DE3023697C2 - Verfahren zur Steuerung des Startvorganges eines Schwingkreis-Wechselrichters - Google Patents

Verfahren zur Steuerung des Startvorganges eines Schwingkreis-Wechselrichters

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DE3023697C2 DE19803023697 DE3023697A DE3023697C2 DE 3023697 C2 DE3023697 C2 DE 3023697C2 DE 19803023697 DE19803023697 DE 19803023697 DE 3023697 A DE3023697 A DE 3023697A DE 3023697 C2 DE3023697 C2 DE 3023697C2
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Description

wobei die Merkmale a), b), d), e) den Oberbegriff und das Merkmal c) den kennzeichnenden Teil bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im dritten Schritt erfolgende abwechselnde Zündung der Stromrichterventile der Brückendiagonalen des Wechselrichters jeweils zu den Zeitpunkten erfolgt, in denen der Betrag des mit einem einstellbaren Proportionalitätsfaktor multiplizierten Stromes durch die Lastspule den Betrag der an der Lastspule liegenden Spannung übersteigt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung des Startvorganges eines Schwingkreis-Wechselrichters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Verfahren zur Steuerung des Startvorganges eines Schwingkreis-Wechselrichters ist aus der DD-PS 1 24 943 bekannt. Dort wird mit Beginn der Startphase in einem ersten Verfahrensschritt ein Vorstrom von einer in ihrer Aufsteuerung durch ein Potentiometer begrenzten Gleichrichterbrücke geliefert. Der Vorstrom wird über einen Gleichstromzwischenkreis und über eine Wechselrichtorbrücke geführt. Die Thyristoren der Wechselrichterbrücke werden alle gleichzeitig gezündet, um zu gewährleisten, daß zwischen der Gleichrichterbrücke und der Wechselrichterbrücke im Gleichstromzwischenkreis ein Energieniveau erhalten bleibt. Anschließend wird der Thyristor einer Starteinrichtung gezündet, wodurch ein Kondensator der Starteinrichtung auf die Schwingkreis-Kondensatoren und die Schwingkreisinduktivität entladen wird. Hierdurch entsteht eine gedämpfte Schwingung in den Kondensatoren und der Induktivität des Schwingkreises, woraus die Zündimpulse für die Thyristoren der Wechselrichterbrücke berechnet und geformt werden.
Schwingkreis-Wechselrichter sind allgemein bekannt und dienen vor allem beim induktiven Schmelzen zur Versorgung des Lastkreises mit Mittelfrequenzenergie. Die unterteilte Kondensatorbatterie dient vorteilhaft zur Erhöhung der Spannung an der Spule im Lastkreis. Unterteilte Kondensatorbatterie bedeutet dabei, daß ein Kondensator in Serie zur Lastspule und ein Kondensator parallel zum Wechselrichlerausgang angeordnet ist.
Allgemein bekannte Verfahren zum Start von Schwingkreis-Wechselrichtern mit geteilter Kondensatorbatterie verwenden für den Startvorgang eine getrennte Starteinrichtung, aus der die Energie für die Anfachung der ersten Schwingung bezogen wird. Für schwierige Bedingungen beim Startvorgang wird in der Regel noch eine Vorstromeinrichtung zum Vorfluten der Speicherdrossel im Gleichstromzwischenkreis benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung des Startvorgangs eines lastgeführten Schwingkreis-Wechselrichters mit unterteilter Kondensatorbatterie anzugeben, welches ein Anschwingen ohne Hilfseinrichtungen ermöglicht, ohne daß dabei die notwendige Mindestschonzeit {Freiwerdezeit) der Stromrichterventile unterschritten wird.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der gesamte Anschwingvorgang des Wechselrichters lediglich durch zeilrichtiges Zünden der Stromrichterventile sichergestellt wird. Während des Anschwingvorganges kommutiert der Kurzschlußstrom dabei mit Hilfe der Spannung der Kondensatorbatterien auf den Schwingkreis und regt die Lastkreis-Schwingung an, die anschließend durch zeitrichtiges Zünden der Stromrichterventile aufrechterhalten wird und einen Übergang auf den Normalbetrieb ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet. In diesem Zusammcnhang ist es aus der DE-OS 15 63 916 bekannt, den Zeitpunkt der Zündung der Stromrichterventile eines statischen Resonanzkreis-Wechselrichters in Abhängigkeit vom Strom durch die Lastspule und von der Spannung an der Lastspule zu steuern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein prinzipielles Schaltbild des lastgeführten Schwingkreis-Wechselrichters mit dem Lastkreis,
Fig.2 Strom- und Spannungsverlauf während der Kondensatoraufladung,
F i g. 3 Ströme und Spannungen im Lastkreis während der ersten Schwingungsperioden des Startvorganges,
F i g. 4 Ermittlung der Zündzeitpunkte,
F i g. 5 Gesamtschaltung des Umrichters,
F i g. 6 Spannungsbildung, Strombildung und Normalbetrieb während des Startvorganges.
