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Anordnung für die Steuerung von Umrichtern
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerun g von Umrichtern
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Für bekannte 3-Phasen-Wechselrichter in 6-puls-Drehstrombrückenschaltung
ist dabei z.B. ein Schaltungsaufbau entsprechend Fig. 1 der Patentzeichnung bekannt
(vgl. Buch von Heumann/Stumpe Thyristoren, Teubner Verlag 1969, S. 201 Bild 201.1).
Ausgangsspannung ist dabei bei eingeprägter Spannung und 180oel Zünddauer der Ventile
eine verkettet Spannung mit 120 el breiten Rechteckblöcken, unabhängig von der Last.
Abhängig von der Last kann die Ausgangsspannung durch Verringerung der Zünddauer
der Ventile von 180°el bis 60°el variiert werden. Die Ausgangsfrequenz ist durch
die Frequenz der sich nach einem notwendigen Schema ablösenden Zündimpulse einstellbar.
Um die vielfältigen Stellmöglichkeiten zu verwirklichen und um den verschiedenen
Lastarten und Bauelementen Rechnung zu tragen, unterscheiden sich derartige Umrichter
vor allem in ihren Kommutierungseinrichtungen.
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Die Steuerung mußte bisher weitgehendst jedem Umrichter individuell
angepaßt, d.h. für jeden Zweck entsprechend neu konzipiert werden. Das verursacht
nicht nur dauernde Kosten durch ständige Neuentwicklungen für jeden Umrichter, sondern
auch Kosten durch die Beschaffung und Lagerhaltung immer anderer Bauelemente und
vollkommen neue Layout-Herstellung.
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die Hauptventile von
mehrphasigen Brückenschaltungen stets in immer wieder bestimmter, festliegender
Folge gezündet und gelöscht werden müssen, und daß dem ein Schema zugrunde liegt,
wonach von z.B. 6 Brückenzweigen prinzipiell stets nur 1 oberder Sntd max. zwei
untere Zweige oder umgekehrt, aber nicht/gegenUberliegende Zweige gezündet sein
dürfen. Eine logische Verriegelung der Zünd- und Löschtakte ist somit eine Grundvoraussetzung
für Umrichtersteuerungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitgehende Vereinheitlichung dieser
immer wiederkehrenden Erfordernisse bei Umrichtersteuerungen, was die logische Verriegelung
der Zünd-und Löschtakte angeht, zu erreichen. Dabei soll weiter eine Eingriffsmöglichkeit
zum unabhängigen Verstellen der Ausgangsspannung und -frequenz des Umrichters bestehen.
Frei wählbar sollen weiterhin sein, die Löschzeit, Pulsigkeit der Schaltung und
ob die Zündimpulse für die Hauptthyristoren als Kettenimpulse (ei induktiver Last)
ausgeführt werden sollen oder nicht. Die maximale Zünddauer der Hauptventile soll
ferner von 120°el auf 180°el umschaltbar sein.
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Diese komplexe Aufgabe wird nach der Erfindung für eine Anordnung
der eingangs genannten Art entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Dabei sind weitere wesentliche Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen
entnehmbar.
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An Hand eines schematischen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung
im nachstehenden näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen 3-Phasenwechselrichter in 6-puls-Drehstrombrückenschaltung
bekannter Art Fig. 2 Blockschaltbild eines digitalen Universal-Steuerlogiknetzwerks
nach der Erfindung Fig. 3 Impulsdiagramm Fig. 4 Stromlaufplan eines 3-Phasenzustandsregisters
mit logischer Verriegelung Fig. 5 Stromlaufplan der Folgeimpulsverteilung ab Decoder
In Fig. 1 ist das prinzipielle Schaltbild eines 3-Phasen-Wechselrichters bekannter
Ausführung in 6-puls-Drehstrombruckenschaltung dargestellt. Mit T1 bis T6 sind die
üblichen Hauptthyristoren und mit D1 bis D6 die antiparallelen Dioden zur Freilauf-Stromführung
bei induktiver Last angegeben. Die Eingangsgleichspannung ist mit Ud bezeichnet.
