DE632717C

DE632717C - Verfahren und Anordnung zum Betrieb von Wechselrichtern

Info

Publication number: DE632717C
Application number: DEA64888D
Authority: DE
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1930-08-08
Filing date: 1932-01-27
Publication date: 1936-07-13
Also published as: US1919976A; US1902495A; DE678550C; DE708158C; GB387369A; GB395425A; FR721129A; FR41005E; BE384349A; US1891924A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wechselrichter, die für sich allein arbeitsfähig sind, d. h. kein bereits unter Spannung stehendes Wechselstromnetz für die Durchführung des Betriebes benötigen. Bei Wechselrichtern, die für sich allein arbeitsfähig sind, sind in den Hauptslromkreisen induktive und kapazitive Energiespeicher vorgesehen. Es hat sich nun beim Betrieb von solchen Wechselrichtern, d. h. Einrichtungen zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom mittels gesteuerter Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken mit im wesentlichen lichtbogenförmiger Entladung, herausgestellt, daß sich die vom Wechselrichter gelieferte Spannung in Abhängigkeit von der Belastung bzw. der Frequenz ändert. Dies ist nicht immer erwünscht. Auch kann sich eine Verschlechterung der Ausnutzung der Leistungsfähigkeit des Wechselrichters ergeben. Häufig ist es außerdem bei Wechselrichtern, die auf ein Wechselstromnetz ohne Gegenspannung arbeiten, erwünscht, die Umformungseinrichtungen in einem weiten Frequenzbereich zu betreiben.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zum Betrieb von Wechselrichtern, das diese Nachteile vermeidet. Gemäß der Erfindung wird die Eigenfrequenz eines in den Hauptstromkreisen liegenden Teiles der Umformungseinrichtung in Abhängigkeit von der Abweichung der Frequenz des erzeugten Wechselstromes von. der Eigenfrequenz dieses Teiles der Umformungseinrichtung gesteuert. In erster Linie hat der Erfindungsgedanke Bedeutung für Wechselrichter in Reihenanordnung. Jedoch soll dies keine Einschränkung bedeuten, denn der Erfindungsgedanke ist ebenfalls bei Wechselrichtern in Parallelanordnung anwendbar.

Im folgenden soll nun der Erfindungsgedanke an zwei Ausführungsbeispielen veranschaulicht werden, die sich beide auf Wechselrichter in Reihenanordnung beziehen. Diese beiden Ausführungsbeispiele sind in den Abb. ι und 2 der Zeichnung dargestellt, während die Abb. 3 und 4 zur Erläuterung der Wirkungsweise der Maßnahmen gemäß der Erfindung dienen. In Abb. 1 der Zeichnung ist ein Wechselrichter in Reihenanordnung dargestellt, der vom Gleichstromnetz 10 gespeist wird und das Verbrauchernetz 11 beliefert. Dieses Netz 11 ist schematisch durch die Primärwicklung eines Transformators dargestellt. Die Umformungseinrichtung enthält Kondensatoren 12 und 13, einen Resonanzkreis für den Kondensator 12, enthaltend

eine Drosselspule 14, die Wicklung 11, die untere Hälfte" der' Wicklung 15, die Entladungsstrecke 16 und das Gleichstromnetz 10. Ein zweiter" Resonanzkreis enthält den Kondensator 13, ferner die Entladunggstrecke 17, die obere Hälfte der Wicklung; 15, die Wicklung 11, die Drosselspule und das Gleichstromnetz 10. Es wird bemerkt, daß der Ladekreis jedes Kondensators gleichzeitig den Entladekreis des anderen Kondensators· bildet. Die Entladungsstrecken 16 und 17 sind gittergesteuerte Entladungsstrecken und können an sich beliebiger Bauart sein, vorzugsweise sollen jedoch gittergesteuerte Dampf- oder Gasentladungsstrecken Verwendung finden, bei denen bekanntlich das Einsetzen des Entlädungsstromes durch das Steuergitter bestimmt wird, aber bei denen der Entladungsstrom nur durch Verringerung der Anodenspannung unter ihren kritischen Wert unterbrochen werden kann. Die Steuergitter der Entladungsstrecke 16 und 17 werden von den Sekundärwicklungen 18 und 19 eines Gittertransformators 20 erregt, dessen Primärwicklung an eine Wechselstromquelle 21 angeschlossen ist. Die Wicklung 15 ist auf einem Eisenkern 22 angeordnet und enthält einen Luftspalt 23, der mit einem verstellbaren Glied 24 versehen ist. Die Stellung des Gliedes 24 ist durch eine von einem Motor betätigte Steuereinrichtung bestimmt, die beispielsweise eine Übersetzung 25 und einen Gleichstrommotor 26 mit einer Feldwicklung 27 enthält.