In Fi g. 1 ist ein lastgeführter Schwingkreis-Wechselrichter mit unterteilter Kondensatorbatterie dargestellt. Eine Gleichspannungsquelle 1 ist über je eine in der Hin- bzw. Rückleitung angeordnete Speicherdrossel 2 bzw. 3 mit einem Wechselrichter 4 beschaltet. Die Gleichspannungsquelle 1 gibt dabei die Gleichspannung Ud ab, der über die Drossel 2 fließende Zwischenkreis-
strom ist mit id bezeichnet, und die Induktivitäten der Speicherdrosseln 2 und 3 betragen jeweils Ld/2. Die Gleichspannungsquelle 1 wird vielfach mittels eines netzgeführten, vollgesteuerten Gleichrichters in Dreiphasenbrückenschaltung realisiert, der über einen Transformator zur Spannungsanpassung der Last am Netz liegt Die Speicherdrosseln 2 und 3 dienen hauptsächlich dazu, dem Lastkreis einen eingeprägten Strom zu liefern.
Der Wechselrichter 4 besteht aus vier in Brückenschaltung angeordneten Stromrichterventilen VA i, VA 2, Vßi, Vb 2· Nachfolgend wird die die Ventile Va ι und Va ι enthaltende Brückeneiagonale mit »/4-Diagonale« und die die Ventile Vn > und Vn2 enthaltende Brückendiagonale mit »B-Diagonale« bezeichnet. Die Stromrichterventile Va u V/t 2, Vb t, V«2 können durch einzelne Thyristoren oder Gruppen von Thyristoren in Reihen- und/ oder Parallelschaltung bei höheren Spannungen und/ oder Strömen realisiert sein. Die wechselstromseitigen Anschlüsse der Ventile VAU VB2, VBU VA 2 sind jeweils über eine Kommutierungsdrossel 5, 6, 7, 8 mit einer Induktivität von jeweils L*/2 mit einem Parallelschwingkreis 9 (Lastkreis) beschaltet
Der Schwingkreis 9 besteht aus einer Kondensatorbatterie G mit parallelgeschalteter Reihenschaltung einer Kondensatorbatterie C2, einem Widerstand R und einer Drossel L Widerstand R repräsentiert den ohmschen Wirkwiderstand und Drossel L die Induktivität einer Lastspule (Ofenspule), in deren Innern sich das zu erwärmende oder zu schmelzende Gut befindet.
Die Ströme durch die Ventile VA 1, VB\, Vb2, Va 2 sind mit μι, ι»i, i'b2, M 2, der Kondensatorstrom durch den Kondensator C, mit iC\, der Ofenstrom durch die Reihenschaltung C2-R-L mit Iv ( = Spulenstrom), der Laststrom U\ + /V mit i'u die Lastspannung am Kondensator C\ mit ul, die Kondensatorspannung am Kondensator C2 mit υπ, und die Ofenspannung über der Lastspule R—L mit uv bezeichnet. Nachfolgend wird der Funktionsablauf des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens für den Schwingkreis-Wechselrichter gemäß Fig. 1 beschrieben.
Zur Zeit f<0 sind alle Ventile gesperrt, die Gleichspannung Ud hat einen festen Wert, alle übrigen Ströme und Spannungen sind Null. Werden nun z. B. die Ventile Vit\ und Vb2 gezündet, so hat dies einen Stromimpuls (Sinushalbschwingung, Strom id = —k) zur Folge, der die Kondensatoren G und C2 auflädt, wie in F i g. 2 dargestellt. Die Induktivität Ld der Drosseln 2,3 bildet mit der Parallelschaltung der Kondensatoren G, C2 einen Reihenschwingkreis, weil die Spannungsabfälle an R, L und LK (Kommutierungsdrosseln 5, 6, 7, 8) vernachlässigt werden können {Ld>L> Lk)- Im Stromnulldurchgang verlöschen die Ventile wieder.
