DE2706395A1 - Wechselrichter - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München _n VPA Jl P 3 0 2 3 BRO Wechselrichter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter fUr wechselweisen Bereitschaftsbetrieb oder Lastbetrieb, der einen Leistungsteil mit gesteuerten Hauptventilen und eine Steuereinrichtung mit einem Steuersatz zur Bildung von ZUndimpulsen aufweist und dem eine Überwachungseinrichtung für ein Wechsel- oder Drehspannungsnetz zur Bildung eines Startbefehls zugeordnet ist.

Derartige Wechselrichter werden beispielsweise in gesicherten Stromversorgungsanlagen oder zur Stützung von schwachen Netzen oder zur Speisung von Stromrichterantrieben eingesetzt.

Bei gesicherten Stromversorgungsanlagen kann der Wechselrichter entweder im unterbrechungsfreien Dauerbetrieb oder im Umschaltbetrieb zwischen Bereitschaftsbetrieb und Lastbetrieb betrieben werden. Bei einer völlig unterbrechungsfreien Stromversorgung wird der Verbraucher ständig von einem im Dauerbetrieb arbeitenden Wechselrichter gespeist, der über eine Batterie und einen Ladegleichrichter an einem Wechsel- oder Drehspannungsnetz liegt. Bei einem Ausfall des Netzes läuft die Stromversorgung ohne Unterbrechung weiter. Der Gleichrichter muß zum gleichzeitigen Aufladen der Batterie und zum Speisen des Wechselrichters ausgelegt sein. Durch die ständige zweimalige Energieumformung ist der Wirkungsgrad derartiger unterbrechungsfreier Stromversorgungsanlagen unbefriedigend.

Bel anderen bekannten gesicherten Stronrversorgungsanlagen erfolgt die Speisung des Verbrauchers Im Normalbetrieb aus dem Netz. Bei einem Netzausfall wird ein Wechselrichter auf Leistungsabgabe gebracht und der Verbraucher wird auf den Wechselrichter umgeschaltet. Das Ladegerat braucht nur für die Aufladung der Batterie bemessen zu sein. Da im Normalbetrieb keine Energieumformung stattfindet, sind die Verluste wesentlich geringer als bei einer Sofortbereitschaftsanlage mit im Dauerbetrieb arbeitendem-Wechselrichter. Die im Normalbetrieb noch immer auftretenden Verluste sind davon abhängig, welche Art Ton Bereitschaftsbetrieb für den Wechselrichter gewählt wird.

Der Wechselrichter kann im Bereitschaftsbetrieb im "Leerlauf" betrieben werden. Dabei ist seine Steuereinrichtung voll in Betrieb. Die gesteuerten Halbleiterventile des Wechselrichters werden mit Zündimpulsen angesteuert. Es finden die Üblichen Kommutierungsvorgänge statt. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters ist Jedoch abgeschaltet. Dabei entstehen durch die Kommutierungsvorgänge ständig Verluste und Geräusche im Leistungsteil des Wechselrichters, Insbesondere in Transformatoren und Drosseln. Weitere Verluste entstehen bei der Informationsverarbeitung in der Steuerungseinrichtung und bei der Erzeugung der Zündimpulse.

Es sind auch Wechselrichter bekannt, bei denen in der Bereitschaftsstellung lediglich die Steuereinrichtung in Betrieb ist und Zündsteuersignale erzeugt. Die Weitergabe der Zündsteuersignale an die Halbleiterventile des Wechselrichters ist jedoch gesperrt. Bei einem Startbefehl werden die Zündsteuersignale auf die Halbleiterventile durchgeschaltet. Im Bereitschaftsbetrieb fallen keine Kommutierungsverluste an. Die Verluste durch die ständig arbeitende Steuereinrichtung sind gering. Sie können nooh weiter verringert werden, wenn die Sperrung der Zündsteuersignale im Bereitschaftsbetrieb vor den Impulsendstufen des Steuersatzes erfolgt. Dann arbeitet im Bereitschaftsbetrieb lediglich die Informationsverarbeitung in der Steuereinri

-J>-S· 77 P 3 0 2 3 BRO Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter für wechselwelsen Bereitschaftsbetrieb oder Lastbetrieb anzugeben, der bei äußerst geringen Verlusten im Bereitschaftsbetrieb sehr schnell auf Leistungsabgabe gebracht werden kann.

ErfindungsgeaäB ist eine la Bereitschaftsbetrieb arbeitende Startsteuerlogik vorgesehen, die eingangsseitig mit einem Meßsignal der überwachten Netzspannung beaufschlagt ist und die einen Speicher für wenigstens einen Parameter der Netzspannung bei einer Störung enthält und die bei einem Startbefehl den Steuersatz zur Abgabe von ZUndimpulsen an die gesteuerten Ventile des Wechselrichters derart veranlaßt, daß die Auegangsspannung des Wechselrichters mit dem gespeicherten Parameter der Netzspannung im Störungeaugenblick beginnt. Als gespeicherte Parameter der Netzspannung können Phasenlage, Amplitude und Frequenz verwendet sein.

