DE2719290C3

DE2719290C3 - Wechselrichteranordnung

Info

Publication number: DE2719290C3
Application number: DE19772719290
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing.(Grad.) 8000 Muenchen Link; Werner 8080 Emmering Lochter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1981-01-22
Also published as: DE2719290B2; DE2719290A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung mit Fr/eugung der beiden Halbwellen in einer Gleichstrom-Sperrwandlcr- oder in einer Gleichstrom-Eintakt-Durchflußwandler-Anordnung, die mit einer höheren Frequenz als der zu erzeugenden Frequenz arbeitet,-Wobei Während der Erzeugung jeder HälbWelle eine Anordnung wirksam ist, die jeweils äUs Primärwicklung eines Leistungsübertragers mit in Reihe liegendem Leistungsschalter Und Sekundärwicklung des Leistuhgsübertragers mit in Reihe liegendem Richtleiter besteht,

Wechselrichteranordnungen erfüllen die Grundfunktion des Wechselrichtens, die darin besteht, Gleichström in Wechselstrom umzuwandeln. Die elektrische Energie fließt vom Gleichstromsystem zum Wechselstromsystem.

Zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung werden unter anderem entsprechend der US-Patentschrift 33 51 839 auch Wechselrichter verwendet, die im Primärkreis zwei Leistungsschalter enthalten, welche im Rhythmus der zu erzeugenden Frequenz im Gegentaktverfahren auf einem Leistungsübertrager arbeiten. Die beiden Leistungsschalter

ίο werden von einem Taktgeber so gesteuert, daß abwechselnd einmal die obere Hälfte der Primärwicklung des Transformators über den einen Leistungsschalter und einmal die untere Hälfte der Wicklung über den zweiten Leistungsschalter mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden wird. Die Leistungsschalter formen die Gleichspannung in eine Wechselspannung am Transformator um, der die Spannung transformiert

Bei den Anordnungen nach der US-Patentschrift

36 78 367 und der deutschen Offenlegungsschrift 22 57 197, die eine unmittelbare Antiparallelschaltung von Leistungsschaltern aufweisen, ist neben der Leistungsrichtung vom Eingang zum Ausgang auch eine Leistungsrückführung vom Ausgang über den Wechselrichter in den Eingang möglich. Bei der zuletzt genannten Anordnung wird die Belastung des Wechselrichters mit Blindstrom durch die Verwendung besonderer Rückführungswege möglich. Es ist auch bekannt, durch die Verwendung von Blindstromdioden Leistung vom Wechselstromverbraucher in die Gleichspannungsstromquelle zurückzuspeisen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 24 23 718, die den Ausgangspunkt der Anmeldung bildet ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung unter Verwendung von zwei Gleichstromumrichtern beschrieben und dargestellt, bei der jeweils einer der beiden Gleichstromumrichter, deren Ausgänge in Reihe geschaltet sind die positiven und der andere die negativen Halbwellen der Ausgangswechselspannung erzeugt. Über elektronische Leistungsschalter werden die jeweils nicht Leistung erbringenden Umrichter kurzgeschlossen. Für jeden der beiden Gleichstromumrichter ist jeweils ein Übertrager notwendig. Da kein 4 Quadrantenbetrieb möglich ist, bleibt bei induktiver oder kapazitiver Last die Kurvenform der Ausgangsspannung bezogen auf die Referenzspannung nicht erhallen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln unabhängig von der Art der Ausgangslast, d. h. unabhängig davon, ob die Last einen induktiven bzw.

ίο kapazitiven Anteil aufweist oder auch rein induktiv oder rein kapazitiv ist. die richtige Arbeitsweise des Wechselrichters ohne den Aufwand zusätzlicher Schaltmittel sicherzustellen.
Dies wird dadurch erreicht, daß unter Anwendung nur eines Leistungsübertragers eine Umkehr der Energierichtung dadurch ermöglicht ist, daß primärseitig zwei antiparallele Reihenschaltungen aus je einer Primärwicklung und einem Leistungsschalter vorgesehen sind, daß für die Erzeugung der positiven bzw. der negativen

w) Halbwelle sekundärseitig zwei antiparaHele Reihenschaltungen aus je einer Sekundärwicklung und je einem Leistungsschalter vorgesehen sind, und daß ein Quadrantenfeststeller Vorgesehen ist, der aus der von einem Signalgaber Vorgegebenen Amplitudenrichtung der Ausgangsspäriiiung und aus der Amplitudenrichtung des Ausgangsstromes ermittelt, welche Leistungsschalter anzusteuern sind und diese über nachgeschaltete Gättereinfichtungen ansteuert.