Damit eine Abweichung der Frequenz des Wechselstromkreises, der das Netz 11 beliefert, von der Eigenfrequenz der Resonanzkreise festgestellt werden kann, sind zwei Entladungsstrecken 28 und 29 vorgesehen, die ebenfalls vorzugsweise gittergesteuerteDampf- oder Gasentladungsstrecken sein sollen. Die Anodenkreise dieser Entladungsstrecken werden in Übereinstimmung mit der am Kondensator 13 liegenden Spannung durch eine am Widerstand 30 abgenommene Spannung gespeist, und zwar liegt dieser Widerstand parallel zu dem Kondensator 13 über einen Blockkon densätor 31. Die Gitter der Entladungsstrecken 28 und 29 werden mit i8o° Phasenverschiebung zueinander von der Sekundärwicklung eines Gittertransformators 32 erregt, dessen Primärwicklung in Übereinstimmung mit der Spannung an der Wicklung 15 und dem Kondensator 13 erregt wird. Eine der Spannung an diesen beiden Scheinwiderständen proportionale Spannung erhält man nun, indem man die Primärwicklung des Transformators 32 parallel zu einer Reihen-.schaltung der Drosselspule 14 mit dem Kondensätor 33 schaltet. Dabei ist zu beachten, daß der Kondensator 33 einen Teil des aus den Kondensatoren 33 und 34 bestehenden Potentiometers bildet. Die Anodenkreise der Entladungsstrecken 28 und 29 enthalten Spu- -|e_;n 35 und 36 eines Umschalters 37. Ist dieser .trittschalter in der einen Kontaktstellung, so ■schließt er den Anker 26 in der Weise an das ''..Gleichstromnetz 10 an, daß die Stellung des keilförmigen Gliedes 24 in der einen Richtung geändert wird. Ist der Umschalter in der anderen Stellung, so wird der verstellbare Keil in entgegengesetzter Richtung bewegt. Auf die Arbeitsweise des Wechselrichters in Reihenanordnung soll hier nicht näher eingegangen werden. Es möge der Hinweis genügen, daß zunächst über die Entladungsstrecke 17 der Kondensator 13 aus dem Gleichstromnetz 10 geladen und dabei der Kondensator 12 entladen wird, während in der nächsten Halbperiode das! Gefäß 16 leitend ist und der Kondensator 12 geladen, der Kondensator 13 entladen wird. Wie ersichtlich ist, wird !durch dieses abwechselnde Laden und Entladen der Kondensatoren bzw. das, abwechselnde Leitendsein der Entladungsstrecken 16 und 17 ein Wechselstrom dem Netz 11 zugeführt.

