CH620800A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter für wechselweisen Bereitschafts- und Lastbetrieb, der einen Leistungsteil mit gesteuerten Hauptventilen und eine Steuereinrichtung mit einem Steuersatz zur Bildung von Zündimpulsen aufweist und dem eine Parameter-Überwachungseinrichtung für ein Wechsel- oder Drehspannungsnetz zur Bildung eines Startbefehls bei einer unzulässigen Abweichung des überwachten Parameters der Netzspannung zugeordnet ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur phasenrichtigen Inbetriebnahme eines derartigen Wechselrichters.

Wechselrichter der eingangs genannten Art werden beispielsweise in gesicherten Stromversorgungsanlagen oder zur Stützung von schwachen Netzen oder zur Speisung von Stromrichterantrieben eingesetzt.

Bei gesicherten Stromversorgungsanlagen kann der Wechselrichter entweder im unterbrechungsfreien Dauerbetrieb oder im Umschaltbetrieb zwischen Bereitschaftsbetrieb und Lastbetrieb betrieben werden. Bei einer völlig unterbrechungsfreien Stromversorgung wird der Verbraucher ständig von einem im Dauerbetrieb arbeitenden Wechselrichter gespeist, der über eine Batterie und einen Ladegleichrichter an einem Wechsel- oder Drehspannungsnetz liegt. Bei einem Ausfall des Netzes läuft die Stromversorgung ohne Unterbrechung weiter. Der Gleichrichter muss zum gleichzeitigen Aufladen der Batterie und zum Speisen des Wechselrichters ausgelegt sein. Durch die ständige zweimalige Energieumformung ist der Wirkungsgrad derartiger unterbrechungsfreier Stromversorgungsanlagen unbefriedigend.

Bei anderen bekannten gesicherten Stromversorgungsanlagen erfolgt die Speisung des Verbrauchers im Normalbetrieb aus dem Netz. Bei einem Netzausfall wird ein Wechselrichter auf Leistungsabgabe gebracht und der Verbraucher wird auf den Wechselrichter umgeschaltet. Das Ladegerät braucht nur für die Aufladung der Batterie bemessen zu sein. Da im Normalbetrieb keine Energieumformung stattfindet, sind die Verluste wesentlich geringer als bei einer Sofortbereitschaftsanlage mit im Dauerbetrieb arbeitendem Wechselrichter. Die im Normalbetrieb noch immer auftretenden Verluste sind davon abhängig, welche Art von Bereitschaftsbetrieb für den Wechselrichter gewählt wird.

Der Wechselrichter kann im Bereitschaftsbetrieb im «Leerlauf» betrieben werden. Dabei ist seine Steuereinrichtung voll in Betrieb. Die gesteuerten Halbleiterventile des Wechselrichters werden mit Zündimpulsen angesteuert. Es finden die üblichen Kommutierungsvorgänge statt. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters ist jedoch abgeschaltet. Dabei entstehen durch die Kommutierungsvorgänge ständig Verluste und Geräusche im Leistungsteil des Wechselrichters, insbesondere in Transformatoren und Drosseln. Weitere Verluste entstehen bei der Informationsverarbeitung in der Steuerungseinrichtung und bei der Erzeugung der Zündimpulse.

Es sind auch Wechselrichter bekannt, bei denen in der Bereitschaftsstellung lediglich die Steuereinrichtung in Betrieb ist und Zündsteuersignale erzeugt. Die Weitergabe der Zündsteuersignale an die Halbleiterventile des Wechselrichters ist jedoch gesperrt. Bei einem Startbefehl werden die Zündsteuersignale auf die Halbleiterventile durchgeschaltet. Im Bereitschaftsbetrieb fallen keine Kommutierungsverluste an. Die Verluste durch die ständig arbeitende Steuereinrichtung sind gering. Sie können noch weiter verringert werden, wenn die Sperrung der Zündsteuersignale im Bereitschaftsbetrieb vor den Impulsendstufen des Steuersatzes erfolgt. Dann arbeitet im Bereitschaftsbetrieb lediglich die Informationsverarbeitung in der Steuereinrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter für wechselweisen Bereitschaftsbetrieb oder Lastbetrieb anzugeben, der bei äusserst geringen Verlusten im Bereitschaftsbetrieb sehr schnell auf Leistungsabgabe gebracht werden kann.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine im Bereitschaftsbetrieb arbeitende Startsteuerlogik vorgesehen ist, die eingangsseitig mit einem Messsignal der überwachten Netzspannung beaufschlagt ist und die einen Speicher zur Speicherung wenigstens eines Parameters der Netzspannung im Störungsaugenblick enthält und die bei einem Startbefehl den Steuersatz zur Abgabe von Zündimpulsen an die gesteuerten Ventile des Wechselrichters veranlasst derart, dass die Ausgangsspannung des Wechselrichters mit dem im Störungsaugenblick gespeicherten Parameter der Netzspannung

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beginnt. Ein weiterer Anwendungsfall liegt bei der Stützung von schwa-

