DE1563341A1 - Impulsbreitengesteuerter Wechselrichter - Google Patents

Description

• Impulsbreitenge-steuerter Wechselrichter Wechselrichter werden meist aus einer Batterie gespeist, so _däß ihre Ausgangsspannung je nach dem Ladezustand der Batterie in weiten Grenzen schwanken kann. Schwankungen der Wechselspannung ergeben sich auch noch durch die veränderbaren lastabhängigen Spannungsabfälle. Sollen die Wechselrichter zur Versorgung von spannungsempfindlichen Synchronmotoren.dienen, so muß gefordert werden, daß die Wechselrichter unabhängig von Schwankungen der Gleichspannung und der Belastung eine konstante Wechselspannung abgeben. Die Ausgangsspannung eines-Wechselrichters kann einmal durch Amplitudensteuerung und zum anderen durch Impulsbreitensteuerung auf einen konstanten Wert gehalten werden. Zur Amplitudensteuerung werden beispielsweise sogenannte Gleichstromsteller verwendet, die die Eingangsspannung des Wechselrichters auf einen bestimmten konstanten Wert halten. Die von dem Gleichstromsteller abgegebene pulsierende Gleichspannung muß zu diesem Zweck geglättet werden. Bei Impulsbreitensteuerung wird bekanntlich die Wechselspannung ohne Beeinflussung der Amplitude durch Verändern der Dauer des rechteckförmigen Spannungsverlaufes während der Halbperiode auf den gewünschten'Wert gebracht. Es ist bekannt, eine Impulsbreitensteuerung dadurch vorzunehmen, daß zwischen einem ungeregelten Wechselrichter und einem Verbraucher Stromrichterventile in Antiparallelschaltung angeordnet sind, die-über einen Kegler abwechselnd Zündimpulse erhalten, welche gegenüber dem Nulldurchgang der Wechselspannung um einen bestimmten Winkel verschoben sind. Eine solche Steuerung läßt sich jedoch nur durchfuhren, wenn der Verbraucher als rein ohm'scher Widerstand wirkt, da die Nulldurchgänge von Otrom und Spannung zusammenfallen müssen. Dies ist aber nicht der Fäll, wenn. im Verbraucherstromkreis Induktivitäten oder Kapazitäten enthalten sind. Es wurde daher auch schon vorgeschlagen, die Impulsbreitensteuerung auf der Gleichstromseite mit Hilfe eines Löschstromtores vorzunehmen. Hierzu wird eine normale Wechselrichterschaltung durch Teilen des Löschkondensators und Hinzufügen eines weiteren Stromtores erweitert. Durch-ZÜnden dieses zusätzlichen @öschatromtores kann die Einschaltdauer der Hauptstromtore zu einem beliebigen Zeitpunkt innerhalb der Periode beendet werden. Ein besonderer Vorteil dieses impulabreitengesteuerten Wechaelrich-`ters ist sein einfacher Aufbau. Nachteilig ist aber, da$ infolge der in der Kommutierungsdrossel verbleibenden magnetischen Energie erhebliche Überspannungen auftreten kennen, die die Stromtore sehr gefährden. Da zwei Löschkondensatoren in Serie liegen, wird die Löschspannung halbiert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen impulsbreitengesteuerten Wechselrichter zu schaffen, der sowohl einfach im Aufbau ist und der einwandfrei arbeitet, ohne daß die Gefahr der Zerstörung der Stromtore durch Überspannungen auftritt. Der Wechselrichter gemäß der Erfindung, bei