Wenn die Frequenz der Gitterwechselspannung gleich der Eigenfrequenz der Lade- und Entladekreise der Kondensatoren ist, wird dem Belastungskreis 11 ein sinusförmiger go Wechselstrom zugeführt. Wenn jedoch die Frequenz der Wechselspannung, die die Gitter erregt, größer als die Eigenfrequenz der Resonanzkreise ist, so wird die gesperrt gehaltene Entladungsstrecke, z. B. 16, leitend, bevor der eine Kondensator vollständig geladen und der andere vollständig entladen ist, d. h. bevor der Strom in der anderen Entladungsstrecke zu Null geworden ist. Der Strom in der leitend gewordenen Entladung^- strecke steigt nun sehr rasch an, und dieser Strom, der durch die eine Hälfte der induktiven Wicklung 15 fließt, induziert eine Spannung in der anderen Hälfte der Wicklung 15, und zwar von solcher Größe und Richtung, daß der Strom in der anderen Entladungsstreeke sofort unterbrochen wird. Es ergibt sich also, daß dem Verbraucherkreis 11 ein Wechselstrom solcher Kurvenform zugeführt wird, der anfänglich sinusförmig ist und schließlich gegen das Ende der Halbperiode zu abgeschnitten wird. Diese Wellenform ist als Kurve 1 der Abb. 3 dargestellt. In der gleichen Abbildung gibtKurvell dieWechselspannungskomponente an einem der Kondensatoren wieder, beispielsweise am Kondensator 13, während Kurvelll die Wechselspannung an der Drosselspule 14 darstellt. Diese Drossel ist zu dem Zwecke in* der Anordnung nach Abb. 1 vorgesehen, damit an ihr eine Spannung abgegriffen werden kann, die hinsichtlich Größe und Phase proportional den

Werten der Spannung ist, welche die Spule 15 in bezug auf einen gerade im Auflade- oder Entladezustand befindlichen Speicherkondensatorkreis bzw. den Verbraucherkreis auf-

. S weist. Wie zu ersehen ist, fließt der Strom in der Wicklung 15 stets in derselben Richtung. Die Spannung an Spule 15 ist für den Umformungsvorgang nicht interessant, sondern lediglich diejenige Spannung bzw. Phasenlage und Richtung der Spannung, welche der jeweils stromdurchflossene Teil der Wicklung 15 in bezug auf den Verbraueherkreis hat. Die sehr scharfen Spitzen der Wellenform in Kurve III sind die Folge der raschen Stromunterbrechung in einem der Entladungskreise und des raschen Stromaufbaues in dem 'anderen Entladungskreis. Kurve IV der Abb. 3 ist durch Addition der Kurvenil und III entstanden; sie gibt daher die Spannung an einem der Kondensatoren und dem jeweils beteiligten Teil der Drossel 15 wieder. Es ist zu erkennen, daß die durch Kurve IV dargestellte Spannung in Phasenopposition zu der Spannung an dem Kondensator 13 entsprechend Kurve II steht.

Wenn andererseits die Frequenz der Gitterspannung kleiner als die Eigenfrequenz der Resonanzkreise ist, so wird einer der Kondensatoren 12 und 13 vollständig entladen und der andere Kondensator vollständig geladen, bevor die Gitterspannung ihre Polarität umkehrt und die andere Entladungsstrecke leitend macht. Diese Bedingung wird durch die Kurven der Abb. 4 dargestellt, und

