DE2642412C2 - Verfahren zum Betrieb einer Wechselrichterschaltung - Google Patents

Description

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 Brückenschaltung 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 Löschun2 eines Ventils in der anderen Brückenhälfte des Wechselrichters der andere <,o Gleichstromsteller durch Zündung seines Lösch thyristors gesperrt wird.

Ein solches Verfahren ist aus der DT-AS 12 08 803 bekannt. Die in dieser Druckschrift dargestellte Wechselrichterschaltung umfaßt einen Wechselrichter _h-, mit Brückenhälftenkommutiemng durch zwei Gleichstromsteller und einen antiparallel geschalteten Gleichrichter, der zur Riickspeisung von Wechselströmenergie 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 v.ird die Kommutierung des Laststromes von einem Vriitil 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 jede· 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 mii 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 1 000 Hz und darüber erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in Verbindung mit einer G'eichspannungsquelle konstanter Gleichspannung eingesetzt. Die Einstellung der Ausgangsspannung erfolgt dabei durch Pulsbreitenoder Phasenanschnittsteuerung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand eine - Figur näher erläutert.

In der l-'igur ist eine Wechselrichterschaltung

dargestellt, an der bevorzugt das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Die Wechselrichterschalturi£ 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 /7 = 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 handein. 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 IC enthält sechs ungesteuerte Rückarbeitsventile 31 bis 36 in Drehstrom-Brückenschaltung.

Jeder Gleichstromsteller 18 und 20 enthält einen in Stromflußrichtung gepolten Hauptthyristor 40a bzw. 406. Jedem dieser Hauptthyristoren 40a, 406 ist eine Reihenschaltung parallel geschaltet, die — in der angegebenen Reihenfolge — aus einem Kommutierungskondensator 41a bzw. 41Z), einer Kommutierun gsdrossel 42a bzw. 42b und einem Löschthyristor 43a bz w. 436 besteht. Der Kommutierungskondensator 41a, 416 ist dabei an der Kathode bzw. Anode des zugehörigen Hauptthyristors 40a bzw. 406 angeschlossen. Statt dessen kann auch eine andere Reihenfolge gewählt werden. Jedem Löschthyristor 43a bzw. 436 ist noch ein ungesteuertes Umschwingventil 44a bzw.44b gegenparallel geschaltet. Auf das üblicherweise dem Hauptthyristor 40a, 406 eines Gleichstromsieilers gegenparallel geschaltete ungesteuerte Rückschwingventil kann vorliegend verzichtet werden.

Jedem der beiden Kommutierungskondensatoren 41a, 4If) ist noch eine aus einem Ladewiderstand 45a bzw. 456 bestehende Ladeschaltung für das erstmalige Aufladen des Kommutierungskondensators 41a, 416 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 Ladewideistand 456 des Gleichstromstellers 20 zwischen der Anode des Löschthyiistors 43a und dem positiven Pol 22 der Gleichspannungsquelle 26. Jedem Ladewiderstand 45a, 456 ist noch ein ungesteuertes Ventil 46a bzw. 466, 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 μ verändern. Der Mittelwert dieser Ausgangsspannung kann entweder bevorzugt durch Änderung des PuIs-Pausen-Verhältnisses (Pulswechselrichterbetrieb) oder durch Phasenabschnittssteuerung eingestellt werden. Auch ist ein Vollwellenbetrieb (60°-Impulse) möglich. 1,-,

Es sei hervorgehoben, daß der Wechselrichter auch weniger oder mehr als η =-■ 3 Phasen umfassen kann. Die in der Figur dargestellte Wechselrichterschaltung wird in foi^. ?ndi r Weise betrieben:

Die Züiu.>'olge der Ventile 11 bis 18 ergibt sich bei dem vorausgesetzten sechspulsigen Betrieb ajs 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, !6, 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, 406 gleichzeitig durchgeschaltet. Dann ergibt sich an den Ausgangsklemmen R, S. Γ ein symmetrisches, dreiphasiges Spannungssyslem. 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, 436 der Gleichstromsteller 18, 20 bewirkt. Dabei ist der Löschthyristor 43a zur Löschung der drei Ventile 11,13,

15 und der Löschthyristor 436 zur Löschung der drei Ventile 12,14,16 vorgesehen. Jeder Löschthyristor 43a, 436 wird also zur Löschung einer Brückenhälfte herangezogen (Brückenhälftenlöschung).

