DE2541661C3 - Vorrichtung zur Zündwinkelsteuerung eines Scchwingkreiswechselrichters - Google Patents

Description

wO

ist, worin (a_max die größte betriebsmäßige KreisfreDie Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zündwinkelsteuerung eines Schwingkreiswechselrichters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 20 08 239 bekannt Bei der bekannten Vorrichtung sind für die beiden Sekundärwicklungen des Übertragers gesonderte Trigge:.impulsgeber vorgesehen, die abwechselnd die Zündimpulse für die Thiyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters triggern. In jedem Triggerimpulsgeber ist der Sekundärwicklung als Netzwerk die Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes nachgeschaltet, mit dem als erste und zweite Meßsignale Ströme erzeugt werden, die sich addieren. Zu diesen Strömen wird als drittes Meßsignal ein Strom addiert der dem Wechselrichterausgangsstrom proportional ist. Das dritte Meßsignal wird mit einem Stromwandler gewonnen, dem ein Widerstand nachgeschaltet ist. Mit dem Summenstrom der drei Meßsignale wird in jedem Triggerimpulsgeber als Grenzwertmelder ein Transistor angesteuert, dessen Basis-Emitter-Strekke mit einer zu dieser antiparallelen Diode überbrückt ist. Der Transistor ist stromleitend solange der Summenstrom größer als Null ist und triggert während dieses Zeitraums den Steuersatz. Wird der Summenstrom kleiner als Null, so sperrt der Transistor des Grenzwertmelders. Durch die Widerstünde und den Kondensator werden die Spitzenwerte für die drei Meßsignale bestimmt, wobei die Widerstandswerte und die Kapazität so eingestellt werden, daß bei niedrigen Betriebsfrequenzen die Lastspannung und der Laststrom, bei höheren Betriebsfrequenzen die Lastspannung und ihre zeitliche Ableitung und bei höheren Betriebsfrequenzen und höheren Strömen alle drei Meßströme die Lage des Triggerimpulses und damit die Zündzeitpunkte unter Berücksichtigung der jeweiligen Kommutier- und der konstanten Schonzeit bestimmen. Die Einstellung der Spitzenwerte dieser Meßströme ist ungenau, insbesondere auch weil die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors und eine Diode im Stromkreis der Meßsignale liegen. Die Lage des Nulldurchgangs und damit die genaue zeitliche Lage des Triggerimpulses ist damit ungünstig beeinflußt. In einer anderen Ausführungsform der bekannten Vorrichtung wird zur Festlegung des Zündzeitpunktes der Nulldurchgang einer Spannung benutzt, die sich additiv nur aus dem ersten und zweiten Meßsignal zusammensetzt, von

denen das eine der Lastspannung und das andere der zeitlichen Ableitung der Lastspannung proportional ist Diese Spannung wird an der Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Spule abgegriffen, der die Wechselrichterausgangsspannung zugeführt ist, wobei mit dem Widerstands- und dem Induktivitätswert die Spitzenwerte der beiden Meßsignale bestimmt sind. Bei dieser Ausführungsform bleibt der Einfluß des Laststromes auf die Kommutierzeit unberücksichtigt

Es besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art für eine genaue Erfassung der Kommuti sr- und Schonzeit zu ertüchtigen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die drei Meßsignale Spannungen, deren Spitzenwerte sich mit den Widerstands- bzw. Induktivitätswerten der beiden Spannungsteiler unbeeinflußt von anderen Bauelementen genau einstellen lassen, womit eine genaue Erfassung der Kommutierzeiten und der konstanten Schonzeit ermöglicht wird. Dabei lassen sich die Widerstandswerte und die Induktivität für einen bestimmten Betriebszustand und der diesem Betriebszustand zugeordneten Kommutierzeit auslegen, die Anpassung der Kommutierzeit an jeden anderen Betriebszustand erfolgt damit ohne weitere Maßnahme, womit man einen besseren Wirkungsgrad, verbesserte dynamische Eigenschaften und eine bessere Ausnutzung der Thyristoren des Wechselrichters erreicht Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 2, bei der als Betriebszustand für die Festlegung der Spitzenwerte der Meßsignale die maximalen Betriebswerte des Wechselrichters herangezogen sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist im Anspruch 3 gekennzeichnet Damit ist sichergestellt daß pro Halbwelle der Lastspannung nur ein Schnittpunkt bzw. Nulldurchgang der Meßsignale auftritt, womit Fehlimpulse unterdrückt werden und die Steuerung vereinfacht wird.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines Umrichters mit Parallelschwingkreiswechselrichter. Der Wechselrichter 1 ist mit Thyristoren 2 bis 5 in Einphasenbrückenschaltung aufgebaut. Über die Wechselstromausgänge 6 des Wechselrichters 1 wird ein Parallelschwingkreis 7 als Last gespeist der aus der Parallelschaltung einer Drossel Ta und eines Kondensators 7b besteht. Die Gleichstromanschlüsse 8 des Wechselrichters 1 sind über einen Gleichstromzwischenkreis 9 mit Glättungsdrossel 10 und einen Gleichrichter 11 mit einem Drehstromnetz verbunden, das an den Klemmen 12 liegt. Der Gleichrichter 11 ist aus Thyristoren 11 a bis 11 / in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut.