Die Ausgangswechselspannung speist Lastphasen R S T.
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Über die eigentliche Steuerung ist hierbei nichts ausgesagt. Die Zündung
der Ventile muß genau wie die Löschung definiert erfolgen, wobei die Art der Zündung
(Zündfolge) grundsätzlich gleich ist. Die Löschung dagegen kann verschieden ausgeführt
werden, je nachdem, ob man Einzellöschung oder Gruppen- oder Summenlöschung praktizieren
will.
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Für die Steuerung eines selbstgeführten 3-Phasen-Wechselrichters
in 6-puls-Drehstrombrückenschaltung - wie dargestellt in Fig. 1 - sind 12 grundsätzliche
Schaltzustände zu realisieren.
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zDabei wechseln sich folgende Zustände ab: (z.B. Anfangszustand T4,T5,T6
gezündet) 1. T4 löschen gezündet sind: T5,T6 2. T1 zünden It : T1,T5,T6 3. T5 löschen
" " : T1,T6 4. T2 zünden Tl : Tl,T2,T6 5. T6 löschen 1? in : T1,T2 6. T3 zünden
" 11 : T1,T2,T3 7. T1 löschen 1I : T2,T3 8. T4 zünden " " T2,T3,T4 9. T2 löschen
" tl : T3,T4 10. T5 zünden " : T3,T4,T5 11. T3 löschen " " : T4,T5 12. T6 zünden
11 : T4,T5,T6 1. 24 löschen ll " : T5,T6 Ersichtlich lösen sich Zünd- und Löschimpulse
konsequent ab, wobei eine fortschreitende Kontinuität der Ventilbeaufschlagung erkennbar
ist. Die Impulse sind somit "nur" in richtiger Folge und Zeit an die Ventile zu
leiten.
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Die benannten 12 Zustände sind in einem 4-Bit-Code mit den Zuständen
uO, u1, u2, u3 darstellbar und nacheinander aufrufbar. Sie sind über logische Schaltglieder
gegeneinander verriegelt und es kann mit diesem Code dann zur richtigen Zeit das
richtige Ventil seine Steuerimpulse erhalten und der Wechselrichter gesteuert werden.
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Es wird grundsätzlich mit einem Löschimpuls angefangen, wobei dieser
1. Zustand definiert gesetzt werden muß. Man
fängt mit Löschen an,
weil die Löschzeit T, definiert werden muß. Der Rest ist Zündzeit für die entsprechenden
Hauptventile. Da die Löschimpulse sowohl als echte Löschimpulse als auch als Zündimpulse
für einen Löschthyristor anwendbar sind und außerdem in Art und Anzahl von der verwendeten
Löscheinrichtung abhängig sind, werden sie hier zukünftig nicht weiter in ihrer
Zugehörigkeit zu den einzelnen Hauptventilen spezifiziert. Die Löschimpulse sind
wahlweise abgreifbar.
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Folgende Codierung wurde gewählt: 1. ItT (Löschen Thyristor) 1101
2. T1 (zünden) 1001 3. LÖT 0001 4. T2 0011 5. IJÖT 0010 6. T3 0110 7. lOT 1110 8.
T4 1010 9. lOT 1011 10. T5 1111 11. lOT 0111 12. T6 0101 1. lOT 1101 Fig. 2 zeigt
in einem Blockschaltbild eine zentrale Steuerlogik zur erfindungsgemäßen Erzeugung
einer rein logischen Zündfolge für einen selbstgeführten 3-Phasenwechselrichter
in 6-puls-Drehstrombrückenschaltung. Sie ist zweckmäßig als passive, reine Digitalschaltung
auf einer Steckkarte realisiert, kann jedoch auch als hochintegrierter Modul (Chip,
IC) Anwendung finden. Gesteuert wird die Steuerlogik über Eingänge a....f von einer
externen, hier nicht näher dargestellten Steuertaktbildungsstufe, die z.B. über
einen
Spannungs-/Frequenzumsetzer von einer ZwisPhenkreisspannung
beeinflußt wird und die Taktfrequenz entsprechend verstellt.
