DE1563930A1 - Wechselrichter - Google Patents

Description

Wechselrichter

Es wird die USA-Priorität vom H. Sept. 196b der entsprechenden U3-Anmeldung Ser-No. 487,255 beansprucht.

Die vorxiegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Regelung der Spannung und zur Begrenzung des Stroms in einem
Wech3elrichtersystem.

Die Ausgangsspannung eines Wechselrichters kann ebenso wie sein Auogangsοtrom durch die Verwendung des Prinzips der Phasensohiebung gesteuert werden, wobei zwei Sinus spannungen erzeugt und
vektoricui addiert werden. Wenn die geforderte Ausgangsspannung

BAD ORIGINAL

PLA 66/8271

erreicht ist, sind die Frequenzen der beiden Spannungen gleich. Die Spannungsregelung und die Strombegrenzung wird durch Steuerung des Phasenwinkels zwischen den zwei Spannungen in Abhängigkeit eines Fehlersignais erreicht. Dabei wird der Phasenwinkel durch Veränderung der Frequenz einer der beiden Spannungen verändert, während die Frequenz der zweiten Spannung konstant bleibt. Wenn der für die gewünschte Ausgangsspannung erforderliche Phasenwinkel erreicht ist, wird die Frequenz so eingestellt, daß sie gleich der konstanten Frequenz ist.

Wechselricnter, die nach dem Prinzip der Phasenschiebung arbeiten, sind schon unter Verwendung von Magnetverstärkern aufgebaut worden, die die Frequenz der Spannung mit der veränderlichen Frequenz steuern. Solche Systeme haben jedoch den Nachteil, daß zwei magnetische Verstärker für jede Zählstufe des Wechselrichters benötigt werden. Ein weiterer Nachteil ist darin zu erblicken, daß die Abweichung der Magnetverstärker schwierig ist und daß sie relativ langsam auf Lastwechsel ansprechen.

Ea ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeitende Anordnung anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet, eine hohe Anspreougeschwindigkeit und hohen Wirkungsgrad besitzt.

Dies wird unter Verwendung zweier Teilwech3elrichter, deren Ausgangs spannung additiv eine resultierende Ausgangsspannung ergeben, deren Größe von der veränderbaren Phasendifferenz der Aus- r abhängt, dadurch erreicht, daß jedem TeilwechseL-0 9828/032 7

BAD ORIGINAL

PIA 66/8271

richter ein Steuersatz mit einem RC-Glied zugeordnet ist, das die Folge frequenz der Steuerimpulse bestimmt, daß der Widerstand des KC-Gliedes eines der beiden Steuersätze steuerbar ist und abhängig von der Abweichung des Momentanwertes der resultierenden Ausgangsspannung des Wechselrichters von einem durch mindestens eine Schwellwertschaltung vorgegebenen Sollwert verändert wird.

Ein Ausr'uhrungsbeispiei der Erfindung soll nun anhand der Figuren T bis 7 näher erläutert werden. Die Figur 1 zeigt ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung des Eegelprinzips durch eine Phasenschiebung. Die erste Sinusspannung mit einer festen Frequenz ist durch den V-ektor 12 dargestellt und die zweite Spannung mit der steuerbaren Frequenz durch den Vektor 14. Die erste und die zweite Spannung wird vektorieil addiert und ergibt die Ausgangsspannung, die durch den Vektor 16 dargestellt wird. Zur Erreichung der gewünschten Ausgangsspannung wird der Phasenwinkel 0 zwischen dem Vektor 12 und dem Vektor .14 in Abhängigkeit einer Spannung gesteuert, die ihrerseits abhängig vo*n einem Rückkopplungs- oder Fehlersignal ist. ·

Wenn der Vektor 16 eine Größe hat, die der eingestellten Größe gleich ist, ist die Frequenz der durch den Vektor 14 repräsentierten Spannung gleich der Frequenz der Spannung, die durch den Vektor 12 angegeben ist. Ändert sich die Größe des Vektors 16, ' so wird die Frequenz des Vektors 14 augenblicklich verändert, und der Winkel. 0 auf einen solchen Wert eingestellt, daß sich , · wie der die gewünschte Größe des Vektors 16 ergibt. Wie in Fig. .1

gezeigt ist, eilt der Vektor 14 dein Vektor 12 vor* Die Frequenz " . 00982Ö/0327

■ - j V ' ' ' . V - " BAD

• ■ PLA 66/8^71

des Vektors 14 muß daher abnehmen, wenn die Ausgangsspannung 16 zunehmen soll und umgekehrt. Nachdem der Winkel 0 auf den neuen Wert eingestellt wurde, wird zur Erhaltung des neuen Phasen-, winkers die Frequenz des Vektors 14 der Frequenz des Vektors 1.2 wi eαe r angeri i chen.

