DE3324542C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Wechselrichter ist aus der Zeitschrift "etz-a", Bd. 99, (1978), S. 678-681, bekannt.

Die Schaltung eines üblichen Wechselrichters mit angeschlossener Last ist in der Fig. 1 veranschaulicht. Mittels einer Gleichstromquelle 10, die auch eine Vorrichtung zur Regelung ihres Ausgangs-Gleichstromes I _d aufweist, wird eine mehrphasige Brückenschaltung 11 gespeist, die aus Thyristorzweigen UP, VP, WP, UN, VN und WN aufgebaut ist. Die Welligkeit des speisenden Gleichstromes I _d wird durch Glättung mittels einer Drosselspule 12 gedämpft. Als durch den Wechselrichter zu betreibende Last ist beispielhaft ein Synchronmotor 13 dargestellt, dessen Ankerwicklung 14 vom Wechselrichter gespeist wird, während die Beschaltung der Klemmen J und K der Feldwicklung 15 nicht dargestellt ist. Mit der Welle des Synchronmotors 13 ist ein Positionsgeber 16 verbunden, der den jeweiligen Drehwinkel erfaßt und einem Triggerkreis 17 vorgibt, der die Steuerung der Thyristoren der Thyristorzweige UP, VP, WP und UN, VN und WN bewirkt.

Die Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Wechselrichters wird anhand des Zeitdiagramms der Fig. 2 erläutert. Die voll ausgezogenen, gestrichelten und punktierten Phasenspannungen E _U , E _V und E _W durch Induktion an den Phasenklemmen U, V und W der Ankerwicklung 14 des Synchronomotors 13, und mit I _U , I _V und I _W sind die zu den Phasenklemmen U, V und W fließenden Ströme bezeichnet.

Zur Erläuterung soll nun der Zeitpunkt betrachtet werden, in dem die Thyristorzweige U _P und W _N leiten und der Thyristorzweig V _P gezündet ist: Zum Zeichen des Leitzustandes sind die Thyristoren der Thyristorzweige U _P , V _P und W _N flächig geschwärzt, während die im Sperrzustand befindliche Thyristorzweige nur die Konturen der Symbole der Thyristoren zeigen. Die Stromübernahme wird weiterhin durch den gestrichelten Pfeil A angedeutet.

Entsprechend dem Diagramm der Fig. 2 erhalten zum Zeitpunkt r₁ die Gates des Thyristorzweiges V _P einen Zündimpuls durch den Triggerkreis 17 aufgeschaltet. Da zum Zeitpunkt t₁ die Spannung E _U größer ist als die Spannung E _V , liegt am Thyristorzweig V _P als Durchlaßspannung die Differenz (E _U -E _V ), so daß der Thyristorzweig V _P gezündet wird und der angedeutete Leitzustand herrscht. Gleichzeitig beginnt die durch den gestrichelten Pfeil A angedeutete Stromübernahme: Der Strom I _U beginnt abzusinken, während der Strom I _V des Thyristorzweiges V _P von null aus ansteigt. Zur Zeit t₂ ist der Strom I _U gegen null abgefallen, und der Thyristorzweig U _P löscht wegen Unterschreitung seines Haltestromes. Da zu dieser Zeit die Spannung E _U die Spannung E _V noch überschreitet, liegt am Thyristorzweig U _P die Differenz der Spannungen (E _U -E _V ) als Sperrspannung.

Zur Zeit t₃ ist die sinkende Spannung E _U auf den Wert der ansteigenden Spannung E _U abgesunken, so daß die Differenz der Spannungen und damit auch die am Thyristorzweig U _P liegende Sperrspannung den Wert null durchläuft und damit die Polarität der am Thyristorzweig U _P liegenden Spannung auf Durchlaßrichtung wechselt. Nun erfolgt zwar das Löschen eines Thyristors automatisch, wenn dessen Hauptstrom durch null geht oder zumindest den Haltestrom unterschreitet. Nach dem Nulldurchgang des Hauptstromes vergeht jedoch eine nicht zu vernachlässigende Zeit, die Freiwerdezeit, bis der Thyristor wieder eine Durchlaßspannung aufzunehmen vermag, ohne in den Durchlaßzustand zu kippen. Es ist daher erforderlich, daß das Zeitintervall zwischen den Zeiten t₂ und t₃ größer ist als die Freiwerdezeit der Thyristoren.

