DE2110746A1

DE2110746A1 - Wechselrichter mit treppenfoermiger Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE2110746A1
Application number: DE19712110746
Authority: DE
Inventors: Heinrich Theodore M; John Rosa
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1970-03-11
Filing date: 1971-03-06
Publication date: 1971-11-04
Also published as: FR2081858B1; US3628123A; NL7103252A; CH522321A; FR2081858A1; GB1350623A; JPS461968A

Description

Wechselrichter mit treppenförmiger Ausgangsspannung

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen Wechselrichter mit treppenförmiger einer Sinuskurve angenäherter Ausgangsspannung, die aus mehreren von Einzelwechselrichtern gelieferten Rechteckwellenspannungen zusammengesetzt ist, welche gleichen gegenseitigen Phasenwinkel und eine Amplitude aufweisen, die jeweils dem Kosinus ihres Phasenunterschiedes zu der Ausgangs spannung proportional ist.

Die grundsätzliche Methode zur Erzeugung einer derartigen Wechselrichterausgangsspannung ist in der USA-Patentschrift 3 491 282 beschrieben und besteht darin, die Ausgangsspannungen von K Wechselrichterstufen zu addieren, wobei diese Ausgangsspannungen jeweils um den gleichen Winkel ff/K versetzt sind. Hierzu werden die Sekundärwicklungen von Isoliertransformatoren, welche jeweils der einzelnen Wechselrichterstufe zugeordnet sind, in Reihe geschaltet. Es entsteht eine oberwellenarme Ausgangs spannung, welche nur harmonische Oberschwingungen der Ordnung 2nK +1 (n = 1, 2, 3 .... ganzzahlig positiv) enthält. Im Vergleich zu konventionellen Wechselrichtern kann der erforderliche Aufwand an teueren und umfangreichen Pilterkreisen zur Oberwellenunterdrückung zwar damit bedeutend vermindert werden, die erwähnte Realisierung mittels Isoliertransformatoren weist jedoch den Nachteil auf, daß jeder Wechselrichterstufe im allgemeinen ein Ausgangstransformator mit drei isolierten Sekundärwicklungen pro Ausgangsphase zugeordnet werden muß mit der Folge, daß der Wicklungsaufwand für diese Transformatoren z.B. bei sechs Einzelwechselrichtern (K = 6) rund 149ε höher ist als

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bei Transformatoren von konventionellen Rechteckwellenwechselrichtern. Die Ersparnis an Filtermitteln wird also teilweise aufgehoben durch einen unerwünschten Mehraufwand bei der Transformatordimensionierung. Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei Wechselrichtern der eingangs genannten Art eine oberwellenarme Ausgangsapannung bei wesentlich geringerem Wicklungsaufwand zu erreichen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß jeder Einzelwechselrichter mit einem Ende einer angezapften Drosselspule und die Anzapfpunkte ihrerseits mit Enden von weiteren, angezapften Drosselspulen verbunden sind. Damit kann bei gleichem Oberschwingungsgehalt der Wicklungsaufwand um ca. 60% verringert werden.

Wenn bei dreiphasiger Ausführung des Wechselrichters die dreifache Anzahl der einer Ausgangsphasenspannung zugeordneten Einzelwechselrichter die Zahl sämtlicher Einzelwechselrichter übersteigt, dann kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Mehrfachausnutzung der Drosselspulen dadurch erzfelt werden, daß eine entsprechende Anzahl von Drosselspulen zwei Anzapfungen aufweisen.

Eine Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Drosselspulen kann erreicht werden, wenn das Ausgangssystem nur drei Leiter aufweist und gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zur Sternpunktnachbildung ein Dreiphasentransformator verwendet ist, dessen an die Phasenleiter des Wechselrichters angeschlossene Primärwicklungen im Stern und dessen Sekundärwicklungen im Dreieck kurzgeschlossen sind.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Figuren näher veranschaulicht werden, wobei

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Pig. 1 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters mit K Einzelwechselrichtern,

die Pig. 2A, B und 3A, B die an sich bekannte Erzeugung einer oberwellenarmen Wechselrichterausgangsspannung,

