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Wechselrichterschaltung mit einem Wechselrichter, einem Gleich-
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richter und zwei Gleichstromstellern Die Erfindung bezieht sich auf
eine Wechselrichterschaltung mit einem an die Last angeschlossenen n-phasigen Wechselrichter
mit steuerbaren Ventilen in 3rckenschaltung, dessen Eingangsklemmen über Je einen
mit einem steuerbaren Hauptventil, mit einer diesem parallel geschalteten Reihenschaltung
aus Eommutierungskondensator und steuerbarem Löschventil, mit einer Kommutierungsdrossel
und mit einem Umschwingventil ausgerüsteten Gleichstromsteller mit den Polen einer
Gleichspannungsquelle und dessen Ausgangsklemmen über einen n-phasigen Gleichrichter
mit Rdckarbeitsventilen in Brückenschaltung ebenfalls mit den Polen der Gleichspannungsquelle
verbunden sind. Eine solche Wechselrichterschaltung ist aus der DU-OS 1 413 516,
insbesondere Figur 2 samt zugehöriger Beschreibung, bekannt.
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Das Kommutierungsprinzip einer solchen Wechselrichterschaltung ist
in der Literaturste}le "IEEE Transactions on Industry Applications", Vol; IA-9,
No. 5, Sept./Okt. 1973, Seiten 601 bis 606, insbesondere Figur 3 samt zugehöriger
Beschreibung, angegeben. Die Impulsquellen für die Kommutierung der Ventile des
Wechselrichters liegen hierbei in Serie mit der Gleichspannungsquelle. Jede Impulsquelle
löscht die Ventile einer Brückenhälfte (Brückenhälftenlöschung). Als Kommutierungsimpulsquelle
kann hierbei ein Gleichstromsteller mit Nachladeeinrichtung gemäß der Literaturstelle
"Siemens-Zeitschrift 43 (1969), Seiten 458 bis 464 und 616 bis 622, insbesondere
Bilder 22 und 24, verwendet werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs
genannte Wechselrichterschaltung so auszugestalten, daß hohe Ausgangsfrequenzen
bei geringem Aufwand und lastunabhängiger Kommutierung realisiert werden en.
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Die Erfindung beruht aus folgender Überlegung: Die bekannte Schaltungsanordnung
mit Brückenhälftenlöschung ermöglicht grundsätzlich höhere Ausgangsfrequenzen als
die insbesondere bei kleinen Leistungen - meist angewandte Methode der Summenlöschung.
Eine Integrierung des speziellen, an sich bekannten Gleichatromstellers mit Rückschwingkreis
und Nachladeeinrichtung in die Wechselrichterschaltung gestattet einen geringen
Aufwand bei lastunabhängiger Kommutierung. Durch spezielle Ausführung der Wechselrichterschaltung
wird ein Optimum an erreichbarer Maximalfrequenz und Einfachheit erreicht.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Kommutierungsdrossel jedes Gleichstromstellers bezüglich ihrer Induktivität in eine
erste, eine zweite und eine dritte Teildrossel unterteilt ist, daß die erste Teildrossel
zur Strombegrenzung und zusammen mit der dritten Teildrossel fEr das Umschwingen
der Ladung des Kommutierungskondensators Ueber das gezilndete Hauptventil bemessen
ist und beide im Gleichatromsteller angeordnet sind, und daß die zweite Teildrossel9
deren Induktivität zusammen mit der Induktivität der ersten Teildrossel flir das
Rückschwingen unter Berücksichtigung der Schonzeit des Hauptventils bemessen ist,
im Rückschwingskreis außerhalb des Gleichstromstellers angeordnet ist, und daß die
Vorladung bes einen Ladewiderstand geschieht.
