DE2347646A1

DE2347646A1 - Wechselrichteranordnung mit der sinusform angenaeherter ausgangswechselspannung

Info

Publication number: DE2347646A1
Application number: DE19732347646
Authority: DE
Inventors: Harald Heinicke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-21
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1975-04-17
Also published as: CH570735A5; FR2245124A1; IT1021489B; SE7411870L; SE394778B; DE2347646C3; JPS5058531A; GB1483201A; DE2347646B2

Description

Wecliselrichteranordnung mit der Sinusform angenäherter Ausgangswechselspannung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselrichteranordnung mit der Sinusform angenäherter Ausgangswechselspannung, die aus einer Anzahl zeitlich gegeneinander versetzter Teilspannungen gleicher Frequenz und Kurvenform zusammengesetzt ist, die von Einzelwechselrichtern geliefert werden.

Eine zwölfpulsige Wechselrichteranordnung dieser Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 106 I46 bekannt. Die Ausgangswechselspannung dieser dreiphasigen Wechselrichteranordnung ist aus sechs zeitlich gegeneinander versetzten Teilspannungen gleicher Frequenz und gleicher Rechteckform transformatorisch zusammengesetzt. Die Ausgangswechselspannung hat demnach einen stufenförmigen zeitlichen Kurvenverlauf und besteht pro Periodendauer aus zwölf zeitgleichen rechteckigen Spannungsblöcken verschiedener Höhe.

Bei der bekannten Wechselrichteranordnung hat die Ausgangswechselspannung eine weitgehend der Sinusform angenäherte Kurvenform. Durch ihre Stufigkeit ist jedoch ein Klirrfaktor bedingt, dessen Größe mit 15$ angegeben wird und für viele Anwendtingsfälle nicht tragbar ist. Insbesondere bei der Spannungsversorgung von elektronischen Datenverarbeitungsanlagen ist man bestrebt, den Klirrfaktor der eingespeisten Wechselspannung möglichst klein zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wechselrichteranordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher der Klirrfaktor der Ausgangswechselspannung sehr klein ist und unter 6$ liegen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wechselrichteranordnung gelöst, die gekennzeichnet ist durch Einzelwechsel-

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richter, die jeweils eine Teilspannung mit einem trapezförmigen zeitlichen Verlauf abgeben, deren Anstiegsflanke und/oder Abfallflanke jeweils eine Anstiegs- bzw. Abfalldauer besitzt, die größer als 1/20 der Halbperiodendauer der Teilspannung ist.

Im Gegensatz zur bekannten Wechselrichteranordnung haben die Teilspannungen schräge Anstiegs- und/oder Abfallflanken. Dadurch ergibt sich eine Ausgangswechselapannung, deren Kurvenverlauf nicht aus einzelnen Rechtecken, sondern aus einzelnen trapezförmigen Teilstücken zusammengesetzt ist. Durch die Abschrägung der Teilstücke wird die Sinusform wesentlich besser angenähert. Der Klirrfaktor der Ausgangswechselspannung wird dadurch bei Beachtung der Bedingung für die Dauer der Flanken auf weniger als 6$ reduziert. Das gilt sowohl für eine einphasige als auch für eine dreiphasige Ausgangswechselspannung der Wechselrichteranordnung.

Als Vorteil der Erfindung wird es angesehen, daß infolge des reduzierten Klirrfaktors am Ausgang der Wechselrichteranordnung keine Bandpaßfilter benötigt werden. Das führt zum einen zu einer Kostenersparnis. Zum anderen wird das dynamische Verhalten der Wechselrichteranordnung verbessert. Unter dynamischem Verhalten ist dabei die normalerweise bei einer Wechselrichteranordnung mit Ausgangsfilter auftretende Eigenschaft zu verstehen, daß sich bei Laständerungen kurzzeitige Änderungen in der Höhe der Ausgangswechselspannung einstellen.

Es ist zweckmäßig, die Ausgangswechselspannung .transformatorisch aus einzelnen Teilspannungen zusammenzusetzen, die völlig symmetrisch sind. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist demgemäß vorgesehen, daß die Teilspannung jedes Einzelwechselrichters pro Periodendauer aus einem trapezförmigen positiven und einem dazu symmetrischen trapezförmigen negativen Spannungsblock besteht, daß die Anstiegsflanken und die Abfallflanken beider Spannungsblöcke im wesentlichen linear verlaufen und betragsmäßig dieselbe Steigung besitzen, und daß die Anstiegs- und Abfalldauer der Flanken jeweils

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größer als 1/20 der Halbperiodendauer ist.

Auf einfache Weise erhält man trapezförmige Teilspannungen, wenn man Wechselrichter mit Kommutierungskondensatoren verwendet, die geeignet dimensioniert sind. Auf dieser Überlegung aufbauend zeichnet sich eine Weiterbildung der Erfindung dadurch aus, daß als Einzelwechselrichter selbstgeführte Wechselrichter mit Kommutierungskondensator vorgesehen sind, und daß jeder KommutierungskondBnsator so bemessen ist, daß seine Umladezeit größer ist als 18T/360 und insbesondere - sofern der Klirrfaktor weniger als 3 °h betragen soll - zwischen 25T/36O und 36T/36O liegt, wobei T die Periodendauer ist.