Aus diesem Vektordiagramm geht hervor, daf3 der maximale Wirkungsgrad des Wechseirichtersystems dann au:tritt, wenn die Vektoren 12 uno 14. in Phase sind und cbr Winkel 0 gleich Nuii ist. Wenn der Wechselrichter so aufgebaut ist, daß ein Winkel von Null Grad erreicht werden kann, ist es vorteilhaft, die Frequenz des Vektors 14 mit aer Frequenz 12 zu synchronisieren, wenn sich der Phasenwinkel IJuIl Grad annähert. Dies hat neben einem maximalen Wirkungsgrad die Wirkung, dais ein Pendeln oder Schwingen des Phasenwinkeis zwischen Null und einem Winkel nah an Null Grad verhindert wird. Es ist daher eine Einrichtung vorgesehen, die feststellt, wann der Phasenwinkel 0 gleich Null ist und die dann die Frequenz des

Vektors 14 mit der Frequenz des Vektors 12 synchronisiert. Die Synchronisation muß sich automatisch abschalten lassen, wenn der Vektor 16 über eine festgesetzte Größe hinaus anwächst oder der Ausgangsstrom die Grenze erreicht.

Ein Blockschaltbild des Wechselrichtersystems gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Die erste Sinusspannung wird in einem Steueroszillator 22 und in einem ersten Teilwechseirichter 23 erzeugt, wobei die Frequenz des Steueroszillators durch eine Pre- *- quenznormal 24 bestimmt ist. Der Teiigieichrichter 23 erzeugt die erste Sinusspannung, die in Fig. 1 ais Vektor 12 bezeichnet ist.

009828/0327

- 4 - BAD ORIGINAL

• PLA 66/8271

1 C CO Q O Cl

Die zweite, in Fig.- 1 durch den Vektor 14 bezeichnete Sxnusspannung wird durch den veränderlichen Oszillator 32 und den zweiten Teilgieichrichter }4 erzeugt. Die Frequenz des veränderlichen Oszillators 32 wird durch ein über die Leitungen 36 und 38 zugeführtes spannungs- oder stromabhängige's Fehlersignal gesteuert. Die Frequenz der durch den Teilgleichrichter 54 erzeugten Spannung wird durch ein Signal des veränderlichen Oszillators 32 gesteuert, der mit dem Wechselrichter 34 über eine Leitung 4U verbunden ist.

Die von den Wechsexrichtern erzeugten Teilspannungen werden vektorieii addiert und an die Last 35 gelegt. Das dem veränderlichen Oszillator y2 zugeführte Fehiersignax wird einem Meßglied 52-, einem üpannungsfühler 54 und einem Stromfühler 5o entnommen. Der Stromiuhxer Sh spricht auf den Ausgangsstrom in der Leitung 44 des wechseirichtersystems 20 an, mit dem er über einen Stromtransforroator 58 verbunden ist. Der Spannungsfühler 54 spricht auf die Spannung auf den Leitungen 44 und 46 an. Wenn das auf Strom ansprechende Signal unter einer festgesetzten Grenze bleibt, wird das dem Meßglied 52 zugeführte Signal aus einer Spannung abgeleitet. Wenn das auf Strom ansprechende Signal die festgesetzte Grenze erreicht, wird das dem Messglied 52 zugeführte Signal aus dem Strom abgeleitet. Dieses, dem Meßglied 52 zugeführte Signal wird mit einer Bezugsgröße verglichen und jede Abweichung des Signals von dieser Bezugsgröße dem variablen Oszillator 32 als Fehlersignal zugeführt.

Zur Begrenzung der gesamten Winkelabweiohung auf 180 ist ein Winke lbegrenzer 64 zwischen den Wechselrichter 23 und den Wechselrichter M eingeschaltet. Nimmt man an, daß der Winkel 0 auf einen Bereich von Null bio -IBU⁰ beschränkt werclon aoli, ao verhindern 1 '.. «·.· ι tone rkre ] ne im Winke ibiigrönzer ~b\_t Λίΐ\ί die Spannung des

9 098 3!8 / 0 3 r7

BAD ORIGINAL

PLA 66/8271

Wechselrichters 34 der Spannung des Wechselrichters 23 um mehr· als-180 vorauseilt. Außerdem sind Schaltkreise vorgesehen, die ein Nacheilen der Spannung des Inverters 34 hinter der Spannung des Inverters 23 verhindern.

Damit einwandfrei festgestellt werden kann, wann die Ausgangsspannungen der Wechselrichter in Phase sind, worauf die beiden in Phase befindlichen Spannungen miteinander synchronisiert werden können, ist ein Phasendetektor 84 vorgesehen, der auf die relative Phasenlage zwischen den Spannungen der Wechselrichter 34 und 23 anspricht. Wenn die beiden' Spannungen in Phaqe sind, wird dem veränderlichen Oszillator 32 das Signal des Frequenznormal 24 über die Leitungen 9u und 92 zugeführt. Das Signal des Frequenznormais 24 verhindert, daß der veränderliche Oszillator mit einer Frequenz unterhalb der Bezugsfrequenz arbeitet, jedoch nicht, daß der veränderliche Oszillator 32 mit einer höheren Frequenz arbeitet. Dadurch kann der Osziixator 32 seine Frequenz erhöhen und die Ausgangsspannung herabsetzen, wenn die Ausgangsspannung des Wechseirichtersystems 20 über den eingestellten Wert hinaus anwächst oder der Ausgangsstrom die vorgegebene Grenze erreicht. Dar. Synchronisiersignal des Frequenznormal 24 wird vom Oszillator 32 dann abgeschaltet, wenn der Phasenwinkel. 0 die Grenze erreicht, bei der eine Regelung notwendig ist.

