DE3490797C2 - Selbstgef}hrter Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstgeführten Wechselrichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen, aus der SU-PS 8 11 460 bekannten Art.

Regelbare elektrische Antriebe mit selbstgeführten Wechselrichtern werden in verschiedenen Zweigen der Volkswirtschaft verwendet. Sie gestatten es, die Kinematik der Maschinen und Mechanismen wesentlich zu vereinfachen, das Getriebe zu vermeiden und den Antrieb und den Arbeitsmechanismus zu einer Einrichtung zu vereinigen, technologische Prozesse zu automatisieren und den vorgegebenen optimalen Betrieb des Mechanismus mit ho­ her Geschwindigkeit und Genauigkeit zu regeln.

Der selbstgeführte Wechselrichter (d. h. seine Schal­ tung, Konstruktion) ist wichtigster Bestandteil von Thyri­ stor-Frequenzumformern und bestimmt im wesentlichen Maße die Regel- und Energiecharakteristik des Antriebs sowie seine Kenndaten wie Masse, Abmessungen, Preis und Zu­ verlässigkeit. Die letzteren spielen eine besonders wich­ tige Rolle bei der Wahl der Schaltung des selbstgeführten Wechselrichters, weil hierbei die Möglichkeit der Anwen­ dung einer größeren Anzahl von selbstgeführten Wechsel­ richtern in den meisten praktischen Fällen begrenzt ist.

In diesem Zusammenhang ist die Schaffung und Einfüh­ rung von selbstgeführten Wechselrichtern, die einfach auf­ gebaut sind und dank erhöhter Kommu­ tierungsbeständigkeit eine hohe Funktionssicherheit sowie verbesserte Kennwerte in bezug auf Energieverbrauch, Masse, Abmessungen, Preis haben, eine aktuelle Aufgabe besonders in Anwendung auf frequenzgeregel­ te Hochspannungs-Antriebe, für welche ein vergrößerter Aufwand von Ventil- und Kondensatorausrüstungen nicht ra­ tionell ist.

Aus der SU-PS 5 05 099 ist bereits ein selbstgeführter Wechselrichter zur Steuerung eines Asynchronmotors bekannt.

Zwecks Erhöhung der Kommutierungsbeständigkeit und der An­ laßsicherheit ist der bekannte selbstgeführte Wechselrich­ ter, der einen Thyristorschalter, einen Transformator­ steuergeber, dessen Primärwicklung in den Verbindungskreis eines Kondensatorspeichers und eines der Thyristorschalter geschaltet ist, enthält, mit zusätzlichen Schwellwert­ begrenzern versehen, an deren Eingänge die Sekundärwicklung des Gebers gelegt ist. Die Ausgänge der Begrenzer sind an die Eingänge eines diskreten Phasendrehers, der Eingang des Steuergenerators an die Ausgangsleitungen des selbstgeführ­ ten Wechselrichters und dessen Ausgang an den Eingang des diskreten Phasendrehers gelegt.

Die Schwellwertbegrenzer werden auf ein und denselben Signalpegel des Transformatorsteuergebers eingestellt, was es gestattet, die Spannungsamplitude an den Kommutierungs­ kondensatoren in allen Betriebszuständen des selbstgeführ­ ten Wechselrichters konstant zu halten und dessen Kommutie­ rungsbeständigkeit zu erhöhen.

Da die Kommutierungskondensatoren bei diesem selbstge­ führten Wechselrichter in den Kommutierungsintervallen von der Belastung nicht getrennt sind, entstehen zwischen den Streuinduktivitäten schwach abklingende Energieaus­ tauschschwingungsvorgänge. Dies führt zur Verzerrung der Form der Ausgangsspannung des selbstgeführten Wechselrich­ ters durch die hochfrequenten Harmonischen. Außerdem kann bei diesem selbstgeführten Wechselrichter eine Gleich­ spannungskomponente an den Kommutierungskondensatoren auf­ treten, was zur Unsymmetrie der Erholungswinkel der Schalt­ thyristoren, d. h. zur Senkung der Kommutierungsbeständig­ keit führt. Die Gleichspannungskomponente an den Kondensa­ toren erscheint bei beliebiger Steuerungsunsymmetrie wegen Benutzung eines Transformators in dem Steuergeber, über wel­ chen die Information über die Gleichspannungskomponente nicht übertragen werden kann.

