DE3217677A1

DE3217677A1 - Kommutierungs-steuerschaltung fuer strom-wechselrichter

Info

Publication number: DE3217677A1
Application number: DE19823217677
Authority: DE
Inventors: Chihiro Okado
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-05-12
Filing date: 1982-05-11
Publication date: 1982-12-09
Also published as: US4403280A; AU8355782A; AU538057B2; JPS6361877B2; DE3217677C2; JPS57186989A

Description

KOMMUTIERUNGS-STEUERSCHALTUNG FÜR STROM-WECHSELRICHTER

Die Erfindung betrifft eine Kommutierungs-Steuervorrichtung für einen Strom-Wechselrichter mit einer Zwangs-Kommutierungsschaltung, die so ausgebildet ist, daß sie einen Wechselstrommotor oder dergleichen stabil antreibt.

Der Strom-Wechselrichter ist ein Wechselrichter, bei welchem eine Kommutierungsenergie in einer Last, wie einem Elektromotor, in einem Kondensator gespeichert wird, wobei die gespeicherte Energie für die folgende Kommutierung verwendet wird.

Ein Beispiel eines üblichen Strom-Wechselrichters ist in Fig. 1 gezeigt.

In diesem Beispiel wird ein von einer veränderbaren Gleichstromquelle 1 gelieferter elektrischer Strom durch eine Gleichstromdrossel 2 geglättet und durch eine Haupt-Thyristor-Brücke 3 mit den Thyristoren 21 - 26 in drei Phasen-Ströme umgewandelt, die einer Last 4 wie einem Wechselstrommotor, zugeführt werden. Das Beispiel enthält ferner eine Hilfs-Thyristor-Brücke 5 mit den Thyristoren 51 - 56, zusätzliche Thyristoren 11 und 12, Zerhacker 13 und 14 und Dioden 15 und 16, welche einen Kondensator 17 über der Gleichstromseite der Hilfs-Thyristor-Brücke 5 verbinden, wenn die Zerhacker 13 und 14 ausgeschaltet werden. Die veränderbare Gleichstromquelle 1 kann eine Gleichstromquelle sein, die eine phasengesteuerte Gleichrichterbrücke enthält, die mit einer Dreiphasen-Wechselstromquelle verbunden ist. Die Zerhacker 13 und 14 können aus durch ein Tor abschaltbaren Thyristoren, Transistoren oder Thyristoren bestehen.

Die Arbeitsweise dieses bekannten Wechselrichters wird unter Hinweis auf die; Fiq. 2, '} (n) , 3(b) und M<·) beschrieben .

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Angenommen, daß die Thyristoren 21 und 26 zur Zeit t_ eingeschaltet sind, fließen elektrische Ströme I_rT und I_TT durch

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den M(Jt or 4. Wenn im Augenblick t ein Kommutierungs-Taktimpuls P erzeugt wird, werden, der Thyristor 11, die Zerhacker 13 und 14 und ein Thyristor 54 in der Hilfs-Thyristor-Brücke 5 alle eingeschaltet. Somit wird eine Gegenspannung an den Thyristor 21 gelegt, um diesen abzuschalten. Der Strom I ändert nun seinen Durchgang von dem Thyristor 21 zum Thyristor 54, wie es in Fig. 3a gezeigt ist. Während der Zeit t₁-t„ fließt ein elektrischer Strom von der Gleichstromquelle 1 durch eine die Drossel 2, den Thyristor 3, den Zerhacker 13, den Kondensator 17, den Zerhacker 14, den Thyristor 54, den Elektromotor 4 und den Thyristor 26 enthaltende Schleife, wodurch(tr Kondensator 17 entladen wird.

Wenn die Zerhacker 13 und 14 abgeschaltet werden und der Thyristor 22 am Ende des Tntervalls t - t einer ausreichenden Länge zur Abschaltung des Thyristors 21 eingeschaltet wird, wird der elektrische Strom I gedämpft, weil seine Richtung derjenigen der Spannung V über dem Kondensator 17 entgegengerichtet ist, während der Strom I₇, wie in Fig. 3 (b) gezeigt, ansteigt, weil er unmittelbar aus der Stromquelle 1 fließt. Die Kommutierung, das ist ein Übertragungsvorgang des Stromes I_n zum Strom I geht vor sich, wie es in Fig. 3 (c) im Augenblick t₃ gezeigt ist.

