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Verfahren zur Vorladung von Kommutierungskondensatoren in einem Wechselrichter
mit Phasenfolgelöschung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorladung von Kommutierungskondensatoren
in einem Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der Druckschrift EP-O
031 118 bekannt. Da bei dem genannten Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung der
gerade leitende Wechselrichterthyristor beim Kommutierungsvorgang dadurch gelöscht
wird,. dass sich ein geladener Kommutierungskondensator bei Zündung des nächstfolgenden
Thyristors in derselben Kommutierungsgruppe über den zu löschenden Thyristor entlädt
und so einen zur Löschung geeigneten Stromnulldurchgang erzwingt, müssen notwendigerweise
bestimmte Kommutierungskondensatoren bereits bei Beginn des Wechselrichterbetriebs
ausreichend geladen sein, um von Anbeginn an eine sichere Kommutierung zu gewährleisten.
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Diese Vorladung der Kommutierungskondensatoren wird bei dem bekannten
Verfahren über einen ohmschen Spannungsteiler aus Vorladungswiderständen erreicht,
der an eine externe Gleichspannungsquelle angeschlossen ist Aufgrund der be-
sonderen
Art der Wechselrichterschaltung, bei der die obere und untere Kommutierungsgruppe
über Wechselrichterdioden zusammenhängen, lassen sich die Kondensatoren auf eine
maximale Spannung vorladen, die unabhängig von dem gewählten Widerstandsverhältnis
des Spannungsteilers au-f die Hälfte der von der Gleichspannungsquelle abgegebenen
Ausgangsspannung begrenzt ist.
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Weil die bei der Vorladung erreichte Kondensatorspannung in direktem
Zusammenhang mit der Kommutierungsfähigkeit zu Beginn des Wechselrichterbetriebs
steht, wird bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik nicht die maximal mögliche
Kommutierungsfähigkeit erzielt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Vorladung zu schaffen, das bei geringem zusätzlichen Aufwand und unter voller Ausnutzung
der zur Verfügung stehenden Gleichspannung die Kommutierungsfähigkeit bei Beginn
des Wechselrichterbetriebs entscheidend verbessert.
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Die Aufgabe wird bei dem eingangs erwähnten Verfahren dadurch gelöst,
dass die Merkmale gemäss dem Kennzeichen des Anspruchs 1 vorgesehen sind. Das erfindungsgemässe
Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass unter weitgehender Beibehaltung der
bekannten Wechselrichterschaltungen und Vorladungseinrichtungen die Spannung der
Kommutierungskondensatoren bei der Vorladung und damit die Kommutierungsfähigkeit
verdoppelt werden kann.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. des erfindungsgemässen Verfahrens
werden als Gleicbspannungsquelle für die Vorladung das Gleichspannungsnetz selbst,
und Zerhacker und Fahrschalter als Uberbrückungsschalter f'ür den ersten und zweiten
Vrladungswiders r'and verwendet Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung
in einem Ausführungs.-
beispiel beschrieben und näher erläutert
werden.
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Es zeigen: Fig. 1 Die Schaltungsanordnung eines Wechselrichters mit
Vorladungseinrichtung und externer Gleichspannungsquelle zur Durchführung des Verfahrens;
Fig. 2 eine bevorzugte Schaltungsanordnung zur direkten Vorladung aus dem Gleichspannungsnetz;
und Fig. 3 eine Schaltung gemäss Fig. 2 mit einer als Zerhacker wirkenden, elektronischen
Chopperschaltung mit rückwärts leitenden Thyristoren.
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In Fig. 1 ist eine prinzipielle Wechselrichterschaltung mit Vorladungseinrichtung
dargestellt, wie sie zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet
werden kann. Der Wechselrichter besteht im wesentlichen aus Wechselrichterthyristoren
TW1, ..., TW6, die zusammen mit den zugeordneten Wechselrichterdioden DW1, ...,
DW6 und Kommutierungskondensatoren C1, ..., C6 in einer Brückenschaltung angeordnet
sind. Je drei Wechselrichterthyristoren TW1, TW3, TW5 bilden eine obere, die anderen
drei Wechselrichterthyristoren TW2, TW4, TW6 eine untere Kommutierungsgruppe.