Aus der DE-PS 16 38 551 ist ferner ein selbstgeführter Wechselrichter bekannt, der einen Haupt- Brückenthyristorschalter, Kommutierungskondensatoren und ei­ nen Hilfs-Brückenthyristorschalter enthält.

Zwecks Erhöhung der Kommutierungsbeständigkeit ist jeder Kommutierungskondensator mit einer Hilfsladeeinrich­ tung versehen, der einen Transformator, eine Drossel, Kon­ densatoren und Thyristoren enthält. Dank der sicheren Wiederaufladung der Kommutierungskondensatoren zu Beginn jeder neuen Kommutierung hat der Wechselrichter eine gute Kom­ mutierungsbeständigkeit. Da die Kommutierungskondensa­ toren in jedem Kommutierungsintervall von der Last (dem Asynchronmotor) getrennt sind, entsteht keine we­ sentliche Verzerrung der Form der Ausgangsspannung des Wechselrichters durch die hochfrequenten Harmonischen. Zu­ gleich werden diesem selbstgeführten Wechselrichter bei der Stromkommutierung von der einen Phase des Asynchronmotors zur anderen an die Thyristoren des Hilfs-Brückenschalters zweimal größere Spannungen als an die Thyristoren des Haupt- Brückenschalters angelegt. Diese Umstand macht es erfor­ derlich, die Thyristoren des Hilfsschalters für eine erhöhte Spannung zu wählen bzw. eine Reihenschaltung der Thyristo­ ren zu verwenden, was Preis, Masse und Abmessungen des Wechselrichters erhöht, besonders für leistungsstarke Hochspannungs-Wechselrichter.

Wegen der großen Menge in Reihe geschalteter Elemen­ te ist ein solcher selbstgeführter Wechselrichter nicht genügend zuverlässig.

Zwecks Erhöhung der Kommutierungsbestän­ digkeit und Senkung der Kommutierungsüberspannungen an der Last ist bei dem aus der SU-PS 8 11 460 bekannten Wechselrichter an die Gleichstroman­ schlüsse der Diodenbrücke, die mit den gleichnamigen Gleichstromanschlüssen der Thyristorbrücke über die mit den Dioden gleichsinnig geschalteten Kommutierungsthyristoren verbunden sind, ein Dämpfungswiderstand angeschlossen. In­ folge der Dämpfung der Schwingungsvorgänge bei den Stromkom­ mutierungen durch die Wahl eines Widerstandswertes, der 60 bis 80% des Wertes des charakteristischen Widerstandes des von dem Kommutierungskondensator und den Induktivitäten der Belastungsphasen gebildeten Kreises beträgt, wird ei­ ne Begrenzung der Überspannungen und eine Erhöhung der Kom­ mutierungsbeständigkeit erreicht. Wegen der Verluste in dem entsprechend den oben angegebenen Bedingungen gewählten Dämpfungswiderstand hat der selbstgeführte Wechselrichter einen verminderten Wirkungsgrad. Bei recht hohen Widerstands­ werten des Dämpfungswiderstandes lassen sich die Verluste wesentlich vermindern, wobei die Abschaltmöglichkeit der Kommutierungskondensatoren von der Belastung in den Kom­ mutierungsintervallen erhalten bleibt. Jedoch führt die Un­ möglichkeit der Stabilisierung der Amplitude der Spannung an den Kommutierungskondensatoren mit Hilfe der bekannten Schaltungslösungen zum Auftreten einer nichtkontrollierbaren Gleichspannungskomponente an den Kondensatoren. Deshalb muß man die Kommutierungskondensatoren, die Thyristo­ ren und die Dioden für eine größere Spannung wählen, was zu einer erheblichen Verteuerung der Ausrüstung und einer Ver­ größerung der Masse und Abmessungen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten, wirtschaftlichen und im Betrieb zuverlässigen selbstgeführten Wechselrichter durch Senkung der maximalen Spannungen an den Kommutierungskondensatoren und Ventilen des Wechselrichters durch Stabilisierung dieser Spannungen und Vermeidung einer nicht kontrollierbaren Gleichstromkom­ ponente zu schaffen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem gattungsgemäßen Wechselrichter, erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Dabei sind aus der US-PS 38 87 862 das Prinzip der Spannungs­ erfassung am Kommutierungskondensator sowie die Verwendung eines Schwellwertelements und Zündverteilers bekannt. Diese Druckschrift zeigt nämlich einen selbstgeführten Wechselrich­ ter mit einem Kommutierungskondensator, der über eine Dioden­ brücke geladen wird. Seine Spannung wird mit einem ein Schwellwertelement darstellenden Detektor gemessen. Der Ausgang dieses Detektors ist mit einer Verteilungseinheit verbunden, die die Zündimpulse für die Thyristoren liefert. Ansonsten unterscheidet sich jedoch der erfindungsgemäße Wechsel­ richter von dem aus der US-PS 38 87 862 bekannten.