Dio Spannung V, der. Kondensator» 17 nimmt während des 'Ac\tintervalls t..-t aufgrund der Entladung des Kondensators 17 ab und nimmt während des Zeitintervalls t_-t., aufgrund der Ladung des Kondensators zu. Wenn die Spannung V hoch wird, nimmt die Veränderungsgeschwindigkeit der Ströme I_nI_v zu, wodurch das Zeitintervall t„-t₃ verringert wird, um so die Zunahmebeschleunigung der Spannung ¹V zu verringern.

Die Geschwindigkeit der Verringerung der Spannung V_c während dos Zeitintervalls t₁~t„ ist für einen konstanten Laut:;! rom konstant. Wenn üomil da:; Xe it interval 1 t -t„ konstant ist, wird die Spannung V im Augenblick t„ auf

einen konstanten Wert gebracht.

Wenn aber sich die Lastbedinqunq verändert, ändert sich auch die Spannung V_n im Augenblick L„ von dem konstanten Wort. Wenn beispielsweise die Last zunimmt, nimmt mich die Spannung V-, zu, die im Zeitpunkt der Kommutierung am Motor 4 liegt, wodurch die Stoßspannung erhöht wird.

Wenn umgekehrt die Spannung V_p unter die gegenelektromotorisehe Kraft des Elektromotors 4 abnimmt, verringert sich der Strom Iy in Fig. 3(b) nicht auf Null, was zu einem Kommutierungsfehler führt.

Ziel der Erfindung j st die Schaffung einer Kommutierunqs-Steucrvorrichtunq für einen SLrom-Wechselrichter, bei welchem die vorgenannten Nachteile der bekannten Steuerschaltung im wesentlichen überwunden werden können.

Durch die Erfindung soll auch eine Kommutierungs-Steuervorrichtung für einen Strom-Wechselrichter geschaffen werden, bei welcher die Kommutierung unabhängig von der Lastbedingung erfolgreich bewirkt werden kann.

Ferner soll durch die Erfindung eine Kommutierungs-Steuerschaltunq für einen Strom-Wechselrichter geschaffen werden, mit welcher die Einwirkung einer Stoßspannung auf die Last im wesentlichen ausgeschaltet werden kann.

Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch dnc Kommutierungs-Steuerschaltung für einen Strom-Wechselrichter, bei welchem die Kommutierungsenergie einer Last des Wechselrichters in einem Kondensator gespeichert wird und die folgende Kommutierung unter Verwendung der Entladung des Kondensators bewirkt wird, wobei die Steuervorrichtung eine Vorrichtung zum Messen der Spannung über dem geladenen Kondensator und eine Vorrichtung zur Steuerunq einer Länqe der Entladunqszeit des Kondensators während der Folgenden Kommutierung in Abhänq i qke i I von avr qpmcsscncn Kondeniin I or;;p;iri-

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nunq (»nthfilt, um so die Kondonsatorspannunq auf einem im wescnLLichen konstanten Wert zu halten.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Strom-Wechselsrichters mit einem Wechselstrommotor als Last,

Fig. 2 ein Zeitschaubild zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wechselrichters nach Fig. 1,

Fig. 3 (a), Schaltbilder zur Erläuterung der Arbeitsweise 3(b) und dos in Fig. 1 gezeigten Wechselrichters, Hc.)

I'M'). Ί ein IM ι irkücliii I L b i I (I eiiu¹;; Λιι.'ίί '(lh t υ in |: ;1 χ · i :;|> i öl s clrs erfindungsgemäßen Strom-Wechselrichters,

Fig. 5 ein Zeitschaubild zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 7 ein Blockschaltbild, eines noch anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 8 ein Zeitschaubild zur Erläuterung der Arbeitsweise dos Ausführungsbeispiels nach Fig. 7.

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem Schaltungselemente, die mit denjenigen nach Fig. 1 gleich sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, deren Beschreibung als überflüssig weggelassen sind. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 enthält einen Oszillator 60, der eine Reihe von Taktimpulsen P, mit einer Frequenz 6f (worin f die Wechselrichterfrequenz bedeutet) erzeugt, und zwar in einer Phasenbeziehung, wobei die Taktimpulse P, alle 60° des Wechselrichter-Betriebsphasenwinkels erzeugt werden. Der Ausgang des Oszillators 60 wird einer festen Verzögerungsschaltung 61 und einer veränderbaren Verzögerungsschaltung 62 zugeführt. .Oiie Verzögerungsschaltungen 61 und 62 liefern verzögerte Ausgangssignale

TD- und TD „ an einen Taktgeber-Impulsgenerator 65. Der Ausgang des Taktgeber-Impulsgenerators 65 wird einem Verstärker 66 zugeführt, welcher Steuersignale für alle Torelektroden der Thyristoren der Haupt-Thyristor-Brücke 3, die Hilf^-Thyristor-Brücke 5, die Thyristoren 11 und 12 und die Zerhacker 13 und 14 erzeugt.