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Die Schaltungsanordnung funktioniert wie folgt: Die Energiezufuhr
über den Wechselrichter zur Last wird Uber die beiden Hauptventile der beiden Glichstromsteller
ermöglicht und zu jedem beliebigen Zeitpunkt wieder unterbrochen. Während der Unterbrechungszeit
kann die Kommutierung des Laststroms von einem Ventil des Wechselrichters auf das
zeitlich folgende eingeleitet werden. Der eine Gleichstromsteller ist dabei den
Ventilen der
einen Brückenhälfte und der zweite den Ventilen der
anderen Brakkernhälfte fest zugeordnet. Es wird 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 Löschventils gesperrt (Brückkenhälftenkommutierung?1).
D5e beiden Gleichstromsteller werden alternierend im Takte der Steuerimpulse ftir
den Wechselrichter gesteuert.
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Die bekannten Vorteile eines Gleichstromstellers mit definierter Nachladung
können beibehalten werden, ohne den Aufwand durch eine zusätzliche Nachladeeinrichtung
zu erhöhen, wenn die Serienschaltung zweier benachbarter gesteuerter Ventile einer
Phase des Wechselrichters mit dem Hauptventil des anderen Gleichstromstellers als
Nachladeventil verwendet und gleichzeitig geündet wird.
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Die guten dynamischen Eigenschaften werden noch weiter verbessert,
indem Umschwingkreis und REckschwingkreis jedes Gleichetromstellers nach unterschiedlichen
Gesichtspunkten ausgelegt werden.
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Kommutierungskondensator und Kommutierungedrossel müssen für ein sicheres
Löschen des Hauptventils dimensioniert sein. Bei vorgegebener Kapazität des Kommutierungskondensators
richtet sich die Bemessung der Kommutierungedrossel üblicherweise nach der Zeit,
die ftir das Rückschwingen der Ladung des Kommutierungskondensators in Kauf genommen
werden muß, insbesondere nach der Schonzeit des den Laststrom führenden Hauptventils,
die auch nach dem Anschalten des MEximalstroms eingehalten werden muß. Die erforderliche
Rdckschwingzeit ist also weitgehend durch die Eigenschaften der verwendeten Ventile
festgelegt, und die Kommutierungsdrossel muß eine relativ hohe Induktivität besitzen.
Im Vergleich zur Rückschwingzeit kann die Umschwingzeit geringer sein. Die Umschwingdrossel
wird daher in den Umechwingungezweig gelegt, so daß sie ausschließlich die Umschwingzeit
beeinflußt, die REckschwingdrossel wird jedoch in den REckschwingzweig gelegt. Diese
Schaltungen garantieren zusätzlich die vorteilhafte negative Sperrspannungen an
den Ventilen.
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Die spezielle Methodik der Nachladung Uber die Wechselrichterventile
erfordert zur Schonung der Ventile eine gewisse Begrenzung des Stromanstieges, so
daß eine Induktivität in den Gleichstromkreis eingefUgt werden muß. Die Rückschwindrossel
wird nun geteilt und ein Teil derart eingefügt, daß er gleichzeitig als Strombegrenzungsdrossel
für den Gleichstromzweig wirkt. Der Rückschwingzweig wird vervollständigt durch
eine Rückschwingdiode, die aber auch durch ein Ventil des Wechselrichters in Serie
mit der zugehörigen Rückarbeitsdiode dargestellt werden kann, womit ein weiteres
Bauteil eingespart wäre.
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Die zweite Teildrossel (Rückschwingdrossel) kann in der Gleichstromleitung
zwischen dem Pol der Gleichspannungsquelle und der Eingangsklemme des Gleichstromstellers
oder zwischen der Ausgangsklemme des Gleichstromstellers und der Eingangsklemme
des Wechselrichters eingefügt sein0 Entsprechendes gilt für den zweiten Gleichstromsteller.
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Zur weiteren Bedämpfung und zum Kreisstromabbau kann der Teildrossel
im Gleichstromzweig ein Widerstand in Serie geschaltet werden, dessen Spannungsabfall
gleichzeitig zur Strommessung mitverwendet werden kann.
