DE3015157C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Wechselrichter dieser Art ist in der US-PS 40 66 938 beschrieben. Bei diesem bekannten Wechselrichter wird eine Gleichspannung mittels steuerbarer Gleichrichter in eine mehrphasige Wechselspannung umgesetzt, wobei eine Steuereinrichtung die gewünschte Frequenz und Phasenfolge dieser Wechselspannung aus dem Absolutwert bzw. der Pola­ rität eines Führungssignals ermittelt und sowohl eine den Zündabstand der zyklisch angesteuerten Gleichrichter be­ stimmende Taktimpulsfolge als auch ein Richtungssignal er­ zeugt, welches die Zündfolge der Gleichrichter festlegt.

Die bei derartigen Wechselrichtern verwendeten elektronischen Schaltungen zur zyklischen Ansteuerung der Gleichrichter, deren wesentlicher Bestandteil ein Schiebe­ register ist, müssen stets vor der Erzeugung eines neuen Taktimpulses auf eine Phasenfolge bzw. Schieberich­ tung umgeschaltet werden, um Störungen des Wechselrichter­ betriebs sicher zu vermeiden. Da eine Bedienungsperson die Phasenfolge, d. h. die Drehrichtung eines an das Wechsel­ richtersystem angeschlossenen Motors jedoch zu einem be­ liebigen Zeitpunkt ändern kann, muß die Steuereinrichtung so ausgelegt sein, daß die Änderung des Richtungssignals gleichwohl in der richtigen zeitlichen Zuordnung vor dem jeweils nächsten Taktimpuls durchgeführt wird. Bisherige Steuereinrichtungen erfordern daher einen relativ hohen Schaltungsaufwand.

In der US-PS 38 20 109 ist eine Steuereinrichtung be­ schrieben, die Taktimpulse und ein Richtungssignal für ei­ nen Zyklokonverter erzeugt, der mittels Leistungstransi­ storen eine analoge Mehrphasen-Wechselspannung erzeugt. Da jedoch bei einem Zyklokonverter die Umschaltung von einer Drehrichtung auf die andere zu jeder Zeit störungsfrei er­ folgen kann, sind bei dieser bekannten Steuereinrichtung auch keine Maßnahmen vorgesehen, um eine zeitliche Zuord­ nung von Taktimpulsen und Richtungssignal zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrich­ ter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Steuereinrichtung einen möglichst geringen Schaltungsaufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Hierdurch wird erreicht, daß die Steuereinrichtung die Um­ schaltung des Richtungssignals stets in der korrekten zeitlichen Zuordnung vor dem jeweils nächsten Taktimpuls durchführt. Gleichwohl ist für die Steuereinrichtung nur ein äußerst geringer Schaltungsaufwand erforderlich.

Darüber hinaus kann für das nachgeschaltete Schieberegi­ ster zur zyklischen Ansteuerung der Gleichrichter eine re­ lativ einfache und entsprechend billige Ausführung verwen­ det werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Wechselrichters,

Fig. 2 anhand eines Schaltbilds ein Ausführungsbei­ spiel der Steuereinrichtung, und

Fig. 3 Spannungsverläufe an drei Schaltungsknoten der Steuereinrichtung gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt in Form eines Prinzipschaltbildes einen Wechselrichter bei dem nur die wesentlichen Bauelemente wie die steuerbaren Gleichrichter in Form von Thyristoren dar­ gestellt sind, während Ausrichtschaltungen, Kom­ mutierungsschaltungen und dgl. weggelassen sind. Gemäß Fig. 1 enthält der Wechselrichter eine dreiphasige Halbleiterbrücke 10, die aus drei positiven Thyristoren P ₁, P ₂ und P ₃ und aus drei negativen Thyristoren N ₁, N ₂ und N ₃ besteht. Die Brücke 10 ist mit einer Gleichstromquelle mit veränderlicher Spannung über zwei Sammelschienen 12 und 14 ver­ bunden. Die Quelle kann eine veränderliche Gleichspannung und/oder einen veränderlichen Gleichstrom entsprechend der Art des jeweiligen Betriebszustandes der Brücke 10 liefern. Die Anordnung kann statt in positiven und nega­ tiven Thyristoren auch gemäß der Phase erfolgen. Eine Lei­ tung 16 ist mit dem gemeinsamen Schaltungsknoten der in Reihe geschal­ teten Thyristoren P ₁ und N ₁ verbunden und bildet einen er­ sten Phaseneingang für eine Last 22 die z. B. ein Wechselstrommotor sein kann. Die Thyristoren P ₂ und N ₂ sind über eine Phasenleitung 18 mit der Last verbunden, und in gleicher Weise ist der dritte Zweig der Brücke, der die in Reihe geschalteten Thyristoren P ₃ und N ₃ enthält, über eine Phasenleitung 20 mit der Last verbunden. Die Thyristoren werden leitend gemacht, indem an Leitungen 23, die mit den Steuerelektroden je­ des Thyristors verbunden sind, Steuer­ signale angelegt werden. Die tatsächlichen Steuersignale werden von einer Steuereinrichtung 24 erzeugt, deren Aufbau von dem Typ und der gewünschten Ge­ samtfunktion des Wechselrichters bestimmt wird und die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 näher erläutert wird.