Der erfindungsgeu^Be Wechselrichter ermöglicht eine äußerst schnelle Inbetriebnahme. Im Bereitschaftsbetrieb arbeiten die Überwachungseinrichtung und die Startsteuerlogik. Der Leistungsteil ist jedoch stillgesetzt und die Steuerelektronik des Wechselrichters nicht an ihre Versorgungsspannung angeschlossen. Bei einer unzulässigen Abweichung der überwachten Netzspannung wird die Steuerelektronik und der Leistungsteil des Wechselrichters derart in Betrieb gesetzt, daß die Ausgangsspannung des Wechselrichters mit dem gespeicherten Parameter der Netzspannung im Störungsaugenblick beginnt, vorzugsweise mit der gespeicherten Phasenlage.

Beim erfindungsgemäßen Wechselrichter arbeitet im Bereitschaftsbetrieb lediglich die überwachungseinrichtung und die StartsteuerlogLk. Diese Einrichtungen weisen einen äußeret geringen Leistungsverbrauch auf. Der Leistungsteil des Wechselrichters liegt zwar an der Eingangsspannungι es entsteht Jedoch kein Stromverbrauch, da die Halbleiterventile nicht angesteuert sind. Bei Wechselrichtern, deren Kommutlerungseinrlohtungen von der Eingangsgleichspannung abhängig sind, ist der Leistungsteil sofort startbereit. Bei Wechselrichter, deren Kommutierungseinrichtungen vom Laststrom abhängig sind,

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wird zweckmäßigerweise eine Vorladung der Kommutierungskreiee vorgenommen, wie sie beschrieben ist in den deutschen Offenlegungsechriften 24 50 127, 25 30 465, 25 34 102, 24 46 335, 24 46 390, 25 36 195 und 24 46 389. Derartige bekannte Vorladeeinrichtungen für die Konnutlerungskrelee weisen im Bereitschaftsbetrieb ebenfalls nur einen geringen Energieverbrauch auf. Die erforderlichen Schalteinrichtungen werden zweckmäßigerweise so ausgelegt, daß la Bereitschaftsbetrieb kein Stromverbrauch auftritt. Man kann hierzu Schalteinrichtungen mit Remanenzverhalten wählen oder die Schaltmittel so aufbauen, daß sich im Bereitschaftsbetrieb die Schaltgerate im nichterregten bzw. abgefallenen Zustand befinden.

Bei einem Startbefehl wird die Steuereinrichtung des Wechselrichters an ihre Versorgungsspannung geschaltet. Der von der Startsteuerlogik beeinflußte Steuersatz erzeugt sofort Zümdimpulse derart, daß die Ausgangsspannung des Wechselrichters mit den gleichen Parametern beginnt, die die Netzspannung im Augenblick der Störimg ifwies. Dadurch entstehen weder Spannungsnoch Phasensprünge am Verbraucher. Die Inbetriebnahme des Wechsel« richters erfolgt derart schnell, daß der Verbraucher praktisch unterbrechungsfrei gespeist wird.

Zur Erfassung der Parameter der Netzspannung und zur Speicherung

im Störungsaugenblick können analoge oder digitale Mittel eingesetzt werden. Als analoge Speichermittel sind insbesondere Kondensatoren oder Haltekreise (eample & hold-Schaltkreise) geeignet. Als binäre oder digitale Speicher können Kernspeicher, Halbleiterspeicher, Plasma-Brennstrecken, Glimmlampen oder KaItkathodenventile eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung kann insbesondere eingesetzt werden, um einen Wechselrichter phasenrichtig zum überwachten Netz zu starten. Hierzu wird die Phasenlage der Netzspannung überwacht und bei einer Störung gespeichert. Die Ausgangsepannung des Wechselrichters beginnt mit der gespeicherten Phasenlage der Netzspannung im Störungsaugenblick. Die Phasenlage der Netzspannung kann mit Phasenwinkelmeßeinrichtungen erfaßt werden, die auf analogen, binären oder digitalen Arbeltsprtozipien be-

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ruhen. Bei einer besonders vorteilhaften Möglichkeit ist ein Zähler vorgesehen, der von den Nulldurchgängen der überwachten Netzspannung getriggert wird, bzw. von einer aus der Überwachten Netzspannung abgeleiteten Größe, wie deren Differentialquotienten oder deren Zeitintegral.

Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter kann insbesondere in gesicherten Stromversorgungsanlage!! eingesetzt werden. Ein weiterer Anwendungsfall liegt bei der Stützung von schwachen Netzen vor, wobei zur Steuerung des Energieflueses beispielsweise Längs- und/oder Quertraneformatoren vorgesehen sein können. Auch in diesem Anwendungefall kommt es darauf an, daß der Wechselrichter möglichst rasch eine Ausgangespannung erzeugt, deren Parameter mit der überwachten Netzspannung übereinstimmen. Ein weiterer Anwendungsfall für einen erfindungsgeaäßen Wechselrichter besteht in der Speisung von elektromotorischen Antrieben. Es gibt Anwendungsfälle, beispielsweise bei Antrieben für Glasziehmaschinen, bei denen ein normaler. Drehstrommotor mit hochkonstanter Drehzahl gefahren werden muß. Die Einspeisung des Antriebs muß daher von Einbrüchen der Netzspannung freigehalten werden.

AusfUhrungsbei spiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine gesicherte Stromversorgungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter,

Figur 2 ein Prinzipschaltbild einer mit analogen Mitteln arbeitenden Startsteuerlogik,

Figur 3 eine pxftizlpielle Darstellung einer durch die Startsteuerlogik vorgenommenen Zuschaltung der Versorgungsepannung für die Steuereinrichtung des Wechselrichters,

Figur 4 ein Pdnzipschaltblld einer mit digitalen Mitteln arbeitenden Startsteuerlogik.

