DE639045C

DE639045C - Arrangement for the operation of single-phase inverters, preferably working with grid-controlled vapor or gas discharge vessels

Info

Publication number: DE639045C
Application number: DEA63575D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans Laub
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1931-09-29
Filing date: 1931-09-29
Publication date: 1936-11-27

Description

Gegenstand des Patents 627 784 ist eine Anordnung zum Betrieb von Einphasenwechselrichtern, die auf ein Netz mit durch eine Synchronmaschine, z. B. Synchronumformer, gelieferter Gegenspannung arbeiten, und zwar ist die Synchronmaschine derartig bemessen, daß sie die in jeder Periode auftretenden Energiedifferenzen zwischen dem Energiebedarf des Einphasennetzes und der vom Einphasenwechselrichter gelieferten Energie ganz oder annähernd ausgleicht. Wenn der Kommutierungsvorgang im Augenblick des Nulldurchganges des Laststromes erfolgt, beträgt der Effektivwert des für die Bemessung der Maschine maßgebenden Differenzstromes, wie man durch Rechnung nachweisen kann, 49 °/₀ des Effektivwertes des Laststromes, wenn man die Annahme macht, daß der vom Wechselrichter gelieferte Strom im wesentlichen rechteckförmig verläuft.The subject of the patent 627 784 is an arrangement for the operation of single-phase inverters which are connected to a network with a synchronous machine, e.g. B. synchronous converter, supplied counter-voltage work, namely the synchronous machine is dimensioned such that it completely or approximately compensates for the energy differences occurring in each period between the energy requirements of the single-phase network and the energy supplied by the single-phase inverter. When the commutation at the instant of zero crossing of the load current is made, the rms value is the relevant to the assessment of the machine difference current, as can be demonstrated by calculation, 49 ° / ₀ of the rms value of the load current when making the assumption that the current supplied by the inverter The current is essentially rectangular.

Arbeitet der Wechselrichter auf eine rein Ohmsche oder wenigstens nur teilweise induktive Belastung, so kann bei Annahme natürlicher Kommutierungsbedingungen nicht mehr im Nulldurchgang des Laststromes kommutiert werden,, vielmehr muß vor dem Nulldurchgang der Wechselspannung kommutiert werden. Dies hat zur Folge, daß die zweckmäßig als Führermäschine zu bezeichnende Synchronmaschine außer dem Differenzstrom i_D, der der Verzerrungsleistung entspricht, noch den Blindstrom i_B des Einphasennetzes mitliefern muß. Nimmt man in erster Annäherung an, daß die Kommutierung im Nulldurchgang der Spannung erfolgt, so ergibt sich für den Maschinenstromi_M: If the inverter works with a purely ohmic or at least partially inductive load, assuming natural commutation conditions, commutation can no longer take place in the zero crossing of the load current, rather it must be commutated before the zero crossing of the alternating voltage. The consequence of this is that the synchronous machine, which can expediently be designated as a driver's machine, must also supply the reactive current i _{B of} the single-phase network in _{addition to the differential current i D} , which corresponds to the distortion power. If one assumes, as a first approximation, that the commutation takes place at the zero crossing of the voltage, then the following results for the machine current i _M :

Legt man ζ. B. einen Leistungsfaktor von 0,7 (entsprechend einer Phasenverschiebung von etwa 45°) zugrunde, so ist der Effektivwert von i_M gleich 79 °/₀ des Laststromes. Die Maschine muß also für eine Leistung bemessen werden, die nicht viel kleiner ist als die volle Wirk- bzw. Blindleistung.If you put ζ. If, for example, a power factor of 0.7 (corresponding to a phase shift of about 45 °) is based, the effective value of i _{M is} equal to 79 ° / _{0 of} the load current. The machine must therefore be dimensioned for a power that is not much smaller than the full active or reactive power.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann man nun eine wesentliche Verringerung der Typenleistung der Maschine erreichen, wenn der Kommutierungsvorgang derart gesteuert wird, daß der Strom und damit auch die Scheinleistung der Führermaschine angenähert ein Minimum sind. Zur DurchführungAccording to the present invention, one can now achieve a substantial reduction in Achieve type performance of the machine when the commutation process is controlled in this way is that the current and thus also the apparent power of the driver's machine approximated are a minimum. To carry out