Die Einzelwecbs elrichter sollten dabei insbesondere so ausgewählt sein, daß hinsichtlich des Klirrfaktors die günstigste Ausgangswechselspannung entsteht. Das ist dann der Fall, wenn die Umladezeit jedes Kommutierungskondensators T/12 beträgt. Beträgt die Ausgangsfrequenz der Wechselrichteranordnung also z. B. 50 Hz, dann sollte die Umladezeit jedes Kommutierungskondensators zu 1,667 ms gewählt sein. Um zu erreichen, daß die Anstiegs- und/oder Abfallflanken zeitlich: linear sind, ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Kreisstrom einen Wechselstromanteil besitzt, der bezogen auf den Gleichstromanteil - kleiner als 10 # beträgt.

Der gewählte Wert des Klirrfaktors, der nach Voraussetzung unter 6 $> liegen soll, wird auch bei Laststößen kurzzeitig nicht erhöht, wenn der Kreisstrom des Einzelwechselrichters stets größer ist als der zu erwartende maximale Laststrom auf der Primärseite des Transformators.

Bisher war es bei einer Wechselrichteranordnung mit einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz üblich, die Einzelwechselrichter mit einer Umladezeit von etwa 0,3 ms zu betreiben. Gemäß der genannten, besonders bevorzugten Ausführungsform mit einer Umladezeit von T/12 liegt diese Umladezeit etwa um den Fak-

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tor 5 höher. Die in den Einzelwechselrichtern eingesetzten steuerbaren Ventile, insbesondere Thyristoren, erhalten dadurch eine größere Freiwerdezeit. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil: Wegen der größeren Freiwerdezeit brauchen keine sogenannten Frequenzventile, also steuerbare Ventile, die auch bei höheren Frequenzen arbeiten können, eingesetzt zu werden; man kann normale Ventile, insbesondere für Niederfrequenz bemessene Thyristoren, verwenden. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Verbilligung beim Aufbau der einzelnen Teilwechselrichter. Das gilt natürlich auch für höhere Arbeitsfrequenzen als 50 Hz. Diese normalen, heute erhältichen Thyristoren können dabei bis zu einer Ausgangsfrequenz bis zu 120 Hz eingesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1 eine dreiphasige Weehe1srichteranordnung in prinzipieller Darstellung,

Figur 2 eine dreiphasige Wechselrichteranordnung mit einer Transformat or anordnung in ausführlicher Darstellung,, Figur 3 eine Anzahl von Spannungs-Zeit-Diagrammen zur Erläuterung der Wechselrichteranordnung nach Figur 2, Figur 4 ein Diagramm, in dem der Klirrfaktor in Abhängigkeit von der Flankendauer dargestellt ist, Figur 5 einen selbstgeführten Wechselrichter in Mittelpunktschaltung,

Figur 6 Zeit-Diagramme für den Wechselrichter nach Figur 5, Figur 7 eine einphasige Wechselrichteranordnung mit fünf Teilwechselrichtern in prinzipieller Darstellung, und Figur 8 eine Anzahl von Spannungs-Zeit-Diagrammen für die Wechselrichteranordnung von Figur 7.

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Figur 1 zeigt eine dreiphasige Wechselrichteranordnung in schematischer Darstellung, die aus sechs einphasigen Einzelwechselrichtern 1 bis 6 gleichen Aufbaus und aus einer Transformatoranordnung 7 besteht. Die Einzelweohselrichter 1 bis werden gemeinsam aus zwei "Versorgungsleitungen 8 und 9 gespeist, die an eine G-Ieichspannungsquelle 10 mit der Betriebsgleichspannung IT-g angeschlossen sind. Die Einzelwechselrichter 1 bis 6 sind dabei von an sich bekannter Bauart (vergl. z.B. Figur 5)> besitzen aber - wie später noch näher ausgeführt werden wird - eine spezielle Dimensionierung ihres Kommutierungskondensators und dadurch eine spezielle trapezartige Kurvenform ihrer Ausgangsspannungen. Im Takte der ihnen zugeführten Taktsignale T1 bis T6 liefern sie an ihren Ausgängen Teilspannungen IT , TL , TJ , U,., ^_e-\ *>^zw· U-. gleicher Frequenz, z.B. von 50 Hz, und gleicher trapezartiger Kurvenform. Diese Teilspannungen TJ bis U-. sind gegeneinander phasenverschoben, zeigen jedoch sonst einen identischen Aufbau. Sie werden der Transformatoranordnung 7 zugeführt. Die dargestellte dreiphasige Wechselrichteranordnung liefert zwischen den Ausgangsklemmen χ, y und ζ der Transformatoranordnung 7 eine der Sinusform weitgehend angenäherte zwölfpulsige Ausgangswechselspannung, deren Klirrfaktor bei 2</o liegt, ohne daß ein Ausgangsbandfilter verwendet wird. Diese Ausgangswechse!spannung wird einer Last 11, z.B. einer Drehfeldmaschine, insbesondere einer Synchronmaschine, oder einer Datenverarbeitungsanlage beliebigen Aufbaus zugeführt. Insbesondere ist die Wechselrichteranordnung für die unterbrechungsfreie Stromversorgung eines Netzes vorgesehen.