Bei dem erfindungsgemässen Wechselrichter arbeiten im chen Netzen vor, wobei zur Steuerung des Energieflusses bei-Bereitschaftsbetrieb die Parameter-Überwachungseinrichtung spielsweise Längs- und/oder Quertransformatoren vorgesehen und die Startsteuerlogik. Der Leistungsteil ist jedoch stillge- sein können. Auch in diesem Anwendungsfall kommt es darauf setzt und die Steuereinrichtung des Wechselrichters ist nicht 5 an, dass der Wechselrichter möglichst rasch eine Ausgangs-an ihre Versorgungsspannung angeschlossen. Bei einer unzu- Spannung erzeugt, deren Parameter mit der überwachten Netzlässigen Abweichung der überwachten Netzspannung wird die Spannung übereinstimmen. Ein weiterer Anwendungsfall für Steuereinrichtung und der Leistungsteil des Wechselrichters einen erfindungsgemässen Wechselrichter besteht in der Speiderart in Betrieb gesetzt, dass die Ausgangsspannung des sung von elektromotorischen Antrieben. Es gibt Anwendungs-Wechselrichters mit dem gespeicherten Parameter der Netz- io fälle, beispielsweise bei Antrieben für Glasziehmaschinen, bei Spannung im Störungsaugenblick beginnt, vorzugsweise mit denen ein normaler Drehstrommotor mit hochkonstanter der gespeichterten Phasenlage. Drehzahl gefahren werden muss. Die Einspeisung des Antriebs

Beim erfindungsgemässen Wechselrichter arbeiten im muss daher von Einbrüchen der Netzspannung freigehalten Bereitschaftsbetrieb lediglich die Parameter-Überwachungs- werden.

einrichtung und die Startsteuerlogik, die beide einen äusserst 15 Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungeringen Leistungsverbrauch aufweisen. Der Leistungsteil des gen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es Wechselrichters liegt zwar an der Eingangsspannung; es ent- zeigen:

steht jedoch kein Stromverbrauch, da die Halbleiterventile Figur 1 eine gesicherte Stromversorgungsanlage mit einem nicht angesteuert sind. Bei Wechselrichtern, deren Kommutie- erfindungsgemässen Wechselrichter,

rungseinrichtungen von der Eingangsgleichspannung abhängig 20 Figur 2 ein Prinzipschaltbild einer Überwachungseinrich-sind, ist der Leistungsteil sofort startbereit. Bei Wechselrich- tung mit einer mit analogen Mitteln arbeitenden Startsteuerlo-tern, deren Kommutierungseinrichtungen vom Laststrom gik,

abhängig sind, wird zweckmässigerweise eine Vorladung der Figur 3 eine prinzipielle Darstellung einer durch die Start-

Kommutierungskreise vorgenommen, wie sie beschrieben ist in Steuerlogik vorgenommenen Zuschaltung der Versorgungs-den deutschen Offenlegungsschriften 2 450127,2 530 465, 25 Spannung für die Steuereinrichtung des Wechselrichters, 2 534102,2 446 335,2 446 390,2 536 195 und 2 446 389. Derar- Figur 4 ein Prinzipschaltbild einer mit digitalen Mitteln tige bekannte Vorladeeinrichtungen für die Kommutierungs- arbeitenden Startsteuerlogik.

kreise weisen im Bereitschaftsbetrieb ebenfalls nur einen gerin- Figur 1 zeigt als Anwendungsbeispiel den Einsatz eines gen Energieverbrauch auf. Die erforderlichen Schalteinrich- erfindungsgemässen Wechselrichters in einer gesicherten tungen werden zweckmässigerweise so ausgelegt, dass im 30 Stromversorgungsanlage. Im Normalbetrieb wird ein Verbrau-Bereitschaftsbetrieb kein Stromverbrauch auftritt. Man kann cher 1 über ein vorgeschaltetes Filter 2 und einen Netzschal-hierzu Schalteinrichtunghen mit Remanenzverhalten wählen ter 3 aus einem Wechsel- und Drehspannungsnetz 4 gespeist, oder die Schaltmittel so aufbauen, dass sich im Bereitschaftsbe- Für den Notbetrieb ist ein über einen Wechselrichterschalter 6 trieb die Schaltgeräte im nichterregten bzw. abgefallenen angeschlossener statischer Wechselrichter 5 vorgesehen, der

Zustand befinden. 35 eingangsseitig an eine Batterie 7 angeschlossen ist, die von

Bei einem Startbefehl wird die Steuereinrichtung des einem Ladegleichrichter 9 geladen bzw. in Schwebeladung

Wechselrichters an ihre Versorgungsspannung geschaltet. Der gehalten wird. Dem Wechselrichter 5 ist eine Steuereinrich-von der Startsteuerlogik beeinflusste Steuersatz erzeugt sofort tung 8 mit einem Steuersatz zur Erzeugung von Zündimpulsen Zündimpulse derart, dass die Ausgangsspannung des Wechsel- an seine gesteuerten Halbleiterventile zugeordnet. Die Steuerrichters mit den gleichen Parametern beginnt, die die Netz- 40 einrichtung 8 ist über eine Versorgungsspannungsregelung 77 Spannung im Augenblick der Störung aufwies. Dadurch entste- an die Batterie 7 angeschlossen. Weiterhin ist eine Überwa-hen weder Spannungs- noch Phasensprünge am Verbraucher. chungseinrichtung 10 vorgesehen, an die eingangsseitig ein Die Inbetriebnahme des Wechselrichters erfolgt derart schnell, Spannungs- und Synchronisierabgriff 11 für das Netz 4 ange-dass der Verbraucher praktisch unterbrechungsfrei gespeist schlössen ist. Die Überwachungseinrichtung 10 überwacht die wird. 45 Netzspannung und erzeugt bei einer unzulässigen Abweichung

Zur Erfassung der Parameter der Netzspannung und zur Stellsignale für die Schalteinrichtungen, sowie an der Speicherung im Störungsaugenblick können analoge oder digi- Klemme a ein Signal für den Steuersatz in der Steuereinrichtale Mittel eingesetzt werden. Als analoge Speichermittel sind tung 8 des Wechselrichters 5, um den Wechselrichter phasen-insbesondere Kondensatoren oder Haltekreise (sample & hold- richtig zu starten..