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Figur 1 zeigt als Anwendungsbeispiel den Einsatz eines erfin-

dungegemäßen Wechselrichters in einer gesicherten Stromversorgungsanlage. Im Normalbetrieb wird ein Verbraucher 1 über ein vorgeschaltetes Filter 2 und einen Netzschalter 3 aus einem Wechsel- oder Drehspannungsnetz 4 gespeist. FUr den Notbetrieb ist ein über einen Wechselrichterschalter 6 angeschlossener statischer Wechselrichter 5 vorgesehen, der eingangsseitig an eine Batterie 7 angeschlossen ist, die von einem Ladegleichrichter 9 geladen bzw. in Schwebeladung gehalten wird. Dem Wechselrichter 5 ist eine Steuereinrichtung 8 mit einem Steuersatz zur Erzeugung von Zündimpulsen an seine gesteuerten Halbleiterventile zugeordnet. Die Steuereinrichtung 8 ist über eine Versorgungsspannungsregelung 77 an die Batterie 7 angeschlossen. Weiterhin ist eine Überwachungseinrichtung 10 vorgesehen, an die eingangsseitig ein Spannunge- und Synchronisierabgriff 11 für das Netz 4 angeschlossen ist. Die Überwachungseinrichtung 10 überwacht die Netzspannung und erzeugt bei einer unzulässigen Abweichung Stellsignale für die Schalteinrichtungen, sowie an der Klemme a ein Signal für den Steuersatz in der Steuereinrichtung 8 des Wechselrichters 5, um den Wechselrichter phasenrichtig zu starten.

Im Normalbetrieb wird bei gesunder Netzspannung der Verbraucher 1 unmittelbar aus dem Wechsel- oder Drehspannungsnetz 4 gespeist. Der Netzschalter 3 ist geschlossen. Wenn als Netzschalter ein Schütz vorgesehen ist, so ist dieses vorzugsweise so beschaltet, daß es sich im Normalbetrieb im abgefallenen Zustand befindet und seine Magnetspule nicht erregt ist. Es kann auch ein Schütz mit Remanensrerhalten vorgesehen sein. Der Wechselrichter 5 befindet sich in einer Bereitschaftssteilung, bei der seine Halbleiterventile nicht mit Zündimpulsen beaufschlagt werden und seine Steuereinrichtung 8 ebenfalls nicht an ihre Versorgungsspannung angeschlossen ist. Der Wechselrichterschalter 6 kann daher ebenfalls geschlossen sein. Wenn für den Wechselrichterschalter 6 ein Schütz vorgesehen ist, so wird dieses ebenfalls zweckmäeigerweiee so eingesetzt, daß es sich in der Bereitschaftsstellung im abgefallenen Zustand befindet. Die Batterie 7 wird vom Ladegleichrichter 9 in Schwebeladung gehalten. Die überwachungseinrich-

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tung 10 1st in Betrieb und überwacht standig die Spannung des Netzes 4. Bei einer unzulässigen Abweichung der Netzspannung schaltet die Überwachungseinrichtung 10 den Verbraucher 1 auf eine Notstromversorgung über den Wechselrichter 5 um. Hierzu wird der Netzschalter 3 geöffnet und der Wechselrichter 5 derart gestartet, daß seine Ausgangsspannung mit den gleichen Parametern beginnt, beidmodae Netz gestört wurde, insbesondere mit der gleichen Phasenlage.

Wenn nach der Beseitigung der Netzstörung die Netzspannung wieder ihren normalen Wert erreicht und über eine gewisse Zeit ohne Störungen beibehält, so veranlaßt die überwachungseinrichtung 10 eine Rückschaltung auf den Normalbetrieb mit einer Versorgung aus dem Netz 4. Hierzu wird der Netzechalter 3 geschlossen und der Wechselrichterschalter 6 geöffnet. Der Wechselrichter und seine Steuereinrichtung werden stillgesetzt. Danach kann der Wechselrichterschalter 6 wieder geschlossen werden. Die Batterie wird über den Ladegleichrichter 9 aufgeladen. Da bei öffentlichen Versorgungsnetzen jeweils nur mit kurzzeitigen Störungen zu rechnen 1st, braucht der Ladegleichrichter 9 nicht für die volle Verbraucherleistung bemessen zu sein. Man kann vielmehr davon ausgehen, daß genügend Zeit zur Wiederaufladung der Batterie 7 zur Verfügung steht und kann damit den Ladegleichrichter 9 entsprechend klein auslegen.

Als Energiespeicher für den Notbetrieb kann außer einer Batterie beispielsweise auch eine Brennstoffzellenanordnung oder aber eine Kondensatoranordnung vorgesehen sein. Es 1st auch möglich, den Wechselrichter nur solange zur Verbraucherspeisung einzusetzen, bis ein weiteres Notstromaggregat einsatzbereit ist, beispielsweise bis eine Turbine oder ein Dieselaggregat hochgefahren oder ein Schwungradantrieb zugeschaltet ist.