Die Fig. 3, 4 und b zeigen Einzelheiten des Wechaeirichtersystems 20. Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren deuten an, daß die Komponenten einander gleich sind. Die Fig. 3 und 4 zeigen dan Frequenznormal 24, den Steueroszillator 22 und den veränderlichen Oszillator 32, die Teilwechaelrichter 2:> und 34* den Phasendetoktor 84 und den Begrenzer 64, während Fig. 5 die Schaltungsanordnung zur Erzeugung den Fehlersignals zeigt, die aus dem Stromt uhJ wr ¹H), dem Spannung«fühler Ή und dem Meßglied 52 b«ateht.

^009828/0327 BADORIGINAL

PLA 66/8271

Das -in den Figuren 3 und 4 gezeigte tfechselrichtersystem erzeugt .Sinusspannungen nach der Methode der harmonischen Neutralisation, jedoch können auch andere Methoden zur Erzeugung von Sinuswellen benutzt werden.

Der in Figur 3 gezeigte Steueroszillator 22 besitzt eine Doppelbasisdiode und Einrichtungen zur Formung und Verstärkung des Auagangssignals sowie einen Triggerkreis, der das Ausgangssignal des Steuerossiilators 22 mit dem Bezugssignal des Frequenznormals 24 synchronisiert. 7/ird am Anschluß B+ ein Potential angelegt, so ladt sich der Kondensator 102 auf, so daß die Spannung an der Emitter-Elektrode Ξ der Doppelbasisdiode 100 ansteigt. Erreicht die Spannung am Emitter E einen vorgegebenen Wert, so sinkt der dynamische Widerstand zwischen Smitter und der einen Basis B1 auf einen niedrigeren Wert. Damit kann sich der Kondensator 102 über den Emitter E entladen und ein positiver Stromimpuls fließt durch die Doppelbasisdiode. Sinkt die Spannung am Emitter E auf einen bestimmten Wert, so hört der Emitter E auf zu leiten, so daß sich der Kondensator 102 zur Wiederholung des Zyklus von neuem aufladen kann. Die Frequenz der Schwingung kann durch negative Stromimpulse synchronisiert werden, die auf die Basis B2 gegeben werden.

Der die Synchronisierung des Steueroszillators 22 bewirkende Trigger kreis besteht im wesentlichen aus den Transistoren 116 und 118, wobei der erste Transistor 116 über einen Richtleiter 123 und ,einen Widerstand 120 mit dem Frequenznormal 24 verbunden ist.

0 0 98 287 03-2 7 Hab/Oa

PLA 66/8271

Das Frequenznormal 24 ist ein herkömmlicher Impuls- oder Rechteckgenerator, der am Ausgang 26 positive Impulse liefert. Die Diode 123 ist für den Fall erforderlich, daß das Frequenznormal auch negative Impulse oder negative Rechteckspannungen liefert. Eine vom Frequenznormal 24 gelieferte positive Spannung öffnet den Transistor 116, so daß sein Emitterstrom zur Basis de3 Transistors 118 fließt, der ebenfalls leitend gesteuert wird und damit den Kondensator 124 an Masse legt. Dadurch wird das Potential an der Basis 32 der Doppelbasisdiode erniedrigt, womit die Doppelbasisdiode mit den Signalen des Frequenznormals 24 synchronisiert ist.

Der positive Impuls an der Basis B1 der Doppelbasisdiode 100 wird einem Transistor 110 zugeführt, der dadurch leitend gesteuert wird, so daß die Leitung 30, die den jteueroszillator 22 mit dem Wechselrichter 23 koppelt, an Masse gelegt wird. Bei Fehlen eines Signals am Transistor 110 ist das Potential des Leiters 30 durch die Spannung B+ und den durch die Widerstände 112 und 114 bestimmten Spannungsabfall bestimmt.

Der i/echselrichter 23 erzeugt eine durch das Frequenznormal 24 und den Steueroszillator 22 bestimmte sinusförmige Spannung. Die im Wechselrichter 23 benutzten Zählstufen oder Flip-Flops 130, 132 und 134 sind in Figur 4 gezeigt. Selbotverständlich kann jede gewünschte Anzahl von Zählstufen verwendet werden. Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wechselrichters 23 sei zunächst angenommen, dai3 sich die Transistoren 144, 144' und 144'' in ihrem leitenden Zustand befinden und die Transistoren 146, 146' und 146'' gesperrt sind. Damit sind die Kondensatoren 158', 158*' und 156 so aufge-