Pig. 4 die erfindungsgemäße Art der Zusammenschaltung der Einzelwechselrichter,

Pig. 5 ein zugehöriges Spannungsvektordiagramm für einen dreiphasigen Wechselrichter,

die Pig. 6 und 7 die vektorielle Darstellung der Ausgangsspannungen einer Gruppe von Einzelwechselrichtern,

Pig. 8 ein Spannungsvektordiagramm für eine zweite Ausführungeform eines dreiphasigen Wechselrichters,

Pig. 9 die hierzu gehörige Art der Zusammenschaltung der Einzelwechselrichter,

Pig. 10 eine Sternpunktnachbildung in Verbindung mit einem dreiphasigen Wechselrichter gemäß den Fig. 8 und 9* sowie schließlich

Pig. 11 die sich dabei ergebenden Wellenformen zeigen.

In Fig. 1 ist schematisch ein Wechselrichter 10 dargestellt, der aus einer Mehrzahl von einphasigen Einzelwechselrichtern A, B K besteht, welche beim hier dargestellten Beispiel jeweils zwei Schaltelementen A1 und A2 aufweisen. Selbstverständlich könnten als solche Einzelwechselrichter auch übliche Brückenwechselrichter mit vier Schaltelementen Verwendung finden. Jeder dieser Wechselrichter stellt einen Rechteckwellengenerator dar, der in Bezug auf den Gleichspannungsnullpunkt N eine rechteckförmige Halbwellenspannung gleicher Amplitude jedoch von unterschiedlichem Phasenwinkel erzeugt.

Pig. 2A .zeigt die Verkopplung der den Einzelwechseirichtern zugeordneten Ausgangatransformatoren TA, TB, TC .... TK gemäß der in der eingangs erwähnten Patentschrift offenbarten Weise: Die

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Sekundärwicklungen der Transformatoren TA - TK sind in Reihe geschaltet und erzeugen eine treppenfÖrmige, der Sinusform an- ' genäherte, oberwellenarme Ausgangsspannung, indem, wie aus Pig. 3Aersichtlich ist, die Ausgangsspannungen von Rechteckwellengeneratoren, welche eine gegenseitige Phasenverschiebung, von jeweils 7T/K° aufweisen, addiert werden. Diese Methode erfordert, daß jeder Einzelwechselrichterstufe ein Ausgangstransformator zugeordnet werden muß, welcher pro Phase eine gesonderte Sekundärwicklung aufweist. Jede dieser Sekundärwicklungen ist so dimensioniert, daß sie eine Spannung gemäß folgender Beziehung liefert?

ν ^ ^tVeff . _Ληα ,9_ν Qys
M_rr = ■—— · cos (K-X; ,

^K K · V2
wobei M«._Y die Halbwellenamplitude des einzelnen Rechteckwellen-

JLA.

generators K, V^ der gewünschte Effektivwert der Grundkomponente der Ausgangsphasenspannung X, K die Anzahl der Rechteckwellengeneratoren, θ~ die Phasenverschiebung des einzelnen Rechteckwellengenerators K und θ_χ die Phasenverschiebung der Ausgangsphasenspannung X ist. Wird die Spannung X als Referenzspannung betrachtet (θ_χ = 0),dann ist die Amplitude jedes Rechteckwellengenerators proportional dem Kosinus des Phasenwinkels zwischen der Grundkomponente seiner Ausgangsspannung und der Grundkomponente der Ausgangsphasenspannung X, wie dies in Pig. 2B angedeutet ist.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Verkopplung der Ausgänge der Einzelwechselrichter zeigt Pig. 4. Dort ist schematisch ein aus achtsehn Einzelwechselrichtern bestehender 18-po.liger Wechselrichter 20 zur Erzeugung eines dreiphasigen Drehspannungssystems dargestellt, dessen Ausgangsspannungen in Bezug auf dem Gleichspannung enullpunkt N mit A, B, C .... R bezeichnet sind. Gezeichnet ist die Verkopplung der Wechselrichterausgänge A bis H durch die Kaskadenanordnung von angezapften Drosselspulen T1 bis