In Figur 3 ist der zeitliche Verlauf der Teilspannungen TJ ,

et

TJ , TJ₀, U^ , TJ₆-I und TJ^₁ eingetragen. Bei einer Betrachtung z.B. der zweipulsigen Teilspannung TJ erkennt man, daß diese pro Periodendauer T, also im Bereich des Winkels von 360°, aus einem trapezförmigen positiven Spannungsblock B1 und einem dazu symmetrischen, ebenfalls trapezförmigen negativen Spannungsblock B2 besteht. Die Anstiegsflanken und Abfallflanken beider Spannungsblöcke verlaufen angenähert zeitlich linear. Die ersten beiden Spannungsblocke B1 und B2 sind in Figur 3

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schraffiert hervorgehoben. Die Anstiegsflanken und Abfallflanken beider Spannungsblöcke B1 und B2 besitzen betragsmäßig dieselbe Steigung. Ihre Anstiegs- und Abfalldauer ist jeweils so gewählt, daß der zugehörige Phasenwinkel 15° beträgt .

Der gewählte Phasenwinkel von 15 ist also größer als 9 > was 1/20 der Halbperiondendauer der. Teilspannung entspricht. Pro Spannungsblock B1, B2 ist die Spannung nur im Bereich von 150° zeitlich konstant. Der gestrichelt eingezeichnete, rechteckförmige Verlauf der Teilspannung U gibt den zeitliehen Verlauf der Teilspannung eines konventionell aufgebauten Einzelwechselrichters wieder.

Die Zusammensetzung der einzelnen Teilspannungen TJ bis u .

Si X I

wird in geeigneter Weise mittels der Transformatoranordnung 7 vorgenommen. Figur 2 zeigt eine dreiphasige Wechselrichteranordnung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer solchen Transformatoranordnung 7 in ausführlicher Darstellung. Diese Transformatoranordnung 7 ist an sich aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 106 I46 bekannt.

Figur 2 zeigt eine aus den Einzeltransformatoren a, b, c bestehende erste Gruppe, denen jeweils ein Einzelwechselrichter 1, 2 bzw. 3 zugeordnet ist, sowie eine aus den Einzeltransformatoren d, e und f bestehende zweite Gruppe, die von den Einzelwechselrichtern 4> 5 bzw. 6 beaufschlagt werden. Die Einzelwechselrichter 1 bis 6 bestehen im wesentlichen aus einem Kommutierungskondensator und zwei elektronischen Schaltgliedern, die im Takte der ihnen zugeführten Taktsignale T1 bis T6 abwechselnd die Enden der Transformatorprimärwicklungen mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 10 zeitverzögert verbinden.

Der andere Pol der Gleichspannungsquelle 10 ist jeweils an eine Mittelanzapfung der Primärwicklung angeschlossen. Die Frequenz der einzelnen Taktsignale T1 bis T6 ist gleich. Ihre gegenseitige Phasenlage ist so gewählt, daß an den Sekundär-

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Wicklungen der ersten Gruppe a, b, c drei um 120 gegeneinander versetzte trapezförmige Halbwellenspannungen entstehen, und daß an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe d, e, f ebenfalls jeweils drei um 120° elektrisch gegeneinander versetzte, trapezförmige Halbwellenspannungen entstehen, welche jedoch relativ zu den Halbwellenspannungen der ersten Transformatorgruppe eine Phasenverschiebung von 30 elektrisch aufweisen. Die Sekundärwicklungen der ersten Transformatorgruppe a, b, c sind im Stern geschaltet und liegen in Reihe mit jeweils zwei Sekundärwicklungen, welche zwei Transformatoren aus der Gruppe d, e, f zugeordnet sind. Die Amplituden A der an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe d, e, f auftretenden Halbwellenspannungen verhalten sich zu den Amplituden der an den Sekundärwicklungen der Transformatorgruppe a, b, c auftretenden Spannung wie 1/ "\~3. An den Ausgangsklemmen χ, y, ζ der Transformatoranordnung 7 erscheint die dreiphasige Ausgangswechselspannung.

In Figur 3 sind die Spannungs-Zeit-Diagramme für die an den Sekundärwicklungen der Transformatoren a bis f auftretenden Spannungen dargestellt. Man erkennt, daß sämtliche Halbwellenspannungen dieselbe Periode aufweisen, und daß jeder Sekundärspannung ü , TJ, und TJ der Transformatorgruppe a, b, c

cL D C ρ — ι

zwei Halbwellenspannungen mit einer um den Faktor Λ3 kleineren Amplitude zugeordnet sind, von denen die eine gegenüber der Sekundär spannung TJ bzw. U, und TJ um 30° elektrisch voreilt

a _ ο c

und die andere um 30 elektrisch nacheilt. Es ergibt sich beispielsweise die zwischen den Klemmen χ und y der Wechselrichter anordnung nach Figur 2 auftretende Spannung TJ zu:

V ^{= U}a ^{+ U}d1 - ^Ue2 - \ - ^üe1 ^{+ U}f₂·

Führt man diese Addition mittels der einzelnen Diagramme geometrisch durch, so ergibt sich ein Spannungsverlauf, wie er in der letzten Zeile der Figur 3 dargestellt ist. Man erkennt, daß dieser Spannungsverlauf TJ weitgehend der Sinusform angenähert ist, und daß er im wesentlichen aus zeitlich linear ansteigenden Teilspannungen oder Abschnitten besteht, welche den Anstiegs- und Abfallflanken der einzelnen Spannungsblöcke

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in den Ausgangs spannungen TJ bis TJ_f1 der Teilwechselrichter 1 "bis 6 entsprechen. Jeder dieser Anschnitte in der Ausgangswechselspannung TJ erstreckt sich über einen Winkel von elektrisch. Einen minimalen Klirrfaktor, der theoretisch bei 1$ liegt, erhält man dann, wenn die Einstellung - wie in Figur 3 eingezeichnet - so vorgenommen ist, daß die AnstiÄgs- und Abfalldauer der einzelnen Flanken jeweils 15° elektrisch be trägt .-Für die beiden übrigen Spannungen TJ und TJ ergeben sich zur Spannung TJ gleiche, jeweils um 120 elektrisch versetzte Spannungskurven.