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Die Steuertaktbildungsstufe kann beliebiger Art sein und ist für die
Erfindung hier nicht relevant. Die Taktimpulse der Steuertaktbildungsstufe, sid
sind hier mit GT6, GT12, SR, LZ, LZ und KI bezeichnet, müssen natürlich bestimmte
Form, Frequenz und Zuordnung aufweisen. In Verbindung mit der Steuertaktbildungsstufe
ist die Steuerlogik an die verschiedensten Wechselrichtersteuerungsprobleme anpaßbar.
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Prinzipiell ist die Schaltung für selbstgeführte, wie auch für netzgeführte
Umrichtersteuerungen geeignet. Sie ermöglicht die logische Verriegelung von bis
zu 6-pulsigen Schaltungen auf einer Karte. Eine Steuerung höherpulsiger Schaltungen
kann durch Hinzunahme weiterer gleicher Karten (oder ICs) ermöglicht werden. Durch
geeignete Wahl der 6 Steuertakte erhält man die hier relevante 3-Phasen-Wechselrichtersteuerung.
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Ausgegeben werden am Ausgang h 6 logische Impulse für die Zünddauer
der Hauptthyristoren T1....T6, sowie am Ausgang g 6 logische Impulse für die erforderlichen
Löschzustände.
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Am Ausgang i sind darüberhinaus für die Haupttransistoren noch Impulse
abgreifbar, die als Kettenimpulse ausgebildet sind. Die Ausgänge steuern letztlich
nicht weiter dargestellte Endstufen an, die die reinen Logikimpulse erst in ver-wertbare
Leistungsimpulse wandeln. Die Steuerlogik enthält ein 3-Phasen-Zustandsregister
l mit nachgeschaltetem Decoder 2, ferner eine Stufe für die Impulsbildung der Hauptthyristoren
3 und eine Stufe für die Impulsbildung der Löschthyristoren 4, sowie eine Stufe
5 zur Bildung von Kettenimpulsen. Im 3-Phasen-Zustandsregister 1 sind die vorerwähnten
12 Schaltzustände digital in einem 4-Bit-Binärcode eingeschrieben und es wird abhängig
vom externen Steuertakt in festgelegter Folge, wie in einem Schiebere-
gister
oder Ringzähler, weitergeschaltet und aufgerufen.
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Dabei wurde im Code auf Einschrittigkeit geachtet, d.h. es können
nicht zwei Stellen gleichzeitig umspringen. Angefangen wird - willkürlich gewählt
- z.B. mit 1101, was LÖT (Löschen Thyristor) bedeutet. Es folgt dann bei positiver
Taktflanke von GT12 die Codierung 1001 = Zünden von Hauptthyristor 1 usw. Bei der
genannten Taktflanke wird außerdem der jeweils anliegende Code (aus den Zuständen
u3, u2, u1, uO) im Decoder 2 gespeichert und bei der nächsten positiven Taktflanke
an den zugehörigen Ausgang (für Impulsbildung Hauptthyristor oder Löschthyristor)
decodiert.
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Somit erscheinen an den Ausgängen des Decoders 2, logisch verriegelt,
12 Folgeimpulse. Sie sind it FIl....FIn2 be-(Folgeimpulse) nannt. Die Summe zweier
sich ablösender FIs/beträgt dabei immer 60°el bezogen auf die WR-Ausgangsfrequenz.