Gemäß Fig. 1 wird ein Führungssignal, das entweder positiv oder negativ sein kann, aus einer geeigneten Quelle (die nicht gezeigt ist) über eine Leitung 34 an einen Inte­ grator 36 angelegt, dem ein steuerbarer Schalter 38 parallel geschaltet ist. Typischerweise wird der Integrator 36 aus einem Operationsverstärker mit einem zwischen dessen Aus­ gangsklemme und dessen Eingangsklemme geschalteten Rück­ kopplungskondensator bestehen und der Schalter 38 wird ein Festkörperschalter, wie beispielsweise ein Transi­ stor, sein, der mit Hilfe eines über eine Leitung 40 angelegten Signals durch­ geschaltet wird. Zu Erläuterungszwecken ist der Schalter 38 nur in seiner funktionalen Form dargestellt. Auf das Ein­ gangssignal auf der Leitung 34 hin erscheint an dem Aus­ gang des Integrators 36 auf einer Leitung 44 eines der bei 46 und 48 gezeigten Signale. Wenn das Führungssignal positiv ist, ergibt sich das positive Signal 46, während bei einem negativen Führungssignal das bei 48 gezeigte Signal erzeugt wird. Daher ist gemäß der bekannten Betriebsweise von Integrier­ schaltungen das Ausgangssignal des Integrators 36 im wesent­ lichen ein Sägezahnsignal, das beendet wird, wenn der Schalter 38 geschlossen wird, um den Integrator rückzusetzen. Beim Schließen des Schalters 38 erfolgt ein schneller Abfall des Integratorausgangssignals, so daß ein Sägezahnsignal mit vorgegebener Frequenz an dem Inte­ gratorausgang auf der Leitung 44 und an dem Schaltungsknoten 50 erscheint. Das Führungssignal ist im wesentlichen ein Gleichstromsignal, es kann aber einen beträchtlichen Anteil an Wechselstromwellig­ keit enthalten.

Die Amplitude des Sägezahnsignals 46 und 48 ist ein fester Wert und wird durch den Wert einer Bezugsspannung fest­ gelegt, die zum Erzeugen von Taktimpulsen benutzt wird. Die Frequenz des Sägezahnsignals ist von der Größe des Gleichstrom­ anteils des Führungssignals abhängig, da dieser die Anstiegsgeschwindigkeit des Integratorausgangssignals bestimmt.