In Figur 4 ist der Verlauf des Klirrfaktors k in Abhängigkeit von einem Winkel -C dargestellt. Dieser Winkel oC , der in Grad elektrisch gemessen wird, entspricht der Anstiegsund der Abfalldauer der Anstiegsflanken bzw. Abfallflanken der trapezförmigen Spannungsblöcke in den Teilspannungen der Einzelwechselrichter 1 bis 6 nach Figur 1 und 2. Ändert man den Winkel «c bei allen Einzelwechselrichtern 1 bis 6 gleichsinnig um denselben Betrag, so ergibt sich für die Ausgangswechselsapnnung (vergl. das in Figur 3 letzte Spannungs-Zeit-Diagramm) der in Figur 4 eingezeichnete Verlauf des Klirrfaktors k. Man sieht daraus, daß ein Klirrfaktor k unter 6$ nur erreicht werden kann, wenn der Winkel o6 größer als 9° elektrisch ist. Das heißt, daß dann die Anstiegsflanken und Abfallflanken jeweils eine Dauer besitzen müssen, die größer ist als 9°/130° = 1/20 der Halbperiodendauer T/2 der Teilspannung. Aus Figur 4 ist weiter zu erkennen, daß man mit Sicherheit stets einen Klirrfaktor k unter 3$ erhält, wenn der Winkel oC im Bereich von 12,5° bis 18° elektrisch liegt. Weiter ist aus Figur 4 noch zu entnehmen, daß das Optimum, also der kleinste Klirrfaktor k, bei einem Winkel et, =15° elektrisch liegt. Das bedeutet, daß dann die Anstiegs- und Abfalldauer jeweils genau 15°/18O = 1/12 der Halbperiodendauer T/2 ist. Bei einer Wechselrichteranordnung mit einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz wird man also bevorzugt Teilwechselrichter 1 bis 6 verwenden, deren trapezförmige

en
symmetrische Teilspannung/Anstiegs- und Abfallzeiten von 1s/(12.50) = 1,667 ms besitzt.

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Als Einzelwechselrichter 1 bis 6 werden bei den Wechselrichteranordnungen nach Figur 1 und 2 bevorzugt Wechselrichter mit einem Kummutierungskondensator verwendet. Das kann ein selbstgeführter Wechselrichter mit Hauptventilen in Mittelpunktschaltung und FοIgelöschung (vergl. z.B. Thyristor-Handbuch von Hoffmann/Stocker, 1965, Siemens-Schuckertwerke AG, Berlin und Erlangen, Seite 24-3 bis 250, insbes. Bild 161, 164 und 165) sein, wobei die Hauptventile auch zu einer Brückenschaltung (vergl. ebenda, Bild 167) ergänzt sein können. Das kann aber auch ein selbstgeführter Wechselrichter mit Hauptventilen in Brückenschaltung mit G-egentaktlöschung (vergl. z.B. AIEE-Transaction P1 , November 1961, Seite 531 bis 540, insbes. Figur 6E auf Seite 533) sein. Bei diesen Wechselrichtern läßt sich der TJmladestrom des Kommutierungskondensators relativ gut einstellen.

Solche Wechselrichter mit Kommutierungskondensator geben bei üblicher Dimensionierung und üblicher Steuerung eine Ausgangsspannung ab, die einen rechteckförmigen zeitlichen Verlauf besitzt. Es ist nun bekannt, daß die Flankensteilheit an den Ecken der einzelnen Spannungsblöcke im wesentlichen durch die Umladezeit des Kommutierungskondensators bestimmt ist. Sorgt man dadür, daß die Umladezeit gegenüber der üblichen Dimensionierung vergrößert wird, so wird die Flankensteilheit abnehmen; entsprechend wird auch die Anstiegs- und Abfalldauer der Spannungsflanken zunehmen. Sorgt man noch zusätzlich dafür, daß der TJmladestrom I des Kommutierungskondensators während des UmladeVorganges zeitlich nahezu konstant ist, so wird auch die zeitliche Änderung dU /dt der Spannung U

C C

am Kommutierungskondensator konstant sein. Damit erhalten die Anstiegs- und Abfallflanken in der Ausgangsspannung einen zeitlich linearen Verlauf.

Figur 5 zeigt eine Ausführungsform des Teilwechselrichters von Figur 1 oder 2 in ausführlicher Darstellung. Die anderen Teilwechselrichter 2 bis 6 können entsprechend aufgebaut sein. Es handelt sich dabei um einen steuerbaren Wechselrichter mit

en

steuerbaren Hauptventi/ n1 und n2 in Mittelpunktschaltung.

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Die Mittelanzapfung M der Primärwicklung P eines Transformators T ist an dem positiven Pol einer GIeichspannungsquelle 10 von beispielsweise U-n = 110 V Gleichspannung angeschlossen. Das eine Ende der Primärwicklung P ist über ein erstes ungesteuertes Serienventil n11, ein erstes gesteuertes Hauptventil n1, eine Vordrossel ν der Induktivität L und eine Klemme Ή mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 1 ο verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung P ist über ein zweites ungesteuertes Serienventil n2i, das zweite gesteuerte Hauptventil n2, die Vordrossel ν und die Klemme N ebenfalls mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 10 verbunden. Die Hauptventile n1 und n2, die vorzugsweise Thyristoren sein können, werden im Betrieb mittels eines (nicht gezeigten) Taktgebers abwechselnd gezündet.

