wechselrichtertransformator anliegenden Spannungshalbwelle durch eine vorzeitige Einleitung der nächstfolgenden Kommutierung des Wechselrichters erfolgt Hierzu kann bei einem spannungsgeregelten Wechselrichter eine Aufschaltung des Differentialquotienten des Betrags des Magnetisierungsstromes bei der Spannungsregelung in der Steuereinrichtung des Wechselrichters vorgesehen sein. Dies kann dadurch geschehen, daß der Vergleichspunkt für den Sollwert-Istwert-Vergleich bei der Spannungsregelung zusätzlich über ein Differenzier-