Das Sägezahnsignal liegt am Eingang von vier Komparatoren 52, 54, 56 und 58 an. Die Komparatoren 52 und 58 dienen zum Erzeugen einer Taktimpulsfolge deren Frequenz von dem Wert des Gleichstromanteils des Führungssignals abhängig ist. Hierzu ist der nichtinvertierende Eingang des Komparators 52 mit dem Schaltungsknoten 50 verbun­ den, während an seinem invertierenden Eingang eine positive Bezugsspannung (+REF ₁) anliegt, die einen vorbestimmten Wert hat. In gleicher Weise ist der invertierende Eingang des Komparators 58 mit dem Schaltungsknoten 50 verbunden, während an seinem nichtinvertierenden Eingang eine nega­ tive Bezugsspannung (-REF ₁) anliegt, die diesel­ be absolute Größe wie die Bezugsspannung +REF ₁ hat, aber die entgegengesetzte Polarität aufweist. In Abhängigkeit von der Richtung der Integration wird deshalb immer dann, wenn das Ausgangssignal des Integrators 36 den Wert der betreffenden Bezugsspannung erreicht, an dem Ausgang des betreffenden Komparators 52 oder 58 ein Ausgangssignal er­ scheinen. Das Ausgangssignal des Komparators 52 auf einer Leitung 60 und das Ausgangssignal des Komparators 58 auf einer Leitung 62 werden beide an ein ODER-Gatter 64 ange­ legt, dessen Ausgang mit einem geeigneten Impulsgenerator 63, beispielsweise einem monostabilen Multivibrator, ver­ bunden ist. Der Impulsgenerator 63 erzeugt eine Taktimpulsfolge und zwar unabhängig davon, ob der Integrator 36 in der positiven oder in der negativen Richtung integriert. Die Impulse, die an einen Schaltungsknoten 65 erscheinen, werden über eine Leitung 40 an den Schalter 38 angelegt, um den Inte­ grator rückzusetzen und so das zägezahnförmige Sig­ nal zu erzeugen. Die Taktimpulsfolge wird außerdem über eine Leitung 66 als Eingangssignal an ein Schieberegister 68 angelegt.

An den anderen beiden Komparatoren 54 und 56 liegt gleichfalls das Sägezahnsignal. Bei dem Komparator 54 wird das Signal an einen nichtinvertieren­ den Eingang angelegt, während bei dem Komparator 56 das Sig­ nal am invertierenden Eingang anliegt. Der invertierende Eingang des Komparators 54 ist mit einer zweiten, positiven Bezugsspannung +REF ₂ verbun­ den, während der nichtinvertierende Eingang des Komparators 56 mit einer zweiten, negativen Bezugsspannung -REF ₂ ver­ bunden ist. Dadurch, daß die Absolutwerte der Bezugsspannungen +REF ₂ und -REF ₂ etwas kleiner als diejenigen der Bezugsspannungen +REF ₁ und -REF ₁ sind, erzeugen die Komparatoren 54 und 56 ihr Ausgangssignal vor den Komparatoren 52 und 58.

Die Zeitspanne, um die sie die Ausgangssignale vorher erzeugen, ist von der Differenz zwi­ schen den Bezugsspannungen abhängig, wie unter Bezug­ nahme auf Fig. 3 noch näher erläutert werden wird.

Die Signale aus den beiden Komparatoren 54 und 56 werden an ein Richtungsflipflop 70 angelegt, dessen Setzeingang S das Signal des Komparators 54 und dessen Rücksetzeingang R das Signal des Komparators 56 empfängt. Das Richtungsflipflop 70 dient als elektronischer Schalter, der zwei Richtungssignale an seinen Ausgängen abgibt, die mit "Rechtsverschiebung" (Ausgang Q, Leitung 72) und mit "Linksverschiebung" (Ausgang , Leitung 74) bezeichnet sind. Die Rechtsverschiebungs- und Linksverschiebungssig­ nale werden ebenfalls an das Schieberegister 68 angelegt.

Das Schieberegister 68 kann z. B. ein Umlauf- Schieberegister mit sechs Bitpositionen, das parallel geladen wird, so daß eine in das Register einge­ brachte Bitkonfiguration mit einer Geschwindig­ keit durch das Register zirkuliert, die durch die Taktim­ pulsefolge der Leitung 66 bestimmt wird, und in einer Richtung gemäß dem entsprechenden Richtungssignal der Leitung 72 oder 74. Der Ist- Zustand der Bitpositionsinhalte des Registers (z. B. eine binäre 1 oder eine binäre 0) wird abgefühlt, um Thyristorsteuersignale auf Leitungen 80 zu erzeugen, mittels denen die Thyristoren der Brücke über geeignete Treiber angesteuert werden.

Eine Alternative zu dem Umlauf- Schieberegister ist ein Schieberegister mit offenem Ende und automatischer Korrekturmöglichkeit, dessen Inhalte gemäß dem Auftreten von Impulsen auf der Leitung 66 und in der durch die Richtungssignale festge­ legten Richtung verschoben werden, wie es bei dem Umlauf- Schieberegister der Fall ist.