Zur Lieferung des Kommutierungsstroms für die gesteuerten Hauptventile n1, n2 ist ein Kommutierungskondensator C vorgesehen, der die Anoden beider Hauptventile n1, n2 verbindet. An den Endklemmen der Sekundärwicklung S des Transformators T ist die Teilspannung U abgreifbar. Zur Begrenzung von Überspannungen in Flußrichtung des Stromes des gesteuerten Hauptventiles n1, n2, die durch den induktiven Anteil der Last auf der Sekundärseite des Transformators T verursacht werden können, sind zwei ungesteuerte Freilaufventile n12 und n22 vorgesehen. Die Kathode des Freilaufventils n12 ist an einem Anzapfpunkt A1, der in der Nähe des einen Endes der Primärwicklung P liegt, angeschlossen. Entsprechend ist die Kathode des Freilaufventils n22 an einem am anderen Ende der Primärwicklung P gelegenen Anzapfpunkt A2 angeschlossen. Die Anoden beider Freilaufventile n12, n22 sind mit der Klemme N verbunden.

Im Leerlauf und im Lastbetrieb des Wechselrichters 1 fließt je ein Kreisstrom über die Bauelemente n1 , v, n12 und n11 bzw. n2, v, n22 und n21. Diese Kreisströme können in ihrer Höhe durch die Wahl der Anzapfpunkte A1 und A2 bezüglich der Enden der Primärwicklung P eingestellt werden.

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In Figur 6 sind drei Zeitdiagramme für den Einzelwechselrichter 1 in Figur 5 gezeigt. Das erste Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Kondensatorspannung TJ-, das zweite Diagramm die Abhängigkeit der Drosselspannung TJx und das dritte Diagramm die Abhängigkeit des über die Vordrossel ν fließenden Kreisstroms Ιχ jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Zeitpunkte t₁ und t,- bezeichnen dabei die Zündpunkte des Hauptventils n1, und der Zeitpunkt t~ bezeichnet den Zündzeitpunkt des Hauptventils n«.

Es sei zunächst angenommen, daß das Hauptventil n_? gezündet ist. Dann fließt ein Strom vom positiven Pol der Gleichspannungsquelle 10 über die Klemme M, den rechten Teil der Primärwicklung P, das Serienventil n21, das Hauptventil n2, die Vordrossel ν und die Klemme M zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle 10. Wird nun das Hauptventil n1 im Zündzeitpunkt t₁ gezündet, so sind die Gleichspannungsquelle 10 und der Kommutierungskondensator C spannungsmäßig in Reihe geschaltet. An der Vordrossel ν entsteht dadurch eine Drosselspannung TJt, die zunächst gleich dem Zweifachen der Gleichspannung U-g ist, wie aus dem zweiten Diagramm in Figur 6 zu entnehmen ist. Die Umladung des Kommutierungskondensators C beginnt. Sie erfolgt üblicherweise sehr schnell nach dem im ersten Diagramm gestrichelt eingezeichneten, S-förmig gekrümmten Verlauf zwischen den Zeitpunkten t^ und ti,. Die zugehörige Drosselspannung U_x und der zugehörige Kreisstrom I_x sind im zweiten bezw. dritten Diagramm der Figur 6 ebenfalls gestrichelt eingezeichnet. Die Umladezeit des Kommutierungskondensators C ist durch (t« - t.) gegeben.

Gegenüber dem gestrichelt eingezeichneten, üblichen Fall ist die Kapazität de» Kommutierungskondensators C größter bemessen. Die Umladezeit t = (t_o - ±_Λ ) wird dadurch verlängert,

ι Li C- I

und zwar von tg nach t_?.

Es wird vorausgesetzt, daß der Umladestrom des Kommutierungskondensators C nahezu konstant ist. Dann wird auch die Spannungsänderung dUß/ä'fc am Kommutierungskondensator C nach dem

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ersten Diagramm in Figur 6 nahezu konstant sein und die Kondensatorspannung U~ während der Umladezeit t einen zeitlich linearen Verlauf annehmen. Unter der soeben gemachten Voraussetzung nimmt auch die Drosselspannung U-j- während der Kondensatorumladung mit gleichbleibendem dUj/dt ab. Die Spannungszeitfläche, welche die Vordrossel ν während der Umladezeit t = (t₂ - t.) aufnimmt, beträgt somit bei geradliniger Spannungsänderung etwa

F=U_B.t_u, (1)

wobei t die gesamte Umladezeit (t„ - t.. ) ist. Infolge der Spannungs änderung dUj/dt erhöht sich der Kreisstrom Ij vom Wert I aus um den Differenzbetrag

AI₁ = U_B . t_u/L, (2)

wie aus dem dritten Diagramm von Figur 6 zu entnehmen ist. Dieser Wechselstromanteil Δίτ nimmt bis zum Ablauf einer Halbperiode T/2 im Zeitpunkt t_, wieder auf den Wert I ab. Die Abnahme ist unter der Voraussetzung, daß die Anzapfspannungen Uj. = 0 sind, durch die Summe der Spannungsabfälle U an den einzelnen Leitungswiderständen und durch die einzelnen Durchiaßspannungen U der einzelnen Ventile n1, n11 und n12 bzw. n2.» n2i und n22 bestimmt. Die Neigung des Stromabfalls zwischen den Zeitpunkten t_? und t~ ist nämlich abhängig von der negativen Drosselspannung Uj. die nach dem mittleren Zeitdiagramm in Figur 6 während dieser Zeitspanne (t, - tp) im wesentlichen konstant bleibt. Es gilt also = -L dI_L/dt = const. Diese negative Drosselspannung

ist durch die Summe der genannten Gegenspannungen U und U bestimmt. Sie kann durch Verstellung der Anzapfpunkte A1 und A2, d.h. durch Änderung der Anzapfspannungen U,, verändert werden.

