DE3441000C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Versorgung einer elektrischen Last mittels eines mit Abschaltthyristoren bestückten Wechselrichters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wechselrichter formen Gleichstrom in Wechselstrom um, wobei Energie vom Gleichstrom- in das Wechselstromsystem fließt. Man unterscheidet im allgemeinen zwischen selbstgeführten, fremdgeführten und lastgeführten Wechselrichtern. Für die natürliche Kommutierung eines Wechselrichters wird induktive Blindleistung benötigt, weshalb der Laststrom eine kapazitive Komponente aufweisen muß. Diese kapazitive Komponente kann von Parallel- und Reihenschwingkreisen bereitgestellt werden.

Ein- oder mehrphasige Parallel- und Reihenschwingkreis-Wechselrichter sind bereits vielfältig bekannt (DE-AS 16 15 126, DE-OS 32 37 716). Bei diesen Wechselrichtern werden jedoch als Schaltmittel vorzugsweise symmetrisch sperrende Thyristoren, sog. SCR-Thyristoren, verwendet, die Kommutierungsmittel benötigen und bei denen die Reihen- oder Parallelschwingkreise als Kommutierungsmittel dienen.

Abschaltthyristoren, auch kurz als GTO bezeichnet, sind als solche bekannt (W. Bösterling, H. Ludwig, R. Schimmer, M. Tscharn, "Praxis mit dem GTO, Abschaltthyristoren für selbstgeführte Stromrichter", Sonderdruck der Firma AEG-Telefunken, 1983; H. Berg, W. Bösterling, W. Luse, "Abschaltthyristoren (GTO) für neue Stromrichterkonzepte", Firmendruckschrift AEG-Telefunken, 1984).

Derartige Abschaltthyristoren haben einerseits den Vorteil, daß sie in selbstgeführten Stromrichtern den Leistungsteil vereinfachen, andererseits aber den Nachteil, daß sie gegenüber anderen Thyristorschaltungen höhere Verlustleistungen beim Ein- und Ausschalten mit sich bringen. In der Regel ist die Abschaltverlustleistung größer als die Einschaltverlustleistung. Da die Abschaltverlustleistung bei jedem Schaltvorgang auftritt, wird ihr Anteil an der Gesamtverlustleistung mit zunehmender Wiederholfrequenz immer spürbarer und muß beim Auslegen der Kühleinrichtungen berücksichtigt werden. Es ist durch die gleichen Literaturstellen auch bereits bekannt, daß man die Spannungssteilheit beim Abschalten durch geeignete Beschaltungsmaßnahmen begrenzen muß, beispielsweise durch eine sogenannte RCD-Beschaltung. In einem solchen Fall ist jeder Abschaltthyristor mit einer eigenen RCD-Beschaltung versehen.

Trotz dieser bekannten Maßnahmen ist der Frequenzbereich, für den die bekannten Abschaltthyristoren verwendet werden können, relativ eng begrenzt, und zwar können bei weitgehender Ausnutzung des höchst zulässigen Durchlaßstroms Frequenzen zwischen etwa 3 und 5 kHz als Maximalfrequenz angesehen werden. Versuche, diese Frequenz zu erhöhen, hatten bisher stets eine entsprechende Verminderung des höchst zulässigen Durchlaßstroms zur Folge, da andernfalls die thermische Belastung der Thyristoren nicht mehr beherrschbar war.

Nun gibt es heute eine ganze Reihe von Verbrauchern, bei denen höhere Frequenzen, z. B. Frequenzen bis zu 20 bzw. 30 kHz benötigt werden. Eine sehr breite Anwendungsmöglichkeit besteht bei statischen Umrichtern für induktive Erwärmungsanlagen, insbesondere für induktive Schmelzanlagen. Ein weiteres Anwendungsgebiet betrifft kompakte Stromversorgungen mit entsprechend kleinen magnetischen Baugruppen, wie beispielsweise Transformatoren.