dem die Steuerung ebenfalls auf der Gleichstromseite vorgenommen ist, ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines an sich bekannten Wechselrichters in Mittelpunktschaltung, dem die Gleichspannung unmittelbar über einen Gleichstroulsteller zugeführt wird. Hierbei arbeiten Wech= selrichter und Gleichstromsteller mit derselben TaKtfrequenz, der Gleichstromsteller jedoch mit der doppelten. Der Gleichstromsteller enthält in an sich bekannter 4eise ein fiauptstromtor, ein Hilfsstromtor, einen Löschkondensator, einen Umschwinggleichrichter und eine Umschwingdrossel. Vorzugsweise wird das Hauptstromtor des Gleichstromstellers mit einer fest eingestellten Verzögerung nach je einer Halbperiode des Taktgebers gezündet. Dadurch wird ein im Wechselrichter sonst möglicher Kurzschlußstrom, welcher normalerweise durch die Kommutierungsdrossel begrenzt wird, vermieden. Die Kommutierungsdrossel kann somit kleiner ausgelegt werden. Hingegen wird die Löschung des Hauptstromtores des Gleichstromstellers beim Zunden des Hilfstromtores in Abhängigkeit von der Höhe der Ausgangsspannung des Wechselrichters vorgenommen. Zu diesem Zweck kann die Ausgangsspannung desWechselrichters nach Gleichrichtung mit der Spannung; einer Zenerdiode verglichen und die Abweichung zur Steuerung vewendet werden. Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel im Prinzip dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen impulsbreitengesteuerten Wechselrichter zur Speisung von Wechselstrom-Synchronmotoren, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des Gleichstromstellers, Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des ungesteuerten Wecheelricht-ers, .
• Fig. 4 die Ausgangsspannung des Taktgebers in Abhängigkeit von der Zeit, Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der geregelten Ausgangsspannungen und 6 des Wechselrichters bei verschieden hoher Eingangsspannung. Wie Fig. 1 zeigt, ist einem an sich bekannten ungesteuerten Wechselrichter WR ein an sich bekannter Gleichstromsteller GST -vorgeschaltet. Der Gleichstromsteller besteht in an sich bekannter Weise aus einem Hauptetromtor T1, einem Hilfsstromtor T2, einem Löschkondensator C1, einem Umschwinggleichrichter G1 und einer Umachwingdrosael L1. Der Wechselrichter WR besteht ebenfails in an sich bekannter Weise aus den beiden Stromtoren T3 und T4, der Kommutierungedrossel L2, den Blindstromdioden G2, G3, dem Kommutierungekondensator C2, den Gleichrichtern G4 und,G5 und dem Transformator Tr in Mittelpunktschaltung, an dessen Sekundärwicklung Synchron-Kleinstmotoren M angeschlossen sind. -Die Stromtore T1 bis T4 werden in an sich bekannter Weise von einest in-der Zeichnung nicht dargestellten Frequenzgeber ,gptaktet: Ist der Gleichstromsteller GST allein an eine Batterie mit der äpannung 11j angeschlossen, so wirkt er wie folgt: Bei Zündung des Hilfsstromtoree TZ wird der Kondensator C1 aufgela-.°;d n,--so daß sich an Löschkondensator Ci eine Spannung Uei aua-`bildet.- Nach Zundung den Hauptntromtores Ti fließt ein Strom