009828/0327

" ' - 8AD ORIGINAL

PLA 66/8271

laden, wie dies Figur 4 zeigt, da der eine Anschluß jedes Kondensators mit dem Leiter 30 verbunden ist, der positives Potential führt. Die anderen Anschlüsse der Kondensatoren 158', 158'' und 156 sind über die leitenden Transistoren 144, 144' und 144'' an Masse gelegt. Die Kondensatoren 158, I56' und 156'' sind entgegengesetzt aufgeladen. Erzeugt der Steueroszillator 22 einen positiven Impuls an der Basis B1 der Doppelbasisdiode 100, so tritt an der Leitung 30 kurzzeitig Massepotential auf. Die Ladung der Kondensatoren 158', 158'' und 156 spannt' die Transistoren 146', 146'' und 144 kurzzeitig negativ vor, so daß der Transistor 144 gesperrt wird. Di» Transistoren 146' und 146'' werden davon nicht berührt, da .jie schon in gesperrtem Zustand waren. Gleichzeitig wird der Transistor 146 leitend gesteuert, so daß die Polarität der Konie^atjren 156' und 158' umgekehrt wird. Der nächste negative Impuls auf der Leitung. 30 sperrt den Transistor 144' und steuert damit gleichzeitig den Transistor 146 leitend. Damit wird die Polarität der Kondensatoren 156'' und 158'' geändert, so daß der nächste auf der Leitung 30 auftretende Impuls den Transistor 144'' sperrt und den Transistor 146'' durchsteuert. Dies setzt sich fort, so daß der Reihe nach Transistor 144, 144', 144'', 146, 146' und 146'' geöffnet ist. Werden die Zählstufen untereinander auf andere Art verbunden, kann jeder andere Einschaltmodus erreicht werden. Die sinusförmige Spannung wird an den in Serie geschalteten Sekundärwicklungen 140, 140' und HO'' der Übertrager 136, 136' und 156'' abgenommen.

Die veränderliche 31nunspannung wird durch den Oszillator 32 und dor. .'/.--·-r:;j'j Ir: 'jhter 54 erzeugt.-Der Oszillator 32 ist im großen

009828/03 2 7

- 9 - Hab/Cd

BAD ORIGINAL

PLA 66/8271

und ganzen gleich wie der Steueroszillator 22 aufgebaut, er ist ■jedoch nicht mit der Bezugsfrequenz synchronisiert, sondern mit einem A-Verstärker versehen, dessen Widerstand in Abhängigkeit von einem geeigneten Signal erhöht oder vermindert werden kann.

Die Frequenz des Oszillators 32 wird durch den Transistor 190, den Widerstand 182 und,den Kondensator 188 bestimmt. Da der Widerstand 182 und der Kondensator 188 eine feste .Größe besitzen, wird die Frequenz des variablen Oszillators 32 durch Veränderung der Impedanz des Transistors 190 gesteuert. Dies begrenzt auch eine unsymmetrische Erregung der Übertrager im Wechselrichter 34, so daß eine Sättigung der Magnetkerne verhindert wird. Im Oszillator 52 steuert der Widerstand 196 den Transistor 192 zwischen Sperrung und Sättigung oder auch nur teilweise aus, so daß damit der Transistor 190 ebenfalls teilweise ausgesteuert werden kann. Die Gröie und Polarität eines Fehlersignals, das auf den Leitungen 36 und 38 einläuft, steuert daher die Impedanz des Transistors 190 und somit die Frequenz des veränderlichen Oszillators 32. Ein positives Signal läßt die Frequenz des Oszillators 32 durch Reduzierung, der Impedanz der Transistoren 192 und 190 ansteigen, wogegen ein negatives Signal die Frequenz des variablen Oszillators 32 durch Erhöhen der Impedanz der Transistoren 192 und 190 verringert. Liegt.an der Basis B1 der Doppelbasisdiode 180 kein positiver Impuls an, ist das Potential auf der Leitung 40 durch die Spannung B+ und den Spannungsabfall über die Widerstände 204 und 206 bestimmt. Wird an die Basisfilektrj-Ie B des Transistors 202 ein von der Basis B1 der Doppelbasisdiode 180 stammender Impuls angelegt, 30 sinkt das Potential auf der Leitung 40 gegen Masse. Der zum Oszillator 32 gehörende

0 0 9 8 2_8 _<(p 3 2 7

BAD

PLA 66/8271

Teil"wechselrichter 34 ist in seinem Aufbau dem ersten Teilwechsel-•richter 23 vollkommen gleich, so daß seine Punktion und sein Aufbau nicht gesondert beschrieben zu werden braucht.

