DE3217677C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kommutierungs-Steuervorrichtung für einen Strom-Wechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Ein Beispiel einer Kommutierungs-Steuervorrichtung der o. g. Art (DE-OS 29 52 484) ist in Fig. 1 des Patentes gezeigt.

In diesem Beispiel wird ein von einer veränderbaren Gleich­ stromquelle 1 gelieferter elektrischer Strom durch eine Gleichstromdrossel 2 geglättet und durch eine Haupt-Thy­ ristor-Brücke 3 mit den Thyristoren 21-26 in drei Phasen- Ströme umgewandelt, die einer Last 4 wie einem Wechselstrom­ motor, zugeführt werden. Das Beispiel enthält ferner eine Hilfs-Thyristor-Brücke 5 mit den Thyristoren 51-56, zu­ sätzliche 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 Gleichstrom­ quelle sein, die eine phasengesteuerte Gleichrichterbrücke enthält, die mit einer Dreiphasen-Wechselstromquelle ver­ bunden ist. Die Zerhacker 13 und 14 können aus durch ein Tor abschaltbaren Thyristoren, aus Transistoren oder aus Thyristo­ ren bestehen.

Die Arbeitsweise dieses bekannten Wechselrichters wird unter Hinweis auf die Fig. 2, 3(a), 3(b) und 3(c) beschrie­ ben.

Angenommen, daß die Thyristoren 21 und 26 zur Zeit t ₀ einge­ schaltet sind, fließen elektrische Ströme I _U und I _W durch den Motor 4. Wenn im Augenblick t ₁ ein Kommutierungs-Takt­ impuls P _t erzeugt wird, werden der Thyristor 11, die Zer­ hacker 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 _U ändert nun seinen Durchgang von dem Thyristor 21 zum Thy­ ristor 54, wie es in Fig. 3a gezeigt ist. Während der Zeit t ₁-t ₂ fließt ein elektrischer Strom von der Gleichstromquelle 1 durch eine die Drossel 2, den Thyristor 11, den Zerhacker 13, den Kondensator 17, den Zerhacker 14, den Thyristor 54, den Elektromotor 4 und den Thyristor 26 enthaltende Schleife, wodurch der Kondensator 17 entladen wird.

Wenn die Zerhacker 13 und 14 abgeschaltet werden und der Thyristor 22 am Ende des Intervalls t ₁-t ₂ einer ausrei­ chenden Länge zur Abschaltung des Thyristors 21 eingeschal­ tet wird, wird der elektrische Strom I _U gedämpft, weil seine Richtung derjenigen der Spannung V _C über dem Kondensa­ tor 17 entgegengerichtet ist, während der Strom I _V , wie in Fig. 3(b) gezeigt, ansteigt, weil er unmittelbar aus der Stromquelle 1 fließt. Die Kommutierung, das ist ein Übertra­ gungsvorgang des Stromes I _U zum Strom I _V , geht vor sich, wie es in Fig. 3(c) im Augenblick t ₃ gezeigt ist.

Die Spannung V _C des Kondensators 17 nimmt während des Zeit­ intervalls t ₁-t ₂ aufgrund der Entladung des Kondensators 17 ab und nimmt während des Zeitintervalls t ₂-t ₃ aufgrund der Ladung des Kondensators zu. Wenn die Spannung V _C hoch wird, werden die Änderungsgeschwindigkeiten der Ströme I _U I _V erhöht und damit das Zeitintervall t ₂-t ₃ verringert, wodurch der An­ stieg der Spannung V _C verringert wird.

Die Geschwindigkeit der Verringerung der Spannung V _C wäh­ rend des Zeitintervalls t ₁-t ₂ ist für einen konstanten Laststrom konstant. Wenn somit das Zeitintervall t ₁-t ₂ konstant ist, wird die Spannung V _C im Augenblick t ₂ auf einen konstanten Wert gebracht.

Wenn aber sich die Lastbedingung verändert, ändert sich auch die Spannung V _C im Augenblick t ₂ von dem konstanten Wert. Wenn beispielsweise die Last zunimmt, nimmt auch die Spannung V _C zu, die im Zeitpunkt der Kommutierung am Motor 4 liegt, wodurch der stoßartige Spannungsanstieg erhöht wird.