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Fig. 3 zeigt ein Impulsdiagramm für das 3-Phasen-Zustandsregister
l und den durch die Zustände UOsZu3 dargestellten Code, mit dem der Decoder 2 beaufschlagt
wird. Die Einschrittigkeit ist erkennbar. Sie wird z.B. erreicht durch eine logische
Schaltung, wie sie dem Stromlaufplan nach Fig. 4 entnehmbar ist. Der Fig. 4 ist
in Verbindung mit Fig. 3 die Zuordnung der verschiedenen Impulse zu den einzelnen
logischen Gliedern (UND-Gatter D3., ODER-Gatter D2., Flipflops D7., D8.) entnehmbar.
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Vonden für die Steuerung des 3-Phasen-Zustandsregisters l erforderlichen
Takten stellt der Takt GT6 bzw. GT6 (bzw.
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das Tastverhältnis zwischen beiden) die Verriegelung zwischen Zünd-
und Löschzuständen sicher (T und LÖT). GT6 hat die 6-fache Wechselrichter-Ausgangsfrequenz.
Der Steuertakt
GT12 hat die doppelte Frequenz von GT6 oder die
12-fache Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung, wenn nur die Ausgangsfrequenz
verstellt wird. Seine positiven Flanken steuern die vier Codier-Flipflops D?.1,
D7.2, D8.1, D8.2 und den Decoder 2. Dabei liegt abwechselnd GT6 oder*GT6 an, was
Zünden oder Löschen ausmacht. Steuertakt GT12 bestimmt die Wechselrichter-Ausgangsfrequenz.
Bei den Taktflanken von GT12 erfolgt stets die Abfrage ob Zünden oder Löschen erfolgen
soll, jedoch kann die Kranke an verschiedenen Stellen innerhalb von GT6 bzw. GT6
liegen, je nachdem, wie man das Tastverhältnis (Puls-/Pausenbreite) wählt.
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In Verbindung mit dem Löschtakt LZ sind Ztind- und Löschdauer von
außen einstellbar, was die WR-Ausgangsspannung bestimmt.
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Mit dem Setz- bzw. Sperrimpuls SR - aktiv HIGH - werden die 4 Codier-Flipflops
in den Anfangszustand (1101) gesetzt. Gleichzeitig werden alle Ausgänge des Decoders
2 gesperrt. Mit SR kann der Zyklus vollkommen asynchron zurückgesetzt, gesperrt
oder freigegeben werden. Das bedeutet, daß mit 2 solcher 6-puls-Logikkarten (oder
ICs) z.B.
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auch eine 12-puls-Steuerschaltung aufgebaut werden kann, indem man
nach Durchlauf einer Karte (oder IC) diese sperrt bis nach dem Durchlauf der anderen
Karte (oder IC) und umgekehrt. Bei 4-pulsigen Steuerschaltungen wird bereits vorher
gestoppt und von vorn begonnen.
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Zur Charakterisierung der weiteren Impulse aus der externen Steuertaktbildung
wird noch ausgeführt: Damit eine definierte Löschzeit (LZ) eingestellt werden kann,
beginnt die Steuerlogik mit einem L&schtakt. Jeweils nach 600el wird mit LZ
ein Löschvorgang zur Impulsbildungsstufe 4 eingeleitet. LZ stellt den invertierten
Verriegelungstakt zu LZ dar und wird zur Impulsbildung der Haupt thyristoren
(Stufe
3) verwendet. Mit LZ wird eine ausreichend große Zeit für einen Löschvorgang vorgegeben.
Durch Variation der Löschzeit LZ (und LZ) in Verbindung mit GT6 und GTl2 und deren
Phasenlage zueinander kann die Ausgangs spannung verstellt werden.
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Mit KI können die logischen Ausgangssignale für die 6 Hauptthyristoren
an die Stufe 5 zur Bildung von Kettenimpulsen beliebiger Frequenz eingestellt werden.
Auch das Tastverhältnis ist einstellbar. Wird KI auf 0 Volt = aktiv LOW gesetzt,
werden keine Kettenimpulse gebildet.