Die dargestellte unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage zeichnet sich durch einen außerordentlich guten Wirkungsgrad Im Normalbetrieb aus. Bei der Speisung des Verbrauchers aus dem Netz erfolgt keinerlei mit Verlusten verbundene Energieumformung. Der Leistungstell des Wechselrichters ist still-

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gesetzt. Es fallen keine Verluste und Geräusche in den Kommutierungskreisen des Wechselrichters an, insbesondere nicht in Transformatoren und Drosseln. Da auch die Steuereinrichtung des Wechselrichters nicht in Betrieb ist, fallen auch hier keine Verluste an. Die Leistungsaufnahme der im Bereitschaftsbetrieb laufenden überwachungseinrichtung 10 kann außerordentlich gering gehalten werden, wenn sie aus elektronischen Bauelementen aufgebaut ist, insbesondere bei weitgehender Verwendung von integrierten Schaltkreisen.

Die Steuereinrichtung eines Wechselrichters enthält üblicherweise eine Spannungsregelung, die wegen eines integralen Anteils im Zeitverhalten relativ langsam anläuft. Der Einfluß der Hochlaufzeit einer Regeleinrichtung kann eleminiert werden, wenn Regeleinrichtungen verwendet werden, wie sie in den Auslegeschriften 24 46 299, 25 07 866, 25 30 465 und 25 32 056 beschrieben sind. Die Leistungsaufnahme derartiger mitgeftlhrter Regeleinrichtungen ist ebenfalls gering. Man kann auch diese Verluste noch vermeiden, wenn man eine Regeleinrichtung gemäß dem deutschen Patent 24 47 951 verwendet. Bei der Zuschaltung dieser Regeleinrichtung laufen keine Zeitvorgänge ab, da die Energiespeicher; z.B. der Kondensator in der Rückführung des Spannungsreglers, im Bereitschaftsbetrieb entladen ist. Nach dem Zuschalten ihrer Vereorgungsspsjmung ist diese bekannte Regelungseinrichtung innerhalb von Millisekunden funktionsfähig. Eine besondere einfache Möglichkeit für einen verlustfreien Bereitschaftsbetrieb der Regeleinrichtung besteht darin, daß man zunächst einen

Spannungssollwert von einem Potentiometer abgreift,

das bei einem Startbefehl an eine Versorgungespannung gelegt wird. Erst nach dem Hochlaufen und Einschwingen der Regelungseinrichtung wird auf deren Ausgangsspannung umgeschaltet.

Bei der Stromversorgungsanlage nach Figur 1 kann beim Umschalten vom Normalbetrieb auf den Notbetrieb eine kurzzeitige Unterbrechung der Einspeisung am Eingang des Filters 2 durch die Öffnung des Netzschalters 3 entstehen. Auch bei der Rückschaltung vom Notbetrieb auf den Normalbetrieb können durch die Schaltvorgänge kurzzeitige Unterbrechungen am Filtereingang auftreten. Bei vielen Verbrauchern sind derartig kurze Unter-

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brechungen zulässig. Andererseits gibt es Jedoch auch Anwendungsfälle, bei denen selbst Unterbrechungen, die in der Umschaltzeit von Schützen liegen, nicht zulässig sind. In diesen Fällen kann eine Unterbrechung der Einspeisung am Verbraucher dadurch vermieden werden, daß das Filter während des Umschaltvorganges Energie an den Verbraucher liefert. Bei geeigneter Dimensionierung der Elemente des Filters - gegebenenfalls unter Einbezug energiespeichernder Elemente im Verbraucher selbst, beispielsweise Impedanzen - läßt sich die Versorgung des Verbrauchers so gewährleisten, daß die für ihn zulässigen Spannungsabweichungen eingehalten werden. Als Filter 2 kann insbesondere ein Bandfilter verwendet werden, das üblicherweise einem Wechselrichter zur Siebung seiner rechteckfOrmigen Ausgangespannung nachgeschaltet ist, um eine sinusförmige Spannung zu erhalten. Das Filter 2 stellt somit keinen zusätzlichen Aufwand dar. Durch seine Anordnung zwischen den Schalteinrichtungen und dem Verbraucher ist das Filter 2 dem Verbraucher 1 stets vorgeschaltet. Im Normalbetrieb dämpft es die nieder- und hochfrequenten Störungen der Netzspannung. Beim Umschaltvorgang vom Normalbetrieb zum Notstrombetrieb und zurück zum Notstrombetrieb wirkt das Filter als kurzzeitiger Energiespeicher. Beim Notbetrieb über den Wechselrichter siebt es dessen Ausgangsspannung. Da sich diese Forderungen nicht widersprechen, ist eine geeignete Dimensionierung der Elemente des Filters möglich.

Wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird, kann der Wechselrichter 5 in einer sehr kurzen Zeit gestartet und auf Leistungsabgabe gebracht werden. Man kann daher vorteilhaft als Netzschalter 3 einen schnellöffnenden Schalter vorsehen Eine derartige schnelle Schalteinrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung P 25 32 593.3 (VPA 75 P 3141) beschrieben. Es ist Jedoch Insbesondere auch möglich, als Netzschalter 3 bzw. als Wechselrichterschalter 6 Halbleiterschalter vorzusehen, die beispielsweise mit Thyristoren, Triacs oder Ignitrone bestückt sind.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungseinrichtung 10 mit einer mit analogen Spannungen arbeitenden Start-

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steuerlogik. Eingangsseitig ist der Spannungs- und Synchronisierabgriff 11 angeschlossen. Der Spannungsmeßwert beaufschlagt eine SpannungsUberwachungseinrichtung 12, die beispielsweise mit Grenzwertmeldern aufgebaut sein kann, deren Ansprechwerte den zulässigen Spannungsschwankungen für den Verbraucher entsprechen. Es ist insbesondere auch möglich, eine Spannungsüberwachungeeinrichtung gemäß der deutschen Patentanmeldung 26 37 397.7 (VPA 76 P 3171) vorzusehen, mit der unzulässige Abweichungen der Netzspannung sehr rasch erkannt und in ein entsprechendes Signal umgesetzt werden können. Es ist weiterhin mOglich, eine SpannungsUberwachungseinrichtung vorzusehen, die bei unzulässigen Abweichungen der Frequenz des überwachten Netzes anspricht oder die bei Sprüngen in der Phasenlage der Netzspannung anspricht. Die SpannungsUberwachungseinrichtung 12 erzeugt Stellbefehle für den Netzschalter 3 und den Wechselrichterschalter 6. Eine geeignete überwachungseinrichtung ist in den deutschen Offenlegungsschriften 24 48 427 und 25 40 539 beschrieben. Für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich von Bedeutung, daß die SpannungsUberwachungseinrichtung 12 an ihrer Ausgangsklemme b ein Störungesignal erzeugt.

Die vom Spannungs- und Synchronisierabgriff 11 abgegriffene Meßspannung stellt ein Synchronisiersignal dar, das einem ersten Integrator 15 bis 18 und einem zweiten Integrator 21 bis 24 zugeführt wird. Der erste Integrator enthält einen Operationsverstärker 15, dessen Rückführung mit einem Kondensator beschaltet ist. Dem Kondensator 16 liegt ein hochohmiger Widerstand 17 zur Stabilisierung parallel. Der nichtinvertierode Eingang des Operationsverstärkers 15 ist mit einem Symmetrierwiderstand 18 gegen Masse geschaltet. Zwischen den beiden an den invertierenden Eingang in Serie angeschlossenen Eingangswiderstände 13a, 13b ist ein elektronischer Schalter 19 angeschlossen, der beispielsweise als FET-Transistor ausgebildet sein kann. Die Steuerstrecke des elektronischen Schalters 19 ist mit der Ausgangskiemme b der SpannungsUberwachungeeinrlchtung 12 verbunden. Ein Störungssignal der Spannungaüberwachungseinrichtung 12 steuert den Schalter 19 durchlässig und schließt damit die Eingangsspannung für den ersten Inte-

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grator kurz. Der erste Integrator behält dann seinen augenblicklichen Spannungswert bei.

Der zweite Integrator ist in gleicher Weise aus einem Operationsverstärker 21 und einem RUckkopplungskondensator 22, sowie den hoohohmigen Widerständen 23 und 24 und einer Serienschaltung von Eingangswider ständen 20a, 20b aufgebaut. Zwischen den beiden Eingangswiderständen 20a, 20b ist ein weiterer elektronischer Schalter 14 angeschlossen, der beispielsweise ebenfalls als FET-Tansistor ausgebildet sein kann. Die Steuerstrecke des weiteren elektronischen Scahltere 14 ist ebenfalls mit der Ausgangsklemme b der SpannungsUberwachungselnrichtung 12 verbunden. Ein Störungssignal steuert den Schalter 14 durchlässig und schließt damit die Eingangsspannung für den zweiten Integrator kurz. Der zweite Integrator behält dann seinen augenblicklichen Spannungswert bei.

Der Ausgang des zweiten Integrators ist über einen elektronischen Schalter 25, beispielsweise wiederum einen FET-Transistör, an die Klemme a geführt. Die Steuerstrecke des elektronischen Schalters 25 ist mit der Ausgangeklemme b der SpannungsUberwachungseinrichtung 12 verbunden. Bei einem Störungssignal wird der Schalter 25 durchlässig gesteuert. Die Klemme a der überwachungseinrichtung 10 ist im Steuersatz des Wechselrichters mit dem zeitbestimmenden Kondensator 26 des Oszillators 27 verbunden. Als Oszillator kann beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator der Type Intersil 8038 verwendet werden, der in Integrierter Technik ausgeführt ist.

Wenn sich im Normalbetrieb der Wechselrichter in der Bereitschaf tssteluung befindet, steht am Eingang des ersten Integrators ein vom Netz 4 abgegriffenes sinusförmiges Synchronisiersignal an. Der erste Integrator bildet hieraus ein inverses Kosinussignal, das vom zweiten Integrator wiederum in ein Sinussignal umgeformt wird. Bei einem Störungssignal von der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 werden die Eingangsspannungen der beiden Integratoren kurzgeschlossen. Beide Integratoren behalten ihre momentanen Ausgangsspannungen bei.