Die entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung aufgebauten Anordnungen sind allgemein anwendbar, gleichgültig ob es sich also um rein Ohm'sche Verbraucher oder auch um induktive oder kapazitive Lasten handelt. Es erübrigen sich demnach besondere Kompensationsmittel oder andere Vorkehrungen, die eine Zurückspeisung der Blindleistung ermöglichen. Als Referenzelement wird ein Wechselspannungsgeber verwendet. Das bedeutet, daß über dem Regelkreis die Ausgungsspannung des Umrichters entsprechend dem Wechselspannungsgeber nachgeführt wird, bzw. sich über der Zeit ändert. Durch den Quadrantenfeststeller wird über nachgeschaltete Gattereinrichtungen die Arbeitsweise des Umrichters so gesteuert, daß neben der Leistungsrichtung des Wechselrichters vom Eingang zum Ausgang auch die Blindleistungsrückführung über die gleichen Schaltmittel vom Ausgang über den Wechselrichter in den Eingang möglich ist.

Zur Erklärung des Begriffes Quadrantenfeststeüer wird auf die F i g. 1 verwiesen. Zur Kennzeichnung der möglichen Arbeitsbereiche von Stromrichtern, die ausgangs- oder eingangsseitig mit einem Gleichstromsystem verbunden sind, läßt sich die Strom-Spannungs-Ebene des Gleichstromsystems in vier Quadranten I bis IV entsprechend dem jeweiligen Vorzeichen der Gleichspannung LJ und des Gleichstromes / einteilen. Gleiche Vorzeichen von Gleichstrom und Gleichspannung bedeuten, daß der Leistungsfluß vom Eingang zum Ausgang erfolgt. Dies ist nach der Darstellung in der Fig. 1 in den Quadranten I und Hl der Fall. Haben Gleichstrom und Gleichspannung dagegen entgegengesetzte Vorzeichen, so fließt Blindleistung vom Ausgang in den Eingang zurück. Dies gilt für die Quadranten II und IV.

In der F i g. 2 ist eine Abwicklung dieses Quadrantensystems mit dem Kurvenverlauf bei induktiver Last dargestellt. Aus dieser Figur ist zu ersehen, daß bei induktiver '.ast der Strom der Spannung nacheilend ist. Entsprechend voreilend wäre der Kurvenverlauf bei kapazitiver Belastung, während bei rein Ohm'scher Last die Stromkurve gegenüber der Spannungskurve nicht verschoben ist.

Als Quadrantenfeststeller ist vorzugsweise je ein richtungsempfindliches VerstärkerJement, z. B. ein Komperator für die Spannungs- und Stromrichtung zu verwenden. Diesem Quadrantenfeststeller sind Auswertegatter nachgeschaltet, die an ihren Ausgängen Signale abgeben, die den einzelnen Quadranten zugeordnet sind. Dadurch wird also unabhängig von der Last immer die richtig! Arbeitsweise des Umrichters erreicht. Der Einsatrbereich eines derartigen Umrichters ist nicht auf einen bestimmten Verbraucher beschränkt. Bei der Stromrichtungsfeststellung kann auch eine fiankengesteuerte Kippstufe Anwendung finden, die nur auf die Richtungsänderung des Stromwertes anspricht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das vom Signalgeber abgegebene Amplitudensignal mn dem Wert der Ausgangsspannung in einem Soll-Ist-Wertvergleicher Verglichen. Dessen Ausgangssignal wird einem Impulsbreitenmodulator zugeführt, der von einem Taktgeber, der mit der höheren Frequenz arbeitet, angesteuert wird und dessen Ausgangssignale über die Gattereinrichtungen mit den Ausgangssignalen des Quadrantenfeststellers zur Steuerung der Leistungsschalter verknüpft werden

Durch entsprechende Wahl des Signalgebers können nicht nur Sinus- sondern auch beliebige ändere Kurvenformen erzielt v.Cv'den, wobei je nach Frequenz des erzeugenden Ausgangsimpulses die Frequenz des Taktgebers entsprechend höher gewählt werden muß. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht im Falle der Ausbildung nach dem Gleichstrom-Sperrwandler-Prinzip der der EnergierückJieferung zugeordnete primärseitige Leistungsschalter nur aus einer Diode.

Als Leistungsschalter sind bipolare Transistoren, wobei zum Schutz der Transistoren vor inversem

ίο Betrieb Dioden in Reihe geschaltet werden, abschaltbare Thyristoren und unipolare Transistoren vorgesehen. Je nach der Höhe der Arbeitsfrequenz des Umrichters und der zu erzeugenden Ausgangsleistungen können die Leistungsschalter entsprechend ausgewählt werden. Es werden vorwiegend bei kleineren bis mittleren Leistungen bipolare bzw. unipolare Transistoren und bei hohen Leistungen Thyristoren Anwendung finden.