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T.7 für eine Phase, welche zu einer oberwellenarmen Ausgangs-'spannung E_x^ nach Art wie es sie in Fig. 3B gezeigt ist, führt. Zwei analoge, nicht weiter dargestellte Gruppierungen von Wechselrichterstufen G bis N und M bis B samt zugeordneten Drosseln dienen zur Erzeugung der beiden übrigen Ausgangsphasenspannungen Ey₁J bzw. E₂₁J. Eine Gegenüberstellung der Anordnungen nach Fig. 4 und 2 macht deutlich, daß anstelle von Isoliertransformatoren bei der durch vorliegende Erfindung vorgeschlagenen Lösung als Spannungsteiler wirkende angezapfte Drosselspulen Verwendung finden.

Die mit den Ausgängen der Einzelwechselrichter A und B verbundene Drosselspule T1 erzeugt zwischen ihrer Anzapfung B¹ und dem Nullpunkt N eine Spannung, welche proportional der vektoriellen Summe der Wechselrichterausgangsspannungen A und B ist, wobei diese bewichtet werden mit dem Kosinus ihrer jeweiligen Phasenwinkel in Bezug auf die Ausgangsspannung Ε_χΝ· Um das gewünschte Verhältnis zwischen den Ausgangssignalen der Wechselrichterstufen A und B zu erhalten, muß das Windungsverhältnis des Drosselabschnittes zwischen A und B' und B und B¹ so bemessen sein, daß jeder Wechselrichterausgang bewichtet, d.h. multipliziert wird mit dem Kosinus seiner Phasenverschiebung bezüglich der Ausgangsphasenspannung Ε_χ«.

Die Anzapfungen der Drosseln T1, T2 und T3 ergeben sich aus den nachfolgenden Beziehungen:

A	- B'	cos	⁸B	+	cos	⁰B	+	cos Qp
A	- B	cos Θ» A	+	⁰D	«c
B'	- C	cos	+	cos	⁰B	+	cos Ö« + cos ό-η
B¹	- 0	cos Q.
σ·	- D'	cos	cos	^B
	- D	COS O^

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wobei A-B¹ die Anzahl der Windungen der Drosselspule T1 angibt, welche zwischen den Punkten A und B' der Fig. 4 liegt und A bis B die Gesamtwindungszahl dieser Drosselspule ist, so daß

' ■ das Windungsverhältnis der Drossel angibt, welches die Anzapfung B¹ bestimmt. Die Winkel θ., Θ« usw. bedeuten die Phasenverschiebungen der Wechselrichterstufen A, B usw. wie sie in Pig. 2B definiert sind.

In gleicher Weise ergeben sich die Anzapfungen der Drosselspulen T4, T5 und Ϊ6 nach den Beziehungen

H-G' _ ^{C03 Q}G

H-G ⁼ cos Qq + cos öjj

G' - P ⁼ COS op + C03 Qq + COS

P¹ - E cos θ™ + cos θ-π + cos Q_n + cos ©„

Δ JT vT η

während sich die Anzapfung an der Drosselspule T7 ergibt zu

_D, _ _χ cos Qg + cos öj, + cos Qq + cos Θ_Η

D¹ - E^{1 =} cos Θ» + cos Q-Q + cos Q_Q + cos θ-j, + cos Θ_Ε + cos Q~

cos θ_π + cos Q„

Aufgrund dieser Wicklungsunterteilung der angezapften Drosselspulen T1 bis 17 ergibt sich» daß die gemäß Pig. 4 kaskadierte Drosselgruppe eine Ausgangsspannung B-^ an der Anzapfung X der Drosselspule 7 erzeugt, welche proportional der vektoriälen

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Summe der Wechselrichterausgangsspannungen A bis H ist, wobei jede Wechselrichterausgangsspannung bewichtet ist mit dem Kosinus ihrer entsprechenden Phasenverschiebung bezüglich der Phasenspannung E_x^. Die in der Ausgangsspannung E_x^ enthaltenen Oberwellen sind somit von der 18n + 1 Ordnung und alle Oberschwingungen bis einschließlich der 15. Oberschwingung werden unterdrückt.