Ein Spannungsdetektor 63 mißt die Spannung V über dem Kondensator 17 und liefert ein Ausgangssignal an einen Komparator 64, welcher das Ausgangssignal des Spannungsdetektors 63 mit einem vorbestimmten Wert vergleicht, um die veränderbare· Vnr/.öqeriinq.südiitl t unq (>2 ;:o zu steuern, daß κ ί ο d i ο Verzögerunqszoit dor Verzögc3runqi;achaltunq 0 2 vorkürzt, wenn das Ausgangssignal größer als der vorbestimmte Wert ist, und die Verzögerungszeit verlängert, wenn das Ausgangssignal kleiner als der vorbestimmte Wert ist.

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 wird nun unter Hinweis auf das Zeitschaubild nach Fig. 5 beschrieben. Zu einem Zeitpunkt t. (Fig. 5) und entsprechend dem Augenblick t_ (Fig. 2) befinden sich die Thyristoren 21 und 26 im Einschaltzustand. Wenn in dem Oszillator im Augenblick t,- ein Taktimpuls P. erzeugt wird, wird der Impuls P in der festen Verzögerungsschaltung 61 für eine feste Periode TD verzögert, und es wird das so verzögorte Ausgangssignal dem Taktgeber-Impulsgenerator 65 im Augenblick t„ zugeführt.

In einem Falle, in dem die Spannung V_ des Kondensators 17 sich auf einer Höhe befindet, wie sie in Fig. 5 durch eine ausgezogene Linie gezeigt ist, verzögert die veränderbare Verzögerungsschaltung 62 den Impuls P, um einen Betrag Td₁, und es wird das so verzögerte Ausgangssignal dem Taktgeber-Impulsgenerator 6 5 in einem Zeitpunkt t_ß zugeführt. Der Taktgeber-Impulsgenerator 6 5 enthält beispielsweise eine nicht gezeigte Flip-Flop-Schaltung, die durch das Ausgangssignal TD₁ von der veränderbaren Verzögerungsschaltung 6 2 eingestellt wird und durch das Ausgangssignal TD„ von der festen Verzögerungiischal L un<i 61 rückgostollt wird. Worin die Fl.i p-Flop-Schaltung im Zeitpunkt t, eingestellt wird, werden der Thyristor 11, die Zerhacker 13 und 14 und der Thyristor 54 der Hilfsthyristor-Brücke 5 alle eingeschaltet. Wenn der Thyristor 54 im Zeitpunkt t_ß eingeschaltet wird, wird der Thyristor 21 abgeschaltet, um den Kondensator 17 während eines Zeitraumes t,-t₇ zu entladen. Die Entladung des Kondensators 17 verringert dessen Klemmenspannung V^. Wenn die Zerhacker 13 und 14 abgeschaltet werden und der Thyristor 22 im Zeitpunkt t₇ eingeschaltet wird, beginnt die Ladung des Kondensators 17, wodurch der Strom I_n verringert wird. Wenn der Strom I„ im Zeitpunkt t„ auf Null verringert worden ist, wird der Thyristor 54 abgeschaltet,wodurch die Kommutierung vom Strom I_n zum Strom I„ ausgeführt wird.

In einem anderen Falle, in dem die Kondensatorspannung V_p so hoch ist, wie es im Zeitpunkt t,_ durch gestrichelte Linien dargestellt ist, wird die Verzögerungszeit TD₁ der veränderbaren Verzögerungsschaltung 62 verkürzt, wie es in Fig. 5 durch gestrichelte Linien gezeigt ist, und es werden die Zerhacker 13 und 14, der Thyristor 11 und der Thyristor 54 alle während der Zeitperiode tj--t₇ in ihrem Einschaltzustand gehalten. Infolgedessen entlädt sich der Kondensator 17 während der gleichen Zeitspanne t,--t₇, wie es durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, und er wird dann, wie oben für das Zeitintervall t_,-t_o

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beschrieben, geladen.