Das auf den Leitungen 36 und 38 einlaufende Fehleraignal kann durch herkömmliche Vergleichseinrichtungen erzeugt werden. Eine typische Vergleichseinrichtung 52 mit dem Spannungsfühler 54 und dem Stromfühler 56 ist in. Figur 5 gezeigt. Wenn insbesondere gefordert ist, die Spannung solange zu regeln, bis ein bestimmter Ausgangsstrom erreicht ist, können der Sparinungsfühler 54, und der otromfühler 56 parallel geschaltet sein, wobei das größere der beiden Signale der Vergieichseinrichtung 52 zugeführt wird. Daher regelt das Signal vom Spannungsfühler 54 die Ausgangsspannung so lange, wie sein Signal größer als das des Stromfühlers 56 ist. Wenn das Signal des dtromfühlers größer wird als das des Spannungafühlers 54, wird das System stromgeregelt. Der Stromfühler 56 besteh" im wesentlichen aus einem Stromtraiisformator 58, der mit einem Wider stand 26? abgeschlossen ist_fl und gibt über die Richtleiter 264 und .'■?66 ein gleichgerichtetes Signal ab_s das dc?m Stroa in der Leitung 44 proportional ist·» Der Spannung3fühler 54 besteht aus ©inem VoIlweggleich-rienter 27O₉ dem die Ausganges psnmuag ües sJeeliselrichtersystems 20 über Lt-'.t-sr 60 una 62 zugeführt uiroL Des³ Btromfühler 56 v;ii^sd isii d©ia posi^.-~vs=K Ausgaiag clss ToIl^eggXoieliffietToO^s 270 veröiä£C'Ä₅ so flaß öle größsrö der bsiclen Sp®aaiaag©si üqs n©S©inrichtung '02. smgsfüiirt ¹WIrGo 'Die F.£üEginriofotung 52 b@s1;efet smq otimv herkömm- ;. -Ι'Λϋϊ; ^iiii-rdiod'-.;abr"'-icli:G 274 i&ii snei ä!mliGfe©ia goas^öloöen 21-6■ und ■>-2 uM Sffoi ähnlichen Wifiers-feändsn 280 imü 282o üesm Si© gleich-

909121/0327 ' ^BÄ

- 11 - Hab/C β

PLA 66/8271

gerichtete Spannung gleich der Bezugsspannung der Zenerbrücke ist, also ;:weimal so ptjß wie der Spannungsabfall über eine der beiden Zenerdioden, ist das Ausgangssignal an den Ausgängen 284 und ?86 gleich Null. Ist die Spannung auf den Leitern 44 und 46 Kleiner als die Bezugsspannung, wird das Potential am Punkte negativ in Bezug auf das Potential am Punkt 286. Ist die Spannung : edoch grö.3er als die Bezugs spannung der Zenerbrücke 274, wird das Potential am Punkt 284 positiv in Bezug auf das Potential am Auegang 276. Ist die Ausgangsspannung des Wechselrichtersystem3 also kleiner als eingestellt, so sinkt die Frequenz des Oszillators 32, womit auch der Phasenwinkel 0 zwischen den Ausgangsspannungen der Inverter 23 und 54 kleiner wird und die Ausgangsspannung des Systems steigt. Ist die Ausgangsspannung jedoch größer als eingestellt, wird das Potential des Leiters 36 positiver als das Potential auf der Leitung 38, so daß die Frequenz des Oszillators 32 ansteigt und mit ihm der Winkel 0. Bei Übereinstimmung der Spannungen wird das Fehlersignal Null und die«Frequenz des variablen Oszillators bleibt unverändert.

Wenn der Ausgangsstrom des Wechselrichtersystems die gesetzte Grenze überschreitet, geht das System von der Spannungsregelung auf die Stromregelung über. Mit der Frequenz des Oszillators 32 ändert sich auch die notwendige Ausgangsspannung, so daß der Ausgangsatrom wieder begrenzt wird. Zur Einstellung der zu regeln den Spannung und der Begrenzung des Stroms kann ein einstell barer Widerstand verwendet werden. Die Leiter 36 und 38 sind mit zwei antiparallel geschalteten Richtleitern 290 und 292 überbrückt, um den Kreis weniger empfindlich zu machen und die

009828/0327

BAD ORIGINAL

PLA 66/8271

FrequenzSchwankung des variablen Oszillators durch Ausblenden solcher Signale, die die Schwelle der Gleichrichter überschreiten, zu begrenzen. Es soll an dieser Stelle bemerkt werden, daß die. Abgabe eines Fehlersignals bei Unter- oder Überschreiten der Schwelle augenblicklich erfolgt, da das aus der Zenerdiodenbrücke bestehende Schwellwertglied ohne Zeitverzögerung anspricht. Damit ist eine sehr schnelle und trägheitslose Regelung auf den gewünschten Zustand möglich. Eine wirksame.Strom- und Spannungsregelung kann jedoch nur dann erreicht werden, wenn die gesamte Frequenzabweichung des Oszillators 32 auf maximal 180 begrenzt wird und der Winkel zwischen 0 und -180 oder zwischen 0 und +180 schwankt. Ohne einen Begrenzer würde das Fehlersignal seine Polarität ändern, wenn der schwankende Vektor aus diesen Grenzen herauswandert, so daß eine Regelung nicht mehr möglich ist.