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Als besonderer Vorteil der Erfindung wird angesehen9 daß sich hohe
Frequenzen erreichen lassen Durch Mehrfachausnützung der Bauteile werden der Gesamtaufwand
niedrig gehalten und in Verbindung mit herkömmlichen RO-Beschaltungen der einzelnen
Ventile -die dynamischen Beanspruchungen - insbesondere der Thyristoren -herabgedrückt.
Dies ermöglicht den Einsatz verhältnismäßig billiger steuerbarer Ventile.
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AusfUhrungabeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von
zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erste Wechselrichterschaltung
mit unterteilter gommutierungadrossel Figur 2 eine zweite Wechselrichterschaltung
mit unterteilter Kommutierungsdrossel.
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Die Wechselrichterschaltung nach Figur 1 umfaßt einen sechspulsigen
Wechselriehter 2 mit sechs steuerbaren Ventilen 1t bis 16 in Drehstrom-BrEckenschaltung.
Als Ventile 11 bis 16 können insbesondere Thyristoren vorgesehen sein. Die n = 3
Ausgangsklemmen R, S, 2 des Wechselrichters 2 sind an eine dreiphasige Last 4 angeschlossen.
Bei der Last 4 kann es sich speziell um eine Drehfeldmaschine handeln.
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Die Eingangsklemmen 6 und 8 des Wechselrichters 2 sind über Je einen
Gleicbstromsteller 18 bzw. 20 mit den Polen 22 bzw. 24 einer Gleichspannungsquelle
26 verbunden. Bei einer Gleichapannungaquelle 26 kann es sich um eine Batterie,
insbesondere jedoch um einen ungesteuerten Netzgleichrichter, handeln. Der Mittelwert
der an der Last 4 liegenden Ausgangsspannung des Wechselrichters 2 wird durch Veränderung
des Puls-Pausenvertältnisses oder durch Phasenabschnittsteuerung eingestellt (nPufswecbselrichter"),
Die Ausgangsklemmen R, S, T des Wechselrichters 2 sind weiterhin zwecks Rttckapeisung
von Wechselstromenergie in die Gleichspannungsquelle 26 ueber einen dreiphasigen
Gleichrichter 10 mit den Polen 22 und 24 verbunden. Der Gleichrichter 10 enthält
sechs ungesteuerte REckarbeitsventile 31 bis 36 in Drehstrom-Brückeaschaltung, Neben
Pulswechselrichter- und Phasenabschnittbetrieb ist auch Vollwellenbetrieb als Sonderfall
mUglich.
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Jeder Gleichstromsteller 18 und 20 enthält ein in Stromflußrichtung
gepoltes Hauptventil 40a bzw. 40b. Jedem dieser Hauptventile 40a, 40b ist eine Reihenschaltung
parallel geschaltet, die - in der angegebenen Reihenfolge - aus einem Kommutierungskondensator
41a bzw. 41b, einer ersten Teildrossel 42a bzw. 42b und einem steuerbaren Löschventil
43a bzw. 43b besteht. Der Kommutierungskondensator 41a, 41b ist hierbei an der Anode
bzw. Kathode des zugehörigen Hauptventils 40a bzw. 40b angeschlossen. Die Reihenschaltung
kann auch anders sein. Jedem Löschventil 43a und 43b sind noch ein ungesteuertes
Umschwingventil 44a bzw. 44b und eine dritte Teildrossel oder Umschwingdrossel 62a,
62b gegenparallel geschaltet. Auf das Ublicherweise dem Hauptventil 40a, 40b eines
Gleichstromstellers gegenparallel geschaltete ungesteuerte REckschwingventil 61a,
61b kann verzichtet werden.
