DE2715930A1 - Wechselrichter - Google Patents
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Description
PATENTANWALT DIPL-INQ. JOACHIM STRASSE
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(8566l
Acorn Park
(5178716 USJ E/Re - 11
Die Erfindung Dezieht sich auf einen natürlich kommutierten
Wechsel rlchter.
Die vorliegende Erfindung betrifft Wechselrichter im allgemeinen und Im besonderen einen Wechselrichter, der für das
Arbeiten In eine unter Strom stehende Last ausgelegt ist.
Die ursprüngliche Arbeit über Wechselrichter wurde in Deutschland während der Dreißiger Jahre ausgeführt, wobei Quecksilberdampf-Stromrichter benutzt wurden,um Energie von 50 Hz in
Energie von 16 2/3 Hz für Fahrmotoren elektrischer Eisenbahnen zu erzeugen. Während eine beträchtliche Entwicklungsarbeit geleistet wurde, war die praktische Anwendung von Wechselrichtern
bis in die jüngste Zeit durch übermäßig hohe Kosten der Einrichtung begrenzt.
Die Bedeutendste Anwendung oder vorgeschlagene Anwendung von
Wechselrichtern war in der Funktion der Frequenzumwandlung für
Starkstromsysteme. Das wesentliche Element eines Wechselrichters
ist die paarweise Anordnung von phasengesteuerten Gleichrichtern
in inverser Parallelschaltung mit Modulation der Impulsauslösung,
um ein wechselndes Ausgängssignal zu erhalten. Die Frequenz
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des Ausgangssignals ist gewöhnlich niedriger als die Frequenz
der SignaIqueI Ie. Im allgemeinen lag die klassische Verwendung
von «lechse I ri entern in der Rolle als Umwandler, die In
Kategorien eingeteilt werden können, je nachdem, ob die Eingangs- oder Ausgangsfrequenz veränderlich oder konstant Ist.
0Ie vier möglichen Kombinationen mit Beispielen für Ihre Verwendung sind nachstehend aufgeführt:
1. Konstante Frequenz des Eingangs- und Ausgangssignals:
Eine der früheren Anwendungen war diejenige der deutschen Arbeit üoer Fahrmotoren, die oben erwähnt wurde.
2. Veränderliche Frequenz des Eingangssignals, konstante Frequenz
des Ausgangssignals:
Generatorsysteme für Flugzeuge stellen eine wichtige Anwendung dieser Klasse dar.
3. Konstante Frequenz des Eingangssignals, veränderliche
Frequenz des Ausgangssignals:
Derartige Systeme finden in verschiedenen Arten von Motorantrieben für veränderliche Geschwindigkeiten Verwendung.
4. Veränderliche Frequenz des Eingangssignals, einstellbare
Frequenz des Ausgangssignals:
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Bord befindlichen Hauptmotor anwendbar. Der Hauptmotor könnte damit im Geschwindigkeitsbereich mit dem größten Wirkungsgrad
oetrieben werden. Das Transportmittel könnte sich mit irgend
einer gewünschten Geschwindigkeit bewegen.
Ein wesentliches Kennzeichen all dieser früheren Anwendungen besteht darin, daß sie alle in passive Lasten einspeisen. Der
Wechselrichter erzeugt die Leistung, die der Versorgung der
Last dient, von der Spannungsquelle, die den Wechselrichter
speist.
Wechselrichter können gemäß Ihrer Eigenschaft, natürlich durch
die VersorgungswechseI spannung oder zwangsweise durch externe Quellen zu kommutleren, eingeteilt werden. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf Wechselrichter der Gattung mit
natürlicher Kommutierung.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
liefert die Spannungswelle, die im Wechselrichter hergestellt
wird, nur einen unbedeutenden Bruchteil der gesamten Leistung für die Last. Eine externe Quelle für den Wechselrichter stellt
die Leistung für die Last zur Verfugung. Die Versorgungsspannung
für den Wechselrichter kann der externen Quelle, die die Last
mit Leistung versorgt, oder einer anderen Quelle entnommen werden. Der Laststrom fließt zwar durch den Wechselrichter,
neigt jedoch nicht zu einer wechselseitigen Beeinflussung mit
der im Wechselrichter hergestellten SpannungsweI Ienform, da
er von Spannungen getrieben wird, die zum Wechselrichter extern
sind. Hauptsächlich in dieser Hinsicht steht die vorliegende
Erfindung in hervorstechendem Gegensatz zum gesamten bekannten Stand der Technik, der sich auf die Technologie von Wechselrichtern bezieht.
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Das Ausmaß der Abweichung von der herkömmlichen Praxis
kann durch die Betrachtung der Anwendung für die diese Erfindung gemacht wurde, richtig eingeschätzt werden. In dieser
ersten Anwendung wird ein Wechselrichter zur Zusammensetzung
einer einphasigen Spannungswellenform eingesetzt, die den Spannungen der drei Phasen einer elektrischen Starkstromverteilungsleitung überlagert wird. Diese überlagerte Spannung
wird durch die Einspeisung zwischen dem Sternpunkt der im Stern geschalteten Sekundärseite des Unterstationstransformators
und dem geerdeten Nulleiter eingeprägt, der allen Phasen der VerteiIungsI eitung gemeinsam ist. Die überlagerte Spannung wird
lediglich dazu benutzt, zur normalen Versorgungsspannung ein Signal hinzuzufügen, das digitale Information an den Punkten
darstellen soll, die von der VerteiIungsI eltung bedient werden.
Der durch den Wechselrichter fließende Strom ist in diesem Fall
der Nulleiterstrom der VerteiIungsle Itung. Dieser richtet sich
nach der Unsymmetrie der Lasten zwischen den drei Phasen. Demgemäß ist seine Phasenlage völlig unvorhersagbar. In Wirklichkeit enthält dieser Nulleiterstrom beträchllche Anteile an
dritter Harmonischer. Dementsprechend kann er erheblich von einer einfachen 60 Hz-Welle mit unbekannter Phase aoweichen.
Die Spannungswellenform, die zu den drei Phasenspannungen hinzugefügt wird, muß in einer genau definierten Phasenbeziehung zu den
Spannungen stehen, die die Leistung in die VerteiIungsIeItung einspeisen. Dies setzt voraus, daß die Eingangsspannungswelle für
den Wechselrichter von denjenigen Spannungen abgeleitet wird,
die die Verteilungsleitung versorgen, und daß unbekannte Phasenverschiebungen im Wechselrichter an sich vermieden werden müssen.
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Es ist diese letzte Überlegung zur Vermeidung unbekannter
PhasenverschleDungen Innerhalb des Wechselrichters, die die
Verwendung eines Wechselrichters der hü I Ikurvenart für das
oesondere Anwendungsgebiet erforderlich macht, für das diese
neue Technologie ersonnen wurde.
Es sollte jedoch beachtet werden, daß diese neue Technologie auf Wechselrichter anwendbar ist, In denen unbekannte Phasenverschiebungen vorkommen. Der wichtige Gesichtspunkt ist der
Umfang der Phasenverschiebung, die zugelassen werden kann.
Wenn man sich entschlossen hätte, statt eine Einphasenspannung
in den Nulleiter einzuspeisen, individuelle SignaI spannungen
jeder Pnase aufzuprägen, dann könnte einige Unbestimmtheit in
der Phasenverschiebung des überlagerten Signals zugelassen
werden.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt hinsichtlich der neuen
Technologie Dezieht sich auf fehlersichere Vorkehrungen, die
In der Ausführung des Wechselrichters enthalten sein müssen.
In der ooen erwähnten Anwendung tritt der Wechselrichter als
leitendes bauelement irr Nulleiter der elektrischen Verteilungsleitung in Erscheinung. Der gesamte Nu I IeIterstrom muß durch den
Wechselrichter oder durch eine schützende UoerbrückungsschaItung
fließen. Im Falle einer Störung auf der Vertel IungsI eitung können
Ströme, deren Größen sich 10 000 Ampere nähern, Im Nulleiter
auftreten. Es ist dabei zwingend, daß der Stromdurchgang erhalten bleibt, so daß übermäßig nohe Spannungen nicht zwischen
der Phase und dem Nulleiter auf der Vertel Iungsle Itung entstehen
können. Das Versäumnis, für diese fehlersichere Wirkung zu sorgen,
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könnte zu unzulässig hohen Spannungen führen, die dem Abnehmer
bei bestimmten Arten von Störungen mit der Folge zugeführt
würden, daß die Einrichtung Im Anwesen des Abnehmers zerstört
werden könnte.
Wenn der Wechselrichter die Energie für die Last zur Verfügung
stellt, wie dies bei früheren Anwendungen der Fall war, dann
wird die Stromwellenform, durch die im Wechselrichter zusammengesetzte Welle und die Impedanz der Last bestimmt. Bei dieser
Erfindung wird die Stromwellenform nicht durch die vom Wechselrichter erzeugte Welle bestimmt, und die Nu I Idurchgänge des
Stroms stehen nicht in Beziehung zu den Nu I I durchgängen der Versorgungsspannung des Wechselrichters. Dies macht eine Zündtechnologie notwendig, die hervorstehend von derjenigen der durchgesetzten Praxis verschieden Ist. Die neue Zündtechnologie und
die schützende oder fehlersichere Schaltung sind zusätzliche neue
Elemente dieser Erfindung.
Vor dem übergang zu einer detaillierten Betrachtung der bevorzugten Ausführungsform Kann es nützlich sein, kurz einige
Eigenschaften des WeIlensyntheseverfahrens In Wechselrichtern
zu erwägen.
Die Hauptwelle wird aus aufeinanderfolgenden Abschnitten hervorgebracht, die von den Eingangsspannungen ausgewählt werden.
Oft Ist eine Vielzahl von Eingangsspannungen vorhanden, die aus
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Ai
sinusförmigen We I I en formen mit verschiedener Phase aber gleicher
Größe bestehen. Dies ist die gewöhnlich zutreffende Bedingung,
wenn ein WechieIrienter als Frequenzwandler für ein Starkstromnetz benutzt wird. Wenn die Hauptwelle aus Abschnitten sinusförmiger Wellen von gleicher Amplitude zusammengesetzt wird,
dann zeigt diese Hauptwelle üblicherweise einen sägezahnförmigen
Aufbau. Es kann notwendig sein, sich auf die Verwendung von Induktivitäten zu verlassen, um die diskontinuierlichen Stellen
zu glätten, damit eine Wellenform erzielt wird, die sich der gewünschten Welle zufriedenstellend nähert.
Wenn Induktivitäten zur Glättung der spitzen Diskontinuitäten
In der Hauptwelle benutzt werden, ist es unvermeidbar, daß
eine Phasenverschiebung durch den Fluß des Stroms in der Induktivität entsteht. Dies ist ohne üedeutung, wenn der Wechselrichter als hauptsächliche oder einzige Energieversorgung für
die Last verwendet wird. Wenn aber die im Wechselrichter zusammengesetzte Spannung eine bestimmte Phasenbeziehung zur
Hauptspannung, die die Last mit Energie versorgt, einhalten muß, dann können unbekannte Phasenverschiebungen nicht zugelassen
werden. Die Unsicherheit über die Phasenverschiebung wird noch
viel größer für den Fall, daß der durch den Wechselrichter
fließende Strom von tiedlngungen aDhängt, die vollkommen außerhalb
des Wechselrichters liegen. In dieser ursprünglichen Anwendung,
bei der ein Wechselrichter eine gewünschte Wellenform In den Nullleiter der dreiphasigen Vertei IungsIeItung einprägen soll. Ist das
Auftreten einer bedeutsamen Phasenverschiebung von unbestimmter
und veränderlicher Größe nicht annehmbar.
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Es war deshalb für diese erste Anwendung der neuen Technologie
erwünscht, daß Induktivitäten zur Giättung scharfer Diskontinuitäten vermieden werden sollten. In dem besonderen
Fall, wo die Frequenz der Versorgungsspannung größer als die
Frequenz der zu erzeugenden Wellenform 1st, besteht manchmal die Möglichkeit, eine annehmbare Wellenform in einem Wechselrichter der Hü I Ikurvenart ohne irgendwelche GIättungsInduktIvltäten
zu erzeugen. Flg. t macht die Art und Weise anschaulich, wie •Ine sinusförmige Welle von 30 Hz aus sinusförmigen Abschnitten
von 60 Hz-Wellen angenähert werden kann. In Flg. 1 ist festzu-stellen, daß die beiden Polaritäten von nur zwei Phasen
von 60 Hz verwendet werden und daß die Amplituden der Eingangsspannungen nicht gleich sind. Die Genauigkelt, mit der die Wellenform sich der gewünschten Wellenform annähert,wIrd offensichtlich
durch die Zahl der Phasen bestimmt, die zur Schaffung sinusförmiger Abschnitte verwendet werden. In einem Wechselrichter
dieser Art gibt es keine Phasenverschiebung von veränderlicher
und unbekannter Größe.
üblicherweise wird der Wechselrichter zur Zusammensetzung einer
Wellenform verwendet, die einer Sinusform angenähert ist. Es gibt keine zwingende Notwendigkeit, daß die Im Wechselrichter
zusammengesetzte Wellenform sinusförmig sein muß und in dieser ursprünglichen Anwendung, in der die zusammengesetzte Wellenform
nur zur üoerlagerung von digitaler Nachricht über die bereits
vorhandenen Phasenspannungen dient, kann man Irgend eine Wellenform verwenden, die zufriedenstellend erfasst werden kann
und die den ursprünglich beabsichtigten Zweck der Phasenspannungen nicht stört.
Die Vorrichtung wird durch die Verwendung einer einzigen Spannungsquelle für den Wechselrichter sehr klein gehalten. Alle
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Eigenschaften, die für den Fall einer einzigen Spannungsquelle
beschrleoen werden, können auf Falle erweitert werden, in
denen wechselrichter mit einer Vielzahl von Spannungsquellen
gespeist werden. Einschlägige Fachleute erkennen leicht, daß die Erweiterung lediglich die Vervielfältigung der Steuerschaltungen erforderlich macht, um einen gesteuerten Stromfluß
durch eine größere Anzahl von Wegen zu erzeugen.
Bei der Erörterung der neuen Technologie, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, wird die Aufmerksamkeit auf
die Synthese von Wellenformen gerichtet, die von einer einzigen Spannungsquelle für den Wechselrichter abgeleitet werden, wobei
erkannt werden kann, daß die mitgeteilte Lehre leicht auf Fälle von mehrfachen Spannungsquellen erweitert werden kann,
die den Wechselrichter speisen.
Es ist eine allgemeine Aufgabe der Erfindung einen Wechselrichter
zu schaffen, der in eine unter Strom stehende Last arbeitet. Im Falle einer unter Strom stehenden Last ergibt sich das Erfordernis einer geeigneten Schaltbetätigung für alle erdenklichen Phasenbeziehung9n zwischen dem Strom und der zusammengesetzten Spannungswelle.
Demgemäß ist es eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausführung der gewünschten Übergänge zwischen aufeinanderfolgenden Abschnitten der zusammengesetzten opannungsweI I enform unabhängig vom Richtungssinn zu
schaffen, in dem der Strom gerade fließt, wenn der jeweilige Übergang wirksam wird.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren und Vorrichtungen zur
Gewährleistung aer Kontinuität des Strorrf I usses zu schaffen, wenn
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sich der Richtungssinn des Flusses zu irgend einer Zeit innerhalb eines Abschnitts der zusammengesetzten Spannungswellenform oder an den übergängen zwischen aufeinanderfolgenden Abschnitten der zusammengesetzten Wellenform umkehrt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht In der
Schaffung eines Verfahrens und von Einrichtungen zur Wahrnehmung
des Stromflusses in den verschiedenen Strompfaden des Wechselrichters und zur Feststellung der Beendigung dieser Ströme insoweit als erforderlich ist, um die geeignete Schaltung der
Strompfade während des Zusammensetzens der gewünschten Spannungswellenform auszulösen.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung
eines Verfahrens und von Einrichtungen zur Wahrnehmung des
gesamten Stromflusses durch den Wechselrichter, so daß im
Falle eines in der Last entstehenden Kurzschlusses der Wechselrichter Im Ueoenschluß durch Mittel umgangen werden kann, die
unaohängig von der Gegenwart des Wechselrichters die Aufnahme
geeigneter Gegenmaßnahmen ermöglichen.
Eine damit verbundene Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens und von Einrichtungen, mit denen
Schutzmaßnahmen zur Behandlung eines Kurzschlusses in der Last
für den Fall eingeleitet werden können, daß die Kontinuität des Stroms auf einem Niveau gehalten werden muß, das durch
den Wechselrichter an sich nicht aufrecht erhalten werden kann.
Eine zusätzllcne Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und von Einrichtungen, mit denen
während des Schaltens zwischen den aufeinanderfolgenden Ab-
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schnitten der zusammengesetzten Wellenform sichergestellt
werden kann, daß während der normalen Schaltvorgänge keine
der Spannungsquellen zum Wechselrichter kurzgeschlossen
wird und daß im Falle eines Kurzschlusses in der Last oder
eines abweichenden Einschwingvorgangs, der nahe an der Zeit
des Schaltens stattfindet, eine zu große Belastung, die einer Spannungsquelle aufgezwungen werden könnte, nicht über dem
Endteil der Halbsinuswelle hinaus Gestehen Dleibt, in der sie
auftritt.
Eine weitere besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
die Zusammensetzung einer gewünschten Wellenform aus auf elektrischen Starkstromleitungen auftretenden Spannungen, wobei
der Wechselrichter es ermöglicht, daß die zusammengesetzte
Spannung den auf den Starkstromleitungen bereits vorhandenen
Spannungen überlagert wird.
Eine andere besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erzeugung einer AusgangsspannungsweI Ienform, die hinsichtlich
Ihrer Phase zu den auf der Starkstromleitung auftretenden
Spannungen in einer gewünschten deziehung steht.
Es ist noch eine weitere besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, nach
denen die gleiche einphasige Spannungswellenform, die im Wechselrichter zusammengesetzt wird, den in allen Phasen der Starkstromleitung auftretenden Spannungen überlagert wird, indem die zusammengesetzte Wellenform zwischen dem geerdeten Nulleiter des
Verteilungssystems und dem Sternpunkt der im Stern geschalteten
Sekundärseite des Unterstationstransformators eingeprägt wird.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen
angegebenen Merkmale gelöst.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines zeichnerisch
dargestelI ten Auführungsbeispiels.
Es zeigen:
Flg. 1 die Wellenform eines Wechselrichters der Hü I Ikurvenart
der eine Ausgangswelle erzeugt, die die halbe Frequenz
der Eingangsspannung hat (auf diesen Sachverhalt wird in der Erörterung der bevorzugten Ausführungsform
nicht weiter Bezug genommen).
Flg. 2 in schematI scher Form ein Schaltbild eines Wechselrichters
der Hü I Ikurvenart, der zur Einprägung der
gewünschten Wellenform in die Spannungen der drei Phasen eines elektrischen VerteI Iungssystems benutzt
wird, mit einer Schutzschaltung, die die Unversehrtheit
des Nulleiters im Fall einer Störung zwischen Phase und Nulleiter der Vertei IungsI eltung oder
einer Störung irgend eines Teils des Wechselrichters
gewäh rIe i stet,
Fig. 3 die Spannungs-Strom-Beziehung, die in Wirklichkeit
während des Schaltvorgangs stattfindet, wobei die
Tatsache berücksichtigt ist, daß der ideale Übergang
in der Praxis nicht realisierbar ist und ein Uberlappungswinkel endlicher Größe in irgend einem erreichbaren
Scha Itüoergang besteht.
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Zündung der gesteuerten Siliziumgleichrichter in
der Ausbildung für die erste Anwendung der Erf i ndung,
Fig. 5 die Schaltung für die logischen Pegel zur Anzeige, daß der Strom durch den Wechselrichter unzulässig
hoch Ist, im BIockdiaqramm und teilweise schematisch,
Fig. 6 die Schaltung zur Erzeugung logischer Pegel zur Anzeige,
daß die Spannungen zwischen dem geerdeten Nulleiter des Verteilungssystems und des Sternpunktes der im
Stern geschalteten Sekundftrseite des Unterstationstransformators unzulässig hoch ist, In einem anderen
teilweise schematischen und Blockdiagramm,
Fig. 7 die Schaltung zur Zündung der gesteuerten Uberbrückungs-Siliziumgleichrichter, die entweder in Reaktion auf
die gemäß Fig. 5 und 6 erzeugten logischen Pegel oder in Reaktion auf die beabsichtigte Verwendung erfolgt
in einem teilweisen schematischen und Blockdiagramm und
FIg. 8 ein Schaltbild der Flußwege einer Vielzahl von Strompfaden und den Richtungssinn des Stroms durch jeden
Pfad im Wechselrichter.
Übereinkunft in Bezug auf Richtungssinn und Größe der Ströme
und Spannungen.
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Die Erörterung der detaillierten Arbeltsweise des zum Zwecke
der Darstellung ausgewählten Ausführungsbeispiels wird durch
die Annahme bestimmter üoereinkünfte in Bezug auf positive und
negative Richtungen gemäß Fig. 2 erleichtert. Der Stromfluß, der in den Sternpunkt 1 der im Stern geschalteten Sekundärseite
des Unterstationstransformators vom geerdeten Nulleiter 10
aus einfließt, wird im Sinne der vorstehenden Übereinkunft als
Strom mit positivem Richtungssinn angesehen.
Man kann gewöhnlich annehmen, daß der geerdete Nulleiter 10
der an der Mittelanzapfung der Sekundärseite des Mqdulatlons-
tranaformators erscheint, das Potential null aufweist. Der
Richtungssinn der Polarität des Potentials wird durch die An
nahme der ÜDereinkunft festgelegt, daß der Strom, wenn ein Paar
von parallelen Strompfaden Ströme in positiver Richtung durch den Wechselrichter führen, zu demjenigen Pfad kommutleren wird,
der vom Modulationstransformator mit dem positiven Potential
versorgt wird.
Mit einer Übereinkunft, die sowohl in Bezug auf die Absolut
werte als auch auf den Richtungssinn der Potentiale aufgestellt
Ist, kann man eine Spannungskurve mit positiver Neigung als eine
solche definieren. In der das Potential mit zunehmender Zelt
anwächst. Eine Spannungsquelle mit positiver Neigung entspricht
daher einer Spannung von positiver Polarität, die im Absolutwert
ansteigt mit zunehmender Zeit, oder einer Quelle von negativem Potential, das im Absolutwert mit zunehmender Zeit absinkt.
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- J* -Der Wechselrichter <2nr
Der Wechselrichter leitet seine Eingangsspannung von einem
Modulationstransformator 8 ab, dessen Primärseite durch eine
Spannung erregt wird, die der Spannung zwischen den Phasen b und C entspricht, die in Fig. 2 jeweils mit 3 und 4 bezeichnet sind. In der tatsächlichen Realisierung dieses
Modulators wird diese Eingangsspannung vorzugsweise von der
Quelle abgeleitet, die den Unterstationstransformator speist,
da diese Quelle im Falle einer Störung auf der Verteilungsleitung weniger verzerrt ist. Zum Zwecke der Einfachheit
der Darstellung ist jedoch die Spannung in Fig. 2 als von der Sekundärseite des Unterstationstransformators abgeleitet
gezeIgt.
Wenn der Modulationstransformator 8 als Teil des Wechselrichters
angesehen wird, gibt es nur eine einzige Eingangsspannung. Dagegen gibt es drei Strompfade; einer von diesen ist der Nebenschlußpfad, der den Beitrag der Eingangsspannung nicht berücksichtigt. Die anderen beiden, die jeweils mit oberer Arm und
unterer Arm bezeichnet sind, leiten ihre Spannungen von der oberen oder unteren Hälfte des in der Mitte angezapften
Modulationstransformators ab, wie es in Fig. 2 anschaulich gemacht
Ist.
Um die Beschreibung der Wirkungsweise des Wechselrichters und
der zugeordneten Schaltungen zu erleichtern, folgt die Bezifferung der Komponenten einer logischen Ordnung, well der
Nebenschlußweg, der obere Arm und der untere Arm aus gleichen
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Elementen Gestehen. Die Dekade 10 ois 19 ist dem Nebenschlußweg,
die Dekade 20 bis 29 dem oberen Arm und die Dekade 30 bis 39 dem unteren Arm zugeordnet. Mit dieser Zuordnung weist die
Einerstelle in jedem dieser Arme auf die gleiche funktionsmäßige Aufgabe hin. Daher gehört die Einerstelle 3 in allen drei
Pfaden zur Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters
(SCR), der in der Lage ist. Strom In positiver Richtung zu
führen.
Ähnlich ist im Fall der überbrückungsschaltung, die auf der linken
Seite von Flg. 2 gezeigt ist, die Dekade 40 bis 49 für Komponenten reserviert, die mit dem Fluß eines negativen Stroms zusammenhängen,
und die Dekade 50 bis 59 ist Komponenten zugeordnet, die mit dem Fluß eines positiven Stroms zusammenhängen. In diesen Fällen
werden Ziffern der Einerstellen zur Kennzeicnnung entsprechender
Komponenten verwendet.
Die Beschreibung der Wikungsweise der in Fig. 2 anschaulich gemachten Schaltung kann einfach mit dem Zustand beginnen, der
zu einer Zeit herrscht, wenn auf der VerteiIungsIeitung keine
Signalübertragung versucht wird, d.h. wenn der Wechselrichter
nicht wirksam ist. In dieser Phase werden die mit 41 und 51
bezeichneten gesteuerten Siliziumgleichrichter beide kontinuierlich
von batteriegespeisten Quellen, die mit 40 und 50 bezeichnet sind,
mit Steuerimpulsen beaufschlagt. Die Quellen 40 und 50 werden ausführlicher in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben. Die Verwendung
batteriegespeister Versorgungen stellt sicher, daß die Steuer-
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elektroden selbst dann mit Auslösesignalen beaufschlagt werden,
wenn die VerteiIungsIeitung für einige Zeit stillgelegt ist.
Die batteriegespeisten Quellen sind von der Vertei IungsI eitung
durch ihre Netzgeräte isoliert und werden automatisch im Zustand der volien Ladung gehalten, wenn immer die Leitung unter Strom
steht.
Wenn die Signalübertragung beginnen soll, d.h. der Wechselrichter
Denutzt werden soll, beaufschlagt die Logik der Signallslereinrichtung (die später erörtert wird) die Steuerelektroden 13
und 16 des Nebenschiußpfades mit Signalen, wobei die Signale
von 40 und 50 aufhören. Dies versetzt schon den Wechselrichter
in Bereitschaft. Dies könnte als unnötige Vorsichtsmaßnahme
erscheinen, weil die gesteuerten Si IiζiumgIeIchrIchter 41 und
einen Pfad ähnlich demjenigen des Nebenschlußpfades bereitstellen.
Da die gesteuerten S i I i ζ i urr.g I e i ch r i ch ter 12 und 15 von der Art
mit I η verter-Üoergarig sind, während dies für die gesteuerten
S I IiζiumgIeicnrichter 41 und 51 nicht zutrifft, Ist diese Maßnahme jedoch wichtig.
Gesteuerte Si I I ζiumgIeI ehrichter mit Inverter-übergang zeichnen
sich durch ihre Eigenschaft aub, daß in der Abwesenheit von Auslösesignalen an der Steuerelektrode die Träger schnell auf
die deendigung der Leitung folgend verschwinden. Man muß einen
Zuschlag für dieses schnelle Verschwinden der Ladung zahlen. Im allgemeinen sind gesteuerte Siliziumgleichrichter mit der
Fähigkeit, sehr große Ströme zu leiten, mit I ηverter-Übergängen
nicht verfügoar. Die gesteuerten Siliziumgleichrichter 41 und
51 müssen in der Lage sein, den Störungsstrom solange auszuhalten, bis er durch den Ur.terstat i onsscha I ter unterbrochen wird.
Demgemäß ist ihre Stromleitungskapazität größer als diejenige
der gesteuerten Siliziumgleichrichter 12 und 15.
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Vor der detaillierten Erörterung der Wirkungsweise des Wechselrichters wird dem Schutzmechanismus Beachtung geschenkt, der
in Tätigkeit tritt, falls sich eine Störung auf der Verteilungsleitung entwickelt oder der Wechselrichter versagen sollte. Diese
Erörterung ist an dieser Stelle der Beschreibung angebracht, well Teile der Schutzschaltung für den Betrieb des Wechselrichters an sich benutzt werden.
Im üblichen Betrieb von Wechselrichtern führt jede Störung
des Wechselrichters zur Unterbrechung der Stromeinspeisung In
die Last. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung der Strom durch den Wechselrichter von Quellen, die sich außerhalb befinden, eingeprägt. In der Ausbildung der elektrischen
Starkstromleitung Ist die Kontinuität des Stromflusses eine
wesentliche Bedingung, die ohne Rücksicht darauf, welches Schicksal der Wechselrichter erleidet, erfüllt sein muß. Der
besondere Augenblick, in dem der Wechselrichter zur Einfügung
einer gewünschten Spannungswelle zwischen dem geerdeten Nullleiter der Stromverteilungsleitung und dem Sternponkt der
Sekundärseite des Im Stern geschalteten Unterstationstransformators
dient, macht eine Situation anschaulich, In der es wesentlich ist,
daß der Stromfluß unaDhänglg davon, ob der Wechselrichter weiterhin richtig arDeitet, aufrecht erhalten werden muß.
Wenn im Falle einer Störung zwischen einer Phase und dem Nulleiter
der Nulleiterstrom auf unzulässig hohe Werte ansteigen würde, dann
wäre es möglich, daß der Wechselrichter aufhören würde, einwandfrei zu arbeiten. Der übliche Phasenstrom eines typischen Unterstat lonstransformators hat einen Wert von etwa 400 Ampere. 0er
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Transformator ist jedoch so ausgelegt, daß er magnetischen
Kräften standhält, die auf Strömen beruhen, die ungefähr das Fünfundzwanzigfache dieses Werts sind. So können Ereignisse
auftreten, bei denen eine Störung den Nu I I eiterstrom auf
10 000 Ampere ansteigen lassen kann. Vom wirtschaftlichen
Standpunkt aus, ist die Lrwartung unrealistisch, daß der Wechsel
richter zum Ständhalten von Strömen dieser Größe ausgelegt sein könnte und in seiner üblichen Verhaltenswelse fortfahren
würde.
Man darf es nicht zulassen, daß die Spannung zwischen den
geerdeten Nulleiter und dem Sternpunkt des Unterstationstransformators auf üDermäßig hohe Werte ansteigt. Als Anhaltswert sollte diese Spannung fünf Prozent der Phasenspannung gegen
den Nulleiter der VerteiIungsIeitung nicht überschreiten, damit
der üblicherweise vorhandene ^uerspannungsschutz nicht fälschlicherweise ausgelöst wird. Man muß deshalb eine automatische
Schutzeinrichtung vorsehen, durch die ein Nu I I elterfeh Ierstrompfad hergestellt wird, bevor die Spannung zwischen dem Nulleiter
und dem Sternpunkt des im Stern geschalteten Transformators einen Pegel annimmt, der fünf Prozent der Phasenspannung gegen
den NuIIe i ter hat.
Die ADhilfe von den üoermäßigen Anforderungen an den Wechselrichter für den Fall einer Störung auf der VertelIungsleitung
wird durch die Überbrückungs-SchutzschaItung erreicht. Zwei
gesteuerte Siliziumgleichrichter 41 und 51, die nicht vom Typ
des Inverter-ÜDergangs sein müssen, werden zur Herstellung eines
Nebenschlußpfades im Falle eines übermäßig hohen Nulleiterstroms verwendet. Die Arbeitsweise der Schutzschaltung wird
sowohl in Ihrem üblichen Betrieb als auch Im Unterstützungsbetrieb, der bei Ausfall der Scha ItungsIogik wirksam wird,
im folgenden erörtert.
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Die Zündung der Überorückungss i I I ζ i urr.g lei ehr ichter 41 und 51
kann dem Wechselrichter einen Kurzschluß aufzwingen, der solange bestenen oleiot, bis sich der Strom in dem gesteuerten
Siliziumgleichrichter des Wechselrichters, der gerade leitend
Ist, umkehrt. Diese Zeit des leitenden Zustands kann im Falle einer VerteI IungsIeitung für 60 Hz ungefähr 1/120 Sekunden
nicht überdauern. Der Strom durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter des Wechselrichters ist während dieser Zeit des Kurzschlusses euren die Impedanz des ModuI ationstransformators begrenzt. Die Bemessung des gesteuerten Siliziumgleichrichters
für eine einzige Halbperiode muß für das überstehen dieser Beeinträchtigung ausreichend sein. Im allgemeinen ist die Stromaufnahmefähigkeit für eine einzige Halbperiode beim gesteuerten
Siliziumgleichrichter ungefähr zehnmal größer als der Dauernennwert des gesteuerten Siliziumgleichrichters, wenn die halbperiodische Beeinträchtigung von der Vollast aus aufgezwungen
wl ro.
Im StörungsfalIe kann der Fehlerstrom bis zu 10 000 Ampere
ansteigen, üer Strom durch den Wechselrichter wird mittels eines
Stromwandlers und der diesem zugeordneten Bürde 9 kontinuierlich
überwacht. Wenn der Strom durch den Wechselrichter 100 Ampere
übersteigt, dann wird diu ÜDerbrückungs-SchutzschaItung betätigt, um die Unversehrtheit des Pfads für den Nu I I eiterstrom
zu erhalten. Diese Grenze von 100 Ampere ist aufgrund der zusammengefaßten Überlegungen gewählt worden, daß sie ausreichend
die erwarteten unsymmetrischen Ströme übersteigt, und die
100 Ampere innerhalb der Voltsekunden-Fähigkeit der Spannungsquellen für den Wechselrichter zur Erfüllung der Kommutierung
liegen. Das für die Betätigung dieser Schutzschaltung verantwortliche logische Signal wird in Schaltungen erzeugt, wie sie
In Flg. 5 dargestellt sind.
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Gemäß Fig. 5 werden zwei Komparatoren 60 und 61 verwendet;
einer zur Feststellung eines übermäßigen positiven Stromflusses
und der andere zur Feststellung eines übermäßigen negativen Stromflusses im Stromwandler und der zugeordneten Bürde 9. Die
Ausgänge dieser beiden Komparatoren sind mit einem gemeinsamen Lastwiderstand 62 verbunden, der an die positive Versorgungsspannung angeschlossen ist.
Ein "Eins"-Pegel ist am Ausgang eines jeden Komparators
vorhanden, wenn der überwachte Strom innerhalb der normalen Arbeitsgrenzen des Wechselrichters liegt, tine Uberstromsituation
erzeugt einen logischen Pegel von "Null" am Ausgang desjenigen Komparators, der den Strom dieser Polarität abfühlt. Indem
man die Ausgange mit einem gemeinsamen Lastwiderstand verbindet,
erreicht man im wesentlichen eine UND-Funktion c3, die einen
logischen "nuI!"-Pegel für jede UoerstromsituatI on erzeugt.
Die Strompfade vom Modulationstransformator 8 sind getrennt
aogesichert. Ein offnen irgend einer dieser Sicherungen könnte
sich in einer UnterDrechung des Pfades für den Nu I IeIterstrom
auswirken, ohne daß ein übermäßiger Strom im Wechselrichter hervorgerufen wird. Daher besteht die Notwendigkeit für eine zusätzliche Notbetätigung eines Üoerbrückungspfades, um die
Unversehrtheit des Pfads für den Nu I Ieiterstrom zu gewährleisten. Die logiscnen Signale zur Auslösung des UberdrückungsbetrieDes, mit dem dieser Möglichkeit begegnet wird, können mit
einer Schaltung erzeugt werden, wie sie in Flg. 6 gezeigt Ist.
Gemäß Fig. 6 ist eine Üiac-Kette 70 (Di laterale Tr Igger-DIoden-Kette) mit einem Reihenwiderstand 71 zwischen dem Sternpunkt
des im Stern geschalteten Unterstationstransformators und dem
geerdeten Nulleiter der VerteI IungsIeitung 10 angeschlossen.
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Wenn der Strompfad durch den Wechselrichter infolge des
Öffnens einer Sicherung unterbrochen wird, dann beginnt die Spannung zwischen diesen zwei Punkten für den Fall anzusteigen,
daß oer Wechselrichter eine SignaI Übertragung versucht. Wenn
die Spannungsdifferenz einen voreingestellten Pegel erreicht,
der aurch die Diac-Kette bestimmt wird (256 Volt bei der Installation, in der diese Schaltung zuerst benutzt wurde),
dann bricht die Diac-Kette zusammen. Wenn aber die Diac-Kette zusammenbricht, dann erscheint die gesamte Spannung am Relhenwiürrstand 71 und verursacht einen Stromfluß durch die Diac-Kette und den Strombegrenzungswiderstand 72 und durch ein Paar
zueinander gegenpolig angeordneter Zenerdloden 73. Diese Zener-Dioden bilden einen Pegel von - 9 Volt, wobei das Vorzeichen
durch den Richtungssinn der Potentia Idifferenz von 256 Volt
best i mmt wird.
Natürlich Ist die Erzeugung eines Auslösesignals für die Uberbrückungs-SchutzschaItung erwünscht, das einen einheitlichen
Richtungssinn und eine einheitliche Polarität in Bezug auf Erdpotenial hat. Um dies zu erreichen, wird das - 9 Volt-Signal dazu benutzt, einen oder den anderen Isolator aus einem
Paar optischer Isolatoren (Optokoppler) 74 und 75 zu betätigen.
Der Ausgang 76 oder 77 der optischen Isolatoren hat einen logischen "NuI!"-Pegel In Reaktion auf eine Überspannung.
fcs gibt also drei Anlässe, in denen ein logischer "NuII"-Pegel
unter Bedingungen erzeugt wird, in denen die UberbrUckungsschaltung
oetatigt werden muß, damit eine unnormale Betriebswelse des
Wechselrichters oeigelegt werden kann. Eins von diesen Signalen
erscheint am gemeinsamen Ausgang 63 der Komparatoren 60 und 61 von Flg. 5 und die anderen beiden treten als Ausgänge 76 und 77
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der optischen Isolatoren 74 und 75 gemäß Fig. 6 auf. Diese Signale werden im NAND-Gatter 80 gemäß Fig. 7 vereinigt, die
die Schaltung angibt, mit der die Signale 40 und 50 der Fig. erzeugt werden können.
Gemdb Fig. 7 speist der Ausgang des NAND-Gatters 80 den Takteingang eines Speichers 81 der D-Type. Alle logischen Pegel, die
einer Alarmsituation entsprechen, erzeugen einen positiven Ausgang an diesem NAND-Gatter d0, wobei der Speicher durch das
Signal an seinem Takteingang gesetzt wird. Dieser Speicher bleiot solange gesetzt, bis er manuell zurückgesetzt wird.
Wenn keine Signalübertragung stattfindet, ist es erwünscht,
das System in einem Zustand der durchgehenden überbrückung zu halten, indem die Überbrückungs-Si I iζiumgI ei ehrichter 41
und 51 von Flg. 2 kontinuierlich mit Auslösesignalen beaufschlagt werden. Um dies zu ermöglichen, wird das NOR-Gatter
02 benutzt, um das Notsignal vom Speicher 81 mit einem logischen
Pegel zu kombinleren, der "Null" Ist, wenn signalisiert wird,
und "Eins" ist, wenn nicht signalisiert wird. Dieser logische Pegel, der genau angibt, ob signalisiert wird oder nicht, wird
in Reaktion auf Nachrichtenverkehr von Schaltungen außerhalb
dieser Erfindung erzeugt.
Die Auslösesignale 40 und 50 gemäß Fig. 2 können durch eine
Technik erzeugt werden, die ein Unterstützungsnetzgerät vorsieht, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Es werden getrennte
Schaltungen für die zwei Strompolaritäten benötigt. Diejenige
für den negativen Strom Ist dargestellt. Hler liegt ein Netzgerät 83, das von der Netzspannung gespeist wird, In Bezug
auf das 60 Hz-System wegen der im Transformatoreingang des
Netzgeräts vorgesehenen Isolation auf freiem Potential. Der
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Transistor 86, der einen Strombegrenzungswiderstand 85 hat,
steuert die Steuerelektrode des Siliziumgleichrichters 41.
Eine Batterieversorgung 87 (die in Bezug auf das 60 Hz-System
ebenfalls auf freiem Potential liegt) wird mittels Dioden 84 und Ö8 und einem Strombegrenzungswiderstand 89 im Zustand
voller Ladung gehalten. Für den Fall, daß die 60 Hz-Leistung
für das Netzgerät 83 versagen sollte, bringt die auf freiem Potential liegende Versorgungsbatterie 87 eine Unterstützung
des Netzgeräts 33 durch die Diode 90.
Während des Übergangs auf den überbrückungspfad ist der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Reihenschaltung der Diode und
des gesteuerten Siliziumgleichrichters ausreichend größer als
der Spannungsabfall der gesteuerten überbrückungs-SI I Iziumgleichrichter, die nicht rrit Dioden in Reihe liegen, so daß der
Strom vorzugsweise während der ursprünglichen Halbperiode in der
der leitende Zustand jrtdauert, nachdem die Steuerelektrodenbeaufschlagung für den überbrückungspfad beseitigt ist, durch den
Überbrückungspfad fließt.
Wenn die Überbrückungsr,cha I tung einmal betätigt ist, wird das
Auslösesignal zu den gesteuerten Überbrückungs-SI IiζiumgI eichrichtern 41, 51 aufrecht erhalten, bis der Fehler beseitigt ist.
Ls wird weiterhin solange aufgebracht, bis es entfernt wird, wenn die nächste Signalisierung versucht wird. Man muß jedoch
die Unversehrtheit des Nulleiters selbst im Falle eines Versagens des Überbrückungs-AuslosesignaIs Dewahren. Demgemäß
Ist es wichtig, die Reihenfolge der Ereignisse zu überlegen, die im Falle eines Fehlers auftreten würden, wenn das Auslösesignal zu den gesteuerten Überbrückungs-SiI I ζiumgleichrientern
fehlte.
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Wenn der Strompfad Im Nulleiter unterbrochen worden ist, beginnt die Spannung zwischen dem geerdeten Nulleiter 10 und dem
Sternpunkt 1 der im Stern geschalteten Sekundärseite des
Unterstationstransformators zu steigen. Mit diesem Anstieg
wird die Schutzschaltung, die durch die Komponenten 40 bis
oder 50 bis 59 bestimmt ist, wirksam, weil der Spannungsanstieg
jeweils einen Stromfluß in positiver oder negativer Richtung oegünstlgt. In dieser Erörterung wird vorausgesetzt, daß der
Spannungsanstieg einen Stromfluß in positiver Richtung begünstigt,
wie es auf der äußersten linken Seite der Fig. 2 gezeigt ist.
(tine halbe Periode später ist ein StromfluQ in umgekehrter
Richtung für die andere Reihe der Komponenten verwendbar).
Wenn das Potential am Sternpunkt der Sekundärseite des Unterstationstransformators unter das Nu I I potentia I des geerdeten
Nulleiters absinkt, dann erscheint dieser gesamte Potentlalaofall längs der Diac-Kette 58. In ähnlicher Weise fließt Strom
durch die Diode 55, um den Kondensator 56 bis auf weniger als ein Volt dieses gesamten Potentia I abfa I I s aufzuladen. Wenn die
Spannung längs der Diac-Kette 58 einen Pegel annimmt, der Im wesentlichen üoer der Spannung liegt, die bei normaler Modulation
durch den Wechselrichter auftritt, aber kleiner als fünf Prozent
der Phasenspannung gegen den Nulleiter der Verte1IungsI eitung ist,
dann bricnt die Diac-Kette 58 zusammen. In einer 13 kV -Verteilungs
leitung kann dies bei einem Pegel von ungefähr 300 Volt eintreten.
Wenn die Diac-Kette 5d zusammenbricht, dann fließt Strom durch
die Diode 59, durch die Diac-Kette 58, durch die Steuer IeIektrode
des gesteuerten Si IiζiumgIeiehrIchters 54. durch die Diode 53,
durch den Widerstand 52, der kurzzeitig zur Begrenzung des Stroms dient, und üoerwiegend durch die Steuerelektrode des gesteuerten
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S I I Iziumgleichrienters 5!. Der Stromfluß durch die Steuerelektrode
des gesteuerten Siliziumgleichrichters 54 dient zur Zündung dieses
Gleichrichters mit der Folge, daß der Kondensator 56 einen großen
Stromimpuls durch den gesteuerten S I M ζ i urr.g I e i chri chter 54 und
die Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 51
abgibt, fcs ist wichtig, daß ein großer Auslösestrom zur Steuei—
elektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 51 abgegeben wird,
da dieser den steil ansteigenden Fehlerstrom aufnehmen muß. Sobald
der gesteuerte S I I I ζ IumgIeichrichter 51 leitend ist, bricht die
Spannung zusammen, uno der Strom durch die Olac-Kette 58 hört auf
zu fIleßen.
DI· gesteuerten Überlirückungsg IeI ehr i chter 51 und 41 müssen
nicht vom Inverter-üoergangstyp sein. Sie sollten jedoch In
der Lage sein, den vollen Fehlerstrom, der 10 000 Ampere erreichen kann, aufzunehmen und zwar solange, bis der Leistungsschalter
die Störung behoben hat. Bevor die gesteuerten SiI I ζ IumgIe Ichrichter 51 und 41 wieder in die Störung einbezogen werden, sollten
Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, daß die Steuerelektroden
der SI I IzIumgleiehrichter 51 und 41 durch Signale 50 und 40
stark angesteuert sind.
Bei der Anwendung dieser Erfindung können zwei oder mehrgesteuerte
Siliziumgleichrichter in Parallelschaltung benutzt werden, um den
Laststrom von jedem der Gleichrichter 51 und 41 zu führen. In
diesem Fall werden der Widerstand 52, die Diode 53 und die
•xterne Quelle 50 für die Auslösesignale für den positiven Strom
und die entsprechenden Komponenten für den negativen Strom vermehrt eingesetzt. Diese Maßnahme gewährleistet, daß das Einschaltsignal zu den Steuerelektroden geeigneterweise aufgeteilt wird und
auch daß eine Störung auf einem Pfad die Funktionsfähigkeit des
Parallelpfads nicht zerstört.
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Ein Widerstand 57 liegt parallel zum Kondensator 56, wobei eine gleichartige Maßnahme für die negative Seite der Schutzschaltung vorgesehen ist. Dieser Widerstand 57 dient zum Ableiten der Ladung, die sich auf diesem Kondensator 56 als
Ergebnis des betriebs des Wechselrichters ansammelt. Die Kondensatoren 56 und 46 dienen dazu, die Stromkontinuität
im Nulleiter zu erzeugen, wenn der Wechselrichter in Betrieb
ist. Dies findet während eines kurzen Intervalls nach der Umkehr des Stromflusses statt. Während dieser Zelt wird der
gesteuerte Siliziumgleichrichter, der als nächster leitend wird
nicht mit einem Auslösesignal beaufschlagt. Dies wird im
folgenden detailliert erörtert. Es wird hier nur erwähnt, um auf die Tatsche aufmerksam zu machen, daß die Zeltkonstanten
der RC-Elemente 57, 56 und 47, 46 nicht klein im Vergleich zu
der 60 Hz-Periode sein müssen, damit die Kondensatoren diese Aufgabe übernehmen können.
Während der Zeit, in der diese Kondensatoren 46, 56 die Kontinuität des Nu I IeIterstroms bewirken, bildet sich eine spitze
Diskontinuität der Spannung von einer Größe aus, die mit dem
Scheitelwert der Modulationsspannung vergleichbar Ist. Man kann
sich natürlich dafür entscheiden, einen gesonderten kapazitiven Pfad vorzusehen, um dem Wechselrichter In der gewünschten Weise
von Nutzen zu sein, wenn irgendwelche zu beanstandenden Eigenschaften durch die Benutzung der Kondensatoren 46 und 56 in
dieser Doppelrolle erfahren werden. Eine derartige Überbrückung ist in Flg. 2 als Kondensator 100 und Widerstand 101 gezeigt.
(Dieser Widerstand dient lediglich zur Beschränkung des höchsten Ent Iadestroms.)
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Es Ist zu oemerken, daß die Schutzschaltung für die Annahme
normaler Wtoereinfügungsmaßnahmen ausgebildet sein kann, selbst
dann, wenn die externen Quellen 40 und 50 für Auslösesignale
nicht Betriebsfähig werden sollten. Die fehlersichere Charakteristik
oes Wechselrichters ist derart, daß die Umkehrung zur Signalisieroetrlebsart nicht statfinden wird, bevor der Betrieb wieder Ins
Normale zurückgekehrt ist. Daher besteht nicht das Risiko, daß die gesteuerten Siliziumgleichrichter des Wechselrichters als
Folge wiederholter Versuche des Wiedereinfügens überlastet
werden.
•Die FähLg*. iiten der gesteuerten S i I i ζ i unr.g I ei ehr i chter 41 und 51
Spannungen in Sperrichtung standzuhalten, sollte entsprechend
den in der Schutzschaltung auftretenden Potentialen angemessen,
gewählt werden. Sie sollte jedoch insofern nicht übermäßig groß sein, als die Durchbruchspannung in Sperrichtung den letzten
Schutz für das System bildet.
Für die fcrörterung der Uoergänge von einem Strompfad zum anderen
beim betrieo des Wechselrichters ist es angebracht, den
früheren und den spateren Pfad für legendweiche übergänge als
den Pfad zu oezelchnen, in dem Strom jeweils vor oder nach dem
übergang fIießt.
Spannungswellen von positiver oder negativer Neigung wurden als
die Zunahme oder Abnahme des Potentials im algebraischen Sinn
mit zunehmender Zeit definiert. Man kann nun einen Übergang als einen mit zunehmender oder abnehmender Neigung danach festlegen, daß die Neigung der den letzteren Pfad speisenden Spannungswelle größer oder weniger als die Neigung der Spannungswelle
Ist, die den früheren Pfad versorgt.
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bei idealen übergängen in einem 'Wechselrichter hätte man gerne
den ÜDergang von einem Strompfad zum anderen zu Zeiten ausgeführt,
in denen die Amplituden der Spannungsquellen die die beiden
Pfade speisen, gleich sind. Ein derartiges Konzept bedeutet, daß der Übergang unverzüglich bewirkt wird. Physikalisch realisierbare
übergänge werden In Zeiträumen von endlicher Dauer erreicht.
Da der ideale Üoergang den Übergang von einem Pfad der von
einer Spannungskurve mit einer gegebenen Neigung versorgt wird, zu einem Pfad, der von einer Spannungskurve mit verschiedener
Neigung versorgt wird, zu einer Zeit erfolgt, in der die Amplituden der Spannungen gleich sind, ist es klar, daß die Spannungen der
treiDenden Quellen nicht während des ganzen tatsächlich erreichoaren Üüergangs gleicn bleiben können.
Während des allmählichen Übergangs von einem Pfad zum anderen muß ein Zustand existieren, in dem Strom sowohl auf dem früheren
als auch auf dem letzteren Pfad fließt.bei dem natürlich kommutierten Übergang, der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, solfte der versuchte übergang zu einer Zelt ausgelöst werden, zu der die Potentia IbezIehungen für den Übergang
günstig sind. »Weiterhin sollten diese günstigen Bedingungen
während des gesamten Ubergangszeiι aums und darüberhinaus bestehen Dleiuen, Dis die Ladungsträger in dem gesteuerten Siliziumgleichrichter, der aufgehört hat leitend zu sein, verschwunden
sind.
Die bedingungen für die Verwirklichung eines erfolgreichen Übergangs können wie folgt zusammengefasst werden: Wenn der Strom im
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Is
positiven Sinn während der Übergangsperiode andauert, dann
wird die Durchführung des Übergangs nur möglich, wenn die Übergangsperiode vollständig vor oder nach der Zelt liegt, zu
der die Amplituden der Eingangsspannungen für die beiden Pfade
gleich werden, wobei der versuchte Übergang einer mit abnehmender oder zunehmender Neigung Ist. Wenn der Strom während der gesamten
Übergangsperiode negativ bleibt, mu;i diese Übergangsperlode
vollständig vor oder nach der Zelt liegen, zu der die Eingangsspannungen für die beiden Pfade gleich werden, wobei der versuchte
übergang einer mit zunehmender oder abnehmender Neigung Ist.
Ein unter irgendwelchen anderen Bedingungen versuchter Übergang
wird keinen Erfolg haben. Wenn der Übergangszustand unter Bedingungen hergestellt wird, die für den übergang günstig sind,
und die Fütentialverhältnisse werden nachträch I I ch für den übergang ungünstig, bevor der endgültige oder spätere Zustand erreicht
ist und die Ladungsträger im gesteuerten S I I I ζiumgI el ehr I enter
des früheren Pfads verschwunden sind, dann sollte insbesondere beachtet werden, daß der frühere Zustand wieder eingenommen
wi ra.
Die Dauer des Übergangszustands Ist offensichtlich eine schwierige
Angelegenheit. Sie richtet sich nach der Größe des umzuleitenden
Stroms und nach der Induktivität der Stromkreise, an denen die Schalttätigkeit erzielt werden muß. Im allgemeinen Ist die Dauer
der Übergangsperiode dem Produkt des Stroms, der im Stromkreis
fließt, und der Streuinduktivität des Transformators proportional,
der als Spannungsquelle dient. (Diese letztere Induktivität hat In den meisten praktischen Fällen die Tendenz gegenüber allen
anderen Induktivitäten vorzuherrschen.)
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Die Menge der Ladungsträger in einem gesteuerten Slllzlumgleichrichter verschwindet, wenn der Stromfluß in ihm aufgehört
hat, vorausgesetzt, daß kein Auslösesignal an der Steuerelektrode
aufrecht erhalten wird. Man könnte den Ausdruck "Aufzehrzeit"
zur dezelchnung der Periode verwenden, in der die Menge der
Ladungsträger auf ein so niedriges Niveau absinkt, daß keine Leitung ohne Auslösesignal erfolgt, wenn die Potentia IverhäItnIsse
wiederhergestellt würden, die für die Leitung günstig wären.
Gesteuerte SMίζiumgIeiehrichter des Inverter-übergangs-Typs
sind insbesondere für die Verminderung der "AufzehrzeIt" ausgelegt. Diese werden daher gewöhn Ii cn für Wechselrichter bevorzugt
verwendet. Die von den Herstellern gewöhnlich über die "Aufzehrzeit" veröffentlichten Daten stehen im Zusammenhang mit der
Situation, in der der Strom plötzlich von seinem vollen Nennwert ausgelöscht wird. "Aufzehrzeit" bei niedrigeren Leitungsniveaus sind entsprechend kürzer.
Im Falle eines auf eine unter Strom stehende Last arbeitenden
Wechselrichters kann der Strom durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter aufhören zu fließen, weil der von außen eingeprägte
Stromfluß verschwindet. Wenn dies eintritt. Ist die Menge der
Ladungsträger zum Zeitpunkt des Endes der Stromleitung relativ
gering. Die "Aufzehrzei ten"I st demnach kleiner als die in den
Veröffentlichungen der Hersteller angegebene. Dies Ist die vorherrschende Lage, wenn der StromnuI Idurchgang mit dem Zeitpunkt
des idealen Übergangs von einer Spannungsquelle zur anderen zusammen fä Mt.
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Glücklicherweise besteht diese Situation, in der der Strom verschwindet, gerade dann, wenn man gerne einen Übergang von einer
Spannungsquelle zur anderen hervorrufen möchte. Andernfalls
könnte der Zustand eintreten, bei dem die für einen Übergang günstigen Bedingungen vor der Zeit, in der die Größen der
Quellenspannungen für die zwei Pfade gleich werden, nicht
realisiert werden könnte. Im Anschluß an die Gleichheit der
beiden Spannungen werden die Bedingungen für den Übergang wieder ungünstig, weil der Richtungssinn des Stromflusses umgekehrt
wird.
Kondensator zur Erzielung der StromkontInuirät nahe beim
NuIIdurchgang.
Die Lösung dieses Problems ist sehe einfach. Man muß nur feststellen, wann der Strom durch einen leitenden Pfad null wird,
und zu dieser Zeit es unterlassen einen Pfad für den Stromfluß durch den Wechselrichter für eine kurze Perlode vorzusehen.
Es ist zu bemerken, daß die Kondensatoren 46 und 56 (oder der Widerstand 101 und der Kondensator 100) die Stromkontinuität
für eine kurze Zeit bewirken. Die folgenden quantitativen
Gesichtspunkte dieser Situation sollen untersucht werden.
Der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Reihenschaltung
eines gesteuerten Siliziumgleichrichters und einer Diode muß
1,4 Volt sein, wenn der Strom verschwindet. Die Stromleitung
durch den Wechselrichter in der umgekehrten Richtung kann nicht
einsetzen, bevor die Spannung sich in der umgekehrten Richtung bis auf 1,4 Volt aufgebaut hat. Deshalb muß eh Wechsel von 2,8
Volt von der Zelt, zu der der Strom aufhört, bis zur Wiederaufnahme der Stromleitung stattfinden. Wenn angenommen wird, daß der
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Strom im Nulleiter der VerteI IungsIeitung einen Effektivwert
von 100 Ampere hat (was unrealistisch groß ist), dann wird
der Strom unmittelbar nach dem Nu I I durchgang linear mit
einer Rate von 377 χ 141,4 = 5,33 χ 10 Ampere pro Sekunde
ansteigen. Während einer kurzen Periode von t Sekunden nach
4 dem Nu I Idurchgang wird der gleiche Ladungstransport 2,66 χ 10
2
• t Conlomb betragen. Wenn die Kapazität 56 oder 46 von Fig.
1 θ" Farad ist, dann läßt sich der Wechsel von 2,8 Volt In
einem Zeitraum von 10,26 xlO Sekunden verwirklichen.
in der realisierten Schaltung zum Schutz gegen mögliche Fehlerströme hatten die Kondensatoren 56 und 46 jeweils 32
Mikrofarad. Dies ermöglicht eine Unterbrechung von 56 Mikrosekunden zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Strom aufhört, und
dem Zeltpunkt, an dem die Stromleitung in der umgekehrten Richtung
ausgelöst werden muß, selbst wenn der Nu I Ieiterstrom 100 Ampere
Detragen sollte. Ein so hoher Wert für den unsymmetrischen
Strom ist für den Fall einer für weniger als 400 Ampere Phasenstrom ausgelegten VerteiIungsIeItung kaum wahrscheinlich. Daher
kann die zulassige Verzögerung zwischen der Beendigung des Stromflusses In einer Richtung und der notwendigen Auslösung
der Stromleitung in der anderen Richtung mutmaßlich diese 56 Mikrosekunden üoerschreI ten .
In gleicher Richtung, wie die Einführung der Kapzltät im Neoenschluß zur unter Strom stehenden Last des Wechselrichters das
möglicherweise unangenehme Schaltproblem vermeiden kann, wenn
der StromnuI Idurchgang mit der Zeit zusammenfällt, In der die
Amplituden der beiden Quellenspannungen gleich werden, kann
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VJ
diese Kapazität die Notwendigkeit der Zündung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters unmittelbar nach dem Nulldurchgang vemeiden. Dies erlaubt eine beträchtliche Vereinfachung der Logik für die Auslösesignale, die in der bevorzugten
Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird, obwohl altei—
native Vorrichtungen um diese Proolerne zu behandeln, ebenfalls
erörtert werden.
Bei der Erörterung der detaillierten Arbeitsweise des Wechselrichters hinsichtlich seiner bevorzugten Ausführungsform sollten
die Fig. 2 und 3 zusammen genauer betrachtet werden. 0Ie Fig. zeigt eine typische Wellenform, wie man sie zwischen dem geeiaeten Nulleiter und dem Sternpunkt der Im Stern geschalteten
Sekundärseite des Unterstationstransformators einspeisen möchte.
Insbesondere sind die gezeigten übergänge solche, die zu Beginn
oder am Ende einer Nachricht auftreten können, wenn das Signal vom Modulationstransformator entweder eingeführt oder entfernt
wird. In der praktischen Verkörperung hat der Modulatlonstransformator 8 eine endliche Streu InduktIvltat, die die In
Flg. 3 gezeigte Wellenform abändert.
Oie Wellenform gemäß Fig. 3 setzt sich aus Halbsinuswellen von der
Frequenz der Starkstromleitung zusammen, die In ein Signal eingefügt werden, das sonst die Spannung null Volt hat. Einschlägige
Fachleute verstehen, daß es keinen wesentlichen Unterschied In der Kommutierung, die beim Übergang einer Ha IbsInusspannungswelIe
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von positiver Polarität zum Nu I IspannungssIgnaI stattfindet,
und derjenigen gibt, die beim übergang einer Halbsinuswelle
von positiver Polarität zu einer Halbsinuswelle von negativer
Polarität stattfindet. Entsprechend ähnelt die Kommutierung zwischen einer HaIbsInusspannungsweI Ie von negativer Polarität
und dem Signal mit der Amplitude null derjenigen zwischen einer Halbsi nusspannungswelle von negati ver Pol ari tä.t und einer von positiver
Polarität. Daher besteht keine Notwendigkeit, eine Figur zu
zeichnen, die die Art von Übergängen darstellt, die bei der Kommutierung des Stroms zwischen dem oberen und dem unteren Arm
des Wechselrichters auftreten.
In Fig. 3 sind die Einzelheiten der Kommutierung sowohl für
einen voreilenden als auch für einen nacheilenden Strom gezeigt. (Die wellenformen sind für einen Fall dargestellt, bei dem eine
mäßige Induktivität im Nebenschlußpfad vorhanden Ist.) Sowohl
die Strom- als auch die Spannungswellen sind in Flg. 3 gezeichnet. Bei der Darstellung dieser zwei Arten von Weilen
wurde einheitlich die Vereinbarung verwendet, daß Ströme mit positivem Richtungssinn und Spannungen mit positiver Polarität
oberhalb der Achse gezeigt sind.
Die Regeln für eine erfolgreiche Kommutierung, die oben beschrieben wurden, können nach ihrer Aussage für die Kurven gemäß
Fig. 3 derart zusammengefaßt werden, daß bei der Zusammensetzung der gewünschten Wellenform der übergang von einem Abschnitt auf
den nächsten nur zu Zeiten bewirkt werden künn, zu denen der
frühere Abschnitt der Spannungswe Ie weiter von der Stromwelle
entfernt liegt als das spätere Segment der Spannungswelle. Bei
der Bemühung zur Verwirklichung der gewünschten Wellenform Ist
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es erforderlich, daß die Steuerelektrode des gesteuerten
Si Iiζiumgleichrienters, dar den niuen Strompfad zur Verfügung stellen soll, zu geeigneter Zeit mit Auslosesignalen
beaufschlagt wird, und daß diese geeignete Zeit entweder friiner oder später als der ideale Übergangspunkt vorhanden ist, damit
die vorhanden* Potentiale für den gewünschten Übergang günstig
sind. Die sich daraus ergebenden Spannungswellen weichen nur
innerhalb geringer Toleranzen von den rv'e I lenformen für die idealen übergänge ab. Die Einzelheiten der Spannungswellenformen in
der Nähe der Übergangspunkte sind in Fig. 3 als Einfügungen dargestellt. Die Zeit, zu der der gesteuerte Siliziumgleichrichter
mit Auslösesignalen beaufschlagt werden muß, ist durch ein E
oder ein L angedeutet, je nachdem, ob die Auslösung früher oder später als der ideale Übergang stattfinden muß.
Die Zeit dieser Übergangsperiode in Sekunden ist ungefähr gleich
dem Produkt des Stroms, in Ampere, der geschaltet werden muß und der Streuinduktivität (In Henry) des Modulationstransformators .
In Fig. 3 erscheint ein geteiltes Oval an jedem Punkt, an dem
der Strompfad zur Hervorrufung des Übergangs von einer Spannungsguelle zur anderen im Wechselrichter geändert werden muß, und
an jedem Punkt, an dem der Strom die Richtung wechselt. Die Zahlen, die in der rechten und linken Hälfte eines jeden Ovals
erscheinen, weisen auf den gesteuerten Siliziumgleichrichter in
Fig. 2 hin, der Strom vor und nach dem Wechsel der Stromumleitung
führen muß. Es ist zu bemerken, daß in dem geteilten Oval, das der
Polaritätsumkehr des Stromflusses zugeordnet Ist, die Einerstella
der Bezeichnung für die gesteuerten Siliziumgleichrichter die-
jenige ist, die wechselt. Im Falle des Übergangs der zusammengesetzten Spannungskurve von einem Abschnitt auf den nächsten
ist es die Zehnerstelle der Bezeichnung für die gesteuerten
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S (I i ζ i umg I e i chri chter, die wechselt. (Dies rühr+ natür I i ch von
der Übereinkunft her, die in der Nummerierung der Komponenten
nach Fig. 2 getroffen wurde.)
Im Falle der Umleitung des Stroms von einem gesteuerten Siliziumgleichrichter zum nächsten als Folge der Richtungsumkehr des
Stromflusses, ist es unangebracht, das Auslösesignal als früh
oder spät zu bezeichnen; richtiger ist as mit einem T bezeichnet, das eina Zeitverzögerung an jeder Saite des geteilten Ovals kennzeichnet. Die Bezeichnung E, L und T ist in Einklang mit derjenigen, die in Fig. 4 verwendet wurde, wo die für die
kontrollierte Zündung der gesteuerten Siliziumgleichrichter
geeignete Logik zur Codierung digitaler Daten dargestellt ist.
Weil der Strom in der Nähe eines Übergangs von einem Abschnitt
der Wellenform zum nächsten groß sein kann, ist es wesentlich, daß das vor dem idealen Übergangspunkt abgegebene Auslösesignal
ausreichend früh erzeugt wird, um sicherzustellen, daß der Übergang vollendet ist und die Ladungsträger im gelöschten gesteuerten
Si I I ζiumgIeiehrichter verschwunden sind, bevor die Potentiale, die
die beiden Übergangspfade versorgen, für den gewünschten Übergang
ungünstig werden.
Während die vorstehende Erörterung genau die Bedingungen schildet,
die herrschen müssen, damit ein gewünschter übergang gelingt, ist
as angebracht, eine sehr schnelle Methode zur Vereinfatfiung der
Ausbildung der Scha ItungsIogik zu beschreiben. Die unten detailliert angegebenen Schaltregeln gehören zu der in Fig. 8 gezeigten Umgebung, worin die Pfade mit A, B, C usw. und der
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Der Gegenstand dieser Übereinkunft, die Schaltlogik, kann
wie folgt beschrieben werden:
1. Wähle eine ausreichend große Zeit vor dem idealen Übergang, um sicner zu gehen, daß der gewünschte übergang für den Fall
gelingt, daß der gewünschte Übergang zu der Kategorie gehört, die vor dem idealen Übergang ausgelöst werden muß.
2. Beseitige alle Auslösesignale während dieser Zeit.
3. Wähle den Pfad A oder B oder C usw. der als nächster
leitend werden soll; beachte, daß dies auch keine Änderung
des Pfads zur Folge haben kann.
4. Unterbinde Auslösesignale im + (oder -) -Sinn für alle
Pfade, wenn der Stromfluß, zu der Zeit der Unterbrechung der Auslösesignale einen positiven (oder -) Richtungssinn hatte.
5. Nach einer festen Verzögerungszeit (z.B. 50 MikroSekunden)
löse den Stromfluß In dem Sinne aus, der vorherrschte, als
die Auslösesignale in Übereinstimmung mit (2) für den Pfad
beseitigt wurden, in dem die Stromleitung erwünscht Ist und halte Ihn bis zur Zurückziehuno durch (6) aufrecht.
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Wenn alle Ströme verschwinden, sperre alle Auslösesignale
für eine feste Verzogerungszeit (d.h. bO Mikrosekunden) über
die Zeit des Verschwindens hinaus; danach zünde die gesteuerten Siliziumgleichrichter für den Strom im gewünschten
Pfad für beide Stromr i cntungen. (ueachte dai'5, wenn der Strom
während des Zeitraums ohne Aus I öaes i gna I e im Anschluß an (2)
verschwindet, der Zeitraum oane Auslösesignale fortgesetzt
wird, bis die feste Periode üü-.-r die Zeit hinaus verwirklicht
1st, zu der die Ströme verschwanden.)
7. Halte die Sperrung der Auslösesignale, die unter (4) eingeleitet wurde, aufrecht, bis zum früheren Beginn folgender
Ere i gn i sse:
a) Auslösung gemäß (υ),
b) Stromleitung wird nur in derr. gewünschten Pfad und in keinem anderen Pfad hergestellt.
Nachdem der Strom in dem gewünschten Pfad und in keinem anderen Pfad gebildet ist, stelle Auslösesignale sowohl für
positive als auch für negative Leitungsrichtung in diesem
Pfad zur Verfügung und halte sie aufrecht bis zu (1).
Die Verwirklichung dieeer Schaltlogik stellt den Erfolg aller
Übergänge sicher, die vor der Zeit erreicht sein müssen, zu der die Spannungen, die die beiden am übergang teilnehmenden
Pfade versorgen, gleich werden. Sie stellt auch sicher, daß übergängen, die nicht stattfinden können, bevor diese beiden
Spannungen gleich geworden sind, zur frühest möglichen Zeit
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vollendet werden.
In der obengenannten Erörterung ist aufgezeichnet, daß der
Kondensator 100 mit seinem zugeordneten Stromaegrenzungswiderstand 101 die Kontiuität des von außen getriebenen Stroms zu
jeder Zeit bewirkt, wenn der Wechselrichter nichtleitend ist.
Wenn es keine Induktivität im überbrückungspfad gibt, dann ist
weiternln anzumerken, daß der Spannungsabfall durch den
Wachse I rlchrar 1,4 Volt entsprechend dam Spannungsabfall in Durchlaßrichtung im gesteuerten SiIiζiumgIeiehrienter unc in der Diode
sein wird, so lange wie Strom im überbrückungspfad fließt. Im
leitenden Arm umfassen diese 1,4 Volt die Transformatorspannung
und den Abfall längs der Streuinduktiνitat.
Wenn der Strom im Überbrückungspfad zu fließen aufhört, dann
ändert sich die Spannung am Wechte Irienter plötzlich. Die Spannung
an der Streu i ndukt i ν i ta ι kar.n ungehindert zusammenbrechen, wobei
eine gedämpfte Schwinqung in der Schaltung erzeugt wird, die aus der Reihenverbindung der Streuinduktiνitat des leitenden Arms, der
ÜDerbrückungskapazitat und dem Strombegrenzungswiderstand zusammengesetzt ist. Wenn dies auftritt, kann Rauscnen am Ausgang des
Wechselrichters sichtbar werden.
Wenn sich der Strom umkehrt, dann ergibt sich in ähnlicher Weise
ein kurzer Zeitraum, in dem kein Stromjdurch den Wechselrichter
fließt. Während dieses Zeitraums fließt der Strom im Überbrückungskondensator 100 mit dem Ergebnis, daß sich eine Spannung an diesem
Kondensator aufbaut. '.Venn die Stromleitung wieder beginnt, kann
eine gedämpfte Schwingung erneut in der ReinenschaItung entstenen,
die die Streuinduktivitjt des leitenden Arms, den Überbrückungskondensator 100 und den Strombegrenzungswiderstand 101 aufweist.
Wenn dies eintritt, wird man Rauschen in der Ausgangsspannung des
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- •τ -SO
Wechselrichters beobachten, die Anfangsamplitude dieser
Schwingung ist der Neigung der Stromwelle proportional, wenn
sie durch Null geht.
Es kann erwünscht sein, diese Augenblicke des Rauschens in
der Ausgangsspannung des Wechselrichters zu beseitigen. Dies
kann zustande gebracht werden, indem der Q-Wert der Reihenschaltung auf weniger als zwei festgelegt wird. Diese Bedingung
wird ungefähr erfüllt, wenn
(L/C)1/2/R <
I
ist, worin R der Strombegrenzungswiderstand 101 in Ohm, C
der Überbrückungskondensator 100 in Farad und L die Streuinduktivität
in Henry auf der Sekundarseite des Modulationstransformators ist. Ciese Streuiηduktiνitdt auf der Sekundärseite
kann von der prozentualen Reaktanz des Transformators aus der bez i en un g:
ln Sekundäre Ausgangs-
L (Henry) = (Prozent Reaktanz) yann ung in KV)
2-9T-f (Nennleistung in KVÄ)
erhalten werden.
Notwendigkeit der Wahrnehmung des Stroms durch die einzelnen
gesteuerten Si I iziumgleichrichter.
Eines der Kennzeicnen, das die vorliegende Erfindung von
Wechselrichtern nach dem bekannten Stand der Technik unterscheidet,
ist die Tatsache, daß der durch den Wechselrichter
fließende Strom nicht von den dem Wechselrichter gelieferten
Spannungen und der Impedanz, in die er arbeitet, bestimmt wird
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Si
Im vorliegenden Fall wird der Strom von einer äußeren Quelle
eingeprägt und es ist wesentlich, da3 der durch die einzelnen gesteuerten Siliziumgleichrichter fließende Strom abgefühlt
wird, damit eine genaue Umschaltung erzielt wa-den kann.
In Fig. 2 ist zu bemerken, daß jeweils eine Diode in Reihe
zu jedem gesteuerten Siliziumgleichrichter des Wechselrichters
gelegt ist. Solange wie Strom durch den Pfad fließt, wird ein Spannungsabfall von wenigstens 0,7 Volt auftreten. Diese
Spannung bleibt so lange bestehen, wie Strom in Vorwärtsrichtung
vorhanden ist, selüst wenn die Höhe dieses Vorwärtsstroms sehr klein wird. Wenn der Strom in Vorwärtsrichtung zu fließen aufhört, dann fällt diese Spannung an der Reihendiode steil nach
Null ab. Demgemäß kann das Vorhandensein oder die Abwesenheit dieses Spannungsabfalls an der Diode (oder an einem nichtgezeigten Widerstand« der parallel zur Diode liegt) als feinfühliger Indikator dafür dienen, ob in dem gesteuerten Reihen-Siliziumgleichrichter Strom fließt oder nicht.
Man könnte versucht sein, den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung
am gesteuerten Siliziumgleichrichter an sich als Mittel zur
Wahrnehmung des Stromflusses zu messen. Dies ist jedoch für die
dargestellte Anwendung der Erfindung insofern nicht zufriedenstellend, als ein Spannungsabfall so lange zu beobachten ist,
als Steuerstrom im SiI I ζ Iumgleichter fließt. Wenn der gesteuerte
Siliziumgleichrichter mit einem "Ein"-AusIösesignaI beaufschlagt
wäre, jedoch kein Strom fließen würde, könnte man demgemäß annehmen, daß der Strom nicht zu fließen aufgehört hätte. Aus
dieser Überlegung heraus wurde die Entscheidung getroffen, eine Reihendlode eInzubauen,r diβ als Strom-Monitor dienen soll.
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Es ist festzustellen, d a i3 die Messung des Spannungsabfalls an
den Dioden, die in Reihe mit den gesteuerten SI I i ζ i umg I e i cn r i cn tern
des Wechselrichters gemäß Fig. 2 geschaltet sind, die Verwendung
isolierter Netzgeräte erfordert. Einige Einsparungen hinsichtlich der Anforderungen für die Netzgeräte können jedoch aufgrund der
Erkenntnis verwirklicht werden, da3 das Netzgerät, das den Sensor zur Feststellung des Stromflusses in einer Richtung versorgt,
ebenfalls zur Versorgung der Steuerelektrode desjenigen gesteuerten
Gleichrichters dienen kann, der Strom in umgekehrter Richtung im
gleichen Arm des Wechselrichters fuhrt. Daher kann ein Netzgerät,
das frei auf dem Potential des Endes 20 der Sekundärwicklung des
Modulationstransformators 3 liegt, zur Wahrnehmung des Stromflusses
durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 22 durch
Messung des Spannungsabfalls an der Diode und auch zur Beaufschlagung
der Steuerelektrode 26 des Siliziumgleichrichters 25
mit Auslösesignalen dienen.
Die Spezifikationen der Hersteller geben im allgemeinen nicht an,
ab welchem Stromniveau bei einem gesteuerten Siliziumgleichrichter
die Stromleitung als beendet angesehen werden kann. Im Falle der gesteuerten Siliziumgleichrichter des ! πverter-Übergangs-Typs,
die in der ursprünglichen Ausbildung dieser Erfindung benutzt
wurden, war der Dauernennstrom einige Hundert Ampere. Es wurde festgestellt, daß das Löschniveau für diese Teile in Abwesenheit
einer Steuerelektrodeneinspeisung ungefähr 10 Milliampere war.
Die Technik des Abfühlens des Stromflusses durch die Messung des Spannungsabfalls an einer Seriendiode erwies sich als etwa
eine Größenordnung empfindlicher als notwendig war.
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(11 520) ^ '
S3
Während die Wahrnehmung der Stromleitung durch die verschiedenen
gesteuerten Siliziumgleichrichter und die Auslösebeaufschlagung
der Steuerelektroden der verschiedenen gesteuerten Siliziumgleichrichter des Wechselrichters bei einer Anzahl isolierter
Potential pegel erzielt wird, ist es erstreoenswert, daß die
logischen Entscheidungen mit einem gemeinsamen Potential bewirkt
werden. Dafür werden alle Ergebnisse der Stromabfühlung mit
Hilfe optischer Isolatoren auf einen ErdDezugswert übertragen. Die Auslösesignale werden zuerst mit einem Erdbezugswert ei—
zeugt und dann auf den Potentia I bezugswert verlegt, bei dem sie mittels optischer Isolatoren verwendet werden.
emmlttierenden Diode, die von dem Signal mit dem Pegel mit
dem es erzeugt wird, gesteuert wird, und aus einem Phototransistor,
der bei einem Potent I a I bezugswert arbeitet, auf den das Signal
üoertragen werden soll. Diese Isolatoren sind handelsüblich
in einem einzigen Gehäuse mit zusätzlichen Anpassungsschaltungen
verfügbar, die im gleichen Gehäuse eingeschlossen sind. Bei
3er Auswahl dieser Teile muß einige Sorgfalt aufgebracht werden,
um sicherzustellen, daß die Ansprechzeiten und Empfindlichkeiten
für die Signale von niedrigem Pegel ausreichend sind.
In der bevorzugten Ausführungsform speist eine einphasige Eingangsspannung den Wechselrichter. Die Übergänge zwischen den drei
möglichen Strompfaden werden in der Nähe der Nu I I durchginge dieser
Eingangsspannungswelle bewirkt. Einschlägige rochleute verstehen.
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daß digitale Informationen in einem solchen Rahmen auf manigfaltige Weise codiert werden können. Man konnte im Prinzip
diese Einrichtung sogar verwenden, um digitale Information in ternärer Form darzustellen, üä es wahlweise drei Strompfade
giDt.
Das in seinem Konzept wohl einfachste Codierschema erfordert
Umschaltungen zwischen den oDeren und unteren Armen des Wechselrichter In einer vorheroestImmten Welse, um der Spannung der
Α-Phase eine reine Phasenmodulation aufzuprägen. Die Codierung
kann daner verwirklicht werden, indem die Phase für eine "Lins" vorverlegt und für eine "Null" verzögert wird. Offensichtlich
lassen sich komplizierte Schaltmuster erreichen, wenn es erwünscht i st.
Die Fig. 4 zeigt Im Blockdiagramm die wesentlichen Elemente
der logischen Steuerschaltung, die die Darstellung digitaler
Daten als vorverlegte oder verzögerte Wellen in der A-Phase ermöglicht, üie Wahl einer komplizierten Codiertechnik in einer
praktischen Verwirklichung ergao sich aus den gemeinsamen
ÜDerlegungen Dezüglich der Einfachheit des Empfängers und des
Bestrebens, die Signalisierung auf allen drei Phasen gleich
wlrKdam zu machen. Da jedoch die ausführlichere Codiertechnik in
Bezug auf diese Erfindung nichts Neues lehrt, braucht man nur die einfachste Technik berücksichtigen, um die wesentlichen
Eigenschaften darzulegen.
Für die Erörterung ist es angebracht, die Fig. 4 In zwei Hälften
zu unterteilen: Auf der linken Seite werden verschiedene logische Größen als Eingänge für die Entscheidungsschaltungen erzeugt.
Auf der rechten Seite ist die Entschuidungsscha I tung als
solche dargestellt. Die optische Isolierung, die die Daten von
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einem Potentia I bezugswert auf einen anderen überträgt, ist
nur als ein numerierter Kasten gezeigt.
In der oberen linken Seite von Fig. 4 werden die logischen Größen
'21* '31' '24 unc* '34 erzeu9"''· Dies wird jeweils durch Abfühlung
des Stroms In den Dioden (21, 31, 24) und (34) durch Messung des
Potentials an der Diode (oder an einem Para He Iwiderstand) und
durch die übertragung der Information, ob Strom Ubei die optischen
Isolatoren fließt oder nicht, in logische Potentiale ereicht. Daher sind I_-, I31, I74 und I ,. logische Pegel.
Ein Polaritätsspeicher 100 zeigt die Richtung an, in die der
Strom zuletzt geflossen Ist. Wenn der Strom In positiver Richtung
fließt, dann wird der Speicher in den Zustand P versetzt. Wenn der Strom zu fließen aufhört, bleibt der Speicher 100 im neuesten
Zustand, der nicht umgekehrt wird, oevor Strom durch einen gesteuerten
Siliziumgleichrichter in umgekehrter Richtung zu fließen
beginnt. Der Zweck dieses Speichers 100 besteht In der Aufbewahrung
des Rlchtungsbinns, in dem der Strom zuletzt geflossen
ist. Wenn der Strom zu fließen aufhört, braucht man während der Zelt, in der die Überbrückungskondensatoren 46 und 56 (Fig. 2)
für die Stromkontinuität sorgen, einen gesteuerten Siliziumgleichrichter
nicht mit Auslösesignalen zu beaufschlagen. Der
Richtungssinn jedoch, In dem der gesteuerte Siliziumgleichrichter
Im Folgenden mit Auslösesignalen beaufschlagt werden muß, wird
durch den Zustand des Polaritätsspeichers bewahrt.
Die in Flg. 4 dargestellte Logik bewirkt die Übergänge von
einem Arm zum anderen in der Nähe der negativ geneigten NuII-
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durchgänge der Eingangsspannung für den Wechselrichter. Hierfür
ist ein Nu I I durchgangsdetektor 102 für positive Neigungen vorgesehen, der als Trigger für drei Verzögerungs-Zähler 104,
und 10a dient. Die "Früh"-Verzögerungsanordnung 104 bewirkt eine
Verzögerung von weniger als 1/120 Sekunden, so daß die frühen Üoergänge zur Zeit E etwa vor dem negativ geneigten Nulldurchgang, der folgt, ausgelöst werden können. Die "Spät"-Verzögerungsanordnung 106 bewirkt eine Verzögerung von etwas mehr als
1/120 Sekunden, so daß die spaten Übergängen etwas nach dem negativ geneigten Nu I Idurchgang, der folgt, ausgelöst werden
können. Die Wahl dieser Verzögerungen richtet sich nach dem Bestreben, einen Übergang angemessen nahe am idealen Übergang
hervorzurufen, jedoch muß man im Fall des frühen Übergangs
sicherstellen, daß das Auslösesignal dem Nu I Idurchgang eine
ausreichende Ze i tjvorangeht, um zu gewährleisten, daß der
übergang ausgeführt ist und die Ladungsträger in dem gesteuerten
Siliziumgleichrichter, der nicht mehr leitet, verschwunden sind,
bevor ungünstige Potent I a I bedingungen hervorgerufen sind.
Eine Seniebeverzögerung 108 wird ferner vom Ausgang des NuII-durcngangsdetektors für positive Neigung erzeugt. Die Verzögerung
stellt in diesem Fall sicher, daß der in Reaktion auf ein spätes
Auslösesignal bewirkte Übergang verwirklicht worden ist, bevor
Daten in das Datenregister 110 als Vorbereitung für das nächste
zu codierende Bit eingeschoben werden.
Ein NOR-Gatter 112 mit Eingängen I21, I (, I„4 und I34 erzeugt
einen positiven Impuls, wenn der Strom Im Wechselrichter zu
fließen aufhört. Dies ruft eine Verzögerung von ungefähr 50 Mlkrosekunden (funktionell durch den Block 114 dargestellt)
hervor, bevor die Beaufschlagung irgend eines gesteuerten
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SM I ζiumgleichrichters mit Auslösesignalen zugelassen werden
kann. Während dieser Zeit wird die Stromkontinuität im Nullleiter der Verteilerleitung durch die Uoerbrückungskondensatoren
46 und 47 aufrechterhalten.
Der verbleioende Teil der Logik ist in die Beaufschlagung der
entsprechenden gesteuerten Siliziumgleichrichter mit Auslösesignalen einbezogen. Dies ist auf der rechten Seite der Fig. 4
dargestellt. Ob der ooere oder untere Arm leiten soll, richtet
sich nach dem Ausgang des Datenreglsters 110. Die Entscheidung,
ου der übergang vom oberen zum unteren Arm umgekehrt ablaufen
soll, bestimmt die Neigung des Übergangs. Ob die Auslösung früh oder spät Dewirkt werden soll, richtet sich nach der Neigung des
üuergangs und nach dem Richtungssinn des Stroms.
Die tatsächlich gewählte Logik löst den entsprechenden gesteuerten
Siliziumgleichrichter zu geeigneter Zeit aus, um den übergang
herzustellen, den zur Codierung der Daten notwendigen übergang
zu erzielen und mit den Stromumkehrungen fertig zu werden. Es ist keine Angelegenheit von besonderer Bedeutung, daß ein
Auslösesignal auch dem gesteuerten Siliziumgleichrichter, der im
Augenblick leitend Ist, in Fällen zugeführt wird. In denen keine
Änderung des Zustands hervorgerufen werden soll.
Die dargestellte Logik stellt dem entsprechenden gesteuerten
Siliziumgleichrichter auch einen Aus löseImpuIs nach der Verzögerung von ungefähr 50 Mikrosekunden zur Verfugung, die auf
die Richtungsumkehr des Nulleiterstroms folgt.
Einschlägige Fachleute erkennen, daß die in Fig. 4 dargestellte
Schaltung nur diejenigen wichtigen Teile enthält, die zum Ver-
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ständnis dieser Erfindung üeitragen. Solche Maßnahmen wie die
SperrschaItung, die jedes Auslösen der gesteuerten Siliziumgleichrichter des Wechselrichters Im Falle einer Leitungsstörung unterbricht, sind in Fig. 4 nicht gezeigt. Diese Gesichtspunkte, die für die praktische Realisierung dieses Systems
wesentlich sind, sind aber so herkömmlich, daß sie nicht dargestellt werden müssen.
Man kann eine Logik, die die Kontinuität des Stroms durch den Wechselrichter erhält, ohne die Benutzung eines Überbrückungskondensators verwirklichen, um mit den kurzen Perioden in der
Nähe der Zeit, zu der sich der Strom umkehrt, fertig zu
werden. Schwierigkeiten ergeuen sich, wenn der StromnuI Idurchgang und der SpannungsnuI Idurchgang ungefähr zusammenfallen.
Die erforderlichen logischen Entscheidungen sind jedoch bedeutend komplizierter. Daher wird dieses Verfahren nicht
empfoh Ien.
Es gißt einen Zustand, In dem der StromnuI Idurchgang und der
Spannungsnulldurchgang den umgekehrten i^ichtungsslnn haben und
genau zusammentreffen. In diesem Fall ist es nicht möglich, zuverlässige Üoergänge hervorzurufen.
Unter anderen Bedingungen kann es schwierig sein, den gewünschten Übergang bei jeder Gelegenheit hervorzurufen. Der
erreichte Zustand ist jedoch voraussagbar.
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Was im wesentlichen einzubezIehen ist, ist die Sicherheit, daß
irgendein dem Modulationstransformator aufgezwungener Kurzschluß
in der Weise abläuft, daß er nicht länger als einige wenige Grade bestehen bleiben kann, wobei während dieser Zeit die treibende
Spannung abnimmt. Das Problem ergibt sich, wenn man einen Pfad tür Strom von umgekehrter Richtung zu einer Zeit schaffen muß,
wenn der Spannungsübergang nicht vollendet ist. Die Lösung besteht In der Betätigung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters In
einem der oelden leitenden Arme der Strom in umgekehrter Richtung
fünren wird, üer oszuwähI ende richtige Arm Ist derjenige, für
den die Spannungswelle der Quelle In einer solchen Richtung er
verläuft, daß die den Kurzschluß treioende Spannung absinkt.
Für den Fall eines Wechselrichters, der Strom In den Nulleiter
der Verteilungsleitung einspeist, wäre es sehr schwierig mit Stromumkehrungen in der Nähe des SpannungsnuI I durcngangs mit
Irgend einer Technik fertig zu werden, die den UberbrUckungs-
kondensator vermeidet. Man wäre nämlich gezwungen, entweder
eine Ersatzeingangsspannung für den Wechselrichter oder eine
örtliche Kapazität auf einer der drei Phasen vorzusehen, die
dazu oenutzt werden kann. Zustände zu vermeiden, in denen die
Modulation sehr wenig vorhersagbar ist.
Während diese Erfindung in Verbindung mit einer besonderen An
wendung beschrieben wurde, kann man sich gleichermaßen Ihre Ver
wendung In anderen Situationen vorstellen. In der besonderen, im
Detail beschriebenen Ausführungsform wird der Wechselrichter
zur Addition üos gleichen Signals zu jeder der drei Phasen-
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spannungen der Vertei IungsIeItung verwendet. Einschlägige Fachleute
erkennen, daß drei Wechselrichter Denutzt werden können,
um getrennte Signale den einzelnen Phasen eines Starkstromsystems aufzuprägen. Entsprechend kann ein solcher Wechselrichter dazu
verwendet werden, ein Signal einem EinzeIphasensystem zu über-I
agern.
Es ist auch möglich, den Wechselrichter als Mittel zur Erzielung
eines elektronisch gesteuerten Phasenverschiebungstransformators
einzusetzen. Ein derartiges Gerät könnte verständlicherweise für
das Ausgleichen von Belastungen einer Mehrzahl von Generatoren Verwendung finden, die von einer gemeinsamen Welle angetrieben
werden.
Anwendungen können sich ergeben, bei denen der Wechselrichter
einen beträchtlichen Teil der gesamten Leistung in die Last
liefern kann, während dennoch eine äußere Quelle einen so großen bruchteil abgibt, daß der Stromfluß durch den Wechselrichter
nicht aus der Wellenform des Wechselrichters und der Impedanz
der Last vorhergesagt werden kann.
Aus der detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels ergibt sich.klar für einschlägige Fachleute, daß verschiedene
Abwandlungen und Anpassungen ohne Abweichung vom Umfang und der Lehre, wie sie in den Ansprüchen niedergelegt
ist, getroffen werden können.