Der erste Integrator speichert das Zeitintegral des Synchroni-

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siersignals, das bei sinusförmigen Größen zugleich den Differentialquotienten und danlt den Änderungseinn angibt. Der zweite Integrator speichert die Amplitude und die Phasenlage des Synchronisiersignals im Augenblick der Störung. Die Ausgangsspannung des zweiten Integrators und damit die gespeicherte Information über Amplitude und Phasenlage des Netzes bei der Störung wird über den durchlässig gesteuerten Schalter 25 auf den zeitbestimmenden Kondensator 26 des Oszillators 27 im Steuersatz gegeben. Wenn der Operationsverstärker 21 des zweiten Integrators einen sehr hohen Ausgangsstrom, beispielsweise 1 A, zu treiben vermag, wird der zeitbestimmende Kondensator 26 des Oszillators 27 sehr schnell auf die Ausgangsspannung des zweiten Integrators aufgeladen. Die Aufladung kann in einer Zeit erfolgen, die im Verhältnis zu einer Periodendauer der Netzspannung sehr klein ist.

Wie später noch näher erläutert wird, wird vom Störungssignal die gesamte Steuereinrichtung des Wechselrichters an ihre Versorgungsspannung geschaltet. Der Oszillator 27 des Steuersatzes beginnt zu arbeiten. Die Richtung der Schwingung des Oszillators 27 wird vom Differentialquotienten des Synchronisiersignals bestimmt. Hierzu ist die Ausgangsspannung des ersten Integrators 15 bis 1Θ einem Polaritätsdetektor 29 zugeführt, dessen Ausgangssignal sich entsprechend der Polarität des Zeitintegrals des Synchronisiersignals ändert. Das Ausgangssignal des Polaritätdetektors 29 wird über eine logische Schaltung 28 auf den Oszillator 27 durchgeschaltet. Die logische Schaltung 28 enthält ein Invertierglied und zwei Dynamikglieder, die vom Störungssignal an der Klemme b der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 durchlässig gesteuert werden.

Figur 3 zeigt schematisch die Zuschaltung der Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung 8 bei einem Störunge signal. Die Steuereinrichtung 8 ist über einen Versorgungsspannungsregler 30 an die gleiche Gleichspannungsquelle 7 angeschlossen, an der auch der Wechselrichter liegt. Der Versorgungsspannungsregler 30 ist zur Stabilisierung der Speisespannung der Steuerelektronik vorgesehen. Es kann beispielsweise ein Spannungsregler der Type IK 340 der Fa. National Semiconductors einge-

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setzt werden. In den Steueranschluß des Versorgungsspannungsreglers 30 1st ein elektronischer Schalter 31 eingeschaltet, beispielsweise ein Transistor, dessen Steuerelektrode über einen Eingangswiderstand mit der Ausgangsklemme b der Spannungsüberwachungselnrichtung 12 verbunden ist. Sobald die Spannungsüberwachungselnrichtung an ihrer Klemme b ein Störungssignal erzeugt, wird der Schalter 31 stromdurchlässig gesteuert. Der Versorgungsspannungsregler 30 wird angesteuert und legt eine geregelte Versorgungsspannung an die Steuereinrichtung 8.

Figur 4 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel einer Überwachungseinrichtung 40 mit einer mit digitalen Mitteln arbeitenden Startsteuerlogik. Die überwachungseinrichtung 40 ist eingangsseitig wiederum an den Spannungs- und Synchronisierabgriff 11 für das überwachte Netz angeschlossen. Die Meßspannung wird einer Spannungs-Uberwachungseinrichtung 32 zugeführt, die auf unzulässige Abweichungen der Amplitude und/oder der Frequenz und/oder der Phase des überwachten Netzes anspricht und Stellsignale für den Netzschalter 3 und den Wechselrichterschalter 6 erzeugt. Für die Beschreibung dieses Ausf Uhrungsbeispieles sei angenommen, daß die SpannungsUberwachungseinrlchtung 32 ein logisches Η-Signal erzeugt, wenn die überwachte Netzspannung gesund ist. Bei einer Netzstörung ändert sich ihr Ausgangssignal in ein L-Signal. Das Ausgangssignal der SpannungsUberwachungseinrichtung 32 wird in einer Umkehrstufe 36 invertiert und steht wiederum an der Klemme b zur Zuschaltung der Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung 8 zur Verfügung, wie zu Figur 3 bereits beschrieben wurde.

Die Startsteuerlogik enthält einen Zähler 33, In dessen Zähleingang eine konjunktive Verknüpfung des Auegangssignale der SpannungsUberwachungseinrlchtung 32 mit Zählimpulsen von einem Oszillator 33 durchgeführt wird. Der Oszillator 35 erzeugt eine Impulsfrequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der überwachten Netzfrequenz beträgt. Für die Beschreibung des Ausführungebeispieles sei angenommen, daß die Netzspannung 30 Hz beträgt und daß der Oszillator 33 eine Impulsfrequenz von 600 Hz erzeugt. Eine Periode des Oszillators entspricht damit 1/12 der Netzperiode. Der Oszillator 33 ist mit dem überwachten Netz

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synchronisiert. Hierzu 1st ein Kippverstärker 34 vorgesehen, dessen Ausgangssignal mit der Polarität der Netzspannung wechselt. Bei Jedem Nulldurchgang der Netzspannung von der negativen zur positiven Halbwelle wird der Zähler 33 durch die ansteigende Flanke im Ausgangssignal des Kippverstärkers 34 rUckgesetzt und der Oszillator 35 synchronisiert.