3S zwar stellt Kurve V den an den Verbraucher 11 gelieferten Strom dar, welcher eine Reihe von angenäherten Sinushalbwellen enthält, die durch kurze Intervalle getrennt sind, in welchem kein Strom fließt. Kurve VI stellt die Wechselspannungskomponente an dem Kondensator 13 dar, die im wesentlichen sinusförmig ist, mit Ausnahme einer kleinen Abflachung am Scheitelwert der Welle; Kurve VII gibt schematisch die Wechselspannung an der Drossel 14 wieder, welche, wie bereits oben gesagt, proportional der Spannung an dem jeweils stromdurchfiossenen Teil der Wicklung 15 ist; diese Spannung ist mit Ausnahme eines kleinen Intervalles, in welchem kein Strom fließt und daher keine Spannung an der induktiven Wicklung liegt, sinusförmig. Kurve VIII ist die Resultierende der Kurven VI und VII, d. h. die Wechselspannung an einem der Kondensatoren 12 und 13 und der jeweils beteiligten Hälfte der Wicklung 15. Es ist zu erkennen, daß diese Resultierende (vgl. Kurve VIII) in Phase mit der am Kondensator 13 liegenden Spannung (vgl. Kurve VI) ist. Es ist daher ersichtlich, daß, wenn die Frequenz der Gitterspannung gleich der Eigenfrequenz der Resonanzkreise ist, die Spannungen an den Kondensatoren und der Drosselspule sinusförmig sind, gleiche Größe haben und in Phasenoppositiort zueinander stehen, so daß die Resultierende dieser beiden Spannungen Null ist.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich somit klar, daß eine Anzeige der Beziehung zwischen der Frequenz der Gitterspannung und der Eigenfrequenz der Resonanzkreise erzielt werden kann, nämlich durch die Beziehung zwischen der Spannung an dem einen der Kondensatoren, z. B. Kondensator 13 und der Resultierenden der an diesem Kondensator und dem gerade stromführenden Teil der Wicklung 15 bzw. der Spule 14 herrschenden Spannungen; d. h. wenn die Gitterspannung höherfrequent ist als die Eigenfrequenz der Resonanzkreise, so ist diese resultierende Spannung in Phasenopposition zu der Spannung an dem betrachteten Kondensator. Wenn die beiden Frequenzen gleich sind, dann ist die resultierende Spannung an dem Kondensator und dem entsprechenden Teil der Wicklung 15 gleich Null. Wenn die Frequenz der Gitterspannung kleiner ist als die Eigenfrequenz der Resonanzkreise, so ist die resultierende Spannung in Phase mit der Spannung an dem betrachteten, Kondensator. Diese Erscheinung kann nun zur Steuerung ausgenutzt werden. Der Widerstand 30 und der Kondensator 31 sind miteinander in Reihe geschaltet, und diese Reihenschaltung liegt parallel zum Kondensator 13. Der Kondensator 31 hat die Aufgabe, die Gleichspannungskomponente der Spannung am Kondensator 13 von dem Widerstand 30 fernzuhalten. Kondensator 31 und Widerstand 30 sind so bemessen, daß die am Widerstand 30 auftretende Wechselspannung sehr angenähert der des Kondensators 13 der Phase nach entspricht. Ein kapazitiver Spannungsteiler, der die Kondensatoren 33 und 34 enthält, liegt parallel zum Kondensator 13 und ist so bemessen, daß die Kapazität von 33 in dem gleichen Verhältnis zur Summe der Kapazitäten von 33 und 34 steht wie die Induktivität der Spule 14 zur Summe der Induktivitäten, bestehend aus Drosselspule 14 und 'der "halben Wicklung 15. Die Primärwicklung des Gittertransformators 32, welche parallel zu der aus der Drosselspule 14 und dem Kondensator 33 bestehenden Reihenschaltung liegt, wird also mit einer Spannung erregt, die proportional der resultierenden Spannung ist, wie sie durch Kurve IV der Abb. 3 bzw. Kurve VIII der Abb. 4 dargestellt ist. Die Anoden der Entladungsstrecken 28 und 29 liegen beide am Widerstand 30; die Gitter beider Entladungsstrecken werden mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von i8o° von der Sekundär-