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Die Brücke erzeugt in einem angeschlossenen, dreiphasigen Verbraucher,
z,B. einer Drehstrommaschine M, ein Drehstromsystem. Der Wechselrichter selbst wird
aus einer Gleichstromquelle gespeist, die einen Zerhacker Z zur Steuerung des eingeprägten
Gleichstroms, eine Zwischenkreisdrossel LZ zur Glättung des pulsierenden Gleichstromes,
sowie einen Fahrschalter FS zur Umkehr der Quellenspannung enthält.
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Eine Freilaufdiode DA, wie sie zur Uebernahme des Drosselstromes bei
offenem Zerhacker benötigt wird, ist in Fig. 1
der besseren Uebersicht
wegen nicht, jedoch an gleicher Stelle in Fig. 2 eingezeichnet. Die Stromquelle
wird über ein Filter aus einem Gleichspannungsnetz direkt oder über einen gesteuerten
Gleichrichter aus einem Wechselspannungsnetz versorgt, die ebenfalls nicht dargestellt
sind.
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Für die Vorladung wird eine Gleichspannungsquelle GL verwendet, die
am Ausgang eine bestimmte Gleichspannung U 0 abgibt. Die Kommutierungskondensatoren
C1, ..., C6 sind über Vorladungswiderstände Rl, R2 R11, ..., R23 und Vorladungsdioden
D1, D2, Dl 1, ..., D23, die eine Entkopplungsfunktion haben, mit dem Ausgang der
Gleichspannungsquelle GL verbunden. Während nach dem Stand der Technik die Vorladungswiderstände
R1 und R2 zu keinem Zeitpunkt kurzgeschlossen werden können, sind gemäss Fig. 1
zur zeitweisen Ueberbrückung von R1 und R2 Ueberbrückungsschalter S1 und S2 vorgesehen,
die unabhängig voneinander angesteuert werden können.
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Werden nach dem bekannten Verfahren beispielsweise die Wechselrichterthyristoren
TW1 und TW2 zum Vorladen der Kommutierungskondensatoren C1, G5 und C2, C6 gezündet,
bilden die Vorladungswiderstände R1 und Rll für die obere Kommutierungsgruppe, sowie
R2 und R21 für die untere Kommutierungsgruppe je einen Spannungsteiler, der nach
Massgabe des Teilungsverhältnisses die aufgezählten Kondensatoren auflädt. Die Werte
der Vorladungswiderstände Rl, R2, Rll, R23 23 sind üblicherweise gleicn gross. Daher
beträgt die Kondensatorspannung nach Beendigung des Aufladevorganges, wie er nach
dem Stand der Technik abläuft, U0/2. Dies ist aber zugleich auch die maximal erreichbare
Spannung, well jede Veränderung der Teilverhältnisse zu höheren Span nungen hin
durch den Stromnebenachluss über die Wechselrichterdioden DW1 und DW2 sowie die
dazwischengeschaltete Last des Verbrauchers M kompensiert wird
Das
erfindungsgemässe Verfahren geht nun von dieser, in bekannter Weise erreichten Kondensatorspannung
U /2 aus 0 und überbrückt in einem ersten Schritt den Vorladungswiderstand R1 mit
Hilfe des Ueberbrückungsschalters S1; während der andere Ueberbrückungsschalter
geöffnet bleibt. Gleichzeitig werden wiederum die Wechselrichterthyristoren TW1
und TW2 gezündet. Dadurch fällt die volle Gleichspannung U an dem verbleibenden
Widerstand Rll ab, so dass die o Kondensatoren C1 und C5 nach kurzer Zeit ebenfalls
die volle Gleichspannung U erreichen.
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0 Ist dieser Aufladevorgang des ersten Schrittes abgeschlossen, wird
der Ueberbrückungsschalter S1 wieder geöffnet.