Für große Leistungen werden für die vorstehend angegebenen Zwecke heute fast ausschließlich Umrichter mit sogenannten Frequenz-Thyristoren eingesetzt, die aufwendige Kommutierungs-Hilfsmittel benötigen sowie schaltungstechnische Maßnahmen erforderlich machen, um die erforderliche Schonzeit t _s zu gewährleisten. Auch für diese Art von Umrichtern ist die Begrenzung der Schaltfrequenz auf einige Kilohertz erforderlich, oftmals von der Maßnahme einer Reduzierung der Bauelementenausnutzung begleitet, d. h. der Reduzierung der Schaltströme, um die für das Bauelement zulässige Verlustleistung nicht zu überschreiten.

Es ist bereits eine Anordnung zur Versorgung einer elektrischen Last mittels eines Wechselrichters bekannt, wobei diese Last eine Induktivität ist und in bezug auf den Wechselrichter mit einem Kondensator parallelgeschaltet ist, mit dem sie einen Schwingkreis bildet (DD-Z: Elektrie, Bd. 35, (1981), Heft 12, Seiten 651 bis 655). Hierbei stimmt die Eigenfrequenz des Schwingkreises mit der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters im wesentlichen überein. Der Wechselrichter ist hierbei jedoch mittels herkömmlicher Thyristoren realisiert, so daß aufwendige Kommutierungs-Hilfsmittel benötigt werden.

Weiterhin ist ein Stromwechselrichter der eingangs genannten Art bekannt, der Abschaltthyristoren aufweist, welche den Rückwärtsstrom sperren können (US-PS 44 77 868). Dieser Wechselrichter wird von einer äußeren Gleichstromquelle gespeist und liefert seinerseits rechteckförmige Ströme. An diesen Wechselrichter angeschlossen ist ein Resonanzkreis, der eine Induktivität aufweist, welche mit einem Kondensator in Reihe geschaltet ist. Hierbei liegt die Ausgangsspannung des Wechselrichters an der erwähnten Induktivität. Eine Regelung des Phasenverhältnisses zwischen der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom des Wechselrichters findet hierbei jedoch nicht statt. Der bekannte Wechselrichter kann im Bereich von 20-30 kHz arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter mit GTO-Thyristoren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Abschaltverlustleistung der GTO-Thyristoren drastisch reduziert ist.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den rückbezogenen Ansprüchen 2-6 hervor. Die Merkmale der Ansprüche 2, 3 und 6 sind dabei aus der genannten DD-Z: Elektrie an sich bekannt.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß der Wechselrichter mit sehr hoher Frequenz bei voller Belastbarkeit der Abschaltthyristoren betrieben werden kann. Auf Grund der geringen Wärmeverluste genügt zur Kühlung in der Regel die normale Luftzirkulation oder, bei Temperaturen über 35°C oder hermetisch geschlossenen Schränken, ein Luft-Luft-Kühlaggregat. Aufwendige Wasserkühlungen können entfallen.

Der Stand der Technik und Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend an Hand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm mit den zeitlichen Verläufen von Strom und Spannung bei einem lastgeführten Thyristorumrichter,

Fig. 2 ein Diagramm mit den Verläufen von Strom und Spannung bei der klassischen Anordnung mit Abschaltthyristoren, bei der die Induktivität nicht zu einem Schwingkreis ergänzt ist,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die Induktivität zu einem Schwingkreis ergänzt ist und den Verbraucher darstellt,

Fig. 4 Einzelheiten des Wechselrichters mit verschiedenen Induktivitäten bzw. Verbrauchern, und

Fig. 5 ein Diagramm analog Fig. 2, wie es beim Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 3 zustandekommt, d. h. mit wesentlich verringerter Anstiegssteilheit der Spannung.