Im Interesse der Steigerung des Leistungsfaktors des Synchronmotors 13 der Fig. 1 und der Absenkung seiner Drehmomentschankungen ist es erforderlich, das zwischen den Zeiten t₂ und t₃ liegende Zeitintervall zu verkleinern und damit den bei der vorherrschenden Kreisfrequenz zwischen diesen eingeschlossenen Phasenwinkel zu verringern.

Im folgenden soll davon ausgegangen werden, daß die Steuerung für einen Phasenwinkel von 15° ausgelegt ist und Thyristoren mit einer Freiwerdezeit von 250 µsec zur Verfügung stehen. Wird noch die Streuung der Steuerung der Thyristoren berücksichtigt, so wird das durch die Zeiten t₂ und t₃ begrenzte Intervall 500 µsec überschreiten. Die minimale Zeit einer vollen Periode T₁ kann dann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

Daraus ergibt sich der Maximalwert der Ausgangsfrequenz zu:

Das bedeutet, daß die Drehzahl des Synchronmotors 13 auf 2500 U/min bei dessen Ausführung als vierpoliger Synchronmotor begrenzt ist. Sollen höhere Drehzahlen erreicht werden, so ist die Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes erforderlich, das jedoch bei größeren Leistungen und höheren Drehzahlen sich als derart problematisch erweist, daß in solchen Fällen auf den Einsatz eines bürstenlosen Elektromotors verzichtet wird.

Aus der Zeitschrift "etz-a", Bd. 99 (1978), H. 11, S. 678 bis 681, ist es in Verbindung mit mehrphasigen Wechselrichterschaltungen bekannt, zur Verbesserung des Kommutierungsverhaltens in jedem Ventilzweig einen Abschaltthyristor in Reihe mit einem "normalen" Thyristorzweig zu schaffen und zusätzlich eine Spannungsquelle zum Erzeugen einer Sperrspannung vorzusehen (vergl. Bild 1b), wobei abweichend zur erfindungsgemäßen Anordnung parallel zum "normalen" Thyristorzweig ein weiteres steuerbares Halbleiterelement in Reihe mit einer Spannungsquelle angeordnet ist, was für das Aufschalten der Sperrspannung ein zusätzliches Steuersignal erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter der gattungsgemäßen Art, schaltungs- und steuerungsgemäß zu vereinfachen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1. Wesentlich ist hierbei, daß die Abschaltung eines Thyristorzweiges jeweils beim Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestwertes des Stromes erfolgt, so daß das Abschalten stets bei vorgegebenen abgesenkter Leistung erfolgt. Unterstützt wird der jeweilige Abschaltvorgang durch die Bildung bzw. das Anlegen einer Sperrspannung, so daß durch frühes und schnelles Abschalten und sicheres Unterschreiten des Haltstromes sowie Verzögern des erneuten Anliegens einer Durchlaßspannung ein relativ langes Zeitintervall für das Freiwerden des abgeschalteten Thyristorzweiges zur Verfügung steht, wobei für das Anlegen der Sperrspannung kein zusätzliches steuerbares Halbleiterelement erforderlich ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der beim Abschalten eine Sperrspannung bewirkenden Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei:

Fig. 1 das vereinfachte Schaltbild eines herkömmlichen Wechselrichters,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der beim Wechselrichter nach Fig. 1 auftretenden Spannungen und Ströme,

Fig. 3 schematisch ein Schaltbild eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Wechselrichters,

Fig. 4 diagrammatisch den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Strömen sowie die zeitliche Lage von Steuersignalen bei einem Wechselrichter nach Fig. 3,

Fig. 5 schematisch das Schaltbild eines weiteren gemäß der Erfindung arbeitenden Wechselrichters, und

Fig. 6 diagrammatisch den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Strömen sowie die zeitliche Lage von Steuersignalen bei einem Wechselrichter nach Fig. 5.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematisierten Schaltbild dargestellt, wobei aus der Fig. 1 bekannte Teile mit gleicher Referenznummer bezeichnet sind. Die Gleichstromquelle 10 speist über eine Drosselspule 12 eine mehrphasige Brückenschaltung 21, bei der den jeweiligen Thyristorzweigen UP, VP, WP, UN, VN und WN jeweils ein Abschaltthyristor (abschaltbarer Thyristor, GTO-Thyristor) 22 bis 27 vorgeordnet. Die Abschaltthyristoren 22 bis 24 liegen hierbei zwischen der Drosselspule und den nachfolgenden Thyristorzweigen, während die Abschaltthyristoren 25 bis 27 zwischen dem zweiten Pol der Gleichstromquelle 10 und den nachgeordneten Thyristorzweigen vorgesehen sind. Den Abschaltthyristoren 22 bis 27 sind jeweils Kondensatoren 31 bis 36 parallel geschaltet. Die den als Last vorgesehenen Synchronmotor 13 speisenden Ströme I _U , I _V und I _W sind über eine Detektorvorrichtung 28 geführt, welche deren Momentanwerte erfaßt. Die Ausgangssignale dieser Detektorvorrichtung werden Steuervorrichtungen 29 und 30 zugeführt, welche die Abschaltthyristoren vermittels von Abschaltsignalen zu sperren vermögen.