Der erfindungsgemäße selbstgeführte Wechselrichter ist ein­ fach aufgebaut. Er ermöglicht die Vermeidung einer nicht kontrollierbaren Gleichspannungskomponente an den Kommutie­ rungskondensatoren und eine Stabilisierung der Amplitude der Spannung an denselben, was zu einer hohen Kommutierungs­ beständigkeit in allen Betriebszuständen des Wechselrichters führt. Die hierbei erreichte Senkung der maximalen Spannungen an den Kommutierungskondensatoren und die Einsparung an Ventilausrüstung gestatten es, die energetischen Daten des Wechselrichters zu verbessern, seinen Preis, seine Masse und seine Abmessungen zu vermindern und seine Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Der erfindungsgemäße selbstgeführte Wechselrichter eignet sich wegen seiner wesentlichen Vorteile, des einfachen Aufbaus und der erhöhten Zuverlässigkeit besonders für thyristorisierte Frequenzumformer für asynchrone elektrische Antriebe. Besonders wirtschaftlich ist die Anwendung des erfindungsgemäßen selbstgeführten Wechselrichters in Hochspan­ nungs-Thyristor-Frequenzumformern, für die Zuverlässigkeit, geringe Masse und Abmessungen bei sonst gleichen Bedingungen eine entscheidende Rolle spielen.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines selbst­ geführten Wechselrichters und

Fig. 2 Funktionszeitdiagramme des selbstgeführten Wechselrichters.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, enthält der Wechselrich­ ter Thyristoren 1 bis 6, die eine Thyristorbrücke 7 bilden, und Dioden 8 bis 13, die eine Diodenbrücke 14 bilden. Die Wechselstromanschlüsse der Thyristorbrücke 7 sind über Kom­ mutierungskondensatoren 15 mit den entsprechenden Anschlüs­ sen der Diodenbrücke 14 verbunden. Die Gleichstromanschlüs­ se dieser Brücke sind mit den gleichnamigen Anschlüssen der Thyristorbrücke 7 über Kommutierungsthyristoren 16 und 17 verbunden.

Die Spannung an den Kommutierungskondensatoren 15 wird durch zwei Spannungsteiler 18 gemessen, die drei in Stern geschaltete und an die Wechsel­ stromanschlüsse der Brücken 7 und 14 angeschlossene Wider­ stände 19 enthalten. Die Meßwiderstände 20 der Spannungstei­ ler 18 sind zwischen die Sternpunkte der Widerstände 19 und Masse geschaltet. Die Ausgänge der Spannungsteiler 18 sind mit den invertierenden und nichtinvertierenden Ein­ gängen eines Differenzverstärkers 21 verbunden. Sein Aus­ gang ist mit dem Eingang eines Schwellwertelementes 22 mit Hysteresekennlinie zur Ermittlung des Zeitpunktes ver­ bunden, zu dem die Spannung an den Kommutierungskondensa­ toren 15 den Sollwert erreicht. Der Ausgang des Schwell­ wertelementes 22 ist mit einem der Eingänge einer Vertei­ lungseinheit 23 verbunden, die die Zündimpulse auf die Gates der Thyristoren 1 bis 6 und 16, 17 verteilt. An den anderen Eingang der Einheit 23 ist der Ausgang eines Steuergenerators 24 gelegt.