Wie oben beschrieben, wird die Spannung V des Kondensators 17 so gesteuert, daß, wenn die Spannung V_c höher als ein vorbe-

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stimmter Wert ist, das Entladeintervall des Kondensators 17 verlängert wird, und wenn die Spannung V_n geringer ist als der vorbestimmte Wert, das Entladeintervall des Kondensators 17 verkürzt wird. Unabhängig von der oben beschriebenen Steuerung der Kondensatorspannung V_ wird aber der Startaugenblick t_ der Kommutierung unverändert beibehalten, weil der Zeitpunkt t^ durch das Ausgangssignal der festen Verzögerungsschaltung 61 bestimmt ist. Infolgedessen kann die vorher beschriebene Unstabilität der Arbeitsweise auch dann ausgeschaltet werden, wenn an den Ausgang des Strom-Wechselrichters ein Wechselstrommotor angeschaltet ist.

Obwohl eine feste Verzögerungsschaltung 61 und eine veränderbare Verzögerungsschaltung 62 in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel verwendet worden sind, kann die veränderbare Verzögerungsschaltung 6 2 durch zwei feste Verzögerungsschaltungen 6 2A und 62B mit verschiedenen Verzögerungszeiten TD₁, und TD^_R ersetzt werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Übertragungsschalter , 6 7 vorgesehen, welcher eines der Ausgangssignale der beiden Verzögerungsschaltungen 62A und 6 2B dem Taktgeber-Impulsgenerator 65 zuführt, und zwar in Übereinstimmung mit der Arbeitsweise des Übertragungsschalters 67, der durch das Ausgangssignal des Komparators 64 gesteuert wird. Wenn gewünscht, kann die Anzahl der festen Verzögerungsschaltungen über zwei hinaus erhöht werden.

Noch ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 gezeigt, in dem nur eine veränderbare Verzögerungsschaltung 62 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 verwendet ist, wobei die Verzögerungszeit TD- der Verzögerungsschaltung 6 2 proportional zur Kondensatorspannung V_ verlängert wird. Ferner wird der Taktimpuls P. unmittelbar dem Taktgeber-Generator 6 5 zugeführt, so daß die in den Taktgeber-Impulsgenerator 65 eingeschlossene Flip-Flop-Schaltung durch den Taktimpuls P. eingestellt und durch den Ausgangsimpuls der veränderbaren Verzögerungsschaltung 62 rückgestellt wird. Somit wird die Ein-Aus-Steuerung der Zerhacker 13 und 14 in Abhängigkeit von der Arbeitsweise der Flip-Flop-Schaltung ausgeführt, und es wird das Ladeintervall des Kondensators 17 verändert, wie es bei t_c-t, und t_c-t_

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in Fig. 8 angedeutet ist.

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In dem in Ki.(|. 7 (jfzoicil.cn Au.sf Uh runqsbr» i Hp.1 el verändert sich, wie aus Fig. 8 ersichtlich, der Start-Zeitpunkt der Kommutierung, wie es durch tg und t₇ gezeigt ist, und infolgedessen neigt der Laststrom dazu, eine Gleichstromkomponente zu enthalten, welche den Betrieb des Elektromotors unstabil macht. Aus diesem Grunde muß die Verzögerungszeit TD. auf einen kleinen Wert verringert werden. Wenn es erforderlich ist, die Verzögerungszeit TD. zu vergrößern, muß die Änderung des Kommutierungsphasenwinkels durch Beschränkung der Änderung der Verzögerungszeit für jede Kommutierung verringert werden, so daß der Betrieb des Elektromotors stabil ist.

In don oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Kondensator 17 durch eine Gleichstromquelle ersetzt werden, die geladen oder entladen werden kann, beispielsweise durch einen Akkumulator. Infolgedessen ist der Ausdruck "Kondensator" in den Ansprüchen so auszulegen, daß dieser auch eine ladbare und entladbare Gleichstromquelle umfaßt.