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:*) The patent seeker stated as the inventor:

Dr.-Ing. Hans Laub in Newark, N. Y., V. St. A.Dr.-Ing. Hans Laub in Newark, N.Y., V. St. A.

dieser Steuerung wird man im allgemeinem,; insbesondere bei Ohmscher und wenigstens teilweise induktiver Belastung, zusätzliche Kommutierungsschaltmittel benötigen. .,.·this control is generally used; especially with Ohmscher and at least partially inductive load, require additional commutation switching means. .,. ·

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung·,? das solche zusätzlichen KommutierungsschalfeWi mittel enthält, ist in Abb", ι der Zeichnung dargestellt. Der Gleichrichter ι enthält den Gleichrichtertransformator 2 und die Entladungsgefäße 3, der Wechselrichter 4 enthält vier Entladungsgefäße 5, 6, 7, S, die in einer Brücke angeordnet sind. Zwischen Gleichrichter und Wechselrichter ist die Drosselspule 9 eingefügt. Die Spannungskurve wird von der als Blindleistungsmaschine ohne Antrieb fahrenden Synchronmaschine 10 diktiert. Parallel zu den Klemmen des Wechselrichters und damit zu den Klemmen des Einphasennetzes 11 und der Führermaschine 10 ist über zwei gegensinnig, parallel geschaltete Entladungsgefäße 12 und 13 der Kondensator 14 geschaltet. Die Entladungsgefäße werden über eine nicht gezeichnete Steuereinrichtung mit der Frequenz des Einphasennetzes gesteuert. Der Kondensator 14 wird je nach dem Vorzeichen der Netzspannung über eines der beiden Gefäße geladen. Die Ladung erfolgt also z. B. durch das Gefäß 12 bis zu einer Spannung, die dem Maximum der Einphasenspannung entspricht. Das zweite Gefäß 13 ist dabei gesperrt. Der Kondensator kann sich also -zunächst nicht wieder entladen. Erst wenn das Gefäß-13 durch die Steuereinrichtung leitend gemacht wird, entlädt sich der Kondensator 14. Gleichzeitig mit dem Gefäß 13 werden durch entsprechende Steuerung die beiden Entladungsgefäße 6 ! üffld) 7 des Wechselrichters leitend gemacht, djie bis zum Beginn des Kommutierungsvor-₅_§§Mj|ges gesperrt waren. Der Entladestrom ^.-«IgKiondensators fließt durch die Entladungs- ^IfäiSe S, 6, 7 und 8, und zwar so lange, bis ?dlr Strom in den Gefäßen 5 und 8 Null geworden ist. In der nächsten Halbperiode wird der Kondensator 14 über das Gefäß 13 durch die Netzspannung mit entgegengesetztem Vorzeichen aufgeladen und besorgt jetzt die Löschung der beiden anderen Entladungsgefäße 6 und 7 des Wechselrichters. An embodiment of the invention ·,? the such additional commutation circuit is shown in Fig ", ι of the drawing. The rectifier ι contains the rectifier transformer 2 and the discharge vessels 3, the inverter 4 contains four discharge vessels 5, 6, 7, S, which are arranged in a bridge. The choke coil 9 is inserted between the rectifier and the inverter. The voltage curve is dictated by the synchronous machine 10, which operates as a reactive power machine without a drive 12 and 13 of the capacitor 14. The discharge vessels are controlled by a control device (not shown) with the frequency of the single-phase network. The capacitor 14 is charged via one of the two vessels depending on the sign of the mains voltage Vessel 12 to a tension which corresponds to the maximum of the single-phase voltage. The second vessel 13 is blocked. The capacitor cannot discharge itself again at first. Only when the vessel 13 is made conductive by the control device does the capacitor 14 discharge itself. At the same time as the vessel 13, the two discharge vessels 6! üffld made of the inverter type) 7, Djie until the beginning of Kommutierungsvor- ₅ _§§Mj | ges were locked. The discharge current flows through the discharge lines S, 6, 7 and 8 until the current in vessels 5 and 8 has become zero. In the next half cycle, the capacitor 14 is charged via the vessel 13 by the mains voltage with the opposite sign and now takes care of the extinction of the two other discharge vessels 6 and 7 of the inverter.

