DE2642412B1 - Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichterschaltung - Google Patents

Description

• In der Figur ist eine Wechselrichterschaltung
• dargestellt, an der bevorzugt das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Die Wechselrichterschaltung umfaßt einen sechspulsigen Wechselrichter 2 mit sechs steuerbaren Ventilen 11 bis 16 in Drehstrom-Brükkenschaltung. Als Ventile 11 bis 16 können insbesondere Thyristoren vorgesehen sein. Die n = 3 Ausgangsklemmen R, S, T des Wechselrichters 2 sind an eine dreiphasige Last 4 angeschlossen. Bei der Last 4 kann es sich speziell um eine Drehfeldmaschine handeln.
• Die Eingangsklemmen 6 und 8 am Gleichspannungseingang des Wechselrichters 2 sind über je einen Gleichstromsteller 18 bzw. 20 mit den Polen 22 bzw. 24 einer Gleichspannungsquelle 26 verbunden. Bei der Gleichspannungsquelle 26 kann es sich um eine Batterie, insondere jedoch um einen ungesteuerten Netzgleichrichter handeln. Die Ausgangsklemmen R, S, T des Wechselrichters 2 sind weiterhin zwecks Rückspeisung von Wechselstromenergie in die Gleichspannungsquelle 26 über einen dreiphasigen Gleichrichter 10 mit den Polen 22 und 24 verbunden. Der Gleichrichter 10 enthält sechs ungesteuerte Rückarbeitsventile 31 bis 36 in Drehstrom-Brückenschaltung.
• Jeder Gleichstromsteller 18 und 20 enthält einen in Stromflußrichtung gepolten Hauptthyristor 40a bzw.
• 40b. Jedem dieser Hauptthyristoren 40a, 40b ist eine Reihenschaltung parallel geschaltet, die - in der angegebenen Reihenfolge - aus einem Kommutierungskondensator 41a bzw. 41b, einer Kommutierungsdrossel 42a bzw. 42b und einem Löschthyristor 43a bzw.
• 43b besteht Der Kommutierungskondensator 41a, 41b ist dabei an der Kathode bzw. Anode des zugehörigen Hauptthyristors 40a bzw. 40b angeschlossen. Statt dessen kann auch eine andere Reihenfolge gewählt werden. Jedem Löschthyristor 43a bzw. 43b ist noch ein ungesteuertes Umschwingventil 44a bzw. 44b gegenparallel geschaltet. Auf das üblicherweise dem Hauptthyristor 40a, 40b eines Gleichstromstellers gegenparallel geschaltete ungesteuerte Rückschwingventil kann vorliegend verzichtet werden.
• Jedem der beiden Kommutierungskondensatoren 41a, 41b ist noch eine aus einem Ladewiderstand 45a bzw. 45b bestehende Ladeschaltung für das erstmalige Aufladen des Kommutierungskondensators 41 a, 41 b zugeordnet. Die Ladeschaltung 45a des Gleichstromstellers 18 liegt dabei zwischen dem negativen Pol 24 der Gleichspannungsquelle 26 und der Kathode des Löschthyristors 43a Entsprechend liegt der Ladewiderstand 45b des Gleichstromstellers 20 zwischen der Anode des Löschthyristors 43a und dem positiven Pol 22 der Gleichspannungsquelle 26. Jedem Ladewiderstand 45a, 45b ist noch ein ungesteuertes Ventil 46a bzw.
• 46b, eventuell in Serie mit einem Widerstand, parallel geschaltet. Diese Ventile 46a, 46b dienen zur Überspannungsbegrenzung.
• Zur Steuerung des Wechselrichters 2 und der Gleichstromsteller 18 und 20 ist eine Steuereinrichtung 50 vorgesehen. Durch Anlegen einer veränderlichen Steuerspannung an ihrem Eingang 51 lassen sich das Puls-Pausen-Verhältnis und somit der Mittelwert der Ausgangsspannung an den Ausgangsklemmen R, S, T verändern. Der Mittelwert dieser Ausgangsspannung kann entweder bevorzugt durch Änderung des Puls-Pausen-Verhältnisses (Pulswechselrichterbetrieb) oder durch Phasenabschnittssteuerung eingestellt werden.
• Auch ist ein Vollwellenbetrieb (60° -Impulse) möglich.
• Es sei hervorgehoben, daß der Wechselrichter auch weniger oder mehr als n = 3 Phasen umfassen kann.
• Die in der Figur dargestellte Wechselrichterschaltung wird in folgender Weise betrieben: Die Zündfolge der Ventile 11 bis 18 ergibt sich bei dem vorausgesetzten sechspulsigen Betrieb aus der Reihenfolge ihrer Numerierung. Dabei wird im ungepulsten Betrieb alle 60° el ein neues Ventil gezündet. In einer Periode können zunächst die Ventile 11, 12, 13, dann die Ventile 12, 13, 14, danach die Ventile 13, 14, 15, anschließend die Ventile 14, 15, 16, sodann die Ventile 15, 16, 11 und schließlich die Ventile 16, 11, 12 gezündet sein. In jedem der genannten Zündzustände sind die beiden Gleichstromsteller 18, 20 infolge Zündung der Hauptthyristoren 40a, 40b gleichzeitig durchgeschaltet.