Fig. 1 zeigt über der Zeit (Abszisse) den Verlauf von Strom I und Spannung U bei einem lastgeführten Thyristorumrichter. Aus Gründen eine einwandfreien Kommutierung und des Abbaus der Ladungsträger innerhalb der sogenannten Freiwerdezeit ist eine Phasenverschiebung t _s zwischen Strom und Spannung erforderlich. Diese Phasenverschiebung bedingt zwangsläufig eine Erhöhung der Schaltverluste und eine Frequenzbegrenzung, t _s ist hierbei die sogenannte "Schonzeit".

Fig. 2 entspricht weitgehend Bild 6 in dem Sonderdruck "Praxis mit dem GTO-Abschaltthyristoren für selbstgeführte Stromrichter AEG". Innerhalb der Abschaltzeit A fällt der Strom I _T gemäß dem gezeigten Kurvenverlauf, und innerhalb der gleichen Zeit steigt die Spannung U _D , gleichfalls gemäß dem eingezeichneten Spannungsverlauf. Das Produkt aus Strom und Spannung führt zu dem Kurvenverlauf, der die schraffierte Fläche umgibt. Diese wiederum ist ein Maß für die infolge des steilen Spannungsanstiegs hohe Verlustleistung P _RQ . Hieraus ist leicht ersichtlich, daß die Abschaltleistung mit zunehmender Frequenz wächst, so daß die Betriebstemperaturen der Abschaltthyristoren nicht mehr beherrschbar sind.

Auf Grund dieser Tatsache ist der Einsatz der Abschaltthyristoren (GTO) auf Grund der geschilderten Eigenschaften hinsichtlich der Schaltfrequenz gleichermaßen eingeschränkt und zeigt daher diesbezüglich keine wesentlichen Vorzüge gegenüber der bekannten Umrichterschaltung mit Frequenzthyristoren und Phasenverschiebungen gemäß Fig. 1.

In Fig. 3 ist eine Stromversorgungsquelle 1 dargestellt, die als Umrichter ausgeführt ist und über eine Dreifachleitung 2 mit Drehstrom versorgt wird. Durch einen Thyristor-Gleichrichter 3 wird eine Gleichspannung erzeugt, die an den Leitungen 4 und 5 ansteht. Der hierdurch gebildete Gleichstromkreis besitzt eine Glättungsdrossel 6, einen Glättungskondensator 7 und eine Speicherdrossel 8.

Die Leitungen 4 und 5 führen zu einem Wechselrichter 9, der mit Abschaltthyristoren (GTO's) gemäß Fig. 4 bestückt ist.

Bei dem Wechselrichter 9 handelt es sich um einen sogenannten selbstgeführten Wechselrichter, der durch einen Taktgeber 10 gesteuert wird, auf dessen Wirkungsweise weiter unten noch näher eingegangen wird.

Der Ausgang des Wechselrichters 9 führt über Leitungen 11 und 12 zu einer Induktivität 13, die im vorliegenden Falle als zylindrische Induktionsspule ausgeführt ist. In dieser Spule kann das zu behandelnde und/oder zu schmelzende Material untergebracht werden, wodurch die gesamte Last eine zusätzlich ohm'sche Komponente erhält, die hier durch einen in Reihe geschalteten Ersatzwiderstand 14 dargestellt ist. Parallel zur Induktivität 13 (bezogen auf den Wechselrichter 9) ist ein Kondensator 15 angeordnet, der sich mit der Induktivität 13 zu einem Schwingkreis ergänzt, der beispielsweise auf eine Frequenz von 20 kHz ausgelegt ist. Sobald die Induktionsspule mit einer entsprechenden Frequenz beaufschlagt wird, ist es möglich, das in dieser befindliche Material zu schmelzen oder nur zu erwärmen, um beispielsweise die Oberfläche in Anwesenheit eines Reaktionsgases zu veredeln. Zu diesem Zweck kann die Induktivität 13 in einer nicht gezeigten Kammer untergebracht sein, in der die erforderliche Atmosphäre aufrechterhalten wird, die beispielsweise auch aus einem Vakuum und/oder einem Inertgas bestehen kann.