Wenn umgekehrt die Spannung V _C unter die gegenelektromotori­ sche Kraft des Elektromotors 4 abnimmt, verringert sich der Strom I _U in Fig. 3(b) nicht auf Null, was zu einem Kommu­ tierungsfehler führt.

Die bekannte Schaltung arbeitet somit nicht immer einwandfrei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kommutierungs- Steuervorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die bei vergleichsweise einfachem Aufbau eine sichere Kommutierung sicherstellt.

Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 oder des nebengeordneten Anspruchs 3 erreicht. Hierdurch wird bei vergleichs­ weise einfachem Schaltungsaufbau eine sichere Kommutierung ge­ währleistet.

Weitere Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus dem Anspruch 2.

In der Zeichnung zeigt

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

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

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

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Strom-Wechselrichters,

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

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der Erfindung,

Fig. 7 ein Bloschaltbild eines noch anderen Ausführungs­ beispiels der Erfindung und

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

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, 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 Oszilla­ tor 60, der eine Reihe von Taktimpulsen P _t mit einer Fre­ quenz 6 f (worin f die Wechselrichterfrequenz bedeutet) er­ zeugt, und zwar in einer Phasenbeziehung, wobei die Takt­ impulse P _t alle 60° des Wechselrichter-Betriebsphasenwin­ kels erzeugt werden. Der Ausgang des Oszillators 60 wird einer festen Verzögerungsschaltung 61 und einer veränder­ baren Verzögerungsschaltung 62 zugeführt. Die Verzögerungs­ schaltungen 61 und 62 liefern verzögerte Ausgangssignale TD ₁ und TD ₂ an einen Taktgeber-Impulsgenerator 65. Der Aus­ gang des Taktgeber-Impulsgenerators 65 wird einem Verstär­ ker 66 zugeführt, welcher Steuersignale für alle Torelek­ troden der Thyristoren der Haupt-Thyristor-Brücke 3, der Hilfs-Thyristor-Brücke 5, der Thyristoren 11 und 12 und der Zerhacker 13 und 14 erzeugt.

Ein Spannungsdetektor 63 mißt die Spannung V _C über dem Kon­ densator 17 und liefert ein Ausgangssignal an einen Kompa­ rator 64, welcher das Ausgangssignal des Spannungsdetektors 63 mit einem vorbestimmten Wert vergleicht, um die veränder­ bare Verzögerungsschaltung 62 so zu steuern, daß sie die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 62 verkürzt, wenn das Ausgangssignal größer als der vorbestimmte Wert ist, und die Verzögerungszeit verlängert, wenn das Ausgangssi­ gnal kleiner als der vorbestimmte Wert ist.

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 wird nun unter Hinweis auf das Zeitschaubild nach Fig. 5 be­ schrieben. Zu einem Zeitpunkt t ₄ (Fig. 5) und entsprechend dem Augenblick t ₀ (Fig. 2) befinden sich die Thyristoren 21 und 26 im Einschaltzustand. Wenn in dem Oszillator im Augenblick t ₅ ein Taktimpuls P _t erzeugt wird, wird der Impuls P _t in der festen Verzögerungsschaltung 61 für eine feste Periode TD ₂ verzögert, und es wird das so verzögerte Ausgangssignal dem Taktgeber-Impulsgenerator 65 im Augen­ blick t ₇ zugeführt.

In einem Falle, in dem die Spannung V _C 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 _t um einen Betrag Td ₁, und es wird das so verzögerte Ausgangssignal dem Taktgeber- Impulsgenerator 65 in einem Zeitpunkt t ₆ zugeführt. Der Takt­ geber-Impulsgenerator 65 enthält beispielsweise eine nicht gezeigte Flip-Flop-Schaltung, die durch das Ausgangssignal TD ₁ von der veränderbaren Verzögerungsschaltung 62 eingestellt wird und durch das Ausgangssignal TD ₂ von der festen Verzöge­ rungsschaltung 61 rückgestellt wird. Wenn die Flip-Flop-Schal­ tung im Zeitpunkt t ₆ eingestellt wird, werden der Thyristor 11, die Zerhacker 13 und 14 und der Thyristor 54 der Hilfsthy­ ristor-Brücke 5 alle eingeschaltet. Wenn der Thyristor 54 im Zeitpunkt t ₆ eingeschaltet wird, wird der Thyristor 21 ab­ geschaltet, weil sich der Kondensator 17 während eines Zeitraumes t ₆- t ₇ entlädt. Die Entladung des Kondensators 17 verringert dessen Klemmenspannung V _C . Wenn die Zerhacker 13 und 14 abge­ schaltet werden und der Thyristor 22 im Zeitpunkt t ₇ einge­ schaltet wird, beginnt die Ladung des Kondensators 17, wo­ durch der Strom I _U verringert wird. Wenn der Strom I _U im Zeitpunkt t ₈ auf Null verringert worden ist, wird der Thyri­ stor 54 abgeschaltet, wodurch die Kommutierung vom Strom I _U zum Strom I _V ausgeführt wird.