Schaltkreise) geeignet. Als binäre oder digitale Speicher kön- w Im Normalbetrieb wird bei ungestörter Netzspannung der nen Kernspeicher, Halbleiterspeicher, Plasma-Brennstrecken, Verbraucher 1 unmittelbar aus dem Wechsel- oder Drehspan-Glimmlampen oder Kaltkathodenventile eingesetzt werden. nungsnetz 4 gespeist. Der Netzschalter 3 ist geschlossen. Wenn

Die vorliegende Erfindung kann insbesondere eingesetzt als Netzschalter ein Schütz vorgesehen ist, so ist dieses vorwerden, um einen Wechselrichter phasenrichtig zum über- zugsweise so beschaltet, dass es sich im Normalbetrieb im wachten Netz zu starten. Hierzu wird die Phasenlage der Netz- 55 abgefallenen Zustand befindet und seine Magnetspule nicht Spannung überwacht und bei einer Störung gespeichert. Die erregt ist. Es kann auch ein Schütz mit Remanenzverhalten vor-Ausgangsspannung des Wechselrichters beginnt mit der gesehen sein. Der Wechselrichter 5 befindet sich in einer gespeicherten Phasenlage der Netzspannung im Störungsau- Bereitschaftsstellung, bei der seine Halbleiterventile nicht mit genblick. Die Phasenlage der Netzspannung kann mit Phasen- Zündimpulsen beaufschlagt werden und seine Steuereinrich-winkelmesseinrichtungen erfasst werden, die auf analogen, m> tung 8 nicht an ihre Versorgungsspannung angeschlossen ist. binären oder digitalen Arbeitsprinzipien beruhen. Bei einer Der Wechselrichterschalter 6 kann daher ebenfalls geschlos-besonders vorteilhaften Möglichkeit ist ein Zähler vorgesehen, sen sein. Wenn für den Wechselrichterschalter 6 ein Schütz der von den Nulldurchgängen der überwachten Netzspannung vorgesehen ist, so wird dieses ebenfalls zweckmässigerweise so getriggert wird, bzw. von einer aus der überwachten Netzspan- eingesetzt, dass es sich in der Bereitschaftsstellung im abgefal-nung abgeleiteten Grösse, wie deren Differentialquotienten 65 lenen Zustand befindet. Die Batterie 7 wird vom Ladegleichoder deren Zeitintegral. richter 9 in Schwebeladung gehalten. Die Überwachungsein-

Ein erfindungsgemässer Wechselrichter kann insbesondere richtung 10 ist in Betrieb und überwacht ständig die Spannung in gesicherten Stromversorgungsanlagen eingesetzt werden. des Netzes 4. Bei einer unzulässigen Abweichung der Netz-

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Spannung schaltet die Überwachungseinrichtung 10 den Verbraucher 1 auf eine Notstromversorgung über den Wechselrichter 5 um. Hierzu wird der Netzschalter 3 geöffnet und der Wechselrichter 5 derart gestartet, dass seine Ausgangsspannung mit den gleichen Parametern beginnt, bei denen das Netz gestört wurde, insbesondere mit der gleichen Phasenlage.

Wenn nach der Beseitigung der Netzstörung die Netzspannung wieder ihren normalen Wert erreicht und über eine gewisse Zeit ohne Störungen beibehält, so veranlasst die Überwachungseinrichtung 10 eine Rückschaltung auf den Normalbetrieb mit einer Versorgung aus dem Netz 4. Hierzu wird dem Netzschalter 3 geschlossen und der Wechselrichterschalter 6 geöffnet. Der Wechselrichter und seine Steuereinrichtung werden stillgesetzt Danach kann der Wechselrichterschalter 6 wieder geschlossen werden. Die Batterie wird über den Ladegleichrichter 9 aufgeladen. Da bei öffentlichen Versorgungsnetzen jeweils nur mit kurzzeitigen Störungen zu rechnen ist, braucht der Ladegleichrichter 9 nicht für die volle Verbraucherleistung bemessen zu sein. Man kann vielmehr davon ausgehen, dass genügend Zeit zur Wiederaufladung der Batterie 7 zur Verfügung steht und kann damit den Ladegleichrichter 9 entsprechend klein auslegen.

Als Energiespeicher für den Notbetrieb kann ausser der Batterie beispielsweise auch eine Brennstoffzellenanordnung oder aber eine Kondensatoranordnung vorgesehen sein. Es ist auch möglich, den Wechselrichter nur solange zur Verbraucherspeisung einzusetzen, bis ein weiteres Notstromaggregat einsatzbereit ist, beispielsweise bis eine Turbine oder ein Dieselaggregat hochgefahren oder ein Schwungradantrieb zugeschaltet ist.