Die Figur 4 zeigt eine Schaltungsanordnung 64 zur Begrenzung des Winkels 0 auf ein vorgegebenes Maximum und Minimum. Die Abweichung des Phasenwinkels muß entweder auf einen Bereich von 0 bis -180° (voreilend) oder auf einen Bereich zwischen 0 und +180° (nacneilend) begrenzt werden. Die vorliegende Schaltungsanordnung ist so ausgebildet, daß sich die Abweichung des Phasenwinkels auf einen Bereich zwischen 0 und -180° (voreilend) beschränkt. Die Begrenzerschaltung, die in Verbindung mit den beiden Zählstufen 210 und 150 erläutert werden soll, enthält zwei 3teuerwiderstände 300 und 302. Der Widerstand 300 ist mit der Kollektorelejctrode des Transistors 144 -im Wechselrichter 23 verbunden und auf der anderen 3eite über die Diode 224 mit der Basis des Translators 216 im Wechselrichter 34. Der Widerstand 300 sperrt die Diode 224 so lange, wie der Transistor 144 gesperrt ist. Dadurch

009828/0327 BADOfWälNM..-

PLA 66/8271 " ' '

werden die Sperrsignale auf der Leitung 40 von der Basis des Transistors 216 ferngehalten, so lange sich der Transistor 144 in seinem nichtleitenden. Zustand befindet. Der Kondensator 312 ist einseitig mit dem Kollektor des Transistors 146 im Wechselrichter 23 und auf der anderen Seite mit der Basis des Transistors 216 im Wechselrichter 34 verbunden, öffnet der Transistor, so zieht der Kondensator 312 Strom, so daß der Transistor 216 gesperrt wird, wenn er vorher noch nicht gesperrt war. Sperrt der Transistor 146, so wird der Transistor 216 über den Kondensator geöffnet, wenn er vorher noch nicht geöffnet war. Die Diode ist so gepolt, daß sie einen Strom von Masse durchläßt und schafft damit einen Entladungspfad für den Kondensator 312 über den Transistor 146 und die Diode 324.

Die Figur 6 veranschaulicht die Arbeitsweise der Begrenzerschaltung und zeigt den Verlauf der Kollektorspannungen der Transistoren in der Stufe 130 des Wechselrichters 23 und der Stufe 210 des Wechselrichters 34 über dem Phasenwinkel. Dabei soll· die Ziffer bedeuten, daß der Transistor gesperrt, und die Ziffer 0, daß der Transistor leitend ist. In Zeile a der Figur 6 iat das Schaltverhalten der Transistoren 144 und 146 gezeigt, und in Zeile b das entsprechende Schaltverhalten der Transistoren 216 und 218 im Wechselrichter 34. Die Transistoren 216 und 218 schalten zwischen 0 und -180° (voreilend), was durch die Pfeile angezeigt wird. Die Zeile c der Figur 5 zeigt einen Arbeitszustand, der durch den Begrenzer 64 verhindert werden muß. Die Stufe 210 dee Wechselrichters 34 schaltet zu früh und eilt der Stufe 130 um mehr al3 den zulässigen Wert voraus. Dieser Zustand k*nn nur .

009828/0327
- 14 -

. PLA 66/8271

aufgrund von Signalen aus dem Oszillator 32 eintreten. Es ist daher die Funktion der Steuerwiderstände zu verhindern, daß diese Signale zum Wechselrichter 34 gelangen, bevor der höchst zulässige Betrag des Phasenwinkels nicht unterschritten ist. Der Stromverlauf in Zeile a zeigt, daß der Transistor 146 zwischen -18ü° und U⁰ gesperrt ist, weil die Diode 226 über den Widerstand 302 gesperrt ist. Dadurch kann der Transistor 218 zwischen -180° und nicht ausgeschaltet werden. Zwischen -180° und 0° ist der Transistor 146 gesperrt, so daß das den Transistor 218 ausschaltende Signal des Oszillators 32 während dieser Periode gesperrt wird.

Die Zeile d zeigt den zweiten Fall, der durch die Begrenzerschaltung 64 verhindert wird. Die Stufe 210 schaltet zu spät und ei.Lt- der Stufe 130 um einige Grad nach. Zur Verhinderung dieses !!ustandes sind daher Umschalt-Kondensatoren und -dioden vorgesehen. Wenn der Transistor 144 bei 0° ausschaltet, gelangt über den Kondensator 314 ein positiver Impuls auf die Basis des Transistors 218. Ist der Transistor 218 bei 0° gesperrt, wird er durch diesen Impuls eingeschaltet und kann somit nicht nacheilen. Die Arbeitsweise der anderen Stufen ist der der ersten Stufe gleich.

Für den Fall, daß die Grenze zwischen +180° und 0° läge, würden die*Steuerwiderstände dafür sorgen, daß die Spannung vom Wechselrichter 34 der Spannung vom Wechselrichter 23 um nicht mehr als t80° voreilt. In diesem Fall sorgen die Widerstand® für eine Begrenzung bei 0°. Die Schaltkapazitäten und -dioden verhindern ©in Kacheilen der Spannung dea Weshselrichters 34 gegenüber der

009828/0327

PIA 66/8271

Spannung vom Wechselrichter 2;5. Im vorliegenden Ausführungsbeispiei ist die Begrenzers chaltung so aufgebaut, daß s-ie innerhalb der Grenzen von -180° bis Ü° arbeitet. Der Bereich des Phasen-

18ü° winkeis kann jedoch auch auf einen Bereich von —vt— eingestellt werden, wobei N gxeich der Anzahl der Zählstufen im Wechselrichter 2t) ist. So_Li sich zum Beispiel der Bereich zwischen -12ü° und U⁰ erstrecken, so kann dies dadurch erreicht werden, daß die Steuerwiderstande mit den entsprechenden Steilen einer anderen Stufe verbunden werden. Entsprechend kann auch beispielsweise der Bereich von -18u° bis -oO° (voreilend) eingestellt werden.