Wie auch aus F i g. 2 ersichtlich, ergibt sich
Ui. — Uc2 = —2Üd = :Ua
Uo wird im folgenden mit Startspannung bezeichnet.
Es ist erischtlich, daß durch einfaches, abwechselndes Zünden der mit A und B indizierten Ventile an der Lastspulen- bzw. Ofeninduktivität L keine nennenswerte Spannung aufgebaut werden kann. Ld bildet dann mit den Kondensatoren G, C2 einen Reihenschwingkreis. Wird jedoch jetzt durch Zünden von z. B. VA \ und Vn2 ein Kurzschluß eingeleitet, steigt der Zwischenkreisstrom id bis auf seinen Maximalwert /</„„,* an.
Wird anschließend das Ventil VA 2 gezündet, so läßt die noch anstehende Lastspannung Ui. an C\ den Strom is2 von Ventil Va2 auf Ventil VA2 kommutieren. Der Strom wird zuerst fast vollständig vom Kondensator Ci aufgenommen, da der hohen Stromänderungsgeschwindigkeit die Induktivität L einen großen Widerstand entgegensetzt Die Kondensatorbatterie C\ wird umgeladen. Die entstehende Spannungsdifferenz zwischen der Lastspannung Ul und der Kondensatorspannung Uc2 fällt an R und L ab. Durch die Kondensatorbatterie C2 beginnt ein Ofenstrom iv zu fließen. Da die Summe von Kondensatorstrom /ei und Ofenstrom ϊγ konstant und gleich dem Zwischenkxeisstrom id ist wird der Kondensatorstrom /ei kleinen
Wurde die Startspannung i/o so gewählt daß im Schnittpunkt von Uv mit Kr i\ (Ki = einstellbarer Proportionalitätsfaktor) die Lastspannung u/. ihre Polarität gewechselt hat und groß genug ist, den Zwischenkreisstrom id zu kommutieren, so kann man in diesem Moment die andere Ventil-Diagonale (= ß-Diagonale) zünden. Der Zwischenkreisstrom id kommutiert also von der A- auf die B-Diagonale.
Werden die Ventildiagonalen jetzt jeweils abwechselnd im Schnittpunkt Uv mit Ki ■ iv gezündet, so baut sich eine Schwingung auf. Hierbei muß jedoch beachtet werden, daß die Zeit zwischen Kommutierungsende (Sperren der entsprechenden Ventile) und Nulldurchgang von ul in allen Fällen größer ist als die notwendige Freiwerdezeit der Ventile.
In F i g. 3 sind die Ströme und Spannungen im Lastkreis während des Startvorganges dargestellt. Es wird angenommen, daß zu Beginn des Zeitbereiches 1 an den Kondensatoren Ci, C2 eine Spannung
=-U0
ansteht und bei leitenden Ventilen VA\ und Vs2 ein Strom id= k fließt. Zur Zeit r=0 wird das Ventil VA2 gezündet. Im Zeitbereich 1 leiten die Ventile VA 1, VA2 und Vfl2.
Der Strom //. steigt von seinem Anfangswert Null auf den Wert + /0. Die Spannungen uv (Anfangswert 0) und ul (Anfangswert — Uo) steigen an, während der Strom Kr iv im wesentlichen noch konstant auf dem Wert 0 bleibt.
Im Zeitbereich 2 leiten die Ventile VA 1, VA 2, während Ventil Vb2 verloschen ist. Der Strom //.behält den Wert + /0. Die Spannung uv sinkt nach Erreichen eines ersten positiven Scheitelwertes wieder ab, während der Strom Ki -iv zu steigen beginnt. Die Kondensatorspannung Ul wechselt ihre Polarität und steigt in dem positiven Spannungsbereich an.
Zu Beginn des Zeitbereiches 3 werden im Schnittpunkt von Uv und Kr iv zusätzlich zu den Ventilen VA 1, VA 2 die Ventile VB i, Vs2 gezündet und es findet eine Kommutierung von der A-Diagonalen auf die 5-Diagonale statt. Der Strom i'l fällt vom Wert + /0 auf den Wert — /0 ab. Die Spannung uv sinkt weiterhin ab, während der Strom Kr iv leicht weitersteigt. Die Spannung ti/, sinkt weiter ab.