Die dargestellte unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage zeichnet sich durch einen ausserordentlich guten Wirkungsgrad im Normalbetrieb aus. Bei der Speisung des Verbrauchers aus dem Netz erfolgt keinerlei mit Verlusten verbundene Energieumformung. Der Leistungsteil des Wechselrichters ist stillgesetzt. Es fallen keine Verluste und Geräusche in den Kommutierungskreisen des Wechselrichters an, insbesondere nicht in Transformatoren und Drosseln. Da auch die Steuereinrichtung des Wechselrichters nicht in Betrieb ist, fallen auch hier keine Verluste an. Die Leistungsaufnahme der im Bereitschaftsbetrieb laufenden Überwachungseinrichtung 10 kann ausserordentlich gering gehalten werden, wenn sie aus elektronischen Bauelementen aufgebaut ist, insbesondere bei weitgehender Verwendung von integrierten Schaltkreisen.

Die Steuereinrichtung eines Wechselrichters enthält üblicherweise eine Spannungsregelung, die wegen eines integralen Anteils im Zeitverhalten relativ langsam anläuft Der Einfluss der Hochlaufzeit einer Regeleinrichtung kann elemi-niert werden, wenn Regeleinrichtungen verwendet werden, wie sie in den deutschen Auslegeschriften 2 446 299,2 507 866, 2 530 465 und 2 532 056 beschrieben sind. Die Leistungsaufnahme derartiger mitgeführter Regeleinrichtungen ist ebenfalls gering. Man kann auch diese Verluste noch vermeiden, wenn man eine Regeleinrichtung gemäss dem deutschen Patent 2 447 951 verwendet. Bei der Zuschaltung dieser Regeleinrichtung laufen keine Zeitvorgänge ab, da die Energiespeicher, z. B. der Kondensator in der Rückführung des Spannungsreglers, im Bereitschaftsbetrieb entladen ist. Nach dem Zuschalten ihrer Versorgungsspannung ist diese bekannte Regelungseinrichtung innerhalb von Millisekunden funktionsfähig. Eine besonders einfache Möglichkeit für einen verlustfreien Bereitschaftsbetrieb der Regeleinrichtung besteht darin, dass man zunächst einen Spannungssollwert von einem Potentiometer abgreift, das bei einem Startbefehl an eine Versorgungsspannung gelegt wird. Erst nach dem Hochlaufen und Einschwingen der Regelungseinrichtung wir auf deren Ausgangsspannung umgeschaltet.

Bei der Stromversorgungsanlage nach Figur 1 kann beim

Umschalten vom Normalbetrieb auf den Notbetrieb eine kurzzeitige Unterbrechung der Einspeisung am Eingang des Filters 2 durch die Öffnung des Netzschalters 3 entstehen. Auch bei der Rückschaltung vom Notbetrieb auf den Normalbetrieb können durch die Schaltvorgänge kurzzeitige Unterbrechungen am Filtereingang auftreten. Bei vielen Verbrauchern sind derartig kurze Unterbrechungen zulässig. Andererseits gibt es jedoch auch Anwendungsfälle, bei denen selbst Unterbrechungen, die in der Umschaltzeit von Schützen liegen, nicht zulässig sind. In diesen Fällen kann eine Unterbrechung der Einspeisung am Verbraucher dadurch vermieden werden, dass das Filter während des Umschaltvorganges Energie an den Verbraucher liefert. Bei geeigneter Dimensionierung der Elemente des Filters - gegebenenfalls unter Einbezug energiespeichernder Elemente im Verbraucher selbst, beispielsweise Impedanzen -lässt sich die Versorgung des Verbrauchers so gewährleisten, dass die für ihn zulässigen Spannungsabweichungen eingehalten werden. Als Filter 2 kann insbesondere ein Bandfilter verwendet werden, das üblicherweise einem Wechselrichter zur Siebung seiner rechteckförmigen Ausgangsspannung nachgeschaltet ist, um eine sinusförmige Spannung zu erhalten. Das Filter 2 stellt somit keinen zusätzlichen Aufwand dar. Durch seine Anordnung zwischen den Schalteinrichtungen und dem Verbraucher ist das Filter 2 dem Verbraucher 1 stets vorgeschaltet. Im Normalbetrieb dämpft es die nieder- und hochfrequenten Störungen der Netzspannung. Beim Umschaltvorgang vom Normalbetrieb zum Notstrombetrieb und zurück zum Notstrombetrieb wirkt das Filter als kurzzeitiger Energiespeicher. Beim Notbetrieb über den Wechselrichter siebt es dessen Ausgangsspannung. Da sich diese Forderungen nicht widersprechen, ist eine geeignete Dimensionierung der Elemente des Filters möglich.

Wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird, kann der Wechselrichter 5 in einer sehr kurzen Zeit gestartet und auf Leistungsabgabe gebracht werden. Man kann daher vorteilhaft als Netzschalter 3 einen schnellöffnenden Schalter vorsehen. Eine derartige schnelle Schalteinrichtung ist in der deutschen Patentanmeldung P 2 532 593.3 beschrieben. Es ist jedoch insbesondere auch möglich, als Netzschalter 3 bzw. als Wechselrichterschalter 6 Halbleiterschalter vorzusehen, die beispielsweise mit Thyristoren, Triacs oder Ignitrons bestückt sind.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungseinrichtung 10 mit einer mit analogen Spannungen arbeitenden Startsteuerlogik und einer Spannungsüberwachungseinrich-tung 12 als Parameter-Überwachungseinrichtung.