In einem anderen Falle, in dem die Kondensatorspannung V _C so hoch ist, wie es im Zeitpunkt t ₅ durch gestrichelte Linien dar­ gestellt ist, wird die Verzögerungszeit TD ₁ der veränderbaren Verzögerungsschaltung 62 verkürzt, wie es in Fig. 5 durch ge­ strichelte Linien gezeigt ist, und es werden die Zerhacker 13 und 14, der Thyristor 11 und der Thyristor 54 alle während der Zeitperiode t ₅-t ₇ in ihrem Einschaltzustand gehalten. Infolge­ dessen entlädt sich der Kondensator 17 während der gleichen Zeitspanne t ₅-t ₇, wie es durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, und er wird dann, wie oben für das Zeitintervall t ₇-t ₈ beschrieben, geladen.

Wie oben beschrieben, wird die Spannung V _C des Kondensators 17 für den folgenden Takt so gesteuert, daß, wenn die Spannung V _C im momentanen Takt höher als ein vorbe­ stimmter Wert ist, das Entladeintervall des Kondensators 17 verlängert wird, und wenn die Spannung V _C geringer ist als der vorbestimmte Wert, das Entladeintervall des Kondensators 17 verkürzt wird. Unabhängig von der oben beschriebenen Steue­ rung der Kondensatorspannung V _C wird aber der Startaugenblick t ₇ der Kommutierung unverändert beibehalten, weil der Zeit­ punkt t ₇ durch das Ausgangssignal der festen Verzögerungsschal­ tung 61 bestimmt ist. Infolgedessen kann die vorher beschrie­ bene Unstabilität der Arbeitsweise auch dann ausgeschaltet wer­ den, wenn an den Ausgang des Strom-Wechselrichters ein Wechsel­ strommotor angeschaltet ist.

Obwohl eine feste Verzögerungsschaltung 61 und eine veränder­ bare Verzögerungsschaltung 62 in dem vorgenannten Ausführungs­ beispiel verwendet worden sind, kann die veränderbare Verzöge­ rungsschaltung 62 durch zwei feste Verzögerungsschaltungen 62 A und 62 B mit verschiedenen Verzögerungszeiten TD _{1 A} und TD _{1 B} er­ setzt werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. In diesem Aus­ führungsbeispiel ist ein Übertragungsschalter 67 vorgesehen, welcher eines der Ausgangssignale der beiden Verzögerungsschal­ tungen 62 A und 62 B dem Taktgeber-Impulsgenerator 65 zuführt, und zwar in Übereinstimmung mit der Arbeitsweise des Übertra­ gungsschalters 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 Aus­ führungsbeispiels nach Fig. 4 verwendet ist, wobei die Verzö­ gerungszeit TD ₁ der Verzögerungsschaltung 62 proportional zur Kondensatorspannung V _C verlängert wird. Ferner wird der Takt­ impuls P _t unmittelbar dem Taktgeber-Generator 65 zugeführt, so daß die in den Taktgeber-Impulsgenerator 65 eingeschlossene Flip-Flop-Schaltung durch den Taktimpuls P _t eingestellt und durch den Ausgangsimpuls der veränderbaren Verzögerungsschal­ tung 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 Ladeinter­ vall des Kondensators 17 verändert, wie es bei t ₅-t ₆ und t ₅-t ₇ in Fig. 8 angedeutet ist.

In dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel verändert sich, wie aus Fig. 8 ersichtlich, der Start-Zeitpunkt der Kommutie­ rung, wie es durch t ₆ und t ₇ gezeigt ist, und infolgedessen neigt der Laststrom dazu, eine Gleichstromkomponente zu enthal­ ten, welche den Betrieb des Elektromotors unstabil macht. Aus diesem Grunde muß die Verzögerungszeit TD ₁ auf einen kleinen Wert verringert werden. Wenn es erforderlich ist, die Verzöge­ rungszeit TD ₁ zu vergrößern, muß die Änderung des Kommutie­ rungsphasenwinkels durch Beschränkung der Änderung der Verzöge­ rungszeit für jede Kommutierung verringert werden, so daß der Betrieb des Elektromotors stabil ist.

In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Kon­ densator 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 Wechsel­ richters während des Entladeintervalls eines Kondensators aus­ geführt, so daß eine im wesentlichen konstante Kondensatorspan­ nung unabhängig von der Lastbedingung erhalten werden kann. Infolgedessen kann ein Elektromotor als Last des Wechselrichters verwendet werden, ohne daß ein stoßartiger Spannungsanstieg oder ein Kommutierungsfehler auftritt, und es kann jede Änderung des Kommutierungsphasenwinkels verhindert werden. Ferner bestehen bei Strom-Wechselrichtern, in denen eine Diode und ein Thyri­ stor in jedem Zweig in Reihe geschaltet sind, verschiedene Prob­ leme, wie sie im folgenden dargelegt sind. So bewirkt eine Ver­ änderung der Lastinduktivität einen stoßartigen Spannungsanstieg, und es erfordert eine Änderung der Motorlast oder seiner Nenn­ leistung 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 (3)

1. Kommutierungs-Steuervorrichtung für einen Strom- Wechselrichter mit einer Haupt-Thyristorbrücke, deren Thyristoren der positiven Seite mit ihren Anoden gemeinsam mit einer mit einer Gleichstromquelle über eine Gleich­ strom-Drosselspule verbundenen ersten Zuführungsleitung ver­ bunden sind und deren Thyristoren der negativen Seite mit ihren Kathoden gemeinsam mit einer mit der Gleichstromquelle verbundenen zweiten Zuführungsleitung verbunden sind, mit einer Hilfs-Thyristorbrücke, deren Thyristoren der negativen Seite mit ihren Kathoden gemeinsam verbunden sind und deren Thyristoren der positiven Seite mit ihren Anoden gemeinsam verbunden sind, wobei die Wechselstrom-Ausgangsklemmen der Hilfs-Thyristorbrücke mit den Wechselstrom-Ausgangsklemmen der Haupt-Thyristorbrücke verbunden sind, die wiederum mit einer dreiphasigen Last verbunden sind, mit einem weiteren Hilfs-Thyristor, der zwischen die miteinander verbundenen Kathoden der Thyristoren der negativen Seite der Hilfs- Thyristorbrücke und die erste Zuführungsleitung geschaltet ist, mit einem weiteren Hilfs-Thyristor, der zwischen die miteinander verbundenen Anoden der Thyristoren der positiven Seite der Hilfs-Thyristorbrücke und die zweite Zuführungs­ leitung geschaltet ist, mit einer Reihenschaltung aus einem Zerhacker auf der positiven Seite der Hilfs-Thyristorbrücke, einem Kondensator und einem Zerhacker auf der negativen Seite der Hilfs-Thyristorbrücke, wobei der Zerhacker auf der positiven Seite der Hilfs-Thyristorbrücke mit der po­ sitiven Seite des Kondensators verbunden ist und wobei der Zerhacker auf der negativen Seite der Hilfs-Thyristorbrücke mit der negativen Seite des Kondensators verbunden ist und wobei diese Reihenschaltung zwischen die miteinander ver­ bundenen Kathoden und die miteinander verbundenen Anoden der Hilfs-Thyristorbrücke geschaltet ist, mit einer Diode auf der positiven Seite, die parallel zu der Reihenschaltung aus Kondensator und Zerhacker auf der positiven Seite ge­ schaltet ist, mit einer Diode auf der negativen Seite, die parallel zur Reihenschaltung aus Kondensator und Zerhacker auf der negativen Seite geschaltet ist, mit einem Impuls­ generator zur Erzeugung eines Impulszuges und mit einem auf den Impulszug ansprechenden Taktgeber-Impulsgenerator zur Erzeugung von Taktimpulsen zur Ansteuerung der Thyristoren und der Zerhacker, derart, daß das Einschalten des Taktgeber- Impulsgenerators das Zünden der weiteren Hilfsthyristoren und Zerhacker bewirkt und das Ausschalten des Taktgeber-Impulsge­ nerators das Löschen der Zerhacker bewirkt, mit einer Meßschal­ tung zur Messung einer über dem Kondensator auftretenden Spannung, wenn dieser in der Kommutationsperiode aufgeladen wird, mit einem Komparator für den Vergleich des Ausganges der Meßschaltung mit einer Bezugsspannung, mit einer mit dem Impulsgenerator und dem Komparator verbundenen Vorrichtung zur Veränderung des Impuls­ zuges entsprechend dem Ausgang des Komparators, wobei der Taktgeber-Impulsgenerator, dem der veränderte Impulszug zuge­ führt wird, die auf dem Impulszug und dem veränderten Impuls­ zug basierenden Taktgeberimpulse erzeugt, so daß eine Entla­ dungsperiode des Kondensators während einer folgenden Kommu­ tation so gesteuert wird, daß der Mittelwert der Spannung über dem Kondensator auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Impulsgenerator (60) und dem Taktgeber-Impulsgenerator (65) genau eine den Impulszug um eine feste Zeit (TD 2) verzögernde feste Verzögerungsschaltung (61) vorgesehen ist, daß die Vorrichtung zur Veränderung des Impulszuges genau eine den Impulszug um eine durch den Ausgang des Komparators (64) bestimmte Zeit (TD 1) verzögernde veränderbare Verzögerungsschaltung (62) enthält und daß der Taktgeber-Impulsgenerator (65) durch das um eine veränderbare Zeit (TD 1) verzögerte Ausgangssignal der veränder­ baren Verzögerungsschaltung (62) eingeschaltet und durch das um eine feste Zeit (TD 2) verzögerte Ausgangssignal der festen Verzögerungsschaltung (61) ausgeschaltet wird, wobei mit zu­ nehmender über dem Kondensator (17) auftretender Spannung V _C die veränderbare Zeit (TD 1) verkürzt wird.