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wicklung des Gittertränsformators 32 erregt. Wenn nun die Arbeitsbedingungen z. B. so sind, wie es in Abb. 4 dargestellt ist, so ist die Gitterspannung der einen* Entladungsstrecke, z.B. 28, in Phase mit der zugehörigen Anodenspannung, und die Betätigungsspule 3 5 des Schalters 37 wird erregt, so daß der Schalter seine linke Stellung einnimmt. In dieser - Stellung liegt der Anker 26 mit derartiger Polung· an der Gleichspannung 10, daß er den Teil 24 zurückzieht, wodurch der Luftspalt vergrößert und die Induktivität der Wicklung 15 verkleinert wird; die Eigenfrequenz der Resonanzkreise wird daher vergrößert. Wenn die Eigenfrequenz der Hauptstromkreise gleich der Frequenz des erzeugten Wechselstromes ist, wird die Resultierende der Spannungen an der Drosselspule 14 und dem Kondensator 33 zu Null, so daß die Gitter der Entladungsstrecken 28 und 29 keine Spannung erhalten und diese Entladungsstrecken nicht mehr leitend werden; die Betätigungsspule 35 erhält dann keinen Strom mehr, der Schalter 37 kehrt in seine neutrale Lage zurück, in welcher er vorzugsweise festgehalten wird, und die Bewegung des Keiles 24 wird unterbunden. Es ist leicht einzusehen, daß bei einem Ansteigen der Frequenz der Gitterspannung über die Frequenz der Resonanzkreise die umgekehrte Schaltweise stattfindet. In diesem Falle wird die Gitterspannung der Entladungsstrecken<28 und 29 in ihrer Polarität umgekehrt, so daß die Entladüngsstrecke 29 leitend wird, während die Entladungsstreeke 28 gesperrt ist. Während die' vorstehend beschriebene Einrichtung in Verbindung mit Wechselrichtern in Reihenanordnung besonders gut anwendbar ist, .: dürfte es dennoch klar sein, daß sie auch von allgemeinerer Bedeutung ist und geeignet ist, eine Anzeige- und Steuervorrichtung allgemeinerer Art für Wechselstromkreise darzustellen, die einen Resonanzkreis, enthalten und ; mit Wechselstromenergie gespeist werden. Bei der Ausführung' gemäß Abb. 2, bei der im übrigen die gleichen Bezugszeichen verwendet werden wie in Abb. 1, sind sowohl Ankerwicklung 26 als auch Feldwicklung 27 unmittelbar mit dem Gleichstromnetz 10 ver-' 50 bunden. Die Verbindungen sind derart gewählt, daß der Motor stets das Glied 24 herauszuziehen versucht, so daß ständig eine Neigung zur Vergrößerung der Eigenfrequenz der Resonanzkreise besteht. Der Motor 26 ist außerdem mit einer Feldwicklung 40' versehen, die in subtraktivem Sinne in bezug auf die Feldwicklung 27 "wirkt und so bemessen ist, daß der Motor 26 in der entgegengesetzten Richtung laufen kann. In dieser Anordnung öo wird der Anodenkreis der Entladungsstreeke 29 proportional der Spannung am Widerstand 30 über einen Transformator 41 erregt, während der Gitterkreis an einer Reihenschaltung der Drosselspule 43 · mit dem Kondensator 44 liegt. In Reihe mit beiden liegt ferner ein Widerstand 45, und die gesamte Reihenschaltung wird von einer Hilfswicklung 46 des Haupttransformators 47 gespeist. Bei dieser Anordnung ist die Wicklung 11 die Primärwicklung des Transformators 47, während der Belastungskreis 42 an die Sekundärwicklung 48 angeschlossen ist. Der Anodenkreis der Entladungsstreeke 29 enthält die Betätigungsspule 49 eines Schalters 50, der die Feldwicklung 40 an die Gleichspannung 10 anschließt. " Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist weitgehend ähnlich der j enigen in der Abb. 1, nur arbeitet sie absatzweise. Wie vorher festgestellt worden ist, versucht der Motor 26 normalerweise ständig das Glied 24 herauszuziehen und ebenso ständig die Eigenfrequenz der Resonanzkreise zu vergrößern. Wenn die Frequenz dieser Kreise über die Frequenz der dem Kreis 21 entnommenen Spannung steigt, so kommt die Gitterspannung der Entladungsstreeke 29, die, wie bereits gesagt, an der Reihenschaltung der Drossel 43 mit dem Kondensator 44 abgenommen wird, in Phase mit der Anodenspannung dieser Entladungsstreeke, und der Schalter 50 go legt Spannung an die Feldwicklung 40. Die Erregung der Wicklung 40 bewirkt eine Umkehrung der Drehvorrichtung des Motors 26, so daß der Keil 24 in den Luftspalt 23 geschoben und die Eigenfrequenz der Resonanzkreise verringert wird. Wenn die Eigenfrequenz der Hauptstromkreise gleich der Frequenz des erzeugten Wechselstromes . ist, wird die Gitterspannung der Entladungsstreeke 29 auf Null verringert, so daß diese Entladungsstreeke gesperrt ist und die Betätigungsspule 49 des Schalters 50 keinen Strom mehr erhält. Diese Vorgänge wiederholen . sich ständig. Es wird noch bemerkt, daß Drosselspule 43 und Kondensator 44 Scheinwiderstände haben, die proportional denen einer Hälfte der Wicklung 15 und eines der beiden Kondensatoren 12 und 13 sind.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zum Betrieb von für sich allein arbeitsfähigen Wechselrichtern mit in den Hauptstromkreisen angeordneten kapazitiven und induktiven Energiespeiehern, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz der von den Hauptströmen durchflossenen Teile der Umformungseinrichtung in Abhängigkeit von der Abweichung der Frequenz des erzeugten Wechselstromes von der Eigenfrequenz dieser Teile der Umformungseinfichtung in dem