Gemäß der Erfindung wird der Kommutierungsvorgang des Wechselrichters während des Entladeintervalls eines Kondensators ausgeführt, so daß eine im wesentlichen konstante Kondensatorspannung unabhängig von der Lastbedingung erhalten werden kann. Infolgedessen kann ein Elektromotor als Last des Wechselrichters verwendet werden, ohne daß eine Stoßspannung oder ein Kommutierungsfehler auftritt, und es kann jede Änderung des Kommutierungsphasenwinkels verhindert werden. Ferner bestehen bei Strom-Wechselrichtern, in denen eine Diode und ein Thyristor in jedem Zweig in Reihe geschaltet sind, verschiedene Probleme, wie sie im folgenden dargelegt sind. So bewirkt eine Veränderung der Lastinduktivität eine Stoßspannung, und es erfordert eine Änderung der Motorlast oder seiner Nennleistung eine Schaltung des Kommutierungskondensators₍ und eine schnelle Änderung der Last verändert die Kommutierungszeitgebung, wodurch der Betrieb des Wechselrichters unstabil wird. Gemäß der Erfindung können aber alle diese Probleme überwunden werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

M. Kommutierungs-Steuervorrichtung für einen Strom-Wechselrichter, bei welchem die Kommutierungsenergie einer Last des Wechselrichters in einem Kondensator gespeichert wird und die folgende Kommutierung unter Verwendung der Entladung des Kondensators bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (63) zur Messung der Spannung über dem geladenen Kondensator (17) vorgesehen ist und daß eine Vorrichtung (60 - 63, 65) zur Steuerung der Länge der EnCl adunq.T/o i r da; Komlon:;n I or:: (17) während der Folgenden Kommutierung in Abhängigkeit von der gemessenen Kondem;atorspannung vorgesehen ist, um die Kondensatorspannung auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten.
2. Kommutierungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (63) zur Messung der Kondensatorspannung einen Komparator (64) enthält, welcher die gemessene Kondensatorspannung mit einem vorbestimmten Wert vergleicht und ein erstes Ausgangssignal liefert, wenn die gemessene Kondensatorspannung größer ist als der vorbestimmte Wert, und ein zweites Ausgangssignal liefert, wenn die gemessene Kondensatorspannung kleiner ist als der vorbestimmte Wert.
3. Kommutierungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (63) zur Messung der Kondensatorspannung einen Komparator enthält, welcher ein der Kondensatorspannung im wesentlichen proportionales Ausgangssignal liefert.
4. Kommutierungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Entladezeit einen Impulsgenerator (60) , eine veränderbare Verzögerung sschaltung (62) zur Verzögerung eines von dem Impulsgenerator erhaltenen Impulses in Abhängigkeit von einem AussH Icjnnl de»:? Kompa ra Iron;, eine feste Verx.öqerunqssehai tunq

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(61) zur Verzögerung eines vom Impulsgenerator erhaltenen Impulses um eine feste Verzögerungszeit und einen Taktgeber-Impulsgenerator (65) enthält, der Ausgangssignale der veränderbaren Verzögerungsschaltung und der festen Ver-•/,öqcr un<| skcIuiI L unq erhält, um ο L non Taktimpuls zu erzeugen, welcher für die Steuerung der Entladungszeit des Kondensators verwendet wird (Fig. 4).
5. Kommutierungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Entladungszeit einen Impulsgenerator (60), mehrere feste Verzögerungsschaltungen (62A, 62B) zur Verzögerung der vom Impulsgenerator (60) erhaltenen Impulse um verschiedene Verzögerungszeiten, einen Übertragungsschalter (67) zur Zuführung eines der Ausgangs signale der verschiedenen Verzögerungsschaltungen (62A, 62B) zu einem Taktgeber-Impulsgenerator (65) und eine weitere feste Verzögerungsschaltung (61) zur Verzögerung eines von dem Impulsgenerator (60) erhaltenen Impulses um eine feste Verzögerungszeit enthält, wobei der Taktgeber-Impulsgenerator (65) das Ausgangssignal der weiteren festen Verzögerungsschaltung (61) erhält, um ein Taktsignal zu erzeugen, welches die Entladungszeit des Kondensators (17) steuert (Fig. 6).
6. Kommutierungs-Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Entladungszeit einen Impulsgenerator (60), eine veränderbare Verzögerungsschaltung (62) zur Verzögerung eines vom Impulsgenerator (60) erhaltenen Impulses um eine vom Ausgangssignal des Komparators (64) in der Spannungsmeßvorrichtung abhängige Verzögerungszeit und einen Taktgeber-Impulsgenerator (65) enthält, welcher einen Impuls von dem Impulsgenerator (60) und einen Ausgangsimpuls von der veränderbaren Verzögerungsschaltung (62) zur Erzeugung eines Taktsignals zur Steuerung der Entladungszeit des Kondensators (17) enthält.