Eingangsseitig ist der Spannungs- und Synchronisierabgriff 11 angeschlossen. Der Spannungsmesswert beaufschlagt die Spannungsüberwachungseinrichtung 12, die beispielsweise mit Grenzwertmeldern aufgebaut sein kann, deren Ansprechwerte den zulässigen Spannungsschwankungen für den Verbraucher entsprechen. Es ist insbesondere auch möglich, eine Spannungsüberwachungseinrichtung gemäss der deutschen Patentanmeldung 2 637 397.7 vorzusehen, mit der unzulässige Abweichungen der Netzspannung sehr rasch erkannt und in ein entsprechendes Signal umgesetzt werden können. Es ist weiterhin möglich, eine Spannungsüberwachungseinrichtung vorzusehen, die bei unzulässigen Abweichungen der Frquenz des überwachten Netzes anspricht oder die bei Sprüngen in der Phasenlage der Netzspannung anspricht Die Spannungsüber-wachungseinrichtung 12 erzeugt Stellbefehle für den Netzschalter 3 und den Wechselrichterschalter 6. Eine geeignete Überwachungseinrichtung ist in den deutschen Offenlegungsschriften 2 448 427 und 2 540 539 beschrieben. Für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich von Bedeutung, dass die Spannungsüberwachungseinrichtung 12 an ihre Ausgangsklemme b ein Störungssignal erzeugt

Die vom Spannungs- und Synchronisierabgriff 11 abgegriffene Messspannung stellt ein Synchronisiersignal dar, das

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einem ersten Integrator 15 bis 18 und einem zweiten Integra- die gesamte Steuereinrichtung des Wechselrichters an ihre tor 21 bis 24 zugeführt wird. Der erste Integrator enthält einen Versorgungsspannung geschaltet. Der Oszillator 27 des Steuer-Operationsverstärker 15, dessen Rückführung mit einem Kon- satzes beginnt zu arbeiten. Die Richtung der Schwingung des densator 16 beschaltet ist Dem Kondensator 16 liegt ein hoch- Oszillators 27 wird vom Differentialquotienten des Synchroni-ohmiger Widerstand 17 zur Stabilisierung parallel. Der nichtin- 5 siersignals bestimmt. Hierzu ist die Ausgangsspannung des vertierende Eingang des Operationsverstärkers 15 ist mit ersten Integrators 15 bis 18 einem Polaritätsdetektor 29 zuge-

einem Symmetrierwiderstand 18 gegen Masse geschaltet Zwi- führt, dessen Ausgangssignal sich entsprechend der Polarität sehen den beiden an den invertierenden Eingang in Serie ange- des Zeitintegrals des Synchronisiersignals ändert. Das schlossenen Eingangswiderstände 13a, 13b ist ein elektroni- Ausgangssignal des Polaritätsdetektors 29 wird über eine logischer Schalter 19 angeschlossen, der beispielsweise als FET- io sehe Schaltung 28 auf den Oszillator 27 durchgeschaltet. Die Transistor ausgebildet sein kann. Die Steuerstrecke des elek- logische Schaltung 28 enthält ein Invertierglied und zwei Dyna-tronischen Schalters 19 ist mit der Ausgangsklemme b der mikglieder, die vom Startbefehl an der Klemme b der Span-

Spannungsüberwachungseinrichtung 12 verbunden. Ein Start- nungsüberwachungseinrichtung 12 durchlässig gesteuert werbefehl der Spannungsüberwachungseinriehtung 12 steuert den den.

Schalter 19 durchlässig und schliesst damit die Eingangsspan- 15 Figur 3 zeigt schematisch die Zuschaltung der Versor-nung für den ersten Integrator kurz. Der erste Integrator gungsspannung für die Steuereinrichtung 8 bei einem Startbe-

behält dann seinen augenblicklichen Spannungswert bei. fehl. Die Steuereinrichtung 8 ist über einen Versorgungsspan-

Der zweite Integrator ist in gleicher Weise aus einem Ope- nungsregler 30 an die gleiche Gleichspannungsquelle 7 ange-rationsverstärker 21 und einem Rückkopplungskondensator 22, schlössen, an der auch der Wechselrichter liegt. Der Versor-sowie den hochohmigen Widerständen 23 und 24 und einer 20 gungsspannungsregler 30 ist zur Stabilisierung der Speisespan-Serienschaltung von Eingangswiderständen 20a, 20b aufgebaut, nung der Steuerelektronik vorgesehen. Es kann beispielsweise Zwischen den beiden Eingangswiderständen 20a, 20b ist ein ein Spannungsregler der Type LM 340 der Fa. National Semiweiterer elektronischer Schalter 14 angeschlossen, der bei- conductors eingesetzt werden. In den Steueranschluss des Ver-spielsweise ebenfalls als FET-Transistor ausgebildet sein kann. sorgungsspannungsreglers 30 ist ein elektronischer Schalter 31 Die Steuerstrecke des weiteren elektronischen Schalters 14 ist 25 eingeschaltet, beispielsweise ein Transistor, dessen Steuerelek-ebenfalls mit der Ausgangsklemme b der Spannungsüberwa- trode über einen Eingangswiderstand mit der Ausgangsklem-chungseinrichtung 12 verbunden. Ein Startbefehl steuert den me b der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 verbunden Schalter 14 durchlässig und schliesst damit die Eingangsspan- ist. Sobald die Spannungsüberwachungseinrichtung an ihrer nung für den zweiten Integrator kurz. Der zweite Integrator Klemme b einen Startbefehl erzeigt, wird der Schalter 31 behält dann seinen augenblicklichen Spannungswert bei. 30 stromdurchlässig gesteuert. Der Versorgungsspannungsreg-Der Ausgang des zweiten Integrators ist über einen elektro- 1er 30 wird angesteuert und legt eine geregelte Versorgungsnischen Schalter 25, beispielsweise wiederum einen FET-T ran- Spannung an die Steuereinrichtung 8.