Sinne gesteuert wird, daß die Frequenzabweichung verschwindet.
2. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Scheinwiderstand der ein schwingungsfähiges Gebilde darstellenden Hauptstromkreise veränderbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ίο gekennzeichnet, daß bei Wechselrichtern in Reihenanordnung als Resonanzkreise die Speicherkondensatoren (12, 13) und die Kommutierungsdrossel (15) dienen.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des Resonanzkreises veränderbar ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Spule mit Eisenkern (15), deren Luftspalt

ao regelbar ist.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Luftspaltes durch einen Steuermotor (26, 27) gegebenenfalls unter Mitwirkung eines Getriebes (25) erfolgt, dessen Drehrichtung durch das Vorzeichen der Abweichung der beiden Frequenzen bestimmt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (26) des Steuermotors über einen Umschalter (37) mit drei möglichen Stellungen aus dem Gleichstromnetz gespeist wird, von denen zwei den beiden möglichen Vorzeichen der gegenseitigen Abweichungen der beiden Frequenzen entsprechen, und die dritte eine Ruhestellung ist, auf welcher der Anker des Steuermotors bei Gleichheit der Frequenzen nicht an Spannung gelegt wird.
8. Anordnung nach Anspruch7, gekennzeichnet durch einen Umschalter mit zwei Steuerspulen (35, 36), von denen die eine durch ein auf positive Frequenzabweichun

gen ansprechendes Relais, die andere 45 durch ein auf negative Frequenzabweichungen ansprechendes Relais betätigt . wird.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Relais von der Spannung solcher Teile der Resonanzkreise gesteuert werden, deren Spannung beim Übergang von positiver zu negativer Frequenzabweichung und umgekehrt sich in der Phasenlage um i8o° verschiebt.
10. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Steuermotor, welcher normalerweise die Eigenfrequenz in einem bestimmten Sinne, beispielsweise im Sinne einer Erhöhung der Eigenfrequenz, verändert, mit einer zusätzlichen, der Feldwicklung (27) entgegenwirkenden Feldwicklung (40), die bei Frequenzabweichungen, z. B. bei zu hoher Eigenfrequenz der Hauptstromkreise, gespeist wird.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis der zusätzlichen Feldwicklung (40) durch einen Schalter (50) geschlossen wird, dessen Steuerspule (49) durch ein auf zu hohe Eigenfrequenzen ansprechendes Relais betätigt wird.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Relais verwendet wird, das von der Spannung solcher Teile (13) der Resonanzkreise gesteuert wird, deren Spannung beim Übergang von positiver zu negativer Frequenzabweichung und umgekehrt sich in der Phasenlage um i8o° verschiebt, und daß das Relaisi nur auf Spannungen einer vorbestimmten Phasenlage anspricht.
13. Anordnung nach Anspruch 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Relais gittergesteuerte Entladungsstrecken (28, 29), vorzugsweise Dampf- oder Gasentladungsstrecken, verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen