DE2541700A1 - Umrichter und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Umrichter und verfahren zu seinem betrieb

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DE2541700A1 DE19752541700 DE2541700A DE2541700A1 DE 2541700 A1 DE2541700 A1 DE 2541700A1 DE 19752541700 DE19752541700 DE 19752541700 DE 2541700 A DE2541700 A DE 2541700A DE 2541700 A1 DE2541700 A1 DE 2541700A1
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Description

Λ 17. SEP. 1975
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT 3 Erlangen, den Berlin und München Werner-von-Siemens-Straße
Unser Zeichen: VPA 75 P 3174 BRD Soe 21 Sie
Umrichter und Verfahren zu seinem Betrieb
Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit einem Wechselrichter mit steuerbaren Stromrichterventilen in Brückenschaltung, dessen Ausgangsklemmen mit einem Parallelschwingkreis und dessen Eingangsklemmen über einen Gleichstromzwischenkreis mit Glättungsdrossel und einen steuerbaren Gleichrichter mit einer Wechsel-Spannungsquelle verbunden sind, wobei die Eingangsklemmen des Wechselrichters von einer Hilfskominutierungseinrichtung überbrückt sind, die Thyristoren in einer Brückenschaltung enthält, zwischen deren Wechselstromausgängen ein Kondensator liegt und ein Verfahren zum Betrieb, insbesondere zur Inbetriebnahme des Umrichters, bei dem während der Anfahrphase Thyristoren einander zugeordneter diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters und der Hilfskommutierungseinrichtung vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung gezündet werden und bei dem nach Beendigung der Anfahrphase nur Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters gezündet werden und die Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung ungezündet bleiben.
Ein solcher Umrichter und ein solches Betriebsverfahren sind aus der DT-OS 2 056 847 bekannt. Umrichter mit einem Parallelschwingkreis als Last sind im eingeschwungenen Zustand lastgeführt und die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters wird von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt. Der Strom geht dabei in direkter Kommutierung von einem Brückenzweig des Wechselrichters auf den nachfolgend stromführenden über, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator des Parallelschwingkreises zur Verfügung gestellt wird. In der Anfahrphase reicht die Ladung des Kondensators zur direkten Kommutierung nicht aus und es muß daher während dieses Zeitraumes indirekt kommutiert werden. Dazu ist beim bekannten Umrichter eine Hilfskommutierungseinrichtung vorgesehen, die aus einem mit einer Gleichspannungsquelle nach-
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ladbaren Kondensator besteht, der zu den Gleichspannungsklemmen der Brückenschaltung aus Thyristoren in Reihe geschaltet ist. Die Wechselspannungsklemmen der Brückenschaltung sind über die Reihenschaltung einer Drossel und eines weiteren Kondensators verbunden. Außerdem ist bei dem bekannten Umrichter als Vorstromeinrichtung die Reihenschaltung eines Thyristors und eines Kondensators vorgesehen, dem ein Widerstand parallel geschaltet ist und mit der die Eingangsklemmen des Wechselrichters ebenfalls überbrückt sind. Zum Anfahren wird beim bekannten Umrichter der Thyristor der Vorstromeinrichtung gezündet, bis ein Strom vorgegebener Größe in der Glättungsdrossel fließt. Ist dieser Strom erreicht, so werden Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters gezündet, es fließt nun Strom über die Last, der eine Schwingung anregt und der Thyristor der Vorstromeinrichtung erlischt. Kurz vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung werden anschließend die vorher nicht leitenden Thyristoren des Wechselrichters und Thyristoren in den zugehörigen diagonalen Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet. Die Spannung des nachladbaren Kondensators der Hilfskommutierungseinrichtung liegt nun als negative Sperrspannung an den Thyristoren des Wechselrichters und löscht die bisher stromführenden Thyristoren. Nun wächst die Spannung am Kondensator der Brückenschaltung der Hilfskommutierungseinrichtung an, bis die gezündeten Thyristoren des Wechselrichters den Strom übernehmen können, worauf die stromführenden Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung erlöschen. Pur diesen Spannungsanstieg am Kondensator der Brückenschaltung ist die Drossel erforderlich, die mit diesem Kondensator in Reihe geschaltet ist. Dieses Schaltspiel wiederholt sich kurz vor jedem nachfolgenden Nulldurchgang der Schwingkreisspannung. Dabei lädt sich der Kondensator der Brückenschaltung der Hilfskommutierungseinrichtung immer mehr auf und seine Spannung wirkt der Spannung des nachladbaren Kondensators entgegen, so daß die Hilfskommutierungseinrichtung nach einer gewissen Zeitspanne wirkungslos wird, womit die Anfahrphase beendet ist, da nun die Schwingkreisspannung des Umrichters zur direkten Kommutierung ausreicht und der Umrichter im Normalbetrieb arbeitet. Der bekannte Umrichter ist
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während der Anfahrphaae nicht last-, sondern mit der Frequenz der Schwingkreisspannung selbstgeführt. Dieser Vorteil wird jedoch mit einem großen Aufwand erreicht. Insbesondere ist eine zusätzliche Stromversorgung zum Laden des Kondensators in der Hilfskommutierungseinrichtung erforderlich.
Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art zu vereinfachen und gleichzeitig seinen Betrieb während der Anfahrphase zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hilfskommutierungseinrichtung nur aus der Brückenschaltung von Thyristoren besteht und ihre Wechselstromausgänge nur mit dem Kondensator verbunden sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Umrichter ist für die indirekte Kommu-
tierung während der Anfahrphase eine zusätzliche Stromversorgung nicht erforderlich. Außerdem ist gegenüber dem bekannten Umrich-. ter die Drossel in der Hilfskommutierungseinrichtung eingespart und die Hilfskommutierungseinrichtung ist nur für einen Bruchteil der Schwingkreisleistung auszulegen, weswegen ein Kondensator kleiner Kapazität und Thyristoren geringer Belastbarkeit in der Hilfskommutierungseinrichtung eingesetzt werden können. Außerdem kann auf die Vorstromeinrichtung des bekannten Umrichters verzichtet werden. Der erfindungsgemäße Umrichter ist daher wesentlich wirtschaftlicher zu fertigen.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb, insbesondere zum Anfahren des erfindungsgemäßen Umrichters, werden zum Betriebsbeginn Thyristoren in zwei diagonalen Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet und bleiben stromführend bis die Spannung am Kondensator der Hilfskommutierungseinrichtung einen vorgegebenen Wert erreicht hat, bei Erreichen dieser Spannung werden Thyristoren in zwei diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters gezündet und bleiben stromführend bis ein Strom vorgegebener Größe fließt, der während der gesamten Anfahrphase durch Steuerung des Gleichrichters konstant gehalten
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wird, nach Erreichen dieses Stromes werden Thyristoren nachfolgend stromführender Brückenzweige der Hilfskommutierungseinrichtung und um eine konstante Zeitspanne verzögert Thyristoren nachfolgend stromführender Brückenzweige des Wechselrichters gezündet, wobei die Zeitspanne von der Spannung und dem Strom vorgegebener Größe abhängig ißt, anschließend werden vor jedem Nulldurchgang Thyristoren von Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung und um die konstante Zeitspanne verzögert die zugeordneten Thyristoren des Wechselrichters gezündet. Dieses Schaltspiel wird fortgeführt, bis eine Schwingkreisspannung vorgegebener Größe erreicht ist, die zur direkten Kommutierung ausreicht.
Mit diesem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren erreicht man bei vereinfachter Steuerung ein. sanftes Anfahren des Umrichters. Während des Anfahrens ist keine zusätzliche Istwerterfassung nötig, sondern die zur Steuerung benötigten Meßgrößen werden mit den zur Steuerung im Normalbetrieb nötigen Meßfühler erhalten, wobei auch die Schonzeit für die Zündung der Thyristoren des Wechselrichters berücksichtigt werden kann. Außerdem arbeitet der Umrichter wegen der Einstellung des konstanten Vorstromes mit den Wechselrichterventilen stromunabhängig und kann mit unterschiedlicher Last anfahren.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichter und das Verfahren zu seinem Betrieb beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein Schaltbeispiel eines erfindungsgemäßen Umrichters. Ein Wechselrichter 1 ist aus Thyristoren 2, 3, 4 und 5 in Einphasenbrückenschaltung aufgebaut, über die Ausgangsklemmen bzw. Wechselstromanschlüsse 6 des Wechselrichters 1 wird ein Parallelschwingkreis 7 als Last gespeist, der aus der Parallelschaltung einer Drossel 7a und eines Kondensators 7b besteht. Die Eingangsklemmen 8 des Wechselrichters 1 sind über einen Gleichstromzwischenkreis 9 mit Glättungsdrossel 10 und einen Gleichrichter 11 mit einem Drehstromnetz verbunden, das an den Klem-
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men 12 liegt. Der Gleichrichter 11 ist aus Thyristoren 11a bis 11f in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Die Eingangsklemmen 8 des Wechselrichters 1 sind von einer Hilfskommutierungseinrichtung 13 überbrückt, die aus Thyristoren 14 bis 17 in Brückenschaltung aufgebaut ist. Dabei liegen die Gleichstromanschlüsse 18 der Brückenschaltung an den Eingangs- bzw. Gleichstromklemmen 8 des Wechselrichters 1 und die Wechselstromanschlüsse 19 der Brückenschaltung sind mit einem Kondensator 20 verbunden. !Für die Thyristoren 2 bis 5> 11a bis 11f und 14 bis 17 des Wechselrichters 1, des steuerbaren Gleichrichters 11 und der Hilfskommutierungseinrichtung 13 sind Steuereinrichtungen vorzusehen, die in der Figur nicht dargestellt sind, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Solche Steuersätze für einen Gleichrichter sind beispielsweise in dem Buch von G. Möltgen "Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren" Herausgeber und Verlag: Siemens AG 1967, S. 275 oder 280 und für einen Wechselrichter beispielsweise in dem Buch von D. Ernst und D. Ströle "Industrieelektronik" Springer-Verlag 1973, S. 54 und 55 beschrieben, wobei der letztgenannte Steuersatz auch zur Zündung der Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung benutzt werden kann. Als Istwertgeber für die Steuerung sind außerdem noch Stromwandler in der Speiseleitung des Gleichrichters 11 und eine Spannungserfassung am Schwingkreis 7 vorzusehen. Diese Istwertgeber, die auch für den Normalbetrieb des Umrichters erforderlich sind, sind in die Figur nicht eingezeichnet, sie sind beispielsweise aus der obengenannten DT-OS 2 056 847 bekannt.
Im normalen Betriebszustand werden wechselweise die Thyristoren und 5 oder 3 und 4 der diagonalen Brückenzweige des Wechselrichters 1 mit der Frequenz der Schwingkreisspannung des Parallelschwingkreises 7 gezündet. Die Zündung erfolgt unter Berücksichtigung der Schonzeit der Thyristoren kurz vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung. Dabei wird von einem Stromrichterzweig auf den nachfolgend stromführenden Stromrichterzweig direkt kommutiert, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator 7b des Parallelschwingkreises 7 zur Verfugung gestellt wird. In der Anfahrphase reicht die Ladung des Kondensators 7b zur.direkten Kommutierung nicht aus. Es muß daher in diesem Betriebszu-