Im Zeitbereich 4 leiten nach Verlöschen der Ventile Va 1 und Va 2 lediglich die Ventile Vs 1 und Vs2. Der Strom //, behält konstant den Wert —/0, während der Strom Kr ir nach Überschreiten eines positiven Maximums wieder abfällt. Die Spannungen uv und Ul erreichen einen ersten negativen Scheitelwert.
Im Schnittpunkt Uv und Ki ■ iv werden jetzt die Ventile Va 1 und Va 2 gezündet, und der Zeitbereich 5 beginnt. Es leiten wieder alle vier Ventile und die Kommutierung des Stromes von der ß-Diagonalen auf die /4-Diagonale
erfolgt. Der Strom //, steigt vom Wert —/<> auf den Wert + k und die Spannungen Ur und Ul steigen ebenfalls steil an. Der Strom Ki -iv fällt weiterhin leicht ab.
Im Zeitbereich 6 leitet wieder lediglich die Λ-Diagonale. Der Strom /z, bleibt konstant auf dem Wert + /o, während die Spannungen Uv und Ul nach Erreichen ihres zweiten positiven Scheitelwertes wieder abfallen. Der Strom Kr iv steigt nach Erreichen eines ersten negativen Scheitelwertes wieder an.
Die abwechselnden Zündungen der A- und Ä-Diagonalen werden jetzt periodisch fortgesetzt.
Ein Verfahren, welches diese Steuerung ermöglicht, ist nachfolgend angegeben. Die Spannung uv und der Strom iv werden gleichgerichtet (Betragsbildung). Der Strom, wird über einen einstellbaren Proportionaütäts- <s faktor Jt; in eine Spannung umgewandelt. Jeweils zu den Zeitpunkten, an denen Jt;-/V größer als uv wird, löst die Steuerlogik einen Wechselrichterzündimpuls aus, der je nach Polarität von Ul entweder der /4-Diagonale oder der ß-Diagonale zugeordnet wird. Die Zündzeitpunkte liegen automatisch im 180°-Abstand. Mit dem Faktor k/ läßt sich der Löschwinkel von fast 90° (£/-►«>) bis zu 0° (it;=0) einstellen.
Der automatische Abbau eines Gleichanteils der Lastspannung Ul wird folgendermaßen erreicht. Im oberen Teil der F i g. 4 sind der Ofenstrom iv und die Ofenspannung uv aufgetragen. Den Schnittpunkt der beiden Zeitverläufe erkennt eine Steuerlogik (in der folgenden Fig. 5 mit Bezugsziffer 12 bezeichnet) und erzeugt jeweils einen Zündimpuls für die entsprechende Ventildiagonale. Im unteren Teil der F i g. 4 sind die zugehörigen Zeitverläufe von Laststrom //. und Lastspannung u; aufgetragen, wobei die Lastspannung Ul von einem Gleichanteil überlagert ist.
Die Kommutierungsgeschwindigkeit des Stromes ist von der Höhe der Kommutierungsspannung abhängig. Im unteren Teil der F i g. 4 ist dies aufgetragen. Wie zu erkennen ist, wird dadurch bei positivem Gleichanteil der Lastspannung ul der Mittelwert des Laststromes ;';. negativ, was über mehrere Perioden hinweg einen Abbau des Gleichanteils zur Folge hat Durch diesen Selbstregeleffekt erübrigt sich eine spezielle Regelelektronik für den Gleichanteil.