Der Grundgedanke der dargestellten Anordnung mit dem Zähler 33 und dem Oszillator 35 besteht darin, eine volle Schwingung der Netzspannung in zwölf Bereiche zu zerlegen. Hierzu beträgt die Impulsfrequenz des Oszillators 35 das zwölffache der Netzspannung. Jeder dieser zwölf Bereiche entspricht einem Phasenbereich von Ώ/6. Solange das überwachte Netz gesund ist und die Spannungsüberwachungseinrichtung 32 ein Η-Signal erzeugt, wird für jeden dieser Phasenbereiche ein Zählimpuls vom Oszillator 35 erzeugt und auf den Zähler 33 gegeben. Bei einer Störungsmeldung von der SpannungsUberwachungselnrichtung 32 wird der Zähleingang des Zählers 33 gesperrt. Der Zähler bleibt auf der Ordnungszahl des zuvor erreichten Phasenbereiches stehen. Die Startsteuerlogik sorgt nun dafür, daß der Oszillator im Steuersatz des Wechselrichters mit diesem gespeicherten Phasenbereich gestartet wird.

Der Oszillator 64 wird im Ausführungebeispiel als spannungsgesteuerter Oszillator der Type ICL 8038 der Fa. Intersil beschrieben. Der Oszillator 64 enthält zwei Komperatoren 65 und 66, welche die Spannung am frequenzbestimmenden Kondensator 70 überwachen. Die Aufladung des Kondensators 70 erfolgt nach Maßgabe der Stellung eines elektronischen Schalters 69 entweder aus einer Stromquelle 67 oder aus einer Stromquelle 68. Immer dann, wenn die Ladeepannung des Kondensators 70 einen oberen Grenzwert bzw. einen unteren Grenzwert erreicht, wird ein Flip-Flop 74 umgesetzt und durch dessen Ausgangssignal der Schalter 69 umgesteuert. Die Ladeepannung des Kondensators 70 zeigt einen dreieckförmigen Verlauf, der hinter einem Buffer 71 an der Klemme c abgegriffen werden kann. Diese Dreieckspannung wird von einem Sinusconverter in eine Spannung mit sinusförmigem Verlauf umgesetzt, die an der Klemme d ansteht. Die Dreieckespannung an der Klemme c und die sinusförmige Spannung an

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der Klenme d werden dem Steuersatz des Wechselrichters zugeführt. Die Ausgangsspannimg des Flip-Flops 74 stellt eine Rechteckschwingung dar, die hinter einem weiteren Buffer 73 an der Klemme e abgegriffen werden kann.

Damit die Schwingung des Oszillators 64 im gleichen Phasenbereich beginnen kann, in dem das SttSrungssignal für die Netzspannung auf· getreten ist, wird der zeitbestimmende Kondensator 70 auf einen entsprechenden Spannungswert aufgeladen, der von einem Referenzspannungsgeber 63 erzeugt wird. Außerdem wird dafür gesorgt, daß der einsetzende Ladestrom für den Kondensator 70 die richtige Polarität aufweist. Hierzu wird der Speicher 74 über die Klemmen f und g so gesetzt, daß der elektronische Schalter 69 die entsprechende Stromquelle 67 bzw. 68 als erste zuschaltet. Die Eingänge des Flip-Flops 74 sind hierzu über disjunktive VerknUpfungsglieder 75 und 76 und über Dynamikglieder 41 und 42 mit dem Ausgang eines disjunktiven Verknüpfungsgliedes 38 verbunden. Die Eingänge des disjunktiven Verknüpfungsgliedes 38 sind mit denjenigen Zählausgängen des Zählers 33 beschaltet, die Phaeenbereiche mit negativen Differentialquotienten der Neztspannung anzeigen, also den Phasenbereichen von 1Γ/2 bis 41Γ/3. Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 38 wird in einer Unkehrstufe 39 invertiert. Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 38 und das invertierte Ausgangssignal werden den Dynamikgliedern 41 und 42 zugeführt, deren Dynamikeingänge über ein Laufzeitglied 37 mit dem Ausgang der Spannungsübervachungseinrichtung 32 verbunden sind. Beim Auttreten eines Störungssignals wird somit das Flip-Flop richtig gesetzt.

Der an ein positives und an ein negatives Potential angeschlossener Referenzspannungsgeber 63 enthält beispielsweise eine Kette von Widerständen oder Zenerdioden, die so gewählt sind, daß an den Ausgängen Spannungen anstehen, die den genannten Phasenbereichen einer Sinuswelle am Ausgang d des Oszillators 64 zugeordnet sind. Die entsprechenden Auegangsspannungen sind an den Ausgängen des Referenzspannungsgebers 63 angegeben. Eine dieser Ausgangsspannungen kann über einen der elektronischen Schalter 56 bis 62 auf den zeltbestimmenden Kondensator 70 im Oszillator 64 durchgeschaltet werden. Die elektronischen Schal-

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ter 56 bis 62 werden Jeweils von einem Dynamikglied 48 bis 54 angesteuert. Die Dynamikglieder 48 bis 54 verknüpfen die Ausgangssignale von disjunktiven Verknüpfungsgliedern 43 bis 47 mit dem Störungssignal der Spannungsüberwachungseinrichtung 32, das über ein Verzögerungsglied 37 geführt wird. Das Verzögerungsglied 37 berücksichtigt die Zeit» die zum Aufbau der Stromversorgung In der Steuerelektronik erforderlich ist. Die Eingänge der ODER-Gatter 43 und 47 sind jeweils mit zwei Ausgängen des Zählers 33 verbunden, die symmetrischen Phasenbereiche einer Sinuswelle zugeordnet sind.