Den Leitungen 11 und 12 sind Abgriffe 16 und 17 für die Spannung U bzw. den Strom I zugeordnet. Mittels dieser Abgriffe läßt sich beispielsweise die Phasenlage zwischen U und I mittels eines Meß- und Anzeigegeräts überwachen. Die Abgriffe 16 und 17 sind einer Regelanordnung 18 aufgeschaltet, deren Ausgang wiederum dem Taktgeber 10 aufgeschaltet ist. In der Regelanordnung werden Vorzeichen und Betrag der Phasenverschiebung zwischen U und I erkannt und mittels eines Integrationsgliedes in ein vorzeichengerechtes, der Phasenverschiebung proportionales Ausgangssignal umgesetzt. Dieses dient als Eingangssignal für den Taktgeber 10, der als Spannungs-Frequenzwandler ausgeführt ist. Mit anderen Worten, die Ausgangsfrequenz des Taktgebers 10 ist der Eingangsspannung proportional. Der Taktgeber 10 ist mit einem weiteren Eingang 19 ausgestattet, durch den beispielsweise eine Handverstellung der Ausgangsfrequenz des Taktgebers 10 möglich ist.

Steigt also beispielsweise die Ausgangsspannung der Regelanordnung bei voreilendem Strom, so wird die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 9 hochgeregelt, und es fließt mehr Strom durch den Kondensator. Dies führt dazu, daß die Phasenverschiebung auf einen kleinstmöglichen, durch die Regelabweichung bedingten Wert ausgeregelt wird. Sinkt hingegen die Ausgangsspannung der Regelanordnung 18 bei nacheilendem Strom, so wird die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 9 heruntergeregelt, und es fließt mehr Strom durch die Induktivität 13. Auf diese Weise werden Phasenverschiebung und Blindleistung auf einen kleinstmöglichen Wert heruntergeregelt. Zwischen dem Taktgeber 10 und dem Wechselrichter 9 befindet sich eine an sich bekannte Vorrichtung 20 zur Potentialtrennung und Impulsformung. Die Vorrichtung 20 ist über eine Vielfach-Steuerleitung 36 mit den Abschaltthyristoren des Wechselrichters 9 verbunden. Zwischen dem Taktgeber 10 und der Vorrichtung 20 befindet sich noch eine Anpassungsvorrichtung 37 für die Verschiebung der Einschaltimpulse relativ zu den Ausschaltimpulsen der Abschaltthyristoren nach Maßgabe der Erläuterungen zu Fig. 6.

Fig. 4 zeigt Einzelheiten des Wechselrichters 9. Dieser besitzt insgesamt vier in Brückenschaltung angeordnete Abschaltthyristoren (GTO's) 21, 22, 23 und 24. Da diese Abschaltthyristoren im vorliegenden Falle nicht rückwärts sperrend sind, sind ihnen in Reihenschaltung schnellsperrende Dioden 25, 26, 27 und 28 zugeordnet. Ferner sind den Abschaltthyristoren zum Schutz gegen unzulässige dynamische Beanspruchung einfache Widerstands-Kondensator-Dioden-Netzwerke zugeordnet, sogenannte RCD-Glieder, die jedoch im einzelnen nicht näher bezeichnet sind. Diese RCD-Glieder sind nicht zwingend erforderlich.

Der Wechselrichter 9 ist mit zwei Sammelschienen 29 und 30 verbunden, an die wahlweise verschiedene, die Induktivität 13 und den Kondensator 15 enthaltende Schwingkreise anschließbar sind. So ist beispielsweise an die Sammelschienen 29 und 30 unmittelbar der Schwingkreis im rechten Teil von Fig. 3 anschließbar.