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stand indirekt kommutiert werden, wobei gleichzeitig dafür gesorgt werden muß, daß der Schwingkreiskondensator 7b möglichst schnell eine Ladung erhält, die zur direkten Kommutierung ausreicht, um im Normalbetrieb arbeiten zu können. Der Betrieb des Umrichters gemäß Figur 1 in der Anfahrphase wird anhand der Figur 2 näher erläutert, in der der Strom I. in der Glättungsdrossel, die Zwischenkreisspannung TJ2 an den Eingangs- bzw. Gleichstromklemmen 8 und die Schwingkreisspannung ur am Kondensator 7b des Parallelschwingkreises 7 über der Zeit t aufgetragen sind. Bei Betriebsbeginn werden die Thyristoren 14 und 17 oder 15 und 16 in zwei diagonalen Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung 13 gezündet. Für das folgende sei angenommen, daß die Thyristoren 15 und 16 gezündet wurden. Die Thyristoren bleiben für eine Zeitspanne ^t1 stromführend, bis eine Spannung TJ der in der Figur angegebenen Polarität am Kondensator 13 erreicht ist. Am Ende der Zeitspanne ^t1, d.h. bei Erreichen der Spannung U , werden
I CO
Thyristoren 2 und 5 oder 3 und 4 in zwei diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters 1 gezündet. Für das folgende sei angenommen, daß die Thyristoren 2 und 5 gezündet werden. Diese Thyristoren 2 und 5 bleiben für eine Zeitspanne ^t2 stromführend, in der sich ein Vorstrom I, vorgegebener Größe einstellt. Dieser Vorstrom I, wird beispielsweise mit den nicht dargestellten Stromwandlern in der Speiseleitung des Gleichrichters 11 erfaßt und während der gesamtem Anfahrphase durch die Steuerung der Thyristoren 11a bis 11f des Gleichrichters 11 konstant gehalten. Hat der Strom die vorgegebene Größe I, erreicht, so werden die Thyristoren 14 und 17 in nachfolgend stromführenden Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung 13 gezündet. Die Spannung des Kondensators 20 liegt nun als negative Sperrspannung an den Thyristoren des Wechselrichters 1 und die stromführenden Thyristoren 2 und 5 werden gesperrt. In einer konstanten Zeitspanne ^ wird der Kondensator 20 von - U nach + U umgeladen. Diese
CO CO
Zeitspanne ist durch die Kapazität G^- des Kondensators 13 und durch die Spannung TJ und den Strom I. gemäß der Beziehung A tQ = 2 Uco · C13
gegeben.
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Nach der Umladung, d.h. nach Ablauf der konstanten Zeitspanne /\ t werden die Thyristoren 3 und 4 der nachfolgend stromführenden Brückenzweige des Wechselrichters 1 gezündet, übernehmen den Strom und die stromführenden Thyristoren 15 und 16 erlöschen. Nun fließt Strom über die Last 7, der den Kondensator 7b lädt und eine Schwingung im Parallelschwingkreis anregt. Nach Ablauf einer von der Schwingungsfrequenz abhängigen Zeitspanne <Δΐ, werden kurz vor oder im ersten Nulldurchgang der Schwingkreisspannung U_ die Thyristoren 15 und 16 der nachfolgenden Brückenzweige der Hilfskommutierungseinrichtung 13 und nach Ablauf der konstanten Zündverzögerung die Thyristoren 2 und 4 des Wechselrichters 1 gezündet, wobei der genaue Zeitpunkt von der Schonzeiterfassung für die Thyristoren des Wechselrichters 1 abhängt. Die so ausgelöste indirekte Kommutierung erfolgt in der oben beschriebenen Weise. Nach Ablauf der Zeitspanne Δ t,, d.h. vor dem nächsten Nulldurchgang der Schwingkreisspannung U wiederholt sich dieses Schaltspiel und wird fortgeführt, wobei die Schwingkreisspannung U_ immer größer wird, wie Figur 2 zeigt, bis sie einen Wert vorgegebener Größe U„„ erreicht hat, der zur
so
direkten Kommutierung ausreicht. Dann bleiben die Thyristoren 14 bis 17 der Hilfskommutierungseinrichtung 13 μ^βζΰηαβΐ, der Normalbetrieb beginnt und auch der Strom I^ wird nicht mehr konstant gehalten, sondern wächst an. Es ist hier anzuführen, daß in Figur 2 nur einige Schaltspiele dargestellt sind. In Wirklichkeit wird die indirekte Kommutierung in der Anlaufphase wesentlich öfter wiederholt. Anzumerken ist noch, daß das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem Kommutierungskondensatoren während einer konstanten Zeitspanne umgeladen werden, die von einem konstanten Vorstrom und der Anfangsladung der Kommutierungskondensatoren abhängt, auch bei Umrichtern mit abgewandelter Hilfskommutierungseinrichtung eingesetzt werden kann.