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In einem nachfolgenden zweiten Schritt wird nunmehr der Vorladungswiderstand
R2 durch Betätigen des Ueberbrückungsschalters S2 kurzgeschlossen. Den Verhältnissen
und Abläufen im ersten Schritt entsprechend, fällt die volle Gleichspannung U jetzt
am Widerstand R21 ab und lädt die Konden-0 satoren C2 und C6 auf. Nach Beendigung
dieses weiteren Aufladevorganges wird schliesslich auch der Ueberbrückungsschalter
S2 wieder geöffnet. Insgesamt sind zu diesem Zeitpunkt die Kommutierungskondesatoren
C1, C5 und C2, C6 auf U aufgeladen und haben dadurch ihre volle Kommutierungs-0
fähigkeit erreicht, wenn anschliessend der Wechselrichterbetrieb mit dem Schliessen
von Zerhacker Z und Fahrschalter FS, die bislang geöffnet waren, und der erneuten
Zündung der Wechselrichterthyristoren TW1 und TW2 beginnt.
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Der Kern der Erfindung besteht also darin, dass durch die Hinzunahme
der beiden unabhängig angesteuerten Ueberbrückungsschalter S1 und S2 die Vorladungsvorgänge
in der unteren und oberen Kommutierungsgruppe des Wechselrichters zumindest teilweise
entkoppelt werden und dadurch in einfacher Weise eine Verdopplung der vorgeladenen
Kondensatorspannung möglich ist.
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Gemäss einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen
Verfahrens wird als Gleichspannungs-.
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quelle GL das Gleichspannungsnetz selbst verwendet. Dann reduziert
sich der schaltungstechnische Aufwand für die Vorladung erheblich, weil keine externe
Spannungsquelle benötigt wird. Darüber hinaus können in einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung als Ueberbrückungsschalter S1 und S2 der Vorladungswiderstände
R1 und R2 der Zerhacker Z und der Fahrschalter FS eingesetzt werden, wie dies in
Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Fall unterscheiden sich der Vorgang der Vorladung
und der normale Wechselrichterbetrieb ausschliesslich im zeitlichen Ablauf der Zündimpulsfolge
für die verschiedenen steuerbaren Schalter und Thyristoren, so dass die Vorladung
mit einem speziellen Zündimpulsprogramm ohne weitere Schaltungsänderung im Sinne
der Erfindung optimiert werden kann.
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Der Zerhacker ist üblicherweise zur Erreichung genügend hoher Schaltfrequenzen
als elektronische, mit Thyristoren bestückte Chopperschaltung ausgeführt, wie sie
z.B. aus der Druckschrift BBC-Mitteilungen, Bd. 10, S. 419 (1970) bekannt ist. Besonders
vorteilhaft für die Vorladung ist jedoch die Verwendung einer Chopperschaltung mit
rückwärts leitenden Thyristoren RLT1 und RLT2 in antiparalleler Anordnung und einem
Löschkreis mit einer Umschwinginduktivität LU und einem Umschwingkondensator CU,
wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Da der Zerhacker Z als Ueberbrückungsschalter
S1 zur Ueberbrückung des Vorladungswiderstandes R1 im ersten Schritt der Vorladung
benutzt wird, wird er, wie bereits beschrieben, nach dem ersten Schritt wieder geöffnet.
Daher muss der Zerhacker Z zu diesem Zeitpunkt bereits seine Lóschbereltschaft erreicht
haben Die Löschbereitachaft ist dann gegeben, wenn der Umschwing oder Löschkondensator
hinreichend aufgeladen ist. Dies ist in der Schaltung gemäss Fig. J bereits hinreichend
gewähr-
leistet, wenn bei gesperrtem Hauptthyristor RLT1, d.h.
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offenem Zerhacker Z, die Kommutierungskondensatoren Cl, C5 und C2,
C6 durch Zündung der Wechselrichterthyristoren TW1 und TW2 auf ihre Ausgangsspannung
U /2 aufgeladen wer-0 den. Zugleich mit den Kommutierungskondensatoren wird nämlich
auch der Umschwingkondensator CU auf U /2 aufgeladen 0 und kann dann, nach dem ersten
Vorladungsschritt, durch Zündung des Löschthyristors RLT2 in einem Umschwingvorgang
eine sogenannte :'weiche Löschung des Zerhackers hervorrufen Insgesamt lässt sich
mit dem erfindungsgemässen Verfahren die Kommutierungsfähigkeit bei einem stromgeführten
Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung mit geringem Aufwand verbessern.