• Dann ergibt sich an den Ausgangsklemmen R, S, T ein symmetrisches, dreiphasiges Spannungssystem. Im gepulsten Betriebs wird der Zündzustand innerhalb jedes 60°-Bereiches je nach Sollwert des Mittelwertes der Ausgangsspannung ein- oder mehrfach unterbrochen.
• Beim Übergang von einem Zündzustand zum nächsten Zündzustand muß das zuerst gezündete Ventil zwangsgelöscht werden. Beispielsweise muß beim Übergang von der gleichzeitigen Zündung der Ventile 11, 12, 13 zur gleichzeitigen Zündung der Ventile 12, 13, 14 das Ventil 11 zwangsweise gelöscht werden. Diese Zwangslöschung wird durch die Zündung des einen oder des anderen der Löschthyristoren 43a, 43b der Gleichstromsteller 18, 20 bewirkt. Dabei ist der Löschthyristor 43a zur Löschung der drei Ventile 11, 13, 15 und der Löschthyristor 43b zur Löschung der drei Ventile 12, 14, 16 vorgesehen. Jeder Löschthyristor 43a, 43b wird also zur Löschung einer Brückenhälfte herangezogen (Brückenhälftenlöschung).
• Es wird im folgenden ein spezieller Kommutierungsvorgang betrachtet, und zwar die Kommutierung vom Zündzustand der Ventile 11, 12, 13 zu dem nachfolgenden Zündzustand der Ventile 12, 13, 14. Für den Ablauf der anderen Kommutierungsvorgänge gilt Entsprechendes.
• Im Zündzustand der Ventile 11, 12, 13 fließt ein Laststrom auf dem Wege 26, 22, 40a, 6, auf den Zweigwegen 11, R, 4, Tund 13, S, 4, Tsowie auf dem Wege 12, 8, 40b, 24, 26. Die der Kathode des Hauptthyristors 4oa zugewandete Elektrode des Kommutierungskondensators 41a ist hierbei - wie eingezeichnet - gegenüber seiner anderen Elektrode positiv aufgeladen. Diese Aufladung könnte (etwa bei niedrigen Frequenzen) über den Weg 26, 22, 40a, 41a, 42a, 45a, 24, 26, also über den Ladewiderstand 45a erreicht worden sein; vorliegend jedoch über den unten beschriebenen Nachladevorgang. Das parallelgeschaltete, ungesteuerte Venitl 46a ist zur Überspannungsbegrenzung vorgesehen.
• Zur Löschung des Ventils 11 wird nun der Löschthyristor 43a gezündet. Der Kommutierungskondensator 41a entlädt sich zunächst auf dem Wege 41a, 40a, 43a 42a, also über den Hauptthyristor 40a, und löscht diesen.
• Nach Erlöschen des Hauptthyristors 40a kann ein Strom auf dem Rückschwingwege 41a, 6, 11 und 13, R und S, 31 und 33, 22, 43a, 42a, 41a weiterfließen. Ein besonderes, dem Hauptthyristor 40a üblicherweise antiparallel geschaltetes ungesteuertes Rückschwingventil muß nicht unbedingt vorgesehen sein.
• Nach dem Erlöschen des Hauptthyristors 40a kann auch - sofern die später beschriebenen weiteren Maßnahmen nicht getroffen werden - der Laststrom auf dem Wege 26, 22, 43a, 42a, 41a, 6 auf den beiden Zweigwegen 11, R, 4, Tund 13, S; 4, 7; sowie auf dem Wege 12, 8, 40b, 24, 26 weiterfließen, also auf einem Wege, der den Kommutierungskondensator 41 a und die Last 4 einschließt. Der Kommutierungskondensator 41 q wird auf diesem Wege umgeladen; er nimmt die andere Polarität an. Die während des Umladevorgangs jeweils am Kommutierungskondensator 41a liegende Spannung und die Gesamtdauer bis zum vollständigen Abschluß des Umladevorganges hängen somit von der Größe der Last 4 ab. Es kommt demnach zu einer undefinierten Umladung. Bei Verwendung einer verän derlichen Last 4 wäre also die Umladezeit von Fall zu Fall verschieden, und der Kommutierungskondensator 41a müßte - sollten auch sprunghafte Laständerungen wie z.B. das Ein- und Abschalten der Last 4 vom Wechselrichter 2 bewältigt werden - für den ungünstigsten Lastfall dimensioniert werden. Eine große Kapazität des Kommutierungskondensators 41 a steht aber einer schnellen Kommutierung und damit einer hohen Arbeitsfrequenz des Wechselrichters 2 entgegen. Daneben ist eine solche Dimensionierung wirtschaftlich sehr aufwendig.
• Es ist auch noch zu betonen, daß die Umladung des Kommutierungskondensators 41 a nicht nur ausreichend schnell, sondern auch ausreichend hoch sein muß: Zur Sicherstellung einer - ausreichenden Sperrspannung am zu löschenden Ventil 11 nach Abschluß des Umladevorganges muß der Kommutierungskondensator 41a über die Höhe der Eingangsgleichspannung Ud hinaus umgeladen sein.