Sind die erwähnten Gegenspannungen U und U zu klein und ist U, = 0,würde nach dem Start beim zweiten Kommutierungs-Vorgang zum Zeitpunkt t, ein Kreisstrom Ij fließen, der anfangs etwa ZiIj beträgt und dann um Δίχ erhöht werden würde.

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VPA

Dieser Vorgang der Stromerh.oh.ung um ΔΙ würde sich, bei den

L.

weiteren Kommutierungsvorgängen solange wiederholen, bis der Kreisstrom I_T einen solch, großen Spannungsabfall.TJ an den Leitungswiderständen erzeugt, bis ein Gleichgewicht

erreicht ist.

Bei einer hohen Gleichspannung ILg wird sich somit ein hoher Kreisstrom I_T einstellen. Eine Möglichkeit, diesen Kreisstrom I-j- zu beeinflussen, liegt - wie bereits oben ausgeführt - in der Veränderung der Anzapfpunkte A1 und A2. Ist die Anzapf spannung IT, ungleich Null, so kommt zu der Gleichung (1) noch ein Term hinzu:

^UB · \= <^Uo ^+Un ⁺V * W² - V' ⁽⁴⁾

wobei U wieder die an den Leitungswiderständen R abfallende Spannung ist, die sich als U=R . I^ schreiben läßt.

Wählt man durch Veränderung der Induktivität L der Vordrossel

ν den Wert I des Kreisstroms I_T zu
m Jj

I_n S 10 . AI₁, (5)

so ist die Sρannungsänderung dU"_c/dt der Umladung hinreichend konstant (lineare Umladung), und es können durch Wahl der Kapazität des Kommutierungskondensators C beliebige Werte der Umladezeit t eingestellt werden. Die Umladezeit t wird bei einer Ausgangsfrequenz von 50 Hz bevorzugt auf t. = 1,667 ms. eingestellt. Diese Umladezeit entspricht einem Winkel oC = 15°. Der Winkel »6 in Figur 4 entspricht somit der halben Umladezeit ^_n/2 des Kommutierungskondensators G. Die Kapazität des Kommutierungskondensators C berechnet sich zu K = 2 t_u I_L/AU_c ^4,4 . U_B. (6)

Der Kreisstrom I_T soll in seiner Höhe etwa gleich dem Spitzenwert des zu erwartenden, transformatorisch auf die Primärseite bezogenen Laststroms sein. Die Einstellung des Kreisstroms I_T erfolgt über die Einstellung der Anzapfpunkte Al und

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Die Wahl eines hohen Kreisstroms L₁. belastet natürlich die

Jj

Hauptventile n1 und n2 mit einem Blockstrom auch im Leerlauf, Es ist jedoch vorteilhaft, auch im Leerlauf einen hohen Kreisstrom I_ fließen zu lassen. Denn es ist erst durch einen Kreisstrom I_x in der Höhe des zu erwartenden Laststromes mög-

±1

lieh, einen Laststoß von Leerlauf auf Vollast ohne Verformung der Ausgangsweohselspannung TJ , d.h. Abwe oder trapezförmigem Verlauf, vorzunehmen.

der Ausgangsweohselspannung TJ , d.h. Abweichung vom rechteck-

3.

Da der Teilwechselrichter 1 nach Figur 1 oder 2 Bestandteil einer zwölfpulsigen Wechselrichteranordnung ist, sind im übrigen nur sehr geringe Änderungen der eingestellten Umladezeit t in Abhängigkeit von der Last zu erwarten, da die Ströme in den sechs Einzelwechselrichtern nahezu sinusförmig sind. Beim Übergang vom Phasenfaktor cos «f = 0 auf Vollast und einen Phasenfaktor cos *-f = 0,8 ist maximal nur mit einem Ansteigen des Klirrfaktors von 1$ auf 2$ zu rechnen.

Will man trotz eines Übergangs vom Phasenfaktor cos -f = Ö auf den Wert cos -f = 0,8 stets einen Klirrfaktor k unter 2$> erhalten, so wählt man statt eines Winkels et = 15 (Umladezeit 1,667 ms bei 50 Hz) einen Winkel o6 = 16,5° (Umladezeit 1,84 ms bei 50 Hz) im Leerlauf. Unter dieser Bedingung liegt der Klirrfaktor k im gesamten Arbeitsbereich, also vom Leerlauf bis zur Vollast bei cos >f = 0,8, immer unter 2$. Daraus ist ersichtlich, daß die Umladezeit t auch in diesem Fall etwa um den Paktor 5 höher liegt als bisher üblich, wo Umladezeiten von etwa 0,3 ms gewählt wurden.