Ausführungsbeispiele der Erfind· .g werden anhand der F i g. 3 und 4 erläutert.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Schaltungsanordnung, die aus einem Umrichter aufgebau¹ ist, der nach dem Sperrwandlerprinzip arbeitet und F i g 4 den Leistungsteil eines Ausführungsbeispieles

mit einem Eintaktdurchflußwandler.

wobei als Leistungsschalter jeweils Transistoren mit in Reihe geschalteten Dicc'en Verwendung finden.

Nach der Darstellung in der F i g. 3 wird die Eingangsspannung UE über ein Eingangssieb £5 und zwei Primärwicklungen Pl, P2 eines Übertragers Ü

JO zwei Leistungsschaltern LSI, LS2 zugeführt. Dabei kann bei entsprechender Dimensionierung der Wicklung P2 des Übertragers der Leistungsschalter LS 2 auch nur aus einer Diode bestehen, da sich beim Sperrumwandler die Abbauspannung zwangsläufig

J5 einstellt. Über die beiden Sekundärwicklungen 53. S 4 und über Ausgangsleistungsschalter LS3. LS4 vird die Ausgangsspannung UA über ein Integrierglied C und eine Strommeßeinrichtung SB an die Ausgangslasten L L · oder L 2 abgegeben. Bei L 1 bzw. L 2 kann es sich

■to um gemischte Lasten oder auch um rein induktive bzw. rein kapazitive Lasten handeln.

Die Ausgangsspannung UA liegt an dem einen Eingang eines SoII-lst-Wertvergleicheis 5/V, während der andere Eingang an einem Signalgeber SC angeschlossen ist, der als Referenzelement dient und mit der niedrigeren zu erzeugenden Frequenz arbeitet. Das Ausgangssignal des Soll-Ist-Wertvergleichers SIV führt auf einen Pulsbreitenmodulator PBM. der von einem Taktgeber TG. der mit einer höheren Frequenz als der zu erzeugenden arbeitet, angesteuert wird. Die zueinander inversen Ausgangssignale des Pulsbreitenmodulators PBM führen über Gatter Gl bis G 4 und nicht dargestellte Treiberstufen, in denen eine Potentiahrennung erfolgen kann, auf die primären bzw. sekundären Leistungsschalter LS1 bis LS4.

Zur Quadrantenfeststellung dienen zwei Komparatoren, wobei ein K jmparator UPF zur Spannungsrichtungsfeststellung mit einem Eingang am Signalgeber SG und ein Komparator IPF zur Strompolaritätsfeststellung an der Strommeßeinrichtung SB abgeschlossen ist. Die Ausgangssignale + U des Komparators UPF und + /des Komparators IPFbzw. die inversen Ausgangssignale -U₁ —1 werden in den nachfolgenden vier Und-Gattern GI bis GIV so zusammengefaßt, daß die Ausgangssignale dieser Gatter über Oder-Gatter G5 bis G8 derart auf die Gatter G1 bis G4 einwirken, daß die Arbeifsweise des Umrichters je nach Quadrant bestimmt wird.

Die Ausgangssigriale der Gatter C 1 bis G 4 steuern mit den vom Pülsbreiienrhodulafor PDM abgegebenen Signalen die Leistungsstufen LSi bis LS4 in folgender Weise an:

I. Quadrant: Über den Leistungsschalter LSi wird Energie von der Primärwicklung P1 des Übertragers O aufgenommen und über die Sekundärwicklung 53 und den Leistungsschalter L53 an den Ausgang abgegeben.

II. Quadrant: Die Blindleistung wird vom Ausgang über den Leistungsschalter LS4 von der Sekundärwick- to lung 54 aufgenommen Und dann über die Primärwicklung P2 sowie den Leistungsschalter LSI in den Eingang zurückgespeist.

III. Quadrant: Über den Leistungsschalter LSi wird Energie von der Wicklung Pi des Übertragers Ü aufgenommen und über die Sekundärwicklung 54 und den Leistungsschalter LS 4 an den Ausgang abgegeben.

IV. Ouadrant: Rlindlßistiina wirH yQiü AuS¹⁷Sr!" ÜbSf den Leistungsschalter LS3 von der Sekundärwicklung 53 aufgenommen und dann über die Primärwicklung P2 sowie über den Leistungsschalter LS2 in den Eingang zurückgespeist.