Im einzelnen wird die Arbeitsweise des Wechselrichters nach Fig. 3 in Verbindung mit einem Spannungen, Ströme und Signalen darstellenden Zeitdiagramm der Fig. 4 erläutert.

Mit E _U , E _V und E _W sind die Spannungen bezeichnet, die an den Phasenklemmen U, V und W sich ergeben, und mit I _U , I _V und I _W sind die zu den Phasenklemmen fließenden Ströme benannt. Mit a 1 bis a 6 sind die Zündimpulse der Thyristoren der Thyristorenzweige UP, VP, WP, UN, VN und WN bezeichnet, die auch den Abschaltthyristoren 22 bis 27 aufgeschaltet sind. Unter b 1 bis b 6 sind die allein den Abschaltthyristoren 22 bis 27 zugeführten Abschaltsignale geführt. Die Ausgangssignale c 1 bis c 3 der Detektorvorrichtung 28 entstehen, wenn beim Absinken des jeweils zutreffenden der Ströme I _U , I _V bzw. I _W dieser einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet.

Auch hier soll die Erläuterung wiederum jenes Zeitintervall schildern, in dem durch Zünden des Thyristorzweiges VP dieser den bisher vom Thyristorzweig UP geführten Strom übernimmt. Hierzu wird nach Fig. 4 zur Zeit t₄ ein Zündsignal a 2 des Triggerkreis 17 den Gates des Thyristorzweiges VP aufgeschaltet. Am Thyristorzweig liegt die Spannung (E _U -E _V ), so daß der Thyristorzweig VP zündet und vom Sperr- in den Leitzustand gebracht wird. Damit aber beginnt zur Zeit t₄ der Strom I _U abzusinken, und der zu dieser Zeit einsetzende Strom I _V steigt an.

Zur Zeit t₅ ist der Strom I _U auf einen Wert Δ I, nahe dem Wert null, abgefallen, so daß die Detektorvorrichtung 28 ein Absinken unter den Mindestwert Δ I feststellt und das zutreffende Ausgangssignal c 1 damit vom Logikzustand "0" in den Logikzustand "1" umschaltet. Die Front des Ausgangssignales c 1 wird von der Steuervorrichtung 29 in ein Abschaltsignal b 1 umgesetzt, welches dem Abschaltthyristor 22 zugeführt wird und diesen innerhalb eines Intervalls von 10 bis 20 µsec sperrt. Hierbei wird der parallel zum Abschaltthyristor 22 vorgesehene Kondensator 31 durch den geringen, vom Thyristorkreis UP noch geführten Strom aufgeladen, wobei die beim vorherrschenden Strom sich noch ergebende Spannung durch die Wahl der Kapazität des Kondensators bestimmbar ist. Zur Zeit t₆ ergibt sich damit eine Spannung V _B am Kondensator 31, so daß am Thyristorzweig UP nunmehr eine Sperrspannung von (E _U -E _V +V _B ) liegt. Dies bedeutet aber, daß dem Thyristorzweig eine erhöhte Sperrspannung aufgeschaltet ist, die auch zur Zeit t₇, wenn die Spannung E _U auf jenen Wert abgefallen ist, auf den die Spannung E _V angestiegen ist, noch mit der Spannung V _B des Kondensators 31 andauert. Erst zur Zeit t₈, wenn die Differenz der Spannungen (E _V -E _U ) den Wert der am Kondensator liegenden Spannung V _B erreicht hat, liegt am Thyristorzweig UP das Potential null.