Wenn sich der Phasenwinkel dem Betrag Null nähert, ist es wünschenswert, diesen Zustand zu erkennen und die beiden Spannungen miteinander zu synchronisieren, und zwar so lange, wie der Phasenwinkel einen vorbestimmten Betrag nicht überschreitet. Eine solche Schaltung ist wünschenswert, um ein Pendeln des Phasenwinkels von O⁰ und beispielsweise 5° zu verhindern, wenn das Regelsystem die variable Frequenz nahe an die Nullmarke heranbringt. Die Synchronisation ist auch aus Gründen eines hohen Wirkungsgrades erforderlich, da der maximale Wirkungsgrad dann auftritt, wenn die beiden Spannungen in Phase sind. Die Bedingung, die an die Synchronisierung gestellt wird, besteht darin, daß sie sich automatisch abstellen muß, sobald die Spannung über die Regelspannung oder den festgesetzten Strom hinaus anwächst.

Die Fig. 3 zeigt eine Synchronisiereinrichtung 84t die diese Bedingungen erfüllt. Diese besteht im wesentlichen aus einem Übertrager 39U mit einer Primärwicklung 392, die mit den ent-

009.8^3^0327

PLA 66/8271

sprechenden Stufen der Wechselrichter 34 und 23 verbunden ist. Sie liefert eine quasirechteckförmige Spannung an die Eingänge 382 una.384 einer Gieichriehterbrücke 378. Der Spannungsνerlauf am Eingang der Gieichriehterbrücke ist in Fig. 7 gezeigt. Die Impulsbreite entspricht dem Phasenwinkel 0 zwischen den beiden Wechselspannungen. Der Abstand zwischen den Vorderkanten der impulse 4.UU beträgt 180 . Sind die Spannungsvektoren 12 und 14 in Phase, verschwinden diese Impulse; sie werden umso größer, je mehr der Phasenwinkel anwächst. Der Vollweggieichrichter 378 richtet die in Fig. 7 gezeigten Impulse gleich, die einen Transistor 367 öffnen, so daß ein Kondensator 376 auf einen Betrag aufgeladen werden kann, der durch die Zeitkonstante des Widerstandes 372 und des Kondensators 376 bestimmt ist. Die Zeitkon-GtanLe des Widerstandes 372 und des Kondensators 376 ist so gewählt, daü der Kondensator 376 auf eine Spannung von der Große B+ in einer solchen Zeit aufgeladen werden kann, die kurz ist im Vergleich einer vollständigen Periode der Ausgangsspannung. Die Zeitkonstante des Widerstandes 368 und des Kondensators 376 ist so gewählt, daß die Spannung am Kondensator 376 von der Spannung B+ auf NB+ fällt (N kleiner als 1), und zwar innerhalb einer Zeit, die in Winkelgraden angegeben 180° minus der Große des Winkels ist, innerhalb der die Spannungen miteinander synchronisiert werden sollen. Die Bemessung der Einzeiteile ist so vorgenommen, daß der Transistor 366 leitend gesteuert wird, wenn der Kondensator 376 auf eine Spannung zwischen NB+ und B+ aufgexaden ist. Ist der Transistor 366 leitend> wird das vom Frequenznormal 24 stammende Signal kurzgeschlossen. Daher wird, wenn

— 17 —
0 0 9 8 2 8/0327 ^{BAD 0RIGlNAL}

PLA 66/8271

die AusgangsSpannung des Wechselrichters 34 nicht in Phase mit der AusgangsSpannung des Wechselrichters 25 ist, der variable Oszillator nicht mit der Frequenz des Preqüenznormals beaufschlägt. Nähert sich der Phasenwinkel dagegen O⁰, so nimmt die Impulsbreite ab. Damit kann sich der Kondensator 376 nicht mehr auf die Spannung B+ aufladen. Ist der Phasenwinkel kleiner als z.B. 5°, so fällt die Spannung am Kondensator 376 unter NB+, bevor der nächste Spannungsimpuls auftritt. Der Wert des Widerstandes 370 ist so gewählt, daß die Basisspannung am Transistor 366 zum Öffnen nicht ausreicht, wenn die Spannung am Kondensator 567 die Spannung NB+ um einen kleinen Betrag unterschreitet. Wird der Transistor 366 gesperrt, gelangt das Signal vom Frequenznormal an die Basis des Transistors 352 und an den Emitter des Transistors 554· Das Frequenznormal ist dann mit der Basis B2 der Doppelbasisdiode 180 im Oszillator 32 gekoppelt. Damit ist dieser Oszillator mit der Frequenz des Oszillators 22 synchronisiert und die Ausgangsspannung des Wechselrichters 34 mit der Ausgangsspannung des Wechselrichters 23 in Phase. Der Kondensator 362 ist so klein gewählt, daß der Oszillator 32 mit einer höheren Frequenz als der Bezugsfrequenz arbeiten kann. Damit können.sich die Kreise von selbst trennen, wenn der Phasenwinkel über einen bestimmten Wert hinausgeht.

Der Spannungsregelkreis nach Fig. 3 und 4- ist so aufgebaut, daß ein Anwachsen der Frequenz ein Abfallen der Ausgangsspannung zur Folge hat. Wenn daher die Ausgangsspannung des Wechselrichters 20 unterhalb der eingestellten Spannung liegt und der Phaaen-

PLA 66/8271

winkel 0 sehr nähe an Null ist, wird der Oszillator 52 mit dem Ste-uerosziilator 22 synchronisiert. Sowie der Phasenwinkel ansteigt, wird der Transistor 366 leitend gesteuert, der das Signal des Frequenznormal kurzschließt. Damit wird die Synchronsierung unterbrochen, so daß der Phasenwinkel und die Spannung wieder der Regelung unterliegen.

Der besondere Vorteil des Wechselrichters gemäß der Erfindung besteht darin, daß er eine geringe Anzahl von Einzelteilen, hohen Wirkungsgrad und eine schnelle Ansprechzeit in Bezug auf Lastwechsel besitzt, weil das Pehlersignai ohne Zwischenschaltung zeitverzögernder Mittel gewonnen wird. Bei einem 400 Hz-Wechselrichter wurden Ansprechzeiten zwischen 5 und 10 Millisekunden erreicht una ein Wirkungsgrad zwischen 88,5 und 90 #.

7 Figuren

8 Ansprüche

- 19 009828/0327

Claims (1)

1. PLA 66/8271

   to

   Patentansprüche

   1. Wechselrichter, bestehend aus zwei Teilwechselrichtern, deren Ausgangsspannung additiv eine resultierende Ausgangsspannung ergeben, deren Größe von der veränderbaren Phasendifferenz der Ausgangsspannung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Teil wechselrichter (23, 34) ein Steuersatz (22, 32) mit einem RC-Slied (102, 104; 182, 190,188) zugeordnet ist, das die Folgefrequenz der Steuerimpulse bestimmt, daß der Widerstand des RC-Gliedes eines der beiden Steuersätze (32) steuerbar ist und abhängig von der Abweichung de3 Momentanwertes der resultierenden Ausgangsspannung des Wechselrichters von einem durch mindestens eine Schwellwertschaltung (274) vorgegebenen Sollwert verändert wird.

   2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (274) aus einer Zenerdiodenbrücke mit zwei Zenerdioden (276, 278) besteht, die so gepolt sind, daß, wenn die Ausgangsspannung des Wechselrichters die Referenzspannung der Zenerdioden unter- oder überschreitet, negative bzw. positive Fehlerimpulse abgegeben werden.

   5. Wecnsnirichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (182) den 3tuuerbar<m HC-Gliedes des einen Steuersatzes (3.^) mit t?jii(?ni Tranaistor (198) überbrückt ist, dessen KoIiekijr-ümitter-Widerntand durch dio Fühlersignale je nach deren Polarität erhöht b::w. erniedrigt wird.

   009828/0327·

   PLA 66/8271

   4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwechselrichter (23, 34) aus Kippstufen bestehen, die nacheinander nach Art eines Schiebregisters ein- und ausgeschaltet werden, und daß deren Ausgangsspannungen zur Bildung der Ausgangswechselspannungen additiv überlagert werden.

   5. Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Kippstufen des einen Teilwechselrichters (23)

   . über Steuerwiderstände (300, 302) mit in den entsprechenden rlingangsleitungen der entsprechenden Kippstufen des anderen Teilgleichrichters (34) liegenden Richtleitern (224, 226) verbunden sind, die von der Ausgangsspannimg gesperrt werden.

   6. »itechselri enter nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Kippstufen des einen Teilwechselrichters (23) über Kondensatoren (312, 3H) über Kreuz mit den Eingängen der entsprechenden Kippstufen des anderen Teilwechselrichters' (34) verbunden sind und daß zwischen Eingang und Kondensator ein nach Masse führender Richtleiter (334, 326) angeschlossen ist, der den Kondensator über die Kippstufe entlädt.

   7. Wechselrichter nach einem der vorhergehariden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine 3ynchroni3ierung3einrichtung vorgesehen ist, die bei Unterschreiten eines bestimmten Phasenwinkels eine zwangsweise Synchronisierung zwischen den beiden Steuersätzen (22, 32) vornimmt.

   8. Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierungaeinrichtung aus einem VollweggloichrLchter

   009828/0 327

   15B333Q

   PLA 66/8271

   (378) besteht, der die infolge der Phasenverschie"bung auftretende Differenzspannung der beiden Teilwechselrichter (23, 34) gleichrichtet, daß der -Gleichrichter über einen Transistor (367) mit einem RG-Glied (376, 368, 370) verbunden ist, dessen Kondensatorspannung einem weiteren Transistor (366) zugeführt wird, der in gesperrtem Zustand die Synchronisationsimpulse durch3chaltet, und daß die Zeitkonstante des RC-Gliedes so bemessen ist, daß es von der gleichgerichteten Differenzapannung nur dann bis zur Schwellspannung des weiteren Transistors (366) aufgeladen wird, wie der Phasenwinkel eine bestimmte Größe überschreitet.

   Leerseite