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Jedem der beiden Eommutierungskondensatoren 41a, 41b ist eine aus
einem Ladewiderstand 45a bzw. 45b bestehende Ladeschaltung sowie eine Diode 46a,
46b in Serie mit einem Widerstand 47a zur Überspannungsbegrenzung zugeordnet. Die
ladeschaltung des Gleichstromstellers 18 liegt dabei zwischen dem negativen Pol
24 der Gleichspannungsguelle 26 und der Anode des Löschventils 43a. Die Kathoden
der Ventile 40a, 43a sind einander zugewandt. Entsprechendes gilt für den Gleichstromsteller
20. Ladewiderstand 45a und 45b sowie Überspannungsbegrenzungsschaltung 46a, 47a
und 46b, 47b können auch an anderen Punkten des Gleichstromstellers 18 bzw.
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20 angelegt werden.
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Zur Steuerung des Wechselrichters 2 und der beiden Gleichstromsteller
18 und 20 ist eine Steuereinrichtung 50 vorgesehen. Durch Anlegen einer veränderlichen
Steuerspannung an ihrem Eingang 51 läßt sich die Ausgangsspannung an den Ausgangsklemmen
R, S, 1 verändern. Über eine zweite Steuerspannung am Eingang 52 wird die Ausgangsfrequenz
verstellt. Diese Ausgangsfrequenz wird allein durch den Wechselrichter 2 bestimmt.
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Zwischen dem positiven Pol 22 der Gleichspannungsquelle 26 und dem
Gleichstromsteller 18 ist eine zweite Teildrossel 60a angeordnet. Zu dieser kann
ein ungesteuertes Ventil 61a,vorteilhaft über das Hauptventil 40a, parallel geschaltet
sein. Dieses Ventil 61a oder Rückschwingventil ist entgegen der Richtung des Umschwingstroms
und entgegen der Richtung des über den Gleichstromsteller 18 fließenden Laststroms
gepolt. Diese zweite Teildrossel 60a ist in Verbindung mit der ersten Teildrossel
42a für die Kommutierung (Rückschwingen) des Gleichstromstellers 18 vorgesehen.
Das Ventil 61a kann auch durch die Serienschaltung eines Ventils des Wechselrichters
(z.B. Ventil 11) mit dem zugehörigen Rückarbeitsventil (z.B. Ventil 31) dargestellt
werden.
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Entsprechend ist auch eine zweite Teildrossel 60b zur den Gleichstromsteller
20 vorgesehen. Diese zweite Teildrossel 60b ist zwischen dem negativen Pol 24 der
Gleichspannungsquelle und dem zugehörigen Gleichstromsteller 20 angeordnet. Auch
ihr ist ein
ungesteuertes Ventil 61b, vorteilhaft über das Hauptventil
40b, parallel geschaltet. Dieses Ventil 61b ist ebenfalls entgegen der Richtung
des Umschwingstroms und entgegen der Richtung des über den Gleichstromsteller 20
fließenden Laststroms gepolt. Die zweite Teildrossel 60b ist in Verbindung mit der
ersten Teildrossel 42b für die Kommutierung des Gleichstromstellers 20 vorgesehen.
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Das Ventil 61b kann auch durch die Serienschaltung eines Ventils des
Wechselrichters (z.B Ventil 14) mit dem zugehörigen Xückarbeitsventil (z.B. Ventil
34) dargestellt werden.
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Es ist ersichtlich, daß die beiden zweiten Teildrosseln 60a, 60b jeweils
außerhalb des zugehörigen Gleichstromstellers 18, 20 angeordnet sind. Da sie in
den Gleichstromleitungen zwischen der Gleichspannungsquelle 26 und dem Wechselrichter
2 liegen, bewirken sie gleichzeitig eine Stromanstiegsbegrenzung beim Zuschalten
oder sprunghaften Ändern der Last 4.
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In beiden Gleichstromstellern 18 und 20 ist die erste Teildrossel
42a bzw. 42b für die Strombegrenzung und zusammen mit der dritten Teildrossel 62a,
62b fur das Umschwingen der Ladung des Kommutierungskondensators 41a bzw. 41b über
das gezündete Hauptventil 40a bzw. 40b bemessen. Auf die Schonzeit des Hauptventils
40a, 40b braucht bei der Bemessung keine Rücksicht genommen zu werden. Der Umschwingvorgang
auf dem Wege 41a bzw. 41b, 40a bzw. 40b, 44a bzw.