  U6er den - Verbraucher im Hauptkreis und das Strocgtor T" Gleich-

  durch die Spannung U., getrieben, -ein Strom ubir,

  Stromtor T,, Gleichrichter Gl, Umladedrossei Li. Da in diesem Kreis der Kondensator Ci und die Drossel Li einen Reihenschwing= kreis bilden, ergibt sich eine Sinusschwingung, die aber wegen. der Richtwirkung von Stromtor Tl-und Gleichrichter Gi nur bis zur halben Periodendauer der Schwingfrequenz des Schwingkreises ansteht. Nach der halben Periodendauer.ist der Kondensator C@ umgeladen. An ihm steht dann die Spannung U'Ci an. Der Löschkondensator ist nun löschbereit. Wird danach das Stromtor T2 gezündet, dann liegt die Spannung UICi in Sperrichtung am Stromtor Ti an. Der Hauptstrom wird kurzzeitig an dem Stromtor Ti über Kondensator Ci und Hilfsstrommotor T2 vorbeigeleitet. Das Stromtor Ti rekombiniert und wird sperrend. Auf diese Weise kann die Batteriespannung UB gemäß Figur 2 zerhackt werden. Mit Hilfe des Wechselrichters WR kann daraus auf der Sekundärseite des Transformators Tr eine Wechselspannung entsprechend Figur 3 gebildet werden. Die Stromtore T3 und T4 werden entsprechend der in Figur 4 dargestellten Taktfrequenz abwechselnd getastet. Sind zum Zeitpunkt A äowohl das Stromtor Ti als auch das Stromtor T3 gezündet, dann fließt der Hauptetrom von der Batterie 11B getrieben, über die obere Hälfte der Primärwicklung des Transformators Tr, über den Gleichrichter G5, das Stromtor T3, die Kommutierungedrossel L2 und das Stromtor Ti. Der Batteriespannung hält in diesem Stromkreis hauptsächlich der induktive Spannungsabfall an der halben Primärwicklung des Transformators Tr das Gleichgewicht. Aufgrund der Tranaformatorwirkung liegt auf der Sekundärseite des Transformators Tr die .positive Spannung gemäß Figur 3 und am Kondensator C2 die Spannung UC2 an. Hierbei ist die dpannung U,;, etwa doppelt so groß wie die der Batteriespannung UH. Sind zum Zeitpunkt b die Stromtore-Ti und T4 gezündet, fließt der Hauptstrom von der Batteriespannung (JH getrieben, über die untere Primärwicklungshälfte _des Transformators Tr, über den Gleichrichter G4, das Stromtor T4,'die Kommutierungadroseel L2 und das Stromtor Tj. Heim Zünden von Stromtor T4 liegt die Spannung U,2 in Sperrichtung am Stromtor T3, ab daß en danach mit Sicherheit gesperrt ist. Da der Hauptstrom auf der Primärseite des Transformators die Richtung gewechselt hat, kehrt auch die Sekundärspannung ihre Richtung um. Gleichzeitig wird auch der Kondensator C2 auf die Spannung U' C2 umgeladen. Die Gleichrichter G2 und G3 sorgen dafür, daß beim Abschaltendes Stromes durch den Gleichstromsteller die im Transformator Tr gespeicherte magnetische Energie abgebaut wird und keine Überspannungen hervorgerufen werden können. Die Gleichrichter G4 und G5 sorgen dafür, daß sich der Kondensator C2 bei der niedrigsten Betriebsfrequenz von 50 Hz während des strömlosen Zustandes nicht über die Primärwicklung des Transformators Tr entlädt. Der Wechselrichter soll mit Rücksicht auf die angeschlossenen Synchronmotoren M unabhängig von der Größe der abgegebenen Leistung und unabhängig vom Ladezustand der speisenden Batterie stets eine konstante Ausgangsspannung abgeben. Das wird mit Impulsbreitenregelung erreicht. Bei voll aufgeladener Batterie, also hoher Batteriespannung, ergibt sich gemäß Fig. 5 eine schmale und hohe Spannungskurve, bei entladener Batterie also niedriger Batteriespannung, ist die Spannungskurve gemäß fig.6 breit und niedrig. In beiden Fällen sind die Spannungszeitflächen gleich groß. Man erkennt anhand der Kurven in Figur 5 und 6, daß die Speisespannung der Synchronmotoren treppenförmig ist, die in an sich bekannter Weise weniger Oberwellen aufweist, als eine rechteckförmige Spannung. s Für die Tmpulsbreitenregelung wird die Ausgangsspannung des Wechselrichters gleichgerichtet und ihr Mittelwert erfaßt. Dieser Mittelwert stellt den Istwert dar, welcher beispielsweise mit einer.Zenerspannung als Sollwert verglichen viird: Die" Soll-Istwert-Differenz bestimmt dann den Zeitpunkt der Zündung'des Hilfsstromtores T2 und damit die Länge d.er anstehenden Spannung. Wie aus Fig. 5 und 6 noch zu ersehen ist, werden die Stromtore T3 und T4 gleichzeitig mit der Schwingung am Ausgang des Taktgebers gezundet. Hingegen wird das Stromtor T1 mit einer fest eingestellten Verzögerung' nach je einer Halbperiode der Schwingung des Taktgebers gezündet. Die Löschung des Stromtores T1 erfolgt beim Zünden des Stromtores T2, wobei der Zeitpunkt des Löschens durch die Regelung vorgegeben ist.

Claims (1)

1. Patentansprüche Impulebreitengesteuerter Wecheelrichter, bei dem die Impulsbreitenateuerung auf der Gleichetromeeite vorgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß einem an sich bekannten Wechsel- richter (WR) in ltittelpunktachaltung die Gleichspannung un- mittelbar über einen Gleichstromsteller (GST) zugeführt wird. 2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (WR) mit der*einfachen und der Gleichstromsteller (GST) sit der doppelten Frequenz getaktet wer- den. 3. Wechselrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Haupt$tromtor (T1) des Gleichstromstellers (GST) mit einer fest eingestellten Verzögerung nach je einer.Halbperiode eines Taktgebers gezündet wird.. 4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Löschung den Hauptatromtores (T1) des Gleichstromsteller (GST) beim Zünden den Hilfantromtoree (T2) in Abhängigkeit von der Höhe der Ausgängsspannung des Wechselrichtern (WR) vorgenomren ist. 5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auagangespaanung des Wechselrich- ters (WR) gleichgerichtet, ihr Mittelwert (Istwert) mit der Spannung einer Zenerdiode (Sollwert) verglichen und die Spannungsdifferenz (Soll=Int-Wertdifferenz) zur Steuerung des Hilfastromtoree (T2) den Gleichatromatellers: (GST) dient.