sistor, an die Klemme a geführt. Die Steuerstrecke des elektro- Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungsnischen Schalters 25 ist mit der Ausgangsklemme b der Span- einrichtung 40 mit einer mit digitalen Mitteln arbeitenden nungsüberwachungseinrichtung 12 verbunden. Bei einem Start- 35 Startsteuerlogik. Die Überwachungseinrichtung 40 ist ein-befehl wird der Schalter 25 durchlässig gesteuert Die gangsseitig wiederum an den Spannungs- und Synchronisierab-

Klemme a der Überwachungseinrichtung 10 ist im Steuersatz griff 11 für das überwachte Netz angeschlossen. Die Messspan-des Wechselrichters mit dem zeitbestimmenden Kondensa- nung wird einer Spannungsüberwachungseinrichtung 32 zuge-tor 26 des Oszillators 27 verbunden. Als Oszillator kann bei- führt, die auf unzulässige Abweichungen der Amplitude und/ spielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator der Type 40 oder der Frequenz und/oder der Phase des überwachten Net-Intersil 8038 verwendet werden, der in integrierter Technik zes anspricht und Stellsignale für den Netzschalter 3 und den ausgeführt ist. Wechselrichterschalter 6 erzeugt. Für die Beschreibung dieses

Wenn sich im Normalbetrieb der Wechselrichter in der Ausführungsbeispiels sei angenommen, dass die Spannungs-Bereitschaftsstellung befindet, steht am Eingang des ersten Überwachungseinrichtung 32 ein logisches H-Signal erzeugt, Integrators ein vom Netz 4 abgegriffenes sinusförmiges 45 wenn die überwachte Netzspannung gesund ist. Bei einer Netz-

Synchronisiersignal an. Der erste Integrator bildet hieraus ein Störung ändert sich ihr Ausgangssignal in ein L-Signal. Das inverses Kosinussignal, das vom zweiten Integrator wiederum Ausgangssignal der Spannungsüberwachungseinrichtung 32 in ein Sinussignal umgeformt wird. Bei einem Störungssignal wird in einer Umkehrstufe 36 invertiert und steht wiederum an von der Spannungsüberwachungseinrichtung 12 werden die der Klemme b zur Zuschaltung der Versorgungsspannung für Eingangsspannungen der beiden Integratoren kurzgeschlos- 50 die Steuereinrichtung 8 zur Verfügung, wie zu Figur 3 bereits sen. Beide Integratoren behalten ihre momentanen Ausgangs- beschrieben wurde.

Spannungen bei. Der erste Integrator speichert das Zeitintegral Die Startsteuerlogik enthält einen Zähler 33, in dessen Zäh-des Synchroniersignals, das bei sinusförmigen Grössen leingang eine konjunktive Verknüpfung des Ausgangssignals zugleich den Differentialquotienten und damit den Änderungs- der Spannungsüberwachungseinrichtung 32 mit Zählimpulsen sinn angibt Der zweite Integrator speichert die Amplitude und 55 von einem Taktgeber 35 durchgeführt wird. Der Taktgeber 35 die Phasenlage des Synchronisiersignals im Augenblick der erzeugt eine Impulsfrequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches Störung. Die Ausgangsspannung des zweiten Integrators und der überwachten Netzfrequenz beträgt. Für die Beschreibung damit die gespeicherte Information über Amplitude und Pha- des Ausführungsbeispieles sei angenommen, dass die Netzspansenlage des Netzes bei der Störung wird über den durchlässig nung 50 Hz beträgt und dass der Taktgeber 35 eine Impulsfre-gesteuerten Schalter 25 auf den zeitbestimmenden Kondensa- m quenz von 600 Hz erzeugt. Eine Periode des Taktgebers 35 ent-tor 26 des Oszillators 27 im Steuersatz gegeben. Wenn der Ope- spricht damit V\i der Netzperiode. Der Taktgeber 35 ist mit rationsverstärker 21 des zweiten Integrators einen sehr hohen dem überwachten Netz synchronisiert. Hierzu ist ein Kippver-Ausgangsstrom, beispielsweise 1A, zu treiben vermag, wird der stärker 34 vorgesehen, dessen Ausgangssignal mit der Polarität zeitbestimmende Kondensator 26 des Oszillators 27 sehr der Netzspannung wechselt. Bei jedem Nulldurchgang der schnell auf die Ausgangsspannung des zweiten Integrators auf- 65 Netzspannung von der negativen zur positiven Halbwelle wird geladen. Die Aufladung kann in einer Zeit erfolgen, die im Ver- der Zähler 33 durch die ansteigende Flanke im Ausgangssignal hältnis zu einer Periodendauer der Netzspannung sehr klein ist. des Kippverstärkers 34 rückgesetzt und der Taktgeber 35 syn-Wie später noch näher erläutert wird, wird vom Startbefehl chronisiert.