Anstelle eines Eintaktsperrwandlers kann auch ein Eintaktdurchflußwandler verwendet werden. Dabei ist der Leistungsschalter unbedingt notwendig und kann nicht durch eine Freilaufdiode ersetzt werden. In der Fig.4 ist ein entsprechend abgewandelter Eintaktdurchflußwandler beschrieben, mit dem aus Gleichspannung Wechselspannung erzeugt werden kann. Aus dieser Figur ist zu ersehen, daß ein Leistungsübertrager Ümit vier Wicklungen Pl₁ P2>S3,54 und eine Drossel D mit vier Wicklungen (1 bis 4) benötigt wefderii Die Ansteuerschaltung für die Leistungsschalter LSi bis Z.54 und auch die übrige Steuer* und Regelschaltung kann dem Ausführungsbeispiel der Fig.3 entsprechen. Zusätzlich sind je nach eingeschalteten Quadranten noch Leistungsschalter /.55 bis LSI, die als Freilaufdio^ de wirken, erforderlich.

Im folgenden wird die Wirkungsweise unter Verwendung eines Eintäktdurchflußwandlefs in den einzelnen Quadranten beschrieben.

f. Quadrant: Über den Leistungsschalter LSI wird von der Primärwicklung P1 nach der Sekundärwickiisig 53 und weiter über den Leistungsschalter Z.53 und die Drossel D Wicklung 3 Energie an den Ausgang übertragen. Anschließend wird über den als Freilaufdiode wirkenden Leistungsschalter LS6 die Energie der Drossel D (Wicklung 3) ehenfalls an den Ausgang als positive Ausgangsspanrtung abgegeben.

II. Quadrant: Die Blindleistung wird vom Ausgang über den Leistungsschalter L54 an die Sekundärwicklung 54 angelegt und von der Primärwicklung P2 bei leitendem Leistungsschalter LS2 über die Drossel D (Wicklung 2) in den Eingang gespeist* wobei die in der Drossel gespeicherte Energie ebenfalls anschließend über den als Freilaufdiode wirkenden Leistungsschalter LS5 an den Eingang zurückgespeist wird.

Analog verläuft der Leistungsfluß in den Quadranten III und IV.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wechselrichteranordnung mit Erzeugung der beiden Halbwellen in einer Gleichstrom-Sperrwandler- oder einer Gleichstrom-Eintakt-Durchflußwandler-Anordnung, die mit einer höheren Frequenz als der zu erzeugenden Frequenz arbeitet, wobei während der Erzeugung jeder Halbwelle eine Anordnung wirksam ist, die jeweils aus Primärwicklung eines Leistungsübertragers mit in Reihe liegendem Leistungsschalter und Sekundärwicklung des Leistungsübertragers mit in Reihe liegendem Richtleiter besteht, dadurch gekennzeichnet, daß unter Anwendung nur eines Leistungsübertragers eine Umkehr der Energierichtung dadurch ermöglicht ist, daß primärseitig zwei antiparall&N. Reihenschaltungen aus je einer Primärwicklung (Fi, P2) und einem Leistungsschalter (LS 1, LS 2) vorgesehen sind, daß für die Erzeugung der positiven bzw. der negativen Halbwelle sekundärseitig zwei antiparallele Reihenschaltungen aus je einer Sekundärwicklung (S3, 54) und je einem Leistungsschalter (LS3, LS4) vorgesehen sind, und daß ein Quadrantenfeststeller (IPF UPF) vorgesehen ist, der aus der von einem Signalgeber (SC) vorgegebenen Amplitudenrichtung der Ausgangsspannung und aus der Amplitudenrichtung des Ausgangsstr^rr.es ermittelt, welche Leistungsschalter anzusteuern sind und diese über nachgeschaltete Gattereinrichtungen (GI bis G/V, CX bis G8) ansteuert.

2. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Signalgeber (SG) abgegebene Amplitudensignal mit dem Wert der Ausgangsspannung (UA)\n einem Soll-Ist-Wertvergleicher (SI V) verglichen wird, dessen Ausgangssignal einen Impulsbreitenmodulator (PBM) zugeführt wird, der von einem Taktgeber (TG). der mit der höheren Frequenz arbeitet, angesteuert wird und dessen Ausgangssignale über die Gattereinrichtungen (G 1 bis G 8) mit den Ausgangssignalen des Quadrantenfeststellers zur Steuerung der Leistungsschalter verknüpft werden.

3. Wechselrichterartordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Ausbildung nach dem Gleichstrom-Sperrwandler Prinzip der der Knergierücklieferung zugeordnete primärseitige Leistungsschalter (LS2) nur aus einer Diode besteht.