• Um dem erläuterten Mißstand kleiner Arbeitsfrequenzen, der in gleicher Weise auch beim Gleichstromsteller 20 auftritt, abzuhelfen, wird bei beiden Gleichstromstellern 18, 20 jeweils nach dem Zünden des Löschthyristors 43a bzw. 43b und sicherem Verlöschen des Hauptthyristors 40a bzw. 40b eine weitere Maßnahme durchgeführt. Dazu folgt auf jeden durch das Zünden eines Löschthyristors 43a, 43b eingeleiteten Löschvorgang ein besonderer Umladevorgang unter Ausschluß der Last 4, und zwar durch gleichzeitiges Zünden der Ventile einer Phase des Wechselrichters 2, beispielsweise der Ventile 11 und 14, mit dem Löschthyristor 43a, 43b und dem nicht zu löschenden Hauptthyristor 40b bzw. 40a (»Nachladevorgang«).
• Dabei wird nach dem Zünden des Löschthyristors 43a, 43b jeweils mindestens die Schonzeit des zugeordneten Hauptthyristors 40a, 40b abgewartet, also diejenige Zeit, die der Hauptthyristor 4Oa, 40b benötigt, um seine Sperrfähigkeit wiederzugewinnen, bevor die benachbarten Ventile einer Phase gezündet werden. Durch diese Art der Umladung des Kommutierungskondensators 41a, 41b - durch- Einschalten der maßgeblichen Ventile im geeigneten Zeitpunkt entsteht nach Abschluß des Umladevorganges am Kommutierungskondensator 41a, 41b eine Spannungsüberhöhung (Kommutierungskondensator und Gleichspannungsquelle sind in Reihe geschaltet), durch die sich nach dem Nulldurchgang des entsprechenden Stroms am abzuschaltenden Ventil die zur Erzielung einer hohen Arbeitsfrequenz erforderliche negative Sperrspannung bildet.
• In der Figur ist die besagte zusätzliche Maßnahme für die Abschaltung des Ventils 11 durch besonders starke Strichstärke hervorgehoben. Zur Ausschaltung des Ventils 11 wird also zunächst das Löschventil 43a gezündet. Nach Ablauf der Schonzeit des Hauptthyristors 40a oder etwa später werden die einander benachbarten Ventile 11 und 14 und das Hauptventil-40b des Gleichstromstellers 20 gleichzeitig gezündet. Anstelle der beiden Ventile 11 und 14 könnten auch die Ventile 12 und 15 gezündet werden, nicht aber die Ventile 13 und 16. Der Umladestrom des Kommutierungskondensators 41a fließt nun auf dem stark hervorgehobenen Weg 26, 22, 43a, 42a, 41a, 6, 11, 14, 8, 40b, 24, 26. Nachdem der Kommutierungskondensator 41a vollständig umgeladen ist, wobei er die entgegengesetzte Polarität wie eingezeichnet angenommen hat, liegt am Ventil 11 eine zur Löschung ausreichende Sperrspannung. Diese Sperrspannung ergibt sich durch Spannungsaddition der Kondensatorspannung und der Eingangsgleichspannung auf dem Wege 26, 24, 34, 11, 6, 41a, 42a, 44a, 22, 26. Eine sichere Löschung des Ventils 11 ist also gewährleistet. Die Spannungsüberhöhung wird durch Wahl der Einsatzzeit des Nachladevorganges bestimmt.
• Entsprechendes gilt auch für die Löschung der Ventile 13 und 15 mittels des Gleichstromstellers 18 und für die Löschung der Ventile 12, 14 mittels des Gleichstromstellers 20.
• Da als steuerbare Ventile für die Gleichstromsteller 18, 20 und den Wechselrichter 2 bevorzugt schnelle, dynamisch hochwertige Thyristoren eingesetzt werden, ist durch das erfindungsgemäße Verfahren bei geringem Schaltungsaufwand und optimaler Ausnutzung aller Bauelementeeigenschaften ein sicherer, lastunabhängiger Betrieb des Wechselrichters 2 bis zu hohen Arbeitsfrequenzen, die bis zu 1 kHz betragen können, bei variabler Ausgangsspannung möglich. Gegenüber der aus der DT-AS 12 08 803 bekannten Schaltungsanordnung wird es auch als weiterer Vorteil angesehen, daß eine Erhöhung der negativen Sperrspannung am zu löschenden Hauptthyristor 40a, 40b und eine bessere Ausnutzung der Ventile 11 bis 16 des Wechselrichters 2 gewährleistet ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichterschaltung mit einem an eine Last angeschlossenen n-phasigen Wechselrichter mit steuerbaren Ventilen in Brückenschaltung, dessen Eingangsklemmen über je einen mit einem Hauptthyristor und mit einer diesem gegenparallel geschalteten Reihenschaltung aus Kommutierungskondensator und Löschthyristor ausgerüsteten Gleichstromsteller mit den Polen einer Gleichspannungsquelle und dessen Ausgangsklemmen über einen n-phasigen Gleichrichter mit Rückarbeitsventilen in Brückenschaltung ebenfalls mit den Polen der Gleichspannungsquelle verbunden sind, wobei die steuerbaren Ventile des Wechselrichters in zyklischer Reihenfolge jeweils bei gezündet ten Hauptthyristoren gezündet werden, und wobei jeweils zwecks Löschung eines Ventils in der einen Brückenhälfte des Wechselrichters der eine Gleichstromsteller und jeweils zwecks Lösung eines.