Zur Erfassung der Kommutier- und Schonzeit ist ein Triggerimpulsgeber 13 vorgesehen. Die Eingänge 13a und 13b des Triggerimpulsgebers 13 sind mit den beiden Belägen des Kondensators 7b des Schwingkreises 7 verbunden, und über die beiden Eingänge 13c und I3d fließt der Wechselrichterausgangs- bzw. Laststrom Iw(t). Der Ausgang 13e des Triggerimpulsgebers 13 ist mit dem Triggereingang 14a eines Steuersatzes 14 für die Thyristoren 2 bis 5 des Wechselrichters 1 verbunden. Die Steuerleitungen 146 bis 14e, die zu den Steuerelektroden der Thyristoren 2 bis 5 führen, sind in F i g. 1 nur angedeutet.

Im Betriebszustand werden wechselweise die Thyristoren 2 und 5 oder 3 und 4 der diagonalen Brückenzweige des Wechselrichters 1 mit der Kreisfrequenz ω der Schwingkreis- bzw. Lastspannung U_s des Parallelschwingkreises gezündet Die Zündung erfolgt kurz vor jedem Nulldurchgang der Lastspannung U_s, wobei der Zündzeitpunkt t_z durch die Schonzeit f_s der Thyristoren, die mindestens deren Freiwerdezeit entsprechen muß, und die Kommutierzeit i* des Umrichters

to bestimmt ist Die Schonzeit t_s ist eine Konstante, die durch die zugelassenen Betriebswerte der Thyristoren vorgegeben ist Die Kommutierzeit fc hängt vom Betriebszustand des Wechselrichters ab und ist für eine vorgegebene Betriebsfrequenz, eine vorgegebene Wechselrichterausgangs- bzw. Lastspannung und einem vorgegebenen Laststrom ebenfalls eine diesen Betriebswerten zugeordnete Konstante. Bei Zündung nachfolgend stromführender Thyristoren im Zündzeitpunkt t_z wird von einem Brückenzweig des Wechselrichters 1 auf den nachfolgend stromführenden direkt kommutiert, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator 7b des Parallelschwingkreises 7 zur Verfugung gestellt wird. Die für den Zündzeitpunkt t_z berücksichtigte Kommutier- una Schonzeit muß dem jeweiligen Betriebszustand des Umrichters entsprechen, da sonst der Wirkungsgrad des Umrichters herabgesetzt und seine dynamischen Eigenschaften verschlechtert werden.
Zur Festlegung des Zündzeitpunktes t_z unter Berücksichtigung der Kommutier- und Schonzeit dient der Triggerimpulsgfcber 13. Im Triggerimpulsgeber 13 sind die Eingänge 13a und 13£> mit der Primärwicklung 15a eines Übertragers 15 verbunden. Die Sekundärwicklung i5b des Übertragers besitzt eine Mittelanzapfung 15c, die mit Bezugspotential verbunden ist. Zur Unterdrükkung von Störungen können die beiden durch die Anzapfung getrennten Wicklungsteile der Sekundärwicklung 15b bifilar gewickelt sein. Ein Anschluß der Sekundärwicklung 15ö ist über einen Spannungsteiler 16, der aus den ohmschen Widerständen 17 und 18 aufgebaut ist, ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden. Auch der andere Anschluß der Sekundärwicklung 156 liegt über einen Spannungsteiler 19 am Bezugspotential. Der Spannungsteiler 19 besteht aus der Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes 20, einer Spule 21 und eines Widerstandes 22. Die Eingänge 13c und 13c/ des Triggerimpulsgebers 13 sind mit der Primärwicklung eines Stromwandlers 23 als Stromfühler verbunden, dessen Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 22a und 22b des Widerstandes 22 verbunden ist Ein Abgriff 24 des Spannungsteilers 16 ist mit einem Eingang eines als Grenzwertmelder dienenden Operationsverstärkers 25 und ein Abgriff 26 des Spannungsteilers 19 ist mit einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers 25 verbunden, dessen Ausgang an den Ausgang 13edes Triggerimpulsgebers 13 geführt ist. Unter der Annahme, daß die Wicklungsverhältnisse des Übertragers 15 und des Stromwandlers 23 gleich eins sind und daß für die Widerstandswerte der Widerstände 17, 20, der Induktivität der Spule 2i und der Widerstandswerte der Widerstände 22 und 18 die Annahme