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Claims (21)
- PATENTANWALT DIPL-INQ. JOACHIM STRASSEMS HANAU RÖMERSTR.« · POSTFACH 79J · TEL. (061W) *0βΟ3/ΪΟ7« · TELEQRAMMEj HANAUPATENT · TELEX: 41*4711 palArthur D. Little, Inc. 7. April 1977Acorn Park E/Ml - 11Cambridge, Massachusetts 02140, USAWechse I ri chterPatentansprüche :Natürlich kommutierter Wechserichter, d a d g r c h gekennze i chnet, daß er mit einer äußeren Wechselstromquelle verbunden ist, die Leistung an wenigstens eine Impedanz (5, 6, 7) abgibt, daß eine Vielzahl von wahlweise steuerbaren jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden in Paaren angeordnet sind, wobei jedes aus jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden (12, 15; 22, 25; 32, 35) bestehendes Paar zur Herstellung eines zweiseitigen Stromflusses geschaltet ist, daß die Paare zueinander parallel geschaltet und an eine äußere Stromquelle sowie an eine Last (5, 6, 7) angeschlossen sind, daß der Strom durch die Vielzahl in einer Richtung wirkender Strompfade von der Spannung der äußeren Stromquelle und der durch diese gespeisten Impedanz bestimmt ist, daß Anordnungen (100, 104, 106, 108, 110) zur Lieferung einer modulierenden Welle für jedes dieser Paare aus jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden (12; 15; 22; 25; 32; 35) vorgesehen sind und daß mit Anordnungen (11, 14, 21, 24, 31, 34) die leitenden Zustände der jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfade eines jeden Paars kontrollierbar sind.-B-709843/0845ORIGINAL INSPECTEDArthur D. Little, I nc.
(11 520) - 2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, daß die Vielzahl von Jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden (12; 15; 22; 25; 32; 35) mit der äußeren StromquelIe und der Impedanz (5, 6, 7) in Reihe geschaltet ist.
- 3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß die modul ierende WeI Ie eine Spannungswelle ist.
- 4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Spannungswelle von der an die Impedanz gelieferten Spannung abgeleitet ist.
- 5. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den ^esdmten Stromfluß durch die in einer Richtung wirkenden Strompfade (12; 15; 22; 25; 32; 35) ansprechende Anordnung (60, 61) zur Erzeugung eines Signals vorgesehen ist, wenn der Stromfluß einen vorherbestimmten Wert erreicht, und daß mit einer auf das Signal ansprechenden Anordnung (80, 81, 86) ein Zweirichtungsstromp fad (41, 51) freigebbar ist, der parallel zu der Vielzahl von jeweils in einer Richtung w'rkenden Strompfaden geschaltet ist.
- 6. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen zur überwachung der leitenden Zustände der jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfade Mittel (11, 14, 21, 24, 31, 34) zum Feststellen des Stromflusses und der Beendigung des Stromflusses durch jedon der jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfade ■12, 1?, Γ" 25, 3/,'36) umfassen.-C-709843/0845Arthur D. Litt le, Inc.
( 11 520) - 7. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Anordnungen (56 , 46) zur Aufrechterhaltung der Kontinuität des Stromflusses zu der Impedanz (5, 6,7) vorgesehen sind, wenn sich die Stromrichtung zu irgendeiner Zeit innerhalb eines Abschnitts der zusammengesetzten Ausgangsspannungswelle des Wechselrichters und beim übergang zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen der zusammengesetzten Spannungswel lenform umkehrt.
- 8. Natürlich kommutierbarer Wechselrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer äußeren Wechselstromquelle verbunden ist, die Leistung an wenigstens eine Impedanz (S>, 6, 7) abgibt, daß eine Vielzahl von Paaren von phasengesteuerten Gleichrichtern (12, 15; 22, 25; 32,35) in inverser Parallelschaltung zueinander parallel schaltet und mit der äußeren Wechselstromquelle sowie der Last (5, 6, 7) verbunden sind, daß der Strom durch die Vielzahl der Gleichrichterpaare von der Spannung der äußeren Wechselstromquelle und der von dieser gespeisten Impedanz (5, 6, 7) bestimmt ist, daß Anordnungen (100, 104, 106, 108, 110) zur Lieferung einer modulierenden Welle für jedes dieser Paare von Gleichrichtern vorgesehen sind und daß mit Anordnungen (11, 14, 21, 24, 31, 34) der leitende Zustand der Gleichrichter in jedem Paar kontrolIierbar ist.
- 9. Vorrichtung zur Zu-sammensetzung einer Spannungswellenform, die den Spannungen der drei Phasen einer einer elektrischen Starkstromvertel Iungsleitung über Iagert ist, die von einer im Stern geschatteten Sekundärseite eines Unterstationstransformators gespeist sind, nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselrichter, der eine Vielzahl von parallelen, wahlweise gesteuerten, jeweils in einer Richtung wirkenden709843/0845 - d -Arthur D. Little, I nc.Strompfaden (12; 15; 22; 25; 32; 35) aufweist, in Reihe it dem Sternpunkt (1) des im Stern geschalteten Unterstationstransformators und dem geerdeten Nulleiter (10) geschaltet ist, der allen Phasen der Vertei I ungsIeitungugeordnet ist, daß Anordnungen (IuO, 104, 106, 108, 110) zur Lieferung einer modulierenden Welle für jeden dieser Vielzahl von jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden vorgesehen sind und daß mit Anordnungen (11, 14, 21, 24, 31, 34) die leitenden Zustände dieser Vielzahl von jeweils in einer Richtung wirkenden Stromptaden wahlweise kontrollierbar sind.
- 10. Wechselrichter nach Anspruch 9, dadurch g e kennze i chnet, daß die modulierende Welle eine Spannungswelle ist.
- 11. Wechselrichter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungswel Ie von der die Vertei IungsIeitung speisenden Spannung abgeleitet ist.
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den gesamten, durch die jeweils in einer Richtung wirkenden• Strompfede fließenden Strom ansprechende Anordnung (9, 60, 61, 62, 63) zur Erzeugung eines Fehlersignals vorgesehen ist, wenn der Stromfluß einen vorherbestimmten Wert erreicht, und daß mit einer auf das Fehlersignal ansprechenden Anordnung (80, 81, 82, 86) ein Fehlerstrompfad (41, 51) zwischen dem geerdeten Nulleiter (10) und dem Sternpunkt (1) der im Stern geschalteten Sekundärseite freigebbar ist.-E-709843/0845Arthur D. Little, Inc.
(11 520) - 13. Wechselrichter nach Anspruch 9 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf einen vorherbestimmten Spannungspegel zwischen dem Sternpunkt (1) der im Stern geschalteten Sekundärseite und dem geerdeten Nulleiter (10) ansprechende Anordnung (70, 71, 72, 73, 74, 75) zur Erzeugung eines Fehlersignals vorgesehen ist und daß durch eine auf das Fehlersignal ansprechende Anordnung (80, 81, 82, 86) ein Zweirichtungsstrompfad (41, 51) zwischen dem Sternpunkt (1) und dem geerdeten Nulleiter (10) freigebbar ist.
- 14. Wechselrichter nach Anspruch 9 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen zur überwachung des leitenden Zustands der jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfade Mittel (11, 14, 21, 24, 31, 34) zum Feststellen des Stromflusses und der Beendigung des Stromflusses durch jeden der jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfade umfassen.
- 15. Vorrichtung zur Zusammensetzung einer SpannungsweI I en form, die den drei Phasenspannungen einer elektrischen Starkstromverteilungsleitung überlagert ist, die von einer im Stern geschalteten Sekundärseite eines Unterstationstransformators gespeist ist, nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselrichter ein erstes, ein zweites und ein drittes Paar von phasengesteuerten Gleichrichtern (12, 15; 22, 25; 32, 35)iη inverser Parallelschaltung aufweist, wobei die drei Paare von Gleichrichtern zur Bildung dreier Strompfade (A+, A-; B+, B-; C+,C-) zwischen dem Sternpunkt (1) der im Stern geschalteten Sekundärseite des Unterstationstransformators und dem geerdeten Nulleiter (10) angeordnet sind, der allen Phasen der VerteI IungsIeitung gemeinsam ist, daß ein mitteI angezapfter Modulatlonstransformator (8) zur Erzeugung einen€ingangsspannungsweI Ie für jedes Paar Gleichrichter vorgesehen ist, wobei der709843/0845 " F "Arthur D. Little, Inc.
( 1 1 520)Transformator (8) durch eine Spannung erregt ist, die in ihrer Phase mit derjenigen zwischen zwei Phasen der VerteiIungsIeitung übereinstimmt und daß die leitenden Zustände der Gleichrichter in jedem Paar durch Anordnungen (100, 104, 106, 108, 110) steuerbar sind. - 16. Verfahren zur Zusammensetzung einer Spannungswelle mit einem Wechselrichter, insbesondere nach Anspruch oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:a) Elektrische Verbindung eines Wechselrichters mit einer äußeren Wechselstromquelle und wenigstens einer Last, die von der äußeren Wechselstromquelle gespeist wird, so daß der Strom durch den Wechselrichter von der Spannung der äußeren Wechselstromquelle und der Last best i mmt wird,b) Zuführen einer modulierenden Welle zum Wechselrichter,c) überwachen des leitenden Zustands einer Vielzahl von jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden im Wechselrichter.
- 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierende WeIIe eine Spannungswelle ist.
- 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichne t, daß die SpannungswelIe von der Spannung, die die Impedanz speist, abgeleitet wird.709843/0846Arthur D. Li ttle, Inc. (11 5 20)
- 19. Verfahren nach Anspruch 16 oder einem der folgenden zur Durchführung mit einer Vorrichtung, die eine Vielzahl von jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden aufweist, die in wenigstens einem ersten und einem zweiten Paar angeordnet sind, von denen jedes einen ZweirichtungsstromfIuß zuläßt, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfade auf eine Auslösung hin leitend werden und dies bis zur Beendigung des Stromflusses bleiben, wobei der leitende Zustand eines jeden Paars von jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden nach folgenden Schritten gesteuert w i rd:a) Auswahl einer ausreichend vor dem idealen übergang liegenden Zeit, um sicherzustellen, daß der gewünschte übergang auch dann erfolgt, wenn er zur Kategorie gehört, die vor dem idealen übergang ausgelöst werden muß,b) Beseitigung aller Auslösungen während dieser Zeit,c) Auswahl des ersten oder zweiten Pfads, der als nächster leitend werden soll,d) Sperrung der Auslösung im positiven oder negativen Sinn für alle Strompfadpaare, wenn der Stromfluß zu djr Zeit der Unterbrechung eine positive (oder negative) Richtung hatte,e) Nach einer vorherbestimmten Verzögerung Auslösung des Stromflusses i; der Richtung, die zur Zelt der Unterbrechung der Auslösung gemäß Schritt b) fürdie Pfade vorherrschte. In denen Stromleitung erwünscht ist und Aufrechterhaltung, wenn sie nicht oder bis sie durch den Schritt f) aufgehoben wird,709843/0846Arthur D. Li ft le, Inc.
(11 520)f) Wenn alle Ströme verschwinden. Sperrung aller Auslösesignale für eine vorherbestimmte Verzögerungszeit über die Zeit des Verschwindens hinaus und anschließend Beaufschlagung der erwünschten Strompfade für beide Stromrichtungen mit Auslösesignalen, wenn der Strom während der auf den Schrittb) folgenden Periode ohne Auslösung verschwindet, wobei die Periode ohne Auslösung einen vorherbestimmten Zeitraum über die Zeit hinaus fortgesetzt wird, zu der der Strom verschwindet.g) Auf rech te rha I t ung der unter Schritt d) eingeleiteten Sperrung,bis zum früheren Auftreten von1. Auslösung in Übereinstimmung mit Schritt f),2. Herstellung der Stromleitung nur im erwünschten Pfad und in keinem anderen undi) Sobald der Strom nur im erwünschten Paar und in keinem anderen hervorgerufen ist, Lieferung und Aufrech te rh a I tun g von Auslösesignalen sowohl für positive als auch für negative Leitungsrichtung in diesem Paar bis zum Schritt a). - 20. Vorrichtung zur Zusammensetzung einer Spannungswe I I enfοrm, die der Spannung eines einphasigen elektrischen Starkstromverteil ungssystems überlagert ist, das eine Wechselstromquelle hat, die Leistung an wenigstens eine Impedanz abgibt, nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselrichter, der eine Vielzahl von parallelen, wahlweise gesteuerten, jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden (12, 15; 22, 25; 32, 35) aufweist", in Reihe mit der Wechselstromquelle und der Impedanz geschaltet ist, so daß der Strom durch die jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfade von der Spannung der Wechselstromquelle und709843/0845Arthur D. Little, Inc.
(11 520)der von dieser gespeisten Impedanz bestimmt ist, daß Anordnungen (100, 104, 106, 108, 110) zur Lieferung einer modulierenden Welle für jeden dieser Vielzahl von jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden vorgesehen sind und daß mit Anordnungen (11, 14, 21, 24, 31, 34) die leitenden Zustände dieser Vielzahl von jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden wahlweise kontrollierbar sind. - 21. Vorrichtung zur Zusammensetzung einer Spannungswellenform, die der Spannung von wenigstens einer Phase eines vieIphasigen, elektrischen StarkstomverteiIungssystems überlagert ist, das eine Wechselstromquelle aufweist, die wenigstens an eine Impedanz Energie liefert, nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselrichter, der eine Vielzahl von parallelen, wahlweise gesteuerten, jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden aufweist, elektrisch mit der Wechsel-Stromquelle und der Impedanz verbunden ist, so daß der Strom durch die jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfade durch die Spannung der Wechselstromquelle und die Impedanz bestimmt ist, daß Anordnungen (100, 104, 106, 108, 110) zur Lieferung einer modulierenden Welle für jeden dieser Vielzahl von jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden vorgesehen sind und daß mit Anordnungen die leitenden Zustände dieser Vielzahl von jeweils in einer Richtung wirkenden Strompfaden wahlweise kontro ι Iierber sind.709843/0845
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