Die dargestellte Startsteuerlogik arbeitet folgendermaßen:

Solange das Netz gesund ist, wird der Zähler 33 elngangsseitig mit Zählimpulsen des Oszillators 35 beaufschlagt. Die Ausgänge des Zählers werden nacheinander von L-Signal auf Η-Signal gesetzt und anschließend wieder gelöscht. Die Ausgangssignale des Zählers 33 werden in den Dynamikstufen 41, 42 und 48 bis 54 gesperrrt. Beim Auftreten eines Störungesignals wird der Eingang des Zählers 33 gesperrt. Die Ausgänge des Zählers behalten ihren momentanen Singalzustand bei. Es werde angenommen, daß das Störungssignal für die Netzspannung bei einer Phasenlage der Netzspannung von 50° aufgetreten sei. Dann führt der zweite, mit

5Γ/6 beschriftete Ausgang des Zählers 33 ein H-Slgnal. Dieses wird über das ODER-Gatter 44 auf das Dynamikgatter 50 gegeben und mit der ansteigenden Flanke des Ausgangssignals des Verzögerungsgliedes 37 auf die Steuerstrecke des Schalters 58 durchgeschaltet, über den durchlässig gesteuerten Schalter 58 gelangt die mit sin 7Γ/6 bezeichnete Referenzspannung auf den zeltbestimmenden Kondensator 70. Außerdem wird über das ODER-Gatter und die beiden Dynamikglieder 41 und 42 das Flip-Flop 74 derart gesetzt, daß der von einer der beiden Stromquellen 67 oder 68 einsetzende weitere Ladestrom für den Kondensator 70 dieses in Richtung höherer Spannung auflädt.

Im Bereitschaftsbetrieb arbeitet lediglich die Überwachungseinrichtung 40 mit der Startsteuerlogik. Der Referenzspannungsgeber 63» der Oszillator 64, sowie die weitere Informations- und Leistungselektronik der Steuereinrichtung sind nicht an die Ver-

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sorgungsspannung angeschlossen. Erst beim Auftreten eines Störungssignals werden in der in Figur 3 erläuterten Weise diese
Baugruppen an ihre Vereorgungsspannung geschaltet.

Eine Unterteilung einer vollen Sinusschwingung in aufeinanderfolgende Phasenbereiche ermöglicht besonders günstige Lösungen bei Pulswechselrichtern, wenn die Anzahl der Phasenbereiche die doppelte Pulszahl beträgt.

4 Figuren

5 Patentansprüche

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Claims (5)

Patentansprüche

1./Wechselrichter für wechselweisen Bereitschaftsbetrieb oder Lastbetrieb, der einen Leistungsteil mit gesteuerten Hauptventilen und eine Steuereinrichtung mit einem Steuersatz zur Bildung von ZUndinpulsen aufweist und dem eine Überwachungseinrichtung für ein Wechsel- oder Drehspannungsnetz zur Bildung eines Startbefehls zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Bereitschaftsbetrieb arbeitende Startsteuerlogik vorgesehen ist, die eingangsseitig mit einem Meßsignal der überwachten Netzspannung beaufschlagt ist und die einen Speicher für wenigstens einen Parameter der Netzspannung bei einer Störung enthält und die bei einem Startbefehl den Steuersatz zur Abgabe von Zündimpulsen an die gesteuerten Ventile des Wechselrichters veranlaßt derart, daß die Ausgangsspannung des Wechselrichters mit dem gespeicherten Parameter der Netzspannung im Störungsaugenblick beginnt.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gespeicherte Parameter der Netzspannung Phasenlage, Amplitude und Frequenz verwendet sind.

3. Verfahren zur phasenrichtigen Inbetriebnahme eines Wechselrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereitschaftsbetrieb die überwachungseinrichtung und die Startsteuerlogik arbeiten, der Leistungsteil jedoch stillgesetzt und die Steuerelektronik des Wechselrichters von ihrer Versorgungsspannung abgeschaltet ist; und daß bei einer unzulässigen Abweichung der überwachten Netzspannung der Leistungsteil und die Steuerungselektronik des Wechselrichters derart in Betrieb gesetzt werden, daß die Ausgangsspannung des Wechselrichters mit dem gespeicherten Parameter der Netzspannung im Störungsaugenblick beginnt.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Startsteuerlogik einen von einem Synchronisiersignal beaufschlagten ersten Integrator und einen diesem nachgeschalteten zweiten Integrator aufweist, wobei die Ausgangsspannung

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des zweiten Integrators Über einen von einem Störungssignal gesteuerten Schalter auf den zeitbestimmenden Kondensator des Oszillators im Steuersatz der Steuereinrichtung schaltbar ist.

5. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Startsteuerlogik einen Zähler aufweist, der mit Zählimpulsen von einem Oszillator beaufschlagt ist, der mit der überwachten Netzspannung synchronisiert ist und dessen Impulsfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Netzspannung beträgt, wobei der Zähler durch ein Störungssignal stillsetzbar ist und der Zählerstand zur Ansteuerung eines Referenzsignalgebers vorgesehen ist, der eine Referenzspannung zur Aufladung des zeitbestimmenden Kondensators im Oszillator des Steuersatzes der Steuereinrichtung liefert.

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