Der selbstgeführte Wechselrichter funktioniert folgen­ dermaßen:

Der Bestimmtheit halber sei das Kommutierungsintervall betrachtet, während dessen die Thyristoren 1 und 2 der Brücke 7 eingeschaltet sind. Hierbei sind die restlichen Ventile der Schaltung (sowohl die Thyristoren als auch die Dioden) aus­ geschaltet. Die Kommutierungskondensatoren 15 sind von der Last abgeschaltet; sie sind wegen der vorher­ gehenden Kommutierung geladen. Die Polarität der Spannung an diesen ist in Fig. 1 ohne Klammern gezeigt. Dieser Polari­ tät entspricht der untere (negative) Pegel der Ausgangs­ spannung an den Spannungsteilern 18 und am Ausgang des Dif­ ferenzverstärkers 21 (Diagramm 25, Fig. 2). Das Schwellwertelement 22 (Fig. 1) befindet sich hier­ bei in einem seiner stabilen Zustände, bei dem die Ver­ teilungseinheit 23 Steuerimpulse für die Thyristoren 1 und 2 erzeugt und diese zündet (Diagramme 26 und 27, Fig. 2).

Beim Eintreffen eines Impulses 28 (Fig. 2) vom Steuer­ generator 24 (Fig. 1) schaltet die Verteilungseinheit 23 den Steuerimpuls vom Thyristor 1 ab (Diagramm 26, Fig. 2) und gibt einen Steuerimpuls auf den Thyristor 16 (Diagramm 29, Fig. 2). Hierbei bleibt der Steuerimpuls für den Thyristor 2 (Diagramm 27, Fig. 2) erhalten.

Unter der Wirkung der Spannung am Kommutierungs­ kondensator 15 (Fig. 1), der mit dem Thyristor 1 in Verbin­ dung steht, wird dieser Thyristor gesperrt. Über den Thy­ ristor 16, die Dioden 8, 9, 10 und die Last beginnt die Umladung der Kommutierungskondensatoren 15 auf die in Fig. 1 in Klammern angedeutete Polarität.

Die Ausgangsspannung der Spannungsteiler 18 (Diagramm 25, Fig. 2) und des Verstärkers 21 (Fig. 1) ändert sich auch ansteigend in bezug auf die Achse des Diagramms 25 (Fig. 2). Der Zustand des Schwellwertelementes 22 (Fig. 1) ändert sich dank der Hysterese so lange nicht, bis die Spannung an den Kommutierungskondensatoren 15 die durch die Einstellung des Schwellwertelementes 22 und den Wert seiner Hysterese (obere Begrenzungslinie in bezug auf die Achse des Diagramms 25, Fig. 2) bestimmte Höhe erreicht hat. Im Laufe der Umladezeit erzeugt die Verteilungseinheit 23 (Fig. 1) weiter Steuerimpulse für die Thyristoren 16 und 2.

Bei der Umladung der Kommutierungskondensatoren 15 auf die Sollhöhe spricht das Schwellwertelement 22 an und wird in den anderen stabilen Zustand gebracht. Die Einheit 23 hört dabei auf, Impulse auf den Thyristor 16 zu geben und zündet den nächsten Thyristor 3 der Anodengruppe der Brücke 7 (s. Diagramme 29 und 31, Fig. 2). Der Thyristor 16 (Fig. 1) und die Dioden 8, 9, 10 werden unter der Wirkung der Spannung an den Kommutierungskondensatoren gesperrt, wonach das nächste Kommutierungsintervall des Wechselrich­ ters beginnt, während dessen die Thyristoren 3 und 2 der Brücke 7 leitend sind. Alle anderen Ventile des selbstgeführten Wech­ selrichters sind dabei gesperrt und die Kommutierungskonden­ satoren 15 von der Last getrennt. Die Dauer des Kommu­ tierungsintervalls wird durch die Arbeitsperiode des Steuer­ generators 24 und durch die Ausgangsfrequenz des Wechselrich­ ters bestimmt.

Beim Eintreffen des nächstfolgenden Impulses vom Steu­ ergenerator 24 schaltet die Einheit 23 den Steuerimpuls vom Thyristor 2 ab (Diagramm 27, Fig. 2) und schaltet den Thyristor 17 ein (Diagramm 30, Fig. 2). Es beginnt der Kommutierungsvorgang in der Katodengruppe der Ventile des Wechselrichters, der analog dem oben beschriebenen ab­ läuft. Der Kommutie­ rungsvorgang wird mit der Umladung der Kommutierungskonden­ satoren 15 (Fig. 1) auf eine Spannung an diesen beendet, die der unteren Begrenzungslinie in bezug auf die Achse des Dia­ gramms 25 (Fig. 2) entspricht. Dieser Wert wird wie auch bei dem vorhergehenden Kommutierungsvorgang durch den Einstellwert des Schwellwertelementes 22 (Fig. 1) be­ stimmt.