Die Arbeitsweise der Schaltung von Fig. 2 ist graphisch in Fig. 3 dargestellt, in der die Kurve a das Ausgangssignal des Integrators 36 zeigt. In dieser Darstellung treten Sägezahnsignale, die an dem äußeren rechten Ende er­ scheinen, mit ungefähr doppelt so großer Frequenz wie die am linken Ende auf. Betrachtet man Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 2, so wird bei einem positiven Füh­ rungssignal das Ausgangssignal des In­ tegrators 36 positiv mit einer Geschwindigkeit anzusteigen beginnen, die von dem Gleichstromanteil des Führungssignals abhängig ist. Wenn die Sägezahnspannung einen mit +REF ₁ bezeichneten Punkt erreicht, gibt der Komparator 52 ein Signal auf der Leitung 60 ab, das über das ODER-Gatter 64, den Impulsgenerator 63 und die Leitung 40 an den Schalter 38 angelegt wird, um den Integrator auf seinen Startwert rückzusetzen und den Neubeginn der Inte­ gration zu gestatten. Das Signal an dem Schaltungsknoten 65 in Fig. 2 sind die Taktimpulse, die in Fig. 3 durch die Kurve c dargestellt sind. Durch Fortschreiten in der Kurve a von Fig. 3 nach rechts wird bei ansteigendem Führungssignal die Integrationsgeschwindigkeit und damit die Betriebsfrequenz des Systems zunehmen.

Kurve a zeigt auch die zweite Bezugsspannung REF ₂. Es ist zu erkennen, daß dieses Signal eine etwas geringere Größe als die Bezugsspannung +REF ₁ hat. Aus die­ sem Grund wird das Ausgangssignal des Komparators 54 zu einem früheren Zeitpunkt auftreten. Kurve b von Fig. 3 zeigt das Auftreten des Ausgangssignals des Komparators 54 und außerdem das Setzen des Richtungsflipflops 70. Das Rechtsverschiebungssignal erscheint an dem Flipflop 70 daher auf jeden Fall bevor eine Änderung bei den Taktsignalen (Kurve c) auftritt. Die Zeitspanne "t _n ", die zwischen dem Anfang des Rechtsverschiebungs­ richtungssignals und den Taktimpulsen liegt, ist die Zeit, die dem Richtungsflipflop 70 zum Setzen und Einstellen zugeordnet ist, um das Richtungs­ signal dem Schieberegister 68 zuzuführen. Bei Fortschrei­ ten von links nach rechts in Fig. 3 ist zu erkennen, daß die aufeinanderfolgenden Zeitintervalle t ₁, t ₂, t ₃ und t ₄ zwischen der Erzeugung des Richtungssignals und der Er­ zeugung des jeweiligen Taktimpulses mit zunehmender Frequenz abnehmen. Selbst bei der höheren Frequenz, die durch das Sägezahnsignal ganz rechts dargestellt ist, ist das Zeitintervall t ₄ jedoch noch ein beträchtlicher Prozentsatz des Gesamtintervalls zwischen den Taktimpulsen, damit sich auch ein langsames und damit im wesentlichen rauschunempfindliche Flip­ flop einstellen und jedes an das Schieberegister anzulegende Richtungssignal vor dem Auftreten des nächsten Taktimpulses liefern kann. Wenn keine Änderung des Rich­ tungssignals zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen er­ folgt, bestehen keine Zeitprobleme, da das Richtungsflipflop 70 seinen Zustand nicht än­ dert. Die Arbeitsweise des Systems in negativer Rich­ tung stimmt mit der vorstehend beschriebenen überein, mit der Ausnahme, daß die Integration in der negativen Rich­ tung erfolgt und daß die Komparatoren 56 und 58 in Betrieb sind.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bilden die Komparatoren, die die Taktimpulse erzeugen, zusammen mit dem Schalter 38 und dem Integrator 36 einen spannungsgesteuerten Oszillator. Die Erfindung ist aber in gleicher Weise bei einem System anwendbar, bei dem der Oszillator gesondert und von der Einrichtung zum Erzeugen der Taktimpulse ge­ trennt ist. Es ist ohne weiteres möglich, einen spannungsgesteuerten Oszillator vorzusehen, der ein Sägezahnsignal unabhängig von den Taktimpuls- Komparatoren abgibt, und die Bezugsspannung dieser Komparatoren an die maximale Ausgangssignalamplitude des Oszillators anzupas­ sen, um dadurch die gleichen Ergebnisse wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zu erzielen.

Claims (7)

1. Wechselrichter der mittels steuerbarer Gleich­ richter eine Gleichspannung in eine mehrphasige Wechsel­ spannung umsetzt und bei dem eine Steuereinrichtung aus einem Führungssignal, dessen Absolutwert die gewünschte Frequenz und dessen Polarität die gewünschte Phasenfolge der zu erzeugenden Wechselspannung angibt, eine Taktim­ pulsfolge, deren entsprechend dem Führungssignal geänderte Frequenz den Zündabstand der zyklisch angesteuerten Gleichrichter bestimmt, sowie ein Richtungssignal erzeugt, das die entsprechend dem Führungssignal eingestellte Zünd­ folge der Gleichrichter angibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungssignal (34) am Eingang eines spannungsge­ steuerten Oszillators (36, 38) der Steuereinrichtung (Fig. 2) anliegt, der daraus ein Sägezahnsignal mit im we­ sentlichen konstanter Spitzenamplitude, einer zum Absolut­ wert des Führungssignals proportionalen Frequenz und einer dem Führungssignal entsprechenden Polarität erzeugt, wel­ ches an einer ersten Komparatoranordnung (52, 58), die bei einem ersten Absolutwert (+/-REF ₁) des Sägezahnsignals ei­ nen Impuls der Taktimpulsfolge erzeugt, sowie an einer zweiten Komparatoranordnung (54, 56) anliegt, die bei ei­ nem zweiten Absolutwert (+/-REF ₂), der niedriger als der erste ist, ein der jeweiligen Polarität des Sägezahnsig­ nals entsprechendes Richtungssignal erzeugt.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Richtungssignal der zweiten Komparator­ anordnung (54, 56) an einer Speichereinrichtung (70) an­ liegt, die es während derjenigen Zeit, während der der ab­ solute Pegel des Sägezahnsignals niedriger als der zweite Absolutwert ist, aufrechterhält.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoranordnungen aus jeweils zwei Komparatoren (52, 58 bzw. 54, 56) gebildet sind, die das Sägezahnsignal mit einer negativen bzw. einer gleich großen positiven Bezugsspannung vergleichen, deren Poten­ tial entsprechend dem jeweils zu erfassenden Absolutwert (REF ₁ bzw. REF ₂) eingestellt ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Speichereinrichtung ein Flip-Flop (70) ist, an dessen Setz- und Rücksetzeingang das Ausgangssig­ nal jeweils eines Komparators der zweiten Komparatoranord­ nung (54, 56) anliegt, wobei das Ausgangssignal des Flip­ flops das Richtungssignal darstellt.

5. Wechselrichter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Komparatoren der ersten Komparatoranordnung (52, 58) unter Zwischen­ schaltung eines ODER-Gatters (64) am Eingang eines mono­ stabilen Multivibrators (63) anliegen, der auf jedes Aus­ gangssignal hin einen Impuls mit vorgegebener Dauer er­ zeugt.

6. Wechselrichter nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteu­ erte Oszillator aus einem Integrator (36) und einem steuer­ baren Schalter (38) gebildet ist, der auf jeden Impuls der Taktimpulsfolge hin den Eingang des Integrators mit dessen Ausgang kurzschließt, wobei die Spitzenamplitude des er­ zeugten Sägezahnsignals im wesentlichen dem ersten Abso­ lutwert (+/-REF ₁) entspricht.

7. Wechselrichter nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse der Takt­ impulsfolge am Takteingang eines Schieberegisters (68) an­ liegen, dessen Ausgangssignale als Zündsignale für die steuerbaren Gleichrichter (P ₁ bis P ₃, N ₁ bis N ₃) herange­ zogen und entsprechend dem an einem Richtungseingang des Schieberegisters (68) anliegenden Richtungssignal nach links oder rechts zyklisch verschoben werden.