   Ventils in der anderen Brückenhälfte des Wechselrichters der andere Gleichstromsteller durch Zündung seines Löschthyristors gesperrt ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß jeweils nach dem Zünden des Löschthyristors (43a, 43b) des einen Gleichstromstellers (18, 20) und sicherem Abschalten des zugehörigen Hauptthyristors (40a, 40b) einander benachbarte, an derselben Ausgangsphase (R, Soder T)liegende Ventile (11, 14 oder 12, 15) des Wechselrichters (2) gleichzeitig und zusammen mit dem Hauptthyristor (40b, 40a) des anderen Gleichstromstellers (20, 18) gezündet werden, wobei diese einander benachbarten Ventile (11, 14 oder 12, 15) das mit Hilfe des einen Gleichstromstellers (z. B. 18) zu löschende Ventil (z. B. 11) der einen Brückenhälfte oder das nicht zu löschende Ventil (12) der anderen Brückenhälfte umfassen.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichterspannung mit einem an eine Last angeschlossenen n-phasigen Wechselrichtung mit steuerbaren Ventilen in Brückenschaltung, dessen Eingangsklemmen über je einen mit einem Hauptthyristor und mit einer diesem gegenparallel geschalteten Reihenschaltung aus Kommutierungskondensator und Löschthyristor ausgerüsteten Gleichstromsteller mit den Polen einer Gleichspannungsquelle und dessen Ausgangsklemmen über einen n-phasigen Gleichrichter mit Rückarbeitsventilen in Brückerschaltung ebenfalls mit den Polen der Gleichspannungsquelle verbunden sind, wobei die-steuerbaren Ventile des Wechselrichters in zyklischer Reihenfolge jeweils bei gezündeten Hauptthyristoren gezündet werden, und wobei jeweils zwecks Löschung eines Ventils in der einen Brückenhälfte des Wechselrichters der eine Gleichstromsteller und jeweils zwecks Löschung eines Ventils in der anderen Brückenhälfte des Wechselrichters der andere Gleichstromsteller durch Zündung seines Löschthyristors gesperrt wird.