Die Ableitung der Zündzeitpunkte aus Ofenstrom ;V und Ofenspannung uv hat noch einen weiteren Vorteil. Bei hohem Strom und kleiner Spannung — entsprechend einer geringen Güte — steigt die Kommutierungsdauer an, was eine Reduzierung der Schonzeit zur Folge hätte, wenn der Zündzeitpunkt nicht automatisch weiter nach vorn verlegt werden würde. Der Spulenstrom hat eine güteabhängige Phasendrehung gegenüber der Spulenspannung. Dadurch wird der Zündzeitpunkt bei steigendem Strom und sinkender Spannung weiter nach vorn verschoben, so daß auch bei kleiner Güte eine ausreichende Schonzeit gewährleistet ist
In der F i g. 5 ist eine Gesamtschaltung des Umrichters dargestellt Der Wechselrichter 4 wird über einen netzgeführten, vollgesteuerten Gleichrichter 10 in Dreiphasenbrücker.schaltung und einen Gleichstromzwischenkreis 11 (mit Drosseln 2,3) eingespeist. Die Phasen des Netzes sind mit R, S, Tbezeichnet Einer Steuerlogik 12 werden eingangsseitig der Ofenstrom iv und die Ofenspannung Uv des Lastkreises 9, der Zwischenkreisstrom id sowie der Laststrom /;. eingegeben. Die Steuerlogik 12 gibt ausgangsseitig Zündimpulse an den Wechselrichter 4 sowie eventuell Störmeldungen an einen Strom- und Spannungsregler 13 ab. Dem Strom- und Spannungsregler 13 werden eingangsseitig die Ofenspannung uv, der Zwischenkreisstrom id und eine vorgebbare Sollspannung us„u eingegeben, ausgangsseitig gibt der Strom- und Spannungsregler 13 Zündimpulse an den Gleichrichter 10 ab.
Die Steuerlogik 12 dient zur Steuerung des Startvorganges und des Normalbetriebes. Die Spannungsbildung an den Kondensatoren Q, Ci wird während des Startvorganges durch Zündimpulse der Steuerlogik 12 an die Venntile V;n und Vßj eingeleitet. Ein in Fig.6 gezeigter Stromimpuls des Zwischenkreisstromes /,/ ist die Folge, der die Kondensatoren Q und Ci auf eine Spannung Ul (in F i g. 6 dargestellt) auflädt, deren Höhe von der Ausgangsspannung des Gleichrichters 10 im Zündmoment abhängt. Für die Dauer des Stromflusses werden weitere Zündimpulse gesperrt Der nächste freigegebene Zündimpuls gelangt auf die Ventile VA , und Va 2· Durch den jetzt mit umgekehrter Polarität folgenden Stromimpuls werden die Kondensatoren C\ und C2 um- und weiter aufgeladen. Gemäß einer Variante folgen weiterhin Zündimpulse an die Ventile der B- und der Λ-Diagonalen, bis die vorgegebene Startspannung U0 erreicht ist. Dies ist infolge der Polarität der Lastspannung ULb nur nach einem erfolgten Zündimpuls an die Ventile VBh Vbi möglich.
Nach Erreichung der Startspannung Uo werden die Ventile VA 1 und Vs2 gezündet und damit ein Kurzschluß hinter dem Gleichstromzwischenkreis 11 eingeleitet. Der Zwischenkreisstrom id steigt bis zu seinem Nennwert an. Die Spannung an den Kondensatoren Q, C2 bleibt dabei bestehen, da kein Entladestromkreis geschlossen ist.
Übersteigt der Zwischenkreisstrom /f; einen vorgegebenen Wert /0, so wird die nochmalige Zündung der Ventile V,\ 1, Va 2 ermöglicht. Gleichzeitig wird von der vorhergehenden Startimpulsfolge auf Normalbetrieb nach bekanntem Verfahren umgeschaltet, indem abwechselnd die Ventile Va 1 und Vai bzw. Vn 1 und Vm gezündet werden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Steuerung des Startvorganges eines lastgeführten Schwingkreis-Wechselrichters,
a) wobei der Schwingkreis-Wechselrichter aus vier in Brückenschaltung angeordneten Stromrichterventilen bzw. -ventilgruppen besteht, die gleichstromseitig aus einem Gleichstromzwischenkreis gespeist werden und wechselstromseitig mit einem Lastkreis beschaltet sind,
b) wobei der Lastkreis eine Kondensatorbatterie mit parallelgeschalteter Reihenschaltung, bestehend aus einer Kondensatorbatterie und einer Lastspule mit Induktivität und ohmschen Widerstand, aufweist,
c) mit einem ersten Verfahrensschritt, in welchem die Kondensatorbatterien des Lastkreises über die Stromrichterventile des Wechselrichters aus dem Gleichstromzwischenkreis aufgeladen werden,
d) mit einem zweiten Verfahrensschritt, in welchem der Wechselrichter bis zum Erreichen eines vorbestimmten Zwischenkreisstromes gleichstrommäßig mittels der Stromrichterventile kurzgeschlossen wird, und
e) mit einem dritten Verfahrensschritt, in welchem jeweils abwechselnd die Stromrichterventile der Brückendiagonale des Wechselrichters gezündet werden,
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