Es sei noch erwähnt, daß in Figur 5 zwischen den Anoden der beiden Hauptventile n1 und n2 die Reihenschaltung eines Zusatzkondensators CL mit einem elektronischen Schaltglied T angeordnet ist. Das Schaltglied T kann insbesondere ein Triac sein. Das Schaltglied T ist bei einem Überlaststoß von einem Schaltgerät S einschaltbar. Um also auch bei einem Überlaststoß den minimalen Klirrfaktor k (Minimum in Figur 4) zu er-

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halten, kann man die Kommutierungskapazität mittels des zum Kommutierungskondensator C parallel angeordneten Zusatzkondensators C1 über das Schaltglied T verändern. Die Zuschaltung oder Abschaltung erfolgt im Spannungsnullpunkt des Kommutierungskondensators C in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Kreisstrom I_T an der Vordrossel ν und dem Laststrom

Xi el

Dazu wird nach Figur 1 mittels eines Stromwandlers W der Laststrom I ermittelt und dem Schaltgerät S nach Figur 5 zu-

el

geführt. Das Schaltgerät S wird weiterhin durch den Kreisstrom I-j- beaufschlagt, der mittels eines Gleichstromwandlers G- an der Vordrossel ν ermittelt wird.

Figur 7 zeigt eine einphasige Wechselrichteranordnung in prinzipieller Darstellung, die aus fünf einphasigen Einzelwechselrichtern 7 bis 11 gleichen Aufbaus und aus einer Transformatoranordnung besteht. Die Einzelwechselrichter 7 bis 11 werden gemeinsam aus zwei Versorgungsleitungen 8, 9 gespeist, die an eine Gleichspannungsquelle 10 mit der Betriebsgleichspannung U-O angeschlossen sind. Die Einzelwechselrichter 7 bis 11 sind wieder von an sich bekannter Bauart, besitzen aber wieder eine spezielle Dimensionierung ihres Kommutierungskondensators und dadurch eine spezielle trapezartige Kurvenform ihrer Ausgangsspannungen (vergl. Figur 5). Im Takte der ihnen zugeführten Taktsignale T7 bis T11 liefern sie an ihren Ausgängen Teilspannungen U bis U-. gleicher Frequenz, z.B. von 50 Hz, und gleicher trapezartiger Kurvenform. Die Teilspannungen U bis U-, sind gegeneinander phasenverschoben, haben unterschiedliche Amplituden, zeigen jedoch sonst einen ähnlichen Verlauf. Sie werden jeweils den Primärwicklungen von Transformatoren g bis 1 zugeführt, deren Sekundärwicklungen in Reihe an die Last 11 angeschlossen sind. Zwischen den Ausgangsklemmen χ, y entsteht eine der Sinusform weitgehend angenäherte zehnpulsige Ausgangswechselspannung U , deren Klirrfaktor bei 2$ liegt, ohne daß ein Ausgangsfilter verwendet wird.

In Figur 8 ist der zeitliche Verlauf der Teilspannungen U , U , U^, ΐ^τ, und U-, sowie der zeitliche Verlauf der Ausgangs-

h Γ) 9 8 1 ß / fU 2 2

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wechselspannung TJ eingetragen. Die einzelnen Teilspannungen TJ "bis U_n sind ersichtlich aus einzelnen trapezförmigen Spannungsblöcken aufgebaut, deren Anstiegs- und Abfallflanken angenähert zeitlich linear verlaufen. Die Anstiegs- und Abfalldauer ist jeweils so gewählt, daß der zugehörige Phasenwinkel 15° beträgt. Gestrichelt :
zeitliche Verlauf eingezeichnet.

winkel 15° beträgt. Gestrichelt ist jeweils der konventionelle

Der Transformator g wird vom ersten Einzelwechselrichter 7 primärseitig mit der im vorletzten Diagramm dargestellten Halbwellenspannung TJ gespeist. Diese liegt mit der G-rundschwin-

gung der Ausgangswechselspannung TJ „ in Phase. Ihre Amplitude hat den Wert 2A. Der zweite und dritte Transformator h und i werden vom zweiten bzw. dritten Einzelwechselrichter 8, 9 primärseitig mit trapezförmigen Halbwellenspannungen U, , TJ. (vergl. viertes bzw. drittes Diagramm) gespeist. Diese haben gegenüber der Halbwellenspannung TJ des ersten Einzelwechselrichters 7 eine Phasenverschiebung von +30° bzw. -30°. Ihre Amplitude beträgt jeweils "Ti A. Der vierte und fünfte Transformator k, 1 werden vom vierten bzw. fünften Einzelwechselrichter 10, 11 primärseitig mit trapezförmigen Halbwellenspannungen TJ-jj. bzw. TJ₁ (vergl. zweites und erstes Diagramm) gespeist. Diese sind um +60° bzw. -60° gegenüber der Halbwellenspannung TJ des ersten Einzelwechselrichters 7 phasenverschoben. Ihre Amplitude hat den Wert A. Führt man eine geometrische Addition der ersten fünf Zeitdiagramme durch, so erhält man den im sechsten Diagramm gezeigten Spannungsverlauf TJ (t) . Man erkennt, daß dieser Spannungsverlauf TJ (t) weitgehend der Sinusform angenähert ist. Er besteht pro Halbperiode T/2 aus drei zeitlich linear ansteigenden und drei zeitlich linear abfallenden sowie einem in der Mitte gelegenen, zeitlich konstanten Abschnitten.