   Ein solches Verfahren ist aus der DT-AS 12 08 803 bekannt. Die in dieser Druckschrift dargestellte Wechselrichterschaltung umfaßt einen Wechselrichter mit Brückenhälftenkommutierung durch zwei Gleichstromsteller und einen antiparallel geschalteten Gleichrichter, der zur Rückspeisung von Wechselstromenergie in die Gleichspannungsquelle vorgesehen ist. Diese Wechselrichterschaltung ist so aufgebaut, daß die Energiezufuhr zum Wechselrichter in jedem beliebigen Zeitpunkt mit Hilfe der Gleichstomsteller unterbrochen werden kann. Durch eine solche Unterbrechung wird die Kommutierung des Laststromes von einem Ventil des Wechselrichters auf das zeitlich nächst folgende Ventil eingeleitet. Der eine Gleichstromsteller ist dabei den Ventilen der einen Brückenhälfte und der andere Gleichstromsteller ist denjenigen der anderen Brückenhälfte fest zugeordnet. Die Gleichstromsteller werden alternierend gesteuert, und zwar so, daß jeweils der eine Gleichstromsteller stromleitend und der andere Gleichstromsteller gesperrt ist.

   Bei der bekannten Wechselrichterschaltung ist jeder Kommutierungskondensator nach Zündung des zugeordneten Löschthyristors über den Wechselrichter und die Last an die Gleichspannungsquelle geschaltet.

   Die Umladung des Kommutierungskondensators geht somit über die Last vonstatten. Die Umladezeit des Kommutierungskondensators bestimmt maßgeblich die höchst erreichbare Taktfrequenz des Gleichstromstellers und damit auch die höchst erreichbare Arbeitsfrequenz des Wechselrichters. Die Last kann sich unter Umständen beträchtlich ändern. Der Kommutierungskondensator ist für den ungünstigsten Lastfall zu dimensionieren, d. h. seine Kapazität ist größer zu wählen, als es dem mittleren Lastfall entspricht. Daher ist die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters auf einen vergleichsweise niedrigen, von der Last bestimmten Wert festgelegt.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichterschaltung so auszugestalten, daß der Wechselrichter mit hohen Arbeitsfrequenzen arbeiten kann, ohne daß der Aufwand an Bauelementen wesentlich vergrößert wird.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils nach dem Zünden des Löschthyristors des einen Gleichstromstellers und sicherem Abschalten des zugehörigen Hauptthyristors einander benachbarte, an derselben Ausgangsphase liegende Ventile des Wechselrichters gleichzeitig und zusammen mit dem Hauptthyristor des anderen Gleichstromstellers gezündet werden, wobei diese einander benachbarten Ventile das mit Hilfe des einen Gleichstromstellers zu löschende Ventil der einen Brückenhälfte oder das nicht zu löschende Ventil der anderen Brückenhälfte umfassen.

   Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Zündung der benachbarten Ventile des Stromrichters wird bei dieser Wechselrichterschaltung eine Umladung des Kommutierungskondensators unter Ausschluß seines Weges über die Last erreicht. Mit dem angegebenen Verfahren lassen sich infolge dieser lastunabhängigen Brückenhälftenkommutierung bei einer mit Thyristoren ausgerüsteten Wechselrichterschaltung bei geringem Aufwand hohe Arbeitsfrequenzen erzielen, ohne daß dabei der zusätzliche Steueraufwand ins Gewicht fällt.

   Die Arbeitsfrequenzen können infolge dieses Verfahrens, wie Untersuchungen ergeben haben, einen Wert bis zu etwa 1 090 Hz und darüber erreichen.

   Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle konstanter Gleichspannung eingesetzt. Die Einstellung der Ausgangsspannung erfolgt dabei durch Pulsbreiten-oder Phasenanschnittsteuerung.

   Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer Figur näher erläutert.