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Der Grundgedanke der dargestellten Anordnung mit dem Zähler 33 und dem Taktgeber 35 besteht darin, eine volle Schwingung der Netzspannung in zwölf Bereiche zu zerlegen. Hierzu beträgt die Impulsfrequenz des Taktgebers 35 das Zwölffache der Netzspannung. Jeder dieser zwölf Bereiche ent- 5 spricht einem Phasenbereich von it/6. Solange das überwachte Netz gesund ist und die Spannungsüberwachungseinrich-tung 32 ein H-Signal erzeugt, wird für jeden dieser Phasenbereiche ein Zählimpuls vom Taktgeber 35 erzeugt und auf den Zähler 33 gegeben. Bei einer Störungsmeldung von der Span- i o nungsüberwachungseinrichtung 32 wird der Zähleingang des Zählers 33 gesperrt. Der Zähler bleibt auf der Ordnungszahl der zuvor erreichten Phasenbereichs stehen. Die Startsteuerlogik sorgt nun dafür, dass der Oszillator im Steuersatz des Wechselrichters mit diesem gespeicherten Phasenbereich 15 gestartet wird.

Der Oszillator 64 im Steuersatz des Wechselrichters wird im Ausführungsbeispiel als spannungsgesteuerter Oszillator der Type ICL 8038 der Fa. Intersil beschrieben. Der Oszillator 64 enthält zwei Komperatoren 65 und 66, welche die Span- 20 nung am frequenzbestimmenden Kondensator 70 überwachen. Die Aufladung des Kondensators 70 erfolgt nach Massgabe der Stellung eines elektronischen Schalters 69 entweder aus einer Stromquelle 67 oder aus einer Stromquelle 68. Immer dann,

wenn die Ladespannung des Kondenstors 70 einen oberen 25 Grenzwert bzw. einen unteren Grenzwert erreicht, wird ein Flip-Flop 74 umgesetzt und durch dessen Ausgangssignal der Schalter 69 umgesteuert. Die Ladespannung des Kondensators 70 zeigt einen dreieckförmigen Verlauf, der hinter einem Buffer 71 an der Klemme c abgegriffen werden kann. Diese 30 Dreieckspannung wird von einem Sinusconverter in eine Spannung mit sinusförmigem Verlauf umgesetzt, die an der Klemme d ansteht Die Dreieckspannung an der Klemme c und die sinusförmige Spannung an der Klemme d werden dem Steuersatz des Wechselrichters zugeführt Die Ausgangsspan- 35 nung des Flip-Flops 74 stellt eine Rechteckschwingung dar, die hinter einem weiteren Buffer 73 an de Klemme e abgegriffen werden kann.

Damit die Schwingung des Oszillators 64 im gleichen Phasenbereich beginnen kann, in dem das Störungssignal für die 40 Netzspannung aufgetreten ist, wird der zeitbestimmende Kondensator 70 auf einen entsprechenden Spannungswert aufgeladen, der von einem Referenzspannungsgeber 63 erzeugt wird. Ausserdem wird dafür gesorgt dass der einsetzende Ladestrom für den Kondensator 70 die richtige Polarität aufweist. 45 Hierzu wird der Speicher 74 über die Klemmen f und g so gesetzt, dass der elektronische Schalter 69 die entsprechende Stromquelle 67 bzw. 68 als erste zuschaltet. Die Eingänge des Flip-Flops 74 sind hierzu über disjunktive Verknüpfungsglieder 75 und 76 und über Dynamikglieder 41 und 42 mit dem Aus- 50 gang eines disjunktiven Verknüpfungsglieders 38 verbunden. Die Eingänge des disjunktiven Verknüpfungsgliedes 38 sind mit denjenigen Zählausgängen des Zählers 33 beschaltet, die Phasenbereiche mit negativen Differentialquotienten der Netzspannung anzeigen, also den Phasenbereichen von -rc/2 bis 4 jt/3. 55 Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 38 wird in einer Umkehrstufe 39 invertiert Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 38 und das invertierte Ausgangssignal werden den Dynamikgliedern 41 und 42 zugeführt, deren Dynamikeingänge

über ein Laufzeitglied 37 mit dem Ausgang der Spannungsüber-wachungseinrichtung 32 verbunden sind. Beim Austreten eines Störungssignals wird somit das Flip-Flop 74 richtig gesetzt

Der an ein positives und an ein negatives Potential angeschlossener Referenzspannungsgeber 63 enthält beispielsweise eine Kette von Widerständen oder Zenerdioden, die so gewählt sind, dass an den Ausgängen Spannungen anstehen, die den genannten Phasenbereichen einer Sinuswelle am Ausgang d des Oszillators 64 zugeordnet sind. Die entsprechenden Ausgangsspannungen sind an den Ausgängen des Referenzspannungsgebers 63 angegeben. Eine dieser Ausgangsspannungen kann über einen der elektronischen Schalter 56 und 62 auf den zeitbestimmenden Kondensator 70 im Oszillator 64 durchgeschaltet werden. Die elektronische Schalter 56 und 62 werden jeweils von einem Dynamikglied 48 bis 54 angesteuert. Die Dynamikglieder 48 bis 54 verknüpfen die Ausgangssignale von disjunktiven Verknüpfungsgliedern 43 und 47 mit dem Störungssignal der Spannungsüberwachungseinrichtung 32, das über ein Verzögerungsglied 37 zugeführt wird. Das Verzögerungsglied 37 berücksichtigt die Zeit, die zum Aufbau der Stromversorgung in der Steuerelektronik erforderlich ist. Die Eingänge der ODER-Gatter 43 und 47 sind jeweils mit zwei Ausgängen des Zählers 33 verbunden, die symmetrischen Phasenbereichen einer Sinuswelle zugeordnet sind.