Somit sind die maximalen Spannungspegel an den Kom­ mutierungskondensatoren 15 streng fixiert und werden durch die Einstellung des Schwellwertelementes 22 bestimmt, wobei diese Pegel den reellen Spannungswerten an den Kommu­ tierungskondensatoren 15 entsprechen, da sie mit Hilfe der Teiler 18 mit den Widerständen 19 und 20, über welche alle Komponenten dieser Spannungen, einschließlich der Gleich­ spannungskomponente, falls diese erscheint, übertragen wer­ den. Dadurch wird das gestellte Ziel - Steigerung der Ge­ nauigkeit der Spannungsstabilisierung an den Kommutierungs­ kondensatoren und Vorbeugung einer nichtkontrollierbaren Gleichspannungskomponente an diesen - erreicht.

Die bei diesem selbstgeführten Wechselrichter erreich­ bare Erhöhung der Stabilisierungsgenauigkeit der Spannung an den Kommutierungskondensatoren gestattet es, den maximalen Wert dieser Spannungen bei ho­ her Kommutierungsbeständigkeit um 20 bis 30% herabzusetzen. Die Herabset­ zung der Spannungspegel an den Kondensatoren gestattet es, die Klasse der zu verwendenden Thyristoren und Dioden zu vermindern und in Hochspannungsschaltungen die Zahl der in Reihe zu schaltenden Thyristoren und Dioden um 20 bis 30% zu reduzieren.

Bei dem selbstgeführten Wechselrichter kann das Schwell­ wertelement 22 als regenerativer Komparator ausgeführt sein, dessen in­ vertierender Ausgang durch eine logische Negation ge­ bildet wird. Die Verteilungseinheit 23 stellt einen Ringzähler mit Flipflops und logischen UND- Gliedern dar. Die Schaltungen der restlichen Elemente - des Steuergenerators 24 und des Differenzverstärkers 21 - sind Standardelemente.

Claims (1)

1. Selbstgeführter Wechselrichter mit einer dreiphasigen Thyristor­ brücke (7), deren Wechselstromanschlüsse über drei Kommutierungs­ kondensatoren (15) mit den entsprechenden Wechselstromanschlüssen einer dreiphasigen Diodenbrücke (14) verbunden sind, deren Gleich­ stromanschlüsse mit den gleichnamigen Gleichstromanschlüssen der Thyristorbrücke (7) über je einen Kommutierungsthyristor (16, 17) in Verbindung stehen, einem Steuergenerator (24) und einer Vertei­ lungseinheit (23), die Steuerimpulse für die Thyristorbrücke (7) und die Kommutierungsthyristoren (16, 17) erzeugt, wobei der Aus­ gang des Steuergenerators (24) an einen ersten Eingang der aus­ gangsseitig mit den Gates der Thyristoren (1 bis 6, 16, 17) in Verbindung stehenden Verteilungseinheit (23) gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstgeführte Wechselrichter mit einem Differenzverstärker (21), einem Schwellwertelement (22) mit Hysteresekennlinie und zwei Spannungsteilern (18) ver­ sehen ist, wobei jeder Spannungsteiler (18) phasenseitig drei in Stern geschaltete Widerstände (19) enthält, deren Anschlüsse je­ weils an die Wechselstromanschlüsse der Thyristorbrücke (7) bzw. der Diodenbrücke (14) gelegt sind, daß die zwei masseseitigen Widerstände (20) der zwei Spannungsteiler (18) jeweils zwischen den Sternpunkten der Sternschaltungen und Masse geschaltet sind und daß die zwei Sternpunkte als die zwei Abgriffe der Spannungs­ teiler (18) an den invertierenden bzw. nichtinvertierenden Ein­ gang des Differenzverstärkers (21) angeschlossen sind, der ausgangsseitig über das Schwellwertelement (22) mit dem zweiten Eingang der Verteilungseinheit (23) in Verbindung steht.