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44b, 62a bzw. 62b, 42a bzw. 42bund 4labzw. 41b kann daher relativ
rasch vonstatten gehen.
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Die Induktivität der zweiten Teildrossel 60a bzw. 60b im Rückschwingkreis
ist zusammen mit der Induktivität der ersten Teildrossel 42a bzw. 42b für das Rückschwingen
unter Berücksichtigung der Schonzeit des zugeordneten Hauptventils 40a, 40b bemessen.
Der Rückschwingweg für den ersten Gleichstromsteller 18 ist in Figur 1 durch starke
Strichstärke hervorgehoben. Der Rückschwingweg umfaßt die Bauelemente 41a, 42a,
43a, 6, 11, 31, 22, 60a, 41a, wenn das Ventil 11 gezündet ist. Ein entsprechender
Rückschwingweg läßt sich für den Gleichstromsteller 20 angeben. Statt der Ventile
11, 31 kann ein zusätzlicher Strompfad über Ventil 61a benutzt werden.
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Die Vorladung jedes Kommutierungskondensators 41a, 41b geschieht über
den zugeordneten Ladewiderstand 45a bzw. 45b. Die Nachladung während des Betriebs
wird jedoch vorteilhafterweise lastunabhEngig Uber die Serienschaltung zweier benachbarter
Ventile einer Phase des Wechaelrichters 2 und des Hauptventils 40b bzw. 40a des
anderen Gleichstromstellers 20 bzw. 18 vorgenommen. Zur Nachladung des Kommutierungskondensators
4ta werden z.B. die Ventile 11, 14, 40b gleichzeitig gezündet.
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Es ist festzuhalten, daß jeder Umschwingweg lediglich die erste Teildrossel
42a, 42b zusammen mit der Umschwing-Teildrossel 62a1 der REckschwingweg jedoch die
leildrosseln 42a, 608 bzw. 42b, 60b umfaßt. Das Umschwingen geht daher - bei geeigneter
Dimensionierung - rascher vonstatten als das Rückschwingen. Dadurch ist eine hohe
Arbeitsfrequenz möglich. Mit der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung läßt sich,
wie Untersuchungen ergeben haben, eine Arbeitsfrequenz von 1 kHz und darUber erreichen.
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Die Wechselrichterschaltung nach Figur 2 zeigt weitgehend denselben
Aufbau wie diejenige nach Figur 1. Auch hier ist wiederum die Kommutierungsdrossel
der beiden Gleichstromsteller 18 und 20 bezugleich ihrer Induktivität in eine erste
Teildrossel 42a bzw. 42b, eine zweite Teildrossel 60a bzw. 60b und eine dritte Teildrossel
62a, 62b unterteilt. Die zweite Teildrossel 60a bzw. 60b liegt wi*ernm in der Gleichstromleitung
zwischen einem Pol 22 bzw. 24 der Gleichspannungsquelle 26 und einer Eingangsklemme
6 bzw. 8 des Wechselrichters 2.
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Abweichend von Figur 1 ist die Anordnung in Figur 2 jedoch so getroffen,
daß die zweite Teildrossel 60a und 60b jeweils zwischen dem Gleichstromsteller 18
bzw. 20 und der Eingangsklemme 6 bzw. 8 des Wechselrichters 2 liegt. Jeder der beiden
zweiten Teildrosseln 60a, 60b ist wiederum ein ungesteuertes Ventil 61a, 61b über
das Hauptventil 40a, 40b parallel geschaltet. Die Polung dieser Ventile 61a, 61b
ist so vorgenommen, daß die Ventile dem laststrom entgegengerichtet sind. Bezüglich
der Dimensionierung der Teildrosseln 62a, 62b, 42a, 42b und 60a, 60b gilt das bei
Figur 1 Gesagte. Es-ergeben sich auch dieselben Ventile.
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12 Patentansprüche / 2 Figuren