Die dargestellte Startsteuerlogik arbeitet folgendermassen: Solange das Netz ungestört ist wird der Zähler 33 eingangsseitig mit Zählimpulsen des Taktgebers 35 beaufschlagt. Die Ausgänge des Zählers werden nacheinander von L-Signal auf H-Signal gesetzt und anschliessend wieder gelöscht. Die Ausgangssignale des Zählers 33 werden in den Dynamikstufen 41,42 und 48 bis 54 gesperrt. Beim Auftreten eines Startbefehls wird der Eingang des Zählers 33 gesperrt Die Ausgänge des Zählers behalten ihren momentanen Signalzustand bei. Es werde angenommen, dass der Startbefehl für die Netzspannung bei einer Phasenlage der Netzspannung von 50° aufgetreten sei. Dann führt der zweite, mit n/6 beschriftete Ausgang des Zählers 33 ein H-Signal. Dieses wird über das ODER-Gatter 44 auf das Dynamikgatter 50 gegeben und mit der ansteigenden Flanke des Ausgangssignals des Verzögerungsgliedes 37 auf die Steuerstrecke des Schalters 58 durchgeschaltet. Über den durchlässig gesteuerten Schalter 58 gelangt die mit sin 71/6 bezeichnete Referenzspannung auf den zeitbestimmenden Kondensator 70. Ausserdem wird über das ODER-Gatter 38 und die beiden Dynamikglieder 41 und 42 das Flip-Flop 74 derart gesetzt, dass der von einer der beiden Stromquellen 67 oder 68 einsetzende weitere Ladestrom für den Kondensator 70 diesen in Richtung höherer Spannung auflädt.

Im Bereitschaftsbetrieb arbeitet lediglich die Überwachungseinrichtung 40. Der Referenzspannungsgeber 63, der Oszillator 64, sowie die weitere Informations- und Leistungselektronik der Steuereinrichtung sind nicht an die Versorgungsspannung angeschlossen. Erst bei einem Startbefehl werden in der in Figur 3 erläuterten Weise diese Baugruppen an ihre Versorgungsspannung geschaltet.

Eine Unterteilung einer vollen Sinusschwingung in aufeinanderfolgende Phasenbereiche ermöglicht besonders günstige Lösungen bei Pulswechselrichtern, wenn die Anzahl der Phasenbereiche die doppelte Pulszahl beträgt.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

620800 PATENTANSPRÜCHE

1. Wechselrichter für wechselweisen Bereitschafts- und Lastbetrieb, der einen Leistungsteil mit gesteuerten Hauptventilen und eine Steuereinrichtung mit einem Steuersatz zur Bildung von Zündimpulsen aufweist und dem eine Parameter-Überwachungseinrichtung für ein Wechsel- oder Drehspannungsnetz zur Bildung eines Startbefehls bei einer unzulässigen Abweichung des überwachten Parameters der Netzspannung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Bereitschaftsbetrieb arbeitende Startsteuerlogik vorgesehen ist, die eingangsseitig mit einem Messsignal der überwachten Netzspannung beaufschlagt ist und die einen Speicher zur Speicherung wenigstens eines Parameters der Netzspannung im Störungsaugenblick enthält und die bei einem Startbefehl den Steuersatz zur Abgabe von Zündimpulsen an die gesteuerten Ventile des Wechselrichters veranlasst derart, dass die Ausgangsspannung des Wechselrichters mit dem im Störungsaugenblick gespeicherten Parameter der Netzspannung beginnt.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Störungsaugenblick die Phasenlage, die Amplitude und die Frequenz als Parameter der Netzspannung gespeichert werden.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startsteuerlogik einen von einem Synchronisiersignal beaufschlagten ersten Integrator und einen diesem nachgeschalteten zweiten Integrator aufweist, wobei die Ausgangsspannung des zweiten Integrators über einen vom Startbefehl gesteuerten Schalter auf einen zeitbestimmenden Kondensator eines Oszillators im Steuersatz der Steuereinrichtung schaltbar ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Startsteuerlogik einen Zähler aufweist, der mit Zählimpulsen von einem mit der Netzspannung synchronisierten Taktgeber beaufschlagt ist, dessen Impulsfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz beträgt, wobei der Zähler durch den Startbefehl stillsetzbar ist und der Zählerstand zur Ansteuerung eines Referenzsignalgebers vorgesehen ist, der eine Referenzspannung zur Auflädung eines zeitbestimmenden Kondensators in einem Oszillator des Steuersatzes der Steuereinrichtung liefert.

5. Verfahren zur phasenrichtigen Inbetriebnahme eines Wechselrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereitschaftsbetrieb die Parameter-Überwachungseinrichtung und die Startsteuerlogik arbeiten, jedoch der Leistungsteil stillgesetzt und die Steuereinrichtung des Wechselrichters von ihrer Versorgungsspannung abgeschaltet ist; und dass bei einer unzulässigen Abweichung des überwachten Parameters der Netzspannung durch den Startbefehl die Steuereinrichtung des Wechselrichters derart in Betrieb gesetzt wird, dass die Ausgangsspannung des Wechselrichters mit der im Störungsaugenblick gespeicherten Phasenlage der Netzspannung beginnt