Es ist leicht einzusehen, daß durch diese oder eine ähnliche Schaltung die Kommutierung in einen beliebigen Zeitpunkt verlegt werden kann. Diesen Zeitpunkt wird man nun erfindungsgemäß so wählen, daß der Effektivwert des Führermaschinenstromes ein Mini- mum wird. Dann · erhält man offenbar ein Optimum für die Kosten der Umformeranlage. Man kann sich leicht davon überzeugen, daß man schon eine wesentliche Verkleinerung des Maschinenstromes erhält, wenn man die Kommutierung nicht im Nulldurchgang der Spannung, sondern im Nulldurchgang des gegen die Spannung um den Winkel -φ verschobenen .Laststromes durchführt. Die Leistung der Maschine beträgt dann 49 °/₀ der Einphasenscheinleistung, ist also dann gleich der Verzerrungsleistung. Ist α der Winkel, um den der Kommutierungsbeginn gegen den Spannungsnulldurchgang verschöben ist, so ist allgemein der Effektivwert des Maschinenstromes i_M) wenn mit i der Laststrom bezeichnet wird,It is easy to see that with this or a similar circuit, the commutation can be shifted to any point in time. According to the invention, this point in time will now be selected in such a way that the effective value of the driver's machine current becomes a minimum. Then · one obviously obtains an optimum for the costs of the converter system. One can easily convince oneself that the machine current is substantially reduced if the commutation is not carried out at the zero crossing of the voltage, but at the zero crossing of the load current shifted by the angle -φ against the voltage. The power of the machine is then 49 ° / _{0 of} the single-phase apparent power, so it is then equal to the distortion power. If α is the angle by which the start of commutation is shifted towards the voltage zero crossing, then generally the effective value of the machine current i _M) if i denotes the load current,

cos φ \ cos al •2 cos (φ — α)cos φ \ cos al • 2 cos (φ - α)

cos φ
cos αcos φ
cos α

Dabei ist rechteckf öf miger Strom des Wechselrichters und unendlich rasche Kommutierung angenommen. Es läßt sich zeigen, daß der Radikand im obigen Ausdruck ein Minimum hat für tang a = 0,81 tang φ. Um eine Maschine mit möglichst kleiner Leistung zu bekommen, wird man also den Kommutierung'swinkel ά so" einstellen,- daß die obige Bedingung erfüllt ist. In Abb. 2 ist u die Spannung des Ei,nphasennetzeSj i der Laststrom, I₁ der vom Wechselrichter" gelieferte Strom, u eilt gegen i ufn den Winkel φ und gegen 4^ um den Winkel α vor. Die Differenz von i und I₁ gibt den Maschinenstrom i_M. In Abb. 3 sind die Maschineriströme i^ für drei Fälle von α gezeichnet. Fällt die Komniutierung mit dem Nulldurchgang der Spannung zusammen (« = o, Kurve i'), so ist der Effektivwert von i_M gleich 79 °/₀ des Effektivwertes von i. Wird die Kommutierung in den Nulldurchgang des Stromes verlegt (α = φ, Kurve 2'), so ist der Effektivwert von ifA — 49 °/o des Effektivwertes von i. Wenn man die Kommutierungsbedingung für minimalen Maschinenstrom einhält (tang α = o,8i tang φ, Kurve 3'·) erhält man einen Effektivwert von itf von 46°/₀ des Effektivwertes von i. Die Kurven 1', 2', 3' sind übereinander gezeichnet, damit man die Maschinenströme für die drei Fälle vergleichen kann.Here, rectangular current of the inverter and infinitely rapid commutation are assumed. It can be shown that the radicand in the above expression has a minimum for tang a = 0.81 tang φ. In order to obtain a machine with a little power as possible, it is thus the Kommutierung'swinkel ά "set so -.. That the above condition is satisfied Figure 2 u is the voltage of the egg, i nphasennetzeSj the load current I ₁ from the Inverter "supplied current, u leads against i ufn the angle φ and against 4 ^ by the angle α. The difference between i and I ₁ gives the machine current i _M. In Fig. 3 the machine flows i ^ are drawn for three cases of α. If the communication coincides with the zero crossing of the voltage (= o, curve i '), the rms value of i _{M is} equal to 79 ° / _{0 of} the rms value of i. If the commutation is shifted to the zero crossing of the current (α = φ, curve 2 '), the effective value of ifA is - 49% of the effective value of i. If the commutation condition for the minimum machine current is adhered to (tang α = o, 8i tang φ, curve 3 '), an effective value of itf of 46 ° / _{0 of} the effective value of i is obtained. The curves 1 ', 2', 3 'are drawn one above the other so that the machine currents can be compared for the three cases.