Fig. 4 zeigt jedoch zwei alternative Möglichkeiten, wie die betreffenden Schwingkreise über Transformatoren 31 bzw. 32 angeschlossen werden können. Im Falle des oberen, über den Transformator 31 angeschlossenen Schwingkreises stellt die Induktivität 13 selbst den Verbraucher dar, d. h. sie bildet in Analogie zu Fig. 3 eine Induktionsspule, in der das aufzuheizende Material untergebracht ist. Der dadurch bedingte ohm'sche Widerstand ist durch den Ersatzwiderstand 14 angedeutet.

Im Falle des durch den Transformator 32 angeschlossenen Schwingkreises ist parallel zu diesem eine Gleichrichterbrücke 33 geschaltet, die zu einer Last 34 in Form eines ohm'schen Widerstandes führt. Die auch hier vorhandene Induktivität 13 muß also nicht notwendig der eigentliche Verbraucher sein. Bei der ohm'schen Last 34 kann es sich beispielsweise um einen Heizwiderstand für einen Widerstandsofen handeln. Ein Glättungskondensator 35 sorgt hier für die weitgehende Glättung der Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 33.

Über die Vielfach-Steuerleitung 36 wird der Wechselrichter 9 in der Weise gesteuert, daß alternierend die Abschaltthyristoren 21/24 und die Abschaltthyristoren 22/23 auf Durchlaß geschaltet sind. Speziell bei noch weiter gesteigerten Frequenzen ist es hierbei zweckmäßig, die Einschaltimpulse der Abschaltthyristoren 21/24 so zu legen, daß sie einen zeitlichen Abstand von den vorausgehenden Abschaltimpulsen der jeweils anderen Abschaltthyristoren 22/23 aufweisen und umgekehrt. Hierbei muß der zeitliche Abstand minimal der Löschverzugszeit und maximal der Löschzeit entsprechen. Die betreffenden Begriffe werden im Zusammenhang mit Fig. 5 noch näher erläutert. Dabei soll einerseits der Spannungsanstieg nach dem Abschalten der einen Gruppe von Abschaltthyristoren nicht zu früh erfolgen, was zu höheren Verlusten führen würde, andererseits darf auch kein "Loch" zwischen den alternierend geschalteten Gruppen von Abschaltthyristoren auftreten, das gleichfalls zu einer unerwünschten Belastung der Abschaltthyristoren führen würde. Zum Zwecke der Einstellung genauer zeitlicher Relationen zwischen den Einschaltimpulsen einerseits und den Ausschaltimpulsen andererseits (Fig. 5) ist die Anpassungsvorrichtung 37 vorgesehen, die mit der Vorrichtung 20 zur Potentialtrennung und Impulsformung gleichfalls über eine Vielfach-Steuerleitung 38 verbunden ist.

Fig. 5 zeigt die Verhältnisse beim Vorhandensein von Schwingkreisen bei der Induktivität 13 und dem Kondensator 15 gemäß den Fig. 3 und 4. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Spannung U _D innerhalb der Abschaltzeit A eine wesentlich geringere Anstiegssteilheit aufweist als bei dem Fall gemäß Fig. 2 (ohne Schwingkreis). Der Abschaltstrom I _T hat im wesentlichen den gleichen Verlauf wie in Fig. 2. Es ergibt sich jedoch, daß das Produkt aus I und U zu einem sehr viel flacheren Kurvenverlauf (Umrißlinie der schraffierten Fläche) führt, als im Falle von Fig. 2. Infolgedessen ist auch die Verlustleistung sehr viel niedriger, und die Anordnungen nach den Fig. 3 und 4 können infolgedessen bei voller Auslastung der Abschaltthyristoren mit wesentlich höheren Frequenzen betrieben werden.

Der Spannungsverlauf U _D gemäß Fig. 5 entspricht einer Sinuslinie, die durch die Existenz des Schwingkreises bedingt ist.