Wird für die Höhe der am Abschaltthyristor 22 und den am Thyristorzweig UP liegenden Spannungen ein Verhältnis von 1 : 4 angenommen und die Spannung V _B , auf die der Kondensator sich auflädt, auf 20% der Spannungsdifferenz (E _V -E _U ) bemessen, so wird dem Thyristorzweig UP eine Speerspannung aufgeschaltet, bis ein Spannungsdiffernez von (E _V -E _U ) auf einen Wert von 20% der maximalen Spannungsdifferenz (E _V - E _U ) angestiegen ist. Für die Freiwerdezeit der Thyristorzweige steht damit nicht nur das Intervall t₂ bis t₃ der Fig. 2 zur Verfügung, sondern vielmehr das längere Intervall von t₆ bis t₈. Wenn der zwischen Zeiten t₇ und t₈ auftretende Phasenwinkel von Sin^-1 0,2=12° beträgt und der zwischen den Zeiten t₅ und t₇ liegende Phasenwinkel durch entsprechende Steuerung auf dem Wert 15° gehalten ist, wie dies bei dem konventionellen Wechselrichter der Fall war, verlängert sich der hier zum Freiwerden der Thyristoren zur Verfügung stehende Phasenwinkel auf 12°+15°=27°. Damit aber lassen sich bei gleichen Freiwerdensein der Thyristoren entsprechend höhere Frequenzen erreichen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der schematischen Schaltung der Fig. 5 dargestellt. Auch hier sind gleiche Teile mit gleichen Referenznummern bezeichnet.

Auch beim Wechselrichter nach Fig. 5 sind den Thyristorzweigen Abschaltthyristoren 22 bis 27 vorgeordnet, und die Stromübernahme vom Thyristorzweig UP zum Thyristorzweig VP ist durch einen gestrichelten Pfeil B angedeutet. Die mehrphasige Brückenschaltung 41 ist zusätzlich durch zwei Gleichstrom-Spannungsquellen 42, 46 ergänzt. Während jeweils einer der Pole der Gleichstrom-Spannungsquellen 42, 46 mit dem gemeinsamen äußeren Anschluß der Abschaltthyristoren 22 bis 24 bzw. 25 bis 27 verbunden ist, sind die jeweils anderen Pole der Gleichstrom-Spannungsquellen 42, 46 über Widerstände 43 bis 45 bzw. 47 bis 49 auf die Verbindungen der Abschaltthyristoren 22 bis 27 mit dem jeweiligen Thyristorzweig UP bis WN geschaltet.

Die Arbeitsweise des in Fig. 5 dargestellten Wechselrichters wird anhand der Zeitdiagramme der Fig. 6 wiederum anhand des durch Pfeil B angedeuteten Stromüberganges vom Thyristorzweig UP zum Thyristorzweig VP erläutert.

Wird gemäß der Fig. 6 zur Zeit t₄ dem Thyristorzweig VP der Zündimpuls a 2 aufgeschaltet, so liegt an diesen in Durchlaßrichtung die Spannung (E _U -R _V ) als Durchlaßspannung an, so daß der Thyristorzweig VP zündet und in den Leitzustand übergeht. Der Strom I _U wird nunmehr abgeschwächt, und der Strom I _V beginnt zu fließen.

Ist zur Zeit t₆ der Strom I _U auf null abgesunken, so springt das Ausgangssignal c 1 der Detektorschaltung 28 auf den Wert "1" um. Dieser Anstieg des Signales c 1 bewirkt über die Steuervorrichtung 29 das Abschaltsignal b 1, mittels dessen der Abschaltthyristor 22 innerhalb eines Intervalls von 10 bis 20 µsec gesperrt wird und dessen Freiwerden beginnt. Nach Sperren des Abschaltthyristors 22 kann sich nun die über den Widerstand 43 von der Gleichstrom-Spannungsquelle 42 zugeführte Gleichspannung V _B als die aufgebaute Sperrspannung erhöhend auswirken. Auch hier wird als Sperrspannung die Summe der Spannungen E _U -E _V +V _B ) wirksam. Damit aber erhält der Thyristorzweig UP eine Speerspannung, die eine ausreichende Zeit zur Freiwerdung der Thyristoren bietet, und die bis zur Zeit t₈ andauernd, bis die Differenz der Spannungen (E _V -E _U ) der Spannung V _B entspricht und diese aufhebt.

Auch hier soll wieder davon ausgegangen werden, daß das Verhältnis der jeweils an einem Abschalthyristor und an dem diesen nachgeordneten Thyristorzweig anliegenden Spannungen 1 : 4 beträgt und die Spannung V _B mit 20% der Spannungsdifferenz (E _V -E _U ) festgelegt ist. Bei diesen Bedingungen bekommen die Thyristoren der Thyristorzweige eine Speerspannung aufgeschaltet, bis die Spannungsdifferenz (E _V -E _U ) bis auf 20% ihres maximalen Wertes angestiegen ist. Auch hier soll davon ausgegangen werden, daß der Phasenwinkel des Intervalls zwischen t₆ und t₇ auf einen Wert von 15° gehalten wird. Der Phasenwinkel zwischen den Zeiten t₇ und t₈ weist eine Größe von Sin^-1 0,2=12° auf, so daß die Sperrspannung von t₆ bis t₈ entsprechend einen Phasenwinkel von 12°+15°=27° anliegt und in voller Länge für das Freiwerden der Thyristoren der Thyristorenzweige zur Verfügung steht.