2. Kommutierungs-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die veränderbare Verzögerungsschaltung eine den Impulszug um eine zweite feste Zeit verzögernde zweite feste Verzögerungsschaltung (62 A) und eine den Impulszug um eine dritte feste Zeit verzögernde dritte feste Verzögerungs­ schaltung (62 B) enthält, daß ein von dem Ausgangssignal des Komparators (64) gesteuerter Übertragungsschalter (67) vorge­ sehen ist, welcher wahlweise eines der Ausgangssignale der festen Verzögerungsschaltungen (62 A, 62 B) dem Taktgeber-Impuls­ generator (65) zuführt, und daß der Taktgeber-Impulsgenerator (65) durch eines der um eine zweite feste Zeit oder eine dritte feste Zeit verzögerten Ausgangssignale der festen Ver­ zögerungsschaltungen (62 A, 62 B) eingeschaltet und durch das um eine feste Zeit (TD 2) verzögerte Ausgangssignal der festen Verzögerungsschaltung (61) ausgeschaltet wird.

3. Kommutierungs-Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Impulsgenerators (60) unmittelbar an einen Eingang des Taktgeber- Impulsgenerators (65) geführt ist, daß die Vorrichtung zur Ver­ änderung des Impulszuges eine den Impulszug um eine durch den Ausgang des Komparators (64) bestimmte Zeit (TD 1) verzögernde veränderbare Verzögerungsschaltung (62) enthält und daß der Taktgeber-Impulsgenerator (65) durch das unverzögerte Ausgangs­ signal (Pt) des Impulsgenerators (60) eingeschaltet und durch das um eine veränder­ bare Zeit (TD 1) verzögerte Ausgangssignal der veränderbaren Ver­ zögerungsschaltung (62) ausgeschaltet wird, wobei mit zunehmender über dem Kondensator (17) auftretender Spannung (V _C ) die veränder­ bare Zeit (TD 1) verlängert wird.