Cs wird im folgenden ein spezieller Kommutierungsvorgang betrachtet, und zwar die Kommutierung vom Zündzustand der Ventile U, 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, T und 13, S, 4, Γ sowie auf dem Wege 12, 8, 406, 24, 26. Die der Kathode des Hauptthyristors 40a zugewar.dete 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; vorliegppH jpdoch 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 5, 31 und 33, 22, 43a, 42a, 41a weiterfüeßen. 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, Γ und 13, S, 4, T, sowie auf dem Wege 12, 8, 406, 24, 26 weiterfließen, also auf einem

Wege, der den Kommutierungskondensator 41a und die Last 4 einschließl. Der Kommulierungskondensator 41 q wird auf diesem Wege umgeladen; er nimmt die andere Polarität an. Die während des Umladcvorgangs jeweils am Kommutierungskondensator 41a liegende Span- ·> nung 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 vcrän derlichen Last 4 wäre also die Umladezeit von Fall zi: Fall verschieden, und der Kommulierungskondensau-r 41a müßte — sollten auch sprunghafte Lasländerungen 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 Kornrnutierungskondensators 4ia 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 41a 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 übsr 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. 436 und sicherem Verlöschen des Hauptthyristors 40a bzw. 406 eine weitei e Maßnahme durchgeführt. Dazu folgt auf jeden durch das Zünden eines Lösch thyristors 43a, 43/? eingeleiteten Löschvorgsng 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, 436 und dem nicht zu löschenden HaupUhyristor 406 bzw. 40a (»Nachladevorgang«). Dabei wird nach dem Zünden des Löschthyristors 43;ί. 436 jeweils mindestens die Schonzeit des zugeordneten Hauptthyristors 40a, 406 abgewartet, also diejenige Zeit, die der Hauptthyristor 40a, 406 benötigt, um seine Sperrfähigkeit wiederzugewinnen, bevor die benachbarten Ventile einer Phase gezündet werden. Durch diese Art der Umladung des Kommutierungskondensators 41a, 416 durch Einschalten der maßgeblichen Ventile im geeigneten Zeitpunkt entsteht nach Abschluß des Umladcvorganges am Kommiitierungskondensatoi 41a. 416 eine Spannungsüberhöhiing (Kommutierungskondensator und Gleichspannungsquelle sind in Reih'· 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 Sirichstärke hervorgehoben. Zur Ausschaltung des Ventils 11 wird also zunächst das Löschventil 43a gc/ündci. Nach Ablauf der Schonzeit des Haupithyrislors 40a oder etwa später werden die einander benachbarten Ventile 11 und 14 und das Hauptventil 406 des Gleichstromstellers 20 gleichzeitig gezündet. Anstelle der beiden Ventile 1! und !4 könnten auch A'ic Ventile 12 und 15 gezündet werden, nicht aber die Ventile 13 und 16. Der Umladestrom des Kommulierungskondensators 41a fließt nun auf dem stark hervorgehobenen Weg 26, 22, 43a. 42 a, 41a. 6, 11, 14, 8, 40/». 24, 26. Nachdem der Kommulierungskondensator 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 hoh.i-n 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, 406 und eine bessere Ausnutzung der Ventile 11 bis 16 des Wechselrichters 2 gewährleistet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

10

15

Patentanspruch:

Verfahren zum Betrieb einer Wechselriehterschaltung 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 Reihenschall ing aus Kommutierungskondensator und Löschthyristor ausgerüsteten Gleichstromsteller mit den Polen einer Gleichspannungsquelle und dessen Ausgangs klemmen über einen Λ-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 gezündeten Hauptthyristoren gezündet werden, und wobei jeweils zwecks Löschung eines Ventils in der einen Brückenhälfte des Wechselrichters der eine Gleich stromsteller und jeweils zwecks Lösung eines Ventils in der anderen Brückenhälfte des Wechselrichters der andere Gleichstromsteller durch Zündung seines Löschthyristors gesperrt ist, dadurch 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 fliegende Ventile (11,14 oder 12,15) des Wechselrichters (2) gleichzeitig und zusammen mit dem Hauptthyristor (406, 4Oa^ des anderen Gleich stromstellers (20, 18) gezündet werden, wobei diese einander benachbarten Ventile (11, 14 oder 12, 15) das mit Hilfe des einen Gleichstromstellers (ζ. Β. 18) zu löschende Ventil (z. B. 11) der einen Brückenhälfte oder das nicht zu löschende Ventil (12) der anderen Brückenhälfte umfassen.

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