Das Gesamtschema für alle drei Ausgangsphasen des Wechselrichters 20 geht aus dem "Vektorschaubild nach Fig. 5 hervor? die Länge der dort eingezeichneten Strecken entspricht jeweils der Spannung, welche zwischen den entsprechenden Klemmen und Anzapfungen erscheint.

Eine zweite Variante mit angezapften Drosselspulen ist in den Pig. 6 bis 9 dargestellt und dient zur Erzeugung oberwellenarmer Spannungen zwischen den Ausgangsklemmen X, Y und Z des Dreiphasenwechselrichters.

Pig. 6 zeigt die Grundkomponenten einer oberwellenarmen verketteten Spannung Ε_χγ, welche die Summe der von Wechselrichterstufen A bis H gelieferten Spannungen ist. Diese Spannungen stellen eine Gruppe aus 18 Spannungen eines 18-poligen Wechselrichters dar, welche gleichmäßig gegeneinander um 20 el versetzt ist, und bewichtet sind mit dem Kosinus ihrer Phasenverschiebung gegenüber der Ausgangsspannung Ε_χγ.

Der Vektorstern gemäß Pig. 6 kann aufgefaßt werden als die Differenz der in den Fig. 7A und 7B dargestellten Vektorsterne, wenn man die Beziehung berücksichtigt

» wobei TS_VV und HL« die zwischen XN YN

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den Ausgangsklemmen X bzw. Y und dem Gleichspannungsnullpunkt N-J₃₀ auftretenden Spannungen bedeuten, welche keine Oberwellenarme Spannungen sind. Bildet man jedoch aus den Spannungen Ε,-« und Evtct die verkettete Spannung E_YV, so wird die resul-

tierende Wellenform, wie zuvor, erwähnt die Harmonischen niederer Ordnung nicht mehr enthalten.

Gemäß Fig. 8 werden die in Fig. 7A dargestellten Komponenten mit den an den Wechselrichterklemmen D, E, F, J und K auftretenden Ausgangsspannungen erzeugt. Wie schon zuvor erklärt, wird die Anzapfung D¹ so gewählt, daß Spannung D mit cos Q^ und die Spannung J mit dem cos 9„ bewichtet wird:

D-D' ^{C08 0}B

D-J cos Qg + cos

■ cos 50° + cos 10°

0.394

Die Spannung an der Anzapfung D¹ ergibt sich zu

BL₁ = y-3 — j I_D cos 10° + Ij cos 50°]

^Ώ cos 10° + cos 50° L J

* Die Anzapfung E' wird ao gewählt, daß die Spannung E mit dem cos Θ™ und die Spannung K mit dem cos Θ. bewichtet wird:

E	- E'	cos	⁹A	+ cos t	10°	= 0.258
J5	- K	cos	⁰A	70°
			cos	+ cos
		cos	70°

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- 9 Die Spannung an der Anzapfung E¹ ist dann

^E' cos 10° + cos 70°

cos 10° + 1_K cos 70⁰

Die Anzapfung E" wird so gewählt, daß E^, mit (cos 10° + cos und Eg, mit (cos 10° + cos 70°) bewichtet wird:

E'- E" cos 10° + cos 50° _n

^Δ " ° 2 cos 10° + cos 50° + cos

Daraufhin ergibt sich die Spannung an der Klemme E" zu

_{i|f =}Γ 3 1

[2 cos 10° + cos 50° + cos 70° J

cos 10° + IL₁ cos 10°

cos 50° + t"_K cos 70°

Die Anzapfung X schließlich wird so gewählt, daß E" mit (2 cos 10° + cos 50° + cos 70°) und Ep mit cos θρ d.h. mit cos 30° bewichtet wird;

P- X _ j2 cos 10° + cos 50° + cos 70° _ 0.779

⁷ ~ ^B" .2 cos 10° +cos 30° + cos 50° + cos 70°

Die Fhasensbannung V wird dann

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. .r ι ι

DG [2 cos 10° + cos 30° + cos 50° + cos 70° J

cos 10° + Ep cos 10° + Ε™ cos 30° + E_T cos 50° +

cos 70°

■v[

cos 9_D + Sg cos Og + Ep cos Op + Ej cos

cos O.