und

ω · L₂₁

.R

gilt, erhält man folgende Meßsignale U₁ bis CZ₃

U₂= -(

L₂₁

-£—■ U₁₀ ■ cosoji,

K20

die Beziehung für den Zündzeitpunkt t.:

R₁

Durch entsprechende Dimensionierung der Widerstände 17, 18 und 22 und der Induktivität der Spule 21 erreicht man:

t - ^Rl1

UL-)

ω ■ U_1n

wobei Ri7, Ra und R22 für einen bestimmten Betriebszustand auszulegen sind, beispielsweise mit

. r> ^ωπιαχ
Λ₂₂ = j

ist eine optimale Anpassung der Kommutierzeit an alle Betriebszustände gewährleistet

Läßt man die Voraussetzung R^ = R20 fallen, so erhält man für die Schon- und Kommutierzeit in gleicher Weise die Beziehung:

worin U\o der Spitzenwert der Lastspannung ist. Im Schnittpunkt der drei Meßsignale, der durch den Operationsverstärker 25 festgestellt wird, d.h. für

U₁ -(U₂ + U₃) = 0
erhält man mit

cot = n — cot_z
unter der Annahme

^1

R₂

■ = t, + t_k

ίο Die angegebenen
Voraussetzung

71
ml, <£ — .

Beziehungen stimmen für die

Diese Annahme ist bei sehr großen Schwingkreisfrequenzen nicht mehr gerechtfertigt Um auch diesen Betriebszustand zu berücksichtigen, ist in F i g. 1 den ohmschen Widerständen 17 und 18 des Spannungsteilers 16 ein spannungsabhängiger Widerstand 27, ein sogenannter Varistor, parallelgeschaltet der in der F i g. 1 gestrichelt eingezeichnet ist Zur Kompensation des Frequenzgangs der Spule 21 kann außerdem dem Widerstand 20 des Spannungsteilers 19 ein Kondensator 28 gegebenenfalls in Serie mit einem Widerstand 29 parallel geschaltet sein, die in F i g. 1 ebenfalls gestrichelt eingezeichnet sind.

Eine Möglichkeit zur Unterdrückung eventueller Fehlimpulse nach dem Zündzeitpunkt t_z besteht darin, das Meßsignal t/3 aus der Integration des Laststromes Iw(t) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündzeitpunkten t_z abzuleiten.

F i g. 2 zeigt eine Abwandlung des Triggerimpulsgebers 13 nach F i g. 1, bei der diese Möglichkeit der Fehlimpulsunterdrückung ausgeschöpft ist Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung des Stromwandlers 23 nicht direkt mit den Anschlüssen 22a und 22Zj des Widerstands 22 verbunden. Es ist vielmehr über den Abgriff eines Widerstandes 30 und Widerstände 31 und 32 ein mit einem Kondensator 33 als Integrator 34 beschalteter Operationsverstärker 35 zwischengeschaltet Als Integrator kann auch ein i?C-G!ied verwendet werden, dessen Widerstand zwischen den Abgriff des Widerstandes 30 und den Verbindungspunkt 22a geschaltet ist und dessen Kondensator dem Widerstand 22 parallel liegt Mit dieser Ausführungsform erhält man ein Meßsignal

worin (o_max, Uwmax und I_Wmix die betriebsmäßigen Spitzenwerte für ω, U_i0 und /^und tt die Kommutierzeit bei diesen betriebsmäßigen Spitzenwerten ist