Stehen zum praktischen Aufbau der Thyristorzweige des Wechselrichters Thyristoren mit einer 250 µsec unterschreitenden Freiwerdezeit zur Verfügung und liegt beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 im Intervall von t₅ bis t₈ bzw. beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 in einem Intervall von t₆ bis t₈ eine Speerspannung an den Thyristoren, so wird trotz aller Streuung der Steuerung, die ein Intervall der Freiwerdezeit von 500 µsec verlangt, die folgende Periodendauer erreicht:

Entsprechend dieser Periodendauer R₂ läßt sich der Maximalwert f₂ der Ausgangsfrequenz wie folgt berechnen:

Ein vierpolig ausgeführter bürstenloser Elektromotor würde demnach mit einer Drehzahl von 4500 U/min arbeiten, und ein zweipolig ausgeführter Elektromotor würde eine Drehzahl von 9000 U/min erreichen. Damit aber lassen sich in vielen Fällen die drehzahlsteigernden Getriebe vermeiden und wesentlich günstigere Anordnungen erreichen, als dieses mit Wechselrichtern nach Fig. 1 möglich ist, die nur maximale Drehzahlen von 2500 U/min bei vierpoliger und 5000 U/min bei zweipoliger Ausführung des Elektromotors erlauben. Die Erfindung gestattet daher in einer Vielzahl von Fällen den Fortfall problematischer und aufwendiger Getriebe, und ebenso können die oft zur Vermeidung der problematischen Getriebe zum Antrieb verwendeten Gasturbinen entfallen und die einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden, leicht zu wartenden, wirtschaftlichen und vorteilhaft zu regelnden Elektromotore eingesetzt werden. Es hat sich noch gezeigt, daß der Wechselrichter sich auch zum Betreiben anderer Lasten eignet, insbesondere wenn diese bei höheren Leistungen auch höhere Frequenzen erfordern.

Claims (3)

1. Wechselrichter hoher Leistung mit einer ihn speisenden Gleichstromquelle und mit einer an die Pole der Gleichstromquelle angeschlossenen, aus in Serie geschaltete Thyristoren aufweisenden Thyristorzweigen gebildeten mehrphasigen Brückenschaltung und einer den Steuerelektroden der Thyristoren vorgeordneten, sie periodisch zündenden Steuervorrichtung sowie mit einer zu betreibenden Last, wobei jeweils zwischen einem Pol der Gleichstromquelle und einem mit diesem verbundenen Thyristorzweig ein Abschaltthyristor vorgesehen ist und die Kommutierung durch Aufschalten einer Sperrspannung auf den Thyristorzweig verbessert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Phasenströme der Last durch eine Detektorvorrichtung (28) erfaßt werden, welche beim Absinken der Phasenströme unter einen vorgegebenen Wert Ausgangssignale (c 1 bis c 3) bewirkt und über ihr nachgeordnete Steuervorrichtungen (29, 30) dem der betroffenden Phase jeweils zugeordneten Abschaltthyristor (22 bis 27) ein Abschaltsignal (b 1 bis b 6) zugeführt, und
daß den Abschaltthyristoren (22 bis 27) jeweils eine die Sperrspannung (V _B ) erzeugende Anordnung (31 bis 36; 43 bis 49) parallel geschaltet ist, wobei die Sperrspannung ab dem Abschaltzeitpunkt wirksam ist.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Sperrspannung erzeugende Anordnung ein Kondensator (31 bis 36) ist (Fig. 3).

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannungen durch zwei invers zur Gleichstromquelle (10) gepolte Hilfs-Gleichstromquellen (42; 46) erzeugt werden, von denen je eine gemeinsam den positiven bzw. negativen Thyristorzweigen (UP, VP, WP; UN, WN) zugeordnet ist, wobei die Ausgangsspannung der Hilfs-Gleichstromquellen (42; 46) über je einen Widerstand (43 bis 45; 47 bis 49) den Schaltstrecken der zugehörigen Abschaltthyristoren (22 bis 24; 25 bis 27) zugeführt wird (Fig. 5).