Figur 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Figur 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zur Hilfskoramutierungseinrichtung 13 ein Thyristor 21 in Serie geschaltet. Dieser Thyristor 21 wird bei jeder Zündung von Thyristoren 14 bis 17 mitgezündet. Seine Aufgabe ist es, nach der Anfahrphase im Normalbetrieb die
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volle Schwingkreisspannung zu übernehmen. Die Thyristoren 14 bis 17 können dementsprechend für eine wesentlich geringere Spannungsbelastung ausgelegt werden, was die Anlage weiter verbilligt. Außerdem ist im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 der Hilfskomrautierungseinrichtung 13 ein Schalter 22 parallel geschaltet. Dieser Schalter 22 wirkt als Überspannungsschutz und wird geschlossen, wenn die Schwingkreisspannung einen bestimmten Wert überschreitet, wobei der Thyristor 21 zum Kurzschließen der Thyristoren 2 bis 5 des Wechselrichters 1 benutzt wird.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Umrichter das Anfahren wesentlich vereinfacht und verbessert ist, wobei nochmals zu betonen ist, daß das Anfahren sehr sanft erfolgt, Dabei ist für die indirekte Kommutierung während der Anfahrphase eine zusätzliche Stromversorgung nicht erforderlich und es werden zur Zündung und Steuerung nur die Größen benötigt, die auch für den Normalbetrieb erfaßt werden müssen, so daß keine zusätzlichen Meßfühler für das Anfahren erforderlich sind, was den Aufbau und die Steuerung wesentlich vereinfacht. Außerdem kann die Hilfskommutierungseinrichtung für einen Bruchteil der Schwingkreisleistung ausgelegt werden, d.h. die Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung brauchen nur eine geringe Belastbarkeit zu besitzen und der Kommutierungskondensator kann klein, beispielsweise in der Größe von 5 V- P gewählt werden.
4 Patentansprüche
3 Figuren
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Claims (4)

VPA 75 P 3174 BRD Patentansprüche
1. Umrichter mit einem Wechselrichter mit Thyristoren in Brücken- · schaltung, dessen Ausgangsklemmen mit einem Parallelschwingkreis und dessen Eingangsklemmen über einen Gleichstromzwischenkreis mit Glättungsdrossel und einen steuerbaren Gleichrichter mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, wobei die Eingangsklemmen des Wechselrichters von einer Hilfskommutierungseinrichtung überbrückt sind, die Thyristoren in Brückenschaltung enthält, und zwischen deren Wechseletromausgängen ein Kondensator liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskommutierungseinrichtung (13) nur aus der Brückenschaltung von Thyristoren (14 bis 17) besteht und ihre Wechselstromausgänge (19) nur mit dem Kondensator verbunden sind.
2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hilfskommutierungseinrichtung (13) ein Thyristor (21) in Reihe geschaltet ist.
3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskommutierungseinrichtung (13) ein Schalter (22) parallel geschaltet ist.
4. Verfahren, insbesondere zum Betrieb eines Umrichters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem während der Anfahrphase Thyristoren einander zugeordneter diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters und der Hilfskommutierungseinrichtung vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung gezündet werden und bei dem nach Beendigung der Anfahrphase nur Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters gezündet werden und die Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung ungezündet bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betriebsbeginn Thyristoren (14, 17 oder 15, 16) in zwei diagonalen Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung (13) gezündet werden und stromführend bleiben, bis die Spannung (U ) am Kondensator (20) der Hilfskommutierungseinrichtung eine vorgegebene Größe (U ) erreicht hat, daß bei Erreichen dieser Spannung Thyristoren (2, 5 oder 3> 4) in zwei
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diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters (1) gezündet werden und stromführend bleiben, bis ein Strom (Ij) vorgegebener Größe (Ij0) fließt, der während der gesamten Anfahrphase durch Steuerung des Gleichrichters (11) konstant gehalten wird, daß nach Erreichen dieses Stromes Thyristoren nachfolgend stromführender Brückenzweige der Hilfskommutierungseinrichtung und um eine konstante Zeitspanne ( ^t) verzögert Thyristoren nachfolgend stromführender Brückenzweige des Wechselrichters gezündet werden, wobei die Zeitspanne von der Spannung (U ) und dem Strom (I- ) vorgegebener Größe abhängig ist und daß anschließend vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung (U8) Thyristoren von Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung und um die konstante Zeitspanne (At) verzögert die zugeordneten Thyristoren des Wechselrichters gezündet werden, und daß dieses Schaltspiel fortgeführt wird, bis eine Schwingkreisspannung vorgegebener Größe (Ua_) erreicht ist, die zur direkten Kommutierung ausreicht.
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