Fig. 5 zeigt weiterhin einen Ausschaltimpuls P₁. Ausgehend von diesem Ausschaltimpuls erstreckt sich eine Löschverzugszeit t _LV , die etwa bis zu dem Augenblick reicht, in dem der Strom I _T steil abfällt (Punkt K₁). Diese Löschverzugszeit beträgt bei den gängigen Abschaltthyristoren typischerweise etwa 4 Mikrosekunden. Ausgehend von dem Ausschaltimpuls erstreckt sich die sogenannte Löschzeit t _L bis zu dem Punkt K₂, an dem die Kurve für den Strom I _T einen weiteren deutlichen Knick aufweist. Der hinter dieser Knickstelle noch auftretende Strom wird auch als Schweifstrom bezeichnet, die Zeit, in der dieser Strom zu Null wird, als sogenannte Schweifzeit. Die Löschzeit berechnet sich also aus der Zeit vom Ausschaltimpuls bis zum Nullwerden des Durchgangstroms I _T minus der sogenannten Schweifzeit. Diese Löschzeit beträgt bei den handelsüblichen Abschaltthyristoren etwa 7 Mikrosekunden. Zur Erzielung optimaler Verhältnisse wird nunmehr der Einschaltimpuls P₂ der jeweils anderen Gruppe in einen zeitlichen Bereich gelegt, der zwischen der Löschverzugszeit t _LV und der Löschzeit t _L liegt, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Es sei betont, daß eine solche Maßnahme mit zunehmender Kommutierungsfrequenz erheblich an Bedeutung gewinnt, da die mit steigender Frequenz auch hier steigenden Abschaltverluste durch diese Maßnahme weiter reduziert werden. Der zeitliche Abstand der Impulse P₁ und P₂ voneinander läßt sich durch die Anpassungsvorrichtung 37 innerhalb der angegebenen Grenzen entsprechend verändern. Da die Ansteuerung von Abschaltthyristoren - für sich genommen - jedoch bekannt ist, dürften sich weitere Ausführungen hierüber erübrigen.

Der Vorteil der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 liegt darin, daß über den Transformator beliebige Verbraucher bzw. Lasten angepaßt werden können. Der magnetische Aufwand der Transformatoren 31 und 32 ist wegen der hohen Schaltfrequenz sehr gering. Die aus der hohen Frequenz erzeugte Gleichspannung benötigt dabei auch einen geringeren Aufwand an Glättungsmitteln.

Claims (6)

1. Anordnung zur Versorgung einer elektrischen Last mittels eines mit Abschaltthyristoren bestückten Wechselrichters in Brückenschaltung mit einem in der Brückendiagonalen aus einer Induktivität und einem Kondensator gebildeten Schwingkreis, dessen Auslegungsfrequenz im wesentlichen mit der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (13) in bezug auf den Wechselrichter (9) parallel zum Kondensator (15) geschaltet ist, daß die Frequenz des Wechselrichters (9) in der Weise regelbar ist, daß die Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung des Schwingkreises auf einen kleinstmöglichen Wert zurückführbar ist, und daß die Einschaltimpulse (P₂) alternierend geschalteter Abschaltthyristoren (21 und 24 bzw. 22 und 23) einen zeitlichen Abstand von den Ausschaltimpulsen (P₁) der jeweils anderen Abschaltthyristoren aufweisen, wobei der zeitliche Abstand minimal der Löschverzugszeit (t _LV ) und maximal der Löschzeit (t _L ) entspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abgriffe (17, 16) für Strom "I" und Spannung "U" im Schwingkreis einer Regelanordnung (18) ausgeschaltet sind, deren Ausgang einem Taktgeber (10) aufgeschaltet ist, derart, daß durch die Ausgangsfrequenz des Taktgebers die Frequenz des Wechselrichters (9) geregelt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (13) Bestandteil eines Verbrauchers ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (13) vom Verbraucher baulich getrennt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (13, 15) mittels eines Transformators (31, 32) an den Wechselrichter (9) angekoppelt ist.

6. Anwendung der Anordnung nach Anspruch 1 für das Einschmelzen von metallischen Werkstoffen.