] ■

Pig. 9 zeigt schematisch die gerätetechnische Anordnung zur Erzeugung der Leiterspannung X.

In analoger Weise erhält man die in Pig. 7B dargestellten Komponentenspannungen mit den Ausgangsspannungen der Wechselrichter J, K₁ L, F und Q. Das komplette dreiphasige Schaltungsschema zur Erzeugung der Leiterspannungen Ε_χ , Ε_γ und E_z geht aus Fig. hervor.

Bei der zuletzt beschriebenen Variante wird nur die halbe Anzahl von Einzelwechselrichterstufen für denselben Grad der Oberwellenunterdrückung benötigt. Es ist weiterhin die strommäßige Belastung jedes einzelnen Wechselrichters dieselbe und der Leistungsfaktor jedes Einzelwechselrichters entspricht dem durch den Verbraucher bestimmten Leistungsfaktor bei symmetrischer Belastung. Die Vorteile der zuerst beschriebenen Variante sind darin zu sehen, daß ein Dreiphasensystem mit oder ohne Nullleiter mit einem Minimum an Wicklungsaufwand erzeugt werden kann.

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Um auch bei der zutetzt beschriebenen Variante wechselstrommäßig einen Null-Leiter (Sternpunkt) zur Verfügung zu haben,gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wovon eine darin besteht, zur Sternpunktnachbildung einen Dreiphasentransformator an die drei Ausgangsleiter des dreiphasigen Wechselrichters anzuschließen. Die Primärwicklungen sind hierbei im Stern geschaltet und die Sekundärwicklungen dieses Transformators sind dabei im Dreieck kurzgeschlossen. Fig. 10 zeigt die Schaltung eines solchen Transformators und Fig. 11 veranschaulicht seinen Einfluß auf das Potential des Sternpunktes N._G relativ zu dem des Gleichspannungsnullpunktes Nj₁₀. Das Vorhandensein der kurzgeschlossenen Transformatorsekundärwicklung zwingt den Sternpunkt N»« des Drehspannungssystems dazu, ein derartiges Potential anzunehmen, daß die Summe der drei Phasenspannungen, d.h. der Spannungen zwischen den Ausgangsleitern und dem Sternpunkt zu jedem Zeitpunkt Null ist, und zwar wird ein entsprechender Ausgleichsstrom in der kurzgeschlossenen TransformatorSekundärwicklung diesen Effekt herbeiführen.

Fig. 11 zeigt die zwischen den einzelnen Phasenleitern X, Y und Z und dem G-leichspannungsnullpunkt N™ sowie die zwischen diesem und dem Sternpunkt N^,_G auftretenden Spannungen. Es läßt sich weiterhin dieser Figur auch das Zustandekommen der oberwellenarmen Phasenspannung E™ entnehmen.

^AC

3 Patentansprüche
11 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Wechselrichter mit treppenförmiger, einer Sinuskurve angenäherter Ausgangsspannung, die aus mehreren, von Einzelwechselrichtern gelieferten Rechteckwellenspannungen zusammengesetzt ist, welche gleichen gegenseitigen Phasenwinkel und eine Amplitude aufweisen, die jeweils dem Kosinus ihres Phasenunterschiedes zu der Ausgangsspannung proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einzelwechselrichter mit einem Ende einer angezapften Drosselspule und die Anzapf punkte ihrerseits mit Enden von weiteren, angezapften Drosselspulen verbunden sind.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1 zur Erzeugung einer dreiphasigen Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß soviel Drosselspulen zwei Anzapfungen aufweisen, wie die dreifache Anzahl der einer Ausgangsphasenspannung zugeordneten Einzelwechselrichter die Zahl sämtlicher Einzelwechselrichter übersteigt.
3. Wechselrichter nach Anspruch 1 zur Erzeugung einer dreiphasigen Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sternpunktnachbildung ein Dreiphasentransformator verwendet ist, dessen an die Phasenleiter des Wechselrichters angeschlossene Primärwicklungen im Stern geschaltet und dessen Sekundärwicklungen im Dreieck kurzgeschlossen sind.

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