Mit dieser Dimensionierung wird einerseits die konstante, mindestens der Freiwerdezeit der Thyristoren entsprechende Schonzeit t_s eingehalten, andererseits wird eine Kommutierzeit &bei der Festlegung des Zündzeitpunktes ^berücksichtigt, die vom momentanen Wechselrichterausgangsstrom Iw, von der momentanen Schwingkreisfrequenz und vom Spitzenwert £/10 der momentanen Schwingkreisspannung U_s abhängt Damit

'I

7(r)dt,

mit

Mit dem Meßsignal U₃ ist sichergestellt, daß in jeder Halbwelle der Lastspannung lediglich ein Schnittpunkt zwischen dem Meßsignal U\ und der Summenspannung U₂ + U₃ auftritt und damit Fehlimpulse ohne weitere Maßnahmen unterdrückt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Zündwinkelsteuerung eines mit Thyristoren ausgerüsteten Schwingkreiswechselrichters mit einem Triggerimpulsgeber, dessen Ausgang mit dem Triggereingang des Steuersatzes für die Thyristoren des Wechselrichters verbunden ist, wobei der Triggerimpulsgeber einen Übertrager, dessen Primärwicklung mit dem Wechselrichterausgang verbunden ist und einen in die Wechselrichterausgangsleitung geschalteten Stromfühler aufweist und die Sekundärwicklung des Übertragers eine Mittelanzapfung besitzt, wobei der Sekundärwicklung ein Widerstände und ein 90°-phasenverschiebendes Bauelement enthaltendes Netzwerk nachgeschaltet ist, mit dem ein erstes und zweites Meßsignal gewonnen wird, wovon das erste Meßsignal der Lastspannung und das zweite Meßsignal der zeitlichen Ableitung der Lastspannung proportional ist und deren Spitzenwerte durch die Widerstände und das phasenverschiebende Bauelement bestimmt sind, wobei mit dem Stromfühler ein dem Laststrom proportionales drittes Meßsignal gewonnen wird, dessen Spitzenwert mit dem Stromfühler nachgeschalteten Widerständen bestimmt ist, wobei die drei Meßsignale einem mit dem Ausgang des Triggerimpulsgebers verbundenen Grenzwertmelder zugeführt sind, der anspricht, wenn die additive Verknüpfung der drei Meßsignale Null ist und wobei die Spitzenwerte der drei Meßsignale so eingestellt sind, daß bei unterschiedlichen Betriebszuständen die Thyristoren des Wechselrichters unter Einhaltung der jeweiligen Kommutierzeit des Wechselrichters und der für die Thyristoren notwendigen Schonzeit vor jedem Nulldurchgang der Wechselrichterausgangsspannung gezündet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beide Anschlüsse der Sekundärwicklung (15b) des Übertragers (15) und deren Mittelanzapfung (15c) je ein Spannungsteiler (16, 19) geschaltet ist, daß der eine Spannungsteiler (16) aus zwei in Serie geschalteten ohmschen Widerständen (17, 18) besteht, deren Verbindungspunkt (24) mit einem Eingang eines als Grenzwertmelder dienenden Operationsverstärkers (25) verbunden ist, daß zum anderen Spannungsteiler (19) ein erster Widerstand (20), eine Spule (21) als phasenverschiebendes Bauelement und ein zweiter Widerstand (22) in Serie geschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt (26) zwischen Spule (21) und erstem Widerstand (20) mit dem zweiten Eingang 'des Operationsverstärkers (25) verbunden ist und wobei die Anschlüsse (22a, 22b) des zweiten Widerstandes (22) mit den Ausgängen des Stromfühlers (23) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte und die Induktivität der Spannungsteiler (16, 19) so dimensioniert sind, daß der Spitzenwert des zweiten Meßsignals (U₂) gleich

max ^iOmax

und der Spitzenwert des dritten Meßsignals gleich

'max UlO max

—ι

quenz, U\omax der größte betriebsmäßige Spitzenwert der Lastspannung und /„o der größte betriebsmäßige Spitzenwert des Laststromes, t_s die Schonzeit und f* die diesen Betriebswerten zugeordnete Kommutierzeit ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromfühler (23) ein Integrator (34) nachgeschaltet ist

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Widerstand (20) ein Kondensator (28) parallelgeschaltet ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Widerständen (17, 18) des nur aus ohmschen Widerständen aufgebauten Spannungsteilers (16) ein spannungsabhängiger Widerstand (27) parallelgeschaltet ist