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Aus den 12 Folgeimpulsen des Decoders 2 läßt sich einfach die Zünddauer
für die 6 Hauptthyristoren ableiten und anpassen. Für eine 180°el Steuerung der
Hauptthyristoren benötigt man Zündtakte jeweils für die Zeit von 6 Folgeimpulsen
des Decoders 2 und für eine 120°el Steuerung für die Zeit von 4 Folgeimpulsen. Darüberhinaus
stehen die zugehörigen kurzen Löschtakte zur Verfügung. Die Verteilung der Folgeimpulse
FIl..FIl2 des Decoders 2 erfolgt entsprechend dem Stromlaufplan nach Fig. 5. Links
sind dort die Eingänge für die FI-Folgeimpulse l bis 12 - in ungeordneter, der Schaltung
entsprechender Folge - angegeben. Am Anschluß c20 liegt die Löschzeit LZ, an c22
die invertierte Löschzeit LZ und an c18 KI.
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Wie bereits ausgeführt, soll mit einem definierten Löschimpuls begonnen
werden. Der 1. Folgeimpuls Fil geht dazu auf ein UND-Gatter DlO.l und bestimmt zusammen
mit der eingeführten Löschzeit LZ die Dauer der Löschzeit, die dann am Ausgang al4
ansteht. Sie muß jeweils von der 1. Zünddauer der Ventile (vordere Flanke) abgezogen
werden. Über UND-Gatter Dll.l und den LZ-Impuls ist dann ein Impuls für die Zündung
des ersten gewählten Hauptthyristors über einen
digitalen 4-Bit-Komparator
D13, der bei einem Fehlen von Takt KI (O Volt) als ODER-Gatter wirkt, ableitbar.
Eingeschaltet ist auch ODER-Gatter Dz9.1. Wahlweise stehen dann zur Verfügung Impulse
für i800 Maximalsteuerung am Aus-0 gang a2 und parallel dazu für 120 ei Steuerung
am Ausgang c2. Die weiteren Löschzeiten sind an den Ausgängen val6, al8, a20, a24,
a26 und die weiteren Zündzeitimpulse entsprechend wahlweise für 1800 bzw. 1200el
Steuerung des Wechselrichters an den Ausgängen a4/c4, a6/c6, a8/c8, alO/c10, a12/c12
abgreifbar.
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Liegt dagegen der spezielle Takt KI an, dann werden definiert Kettenimpulse
abgegeben. D13 hat somit eine Doppelfunktion, bei KI OV ist der Komparator Vergleichs-
und ODER-Glied, bei KI bestimmter Frequenz und Tastverhältnis Kettenimpulsbildner.
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Durch die Erfindung ist eine Steuerlogik geschaffen, die als universell
einsetzbare Einheit für die wesentlichen Anwendunaen von Wechselrjchtersteuerunqen
kompatibel ist.
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Alle wiederkehrenden/erfordernisse bei Stromrichterschal-Steuerungen
tungen,außer/nach dem Pulsverfahrenlsind durch die Art der Schaltung mit 3 Steckkartentypen
(Steuertaktbildung 9, zentrale digitale Steuerlogik, Leistungsstufe) abdeckbar.
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Dabei ist der Umfang der Steuer logik mit l oder 2 Karten leicht bestimmbar.
Der Aufbau kann kostengünstig durch Verwendung gängiger Bauelemente erstellt werden
und läßt sich durch Verwendung einer zentralen, immer unveränderten (passiven) Steuerlogikkarte
(oder IC) nach der Erfindung schnell produzieren.
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Die erfindungsgemäße Steuer logik ist mit ihrer rein digitalen Verarbeitung
für Hochintegration (Einchipverfahren) besonders geeignet. Alle nötigen analogen
Signale für eine jeweilige Umrichtersteuerung sind von außen anpaßbar.