10 Patentansprüche
8 Figuren

Claims

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Patentansprüche

1. Wechselrichteranordnung mit der Sinusform angenäherter Ausgangswechse!.spannung, welche aus einer Anzahl zeitlich gegeneinander versetzter Teilspannungen gleicher Frequenz und Kurvenform zusammengesetzt ist, die von Einzelwechselrichtern geliefert werden, gekennzeichnet durch Einzelwechselrichter, die jeweils eine Teilspannung mit einem trapezförmigen zeitlichen Verlauf abgeben, deren Anstiegsflanke und/oder Abfallflanke jeweils eine Anstiegs- bzw. Abfalldauer besitzt, die größer als 1/20 der Halbperiodendauer der Teilspannung ist.

2. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspannung jedes Einzelwechselrichters pro Periodendauer (T) aus einem trapezförmigen positiven und einem dazu symmetrischen trapezförmigen negativen Spannungsblock (B1, B2) besteht, daß die Anstiegsflanken und Abfallflanken beider Spannungsblocke (B1, B2) im wesentlichen linear verlaufen und betragsmäßig dieselbe Steigung besitzen, und daß die Anstiegs- und die Abfalldauer der Planken jeweils größer als 1/20 der Halbperiodendauer (T/2) ist.

3. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Einzelwechselrichter selbstgeführte Wechselrichter mit Kommutierungskondensator (C) vorgesehen sind, und daß jeder Kommutierungskondensator (C) so bemessen ist, daß seine Umladezeit (t ) größer als 18T/360 ist, wobei T die Periodendauer der abgegebenen Teilspannung ist.

4. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kommutierungskondensator so bemessen ist, daß seine Umladezeit (t ) zwischen 25 T/360 und 36T/36O liegt, wobei/die Periodendauer der abgegebenen Teilspannung ist.

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5. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umla(
(C) T/12 teträgt.

net, daß die Umladezeit (t ) jedes Kommutierungskondensators

6. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 3 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisstrom (It) einen Wechselstromanteil (ΔΙχ)besitzt, der - bezogen auf den Gleichstromanteil (I) - kleiner als 10$ ist.

7. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 3 "bis 6, mit einem Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisstrom (It) des Einzelwechselrichters (1) stets größer als der zu erwartende maximale Laststrom auf der Primärseite des Transformators (T) ist.

8. Dreiphasige Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit zwölfpulsiger Ausgangswechselspannung, welche mittels einer Transformatoranordnung aus sechs zeitlich gegeneinander versetzten Teilspannungen gleicher Frequenz und Kurvenform zusammengesetzt ist,die von sechs einphasigen zweipulsigen Einzelwechselrichtern geliefert werden, gekennzeichnet durch eine erste Gruppe von Transformatoren (a, b, c), deren Primärwicklungen von den ersten drei Einzelwechselrichtern (1, 2, 3) gespeist sind und deren Sekundärwicklungen im Stern geschaltet sind, um 120° elektrisch gegeneinander.versetzte trapezförmige Halbwellenspannungen (U , U, , U) liefern und jeweils in Reihe liegen mit zwei Sekundärwicklungen einer zweiten Gruppe von Transformatoren (d, e, f), welche an ihren Primärwicklungen won den zweiten drei Einzelwechselrichtern (4, 5, 6) gespeist sind und welche jeweils relativ zu der zugehörigen Sekundärspannung der ersten Gruppe von Transformatoren (a, b, c) um 30° elektrisch voreilende und um 30° elektrisch nacheilende trapez-

förmige Halbwellenspannungen erzeugen, wobei die Amplituden der Sekundärspannungen der ersten Gruppe von Transformatoren (a, b, c)T[T'mal größer sind als die Amplituden der Sekundärwicklungen der zweiten Gruppe von Transformatoren (d, e,f),

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Einphasige Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswechselspannung (U ) mittels einer Transformatoranordnung aus fünf zeitlich gegeneinander versetzten -Teilspannungen (TJ "bis U-,) gleicher Frequenz und Kurvenform zusammengesetzt ist, die von fünf einphasigen zweipulsigen Einzelwechselrichtern (7 bis 11) geliefert werden, daß die Transformatoranordnung aus fünf einzelnen Transformatoren (g bis 1) besteht, deren Sekundärwicklungen miteinander in Reihe geschaltet sind, daß der erste Transformator (g) vom ersten Einzelwechselrichter (7) primärseitig mit einer trapezförmigen Halbwellenspannung (U ) gespeist ist, die mit der

Grundschwingung der Ausgangswechselspannung (U ) in Phase

^y

liegt und eine vorgegebene Amplitude (2A) hat, daß der zweite und dritte Transformator (h, i) vom zweiten bzw. dritten Einzelwechselrichter (8, 9) primärseitig mit trapezförmigen Halbwellenspannungen (U^, U.) gespeist sind, die um 30 elektrisch gegenüber der Halbwellenspannung (U ) des ersten Einzelwechselrichters (7) vor- bzw. zurückverschoben sind und eine um den Paktor "(3/2 kleinere Amplitude haben, und daß der vierte und fünfte Transformator (k, 1) vom vierten bzw. fünften Einzelwechselrichter (10, 11) primärseitig mit trapezförmigen Halbwellenspannungen (U^, U₁) gespeist sind, die um 60° elektrisch gegenüber der Halbwellenspannung (U ) des ersten Einzelwechselrichters (7) vor-

bzw. zurückverschoben sind und eine um den Faktor 1/2 kleinere Amplitude haben.

10. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kommutierungskondensator (C) die Reihenschaltung eines Zusatzkondensators (C1) mit einem elektronischen Schaltglied (T) angeordnet ist, wobei das Schaltglied (T) bei einem Überlaststoß einschaltbar ist.

te

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