Im allgemeinen wird im Einphasennetz der Winkel φ nicht konstant sein, sondern innerhalb gewisser Grenzen schwanken. Dann wird man auch' den Winkel α verändern müssen, um in jedem Fall -minimalen Maschinenstrom zu erhalten. Diese'Verstellung des Kommutierüngswinkels kann selbsttätig erfolgen, und zwar dadurch, daß die Steuerung der Gefäße 12 und' 13 vom Phasenwinkel φ des Einphasennetzes abhängig gemacht wird. *ao In general, the angle φ will not be constant in a single-phase network, but will fluctuate within certain limits. Then one will also have to change the angle α in order to obtain -minimum machine current in every case. This adjustment of the commutation angle can take place automatically by making the control of the vessels 12 and 13 dependent on the phase angle φ of the single-phase network. * ao

Der hier entwickelte Erfindungsgedanke kommt vorzugsweise in Anwendung für dieThe inventive concept developed here is preferably used for the

Umformung von Gleichstrom in Einphasenstrom, wenn im Einphasennetz eine verhältnismäßig kleine Täktgebermaschine aufgestellt ist. Aber die Anwendungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens sind nicht hierauf beschränkt, sondern sie kommen auch bei der Speisung größerer Einphasennetze in Frage," bei denen die Taktgebermaschine bzw. Taktgebermaschinen als nicht klein im Verhältnis zur Leistung des Wechselrichters zu bezeichnen sind, bei denen aber die Anwendung des Erfindungsgedankens mit Rücksicht auf die Blindleistungsverhältnisse des Wechselstromnetzes vorteilhaft erscheint.Conversion of direct current into single-phase current, if a proportionate one in the single-phase network small Täktgebermaschine is set up. But the possible applications of the inventive idea are not on this limited, but they can also be used when feeding larger single-phase networks, " where the clock machine or clock machines are not considered small in proportion must be designated for the performance of the inverter, but for which the application of the inventive concept with regard to the reactive power ratios of the alternating current network seems advantageous.

Claims

Patent claims:

1. Arrangement to operate preferably working with grid-controlled vapor or gas discharge vessels Single-phase inverters which, according to patent 627,784, operate on a network with counter-voltage supplied by a synchronous machine work, characterized by such a control of the commutation process by means of additional commutation devices that the current and thus also the apparent power of the driving machine are approximated to a minimum.

2. Arrangement according to claim 1, characterized by the use of a In parallel with the alternating voltage, there is a series circuit made up of a capacitor (14) and two parallel connected in opposite directions Discharge vessels with a clear current flow direction (12, 13), preferably with vapor or gas filling, in which the discharge vessels are controlled in such a way that the charge of the capacitor from the single-phase network via one vessel, the discharge via the other vessel and the transformation vessels take place during the commutation process.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the controller the transforming discharge vessels of the inverter and the commutation voltage supplying discharge vessels depending on the phase shift between voltage and Electricity in the single-phase network takes place automatically.

4. Arrangement according to claim 1 for operation with only the distortion power delivering driver's machine, characterized by such a control of the commutation process that between the angle (α) by which the start of commutation is shifted towards the zero crossing of the AC voltage, and the angle of the phase shift (φ ) the relationship in the single-phase network

tang α = o, 8i tang φ
is satisfied.

1 sheet of drawings