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DE2541700C3 - Verfahren zum Betrieb eines Schwingkreisumrichters - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Schwingkreisumrichters

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DE2541700C3
DE2541700C3 DE2541700A DE2541700A DE2541700C3 DE 2541700 C3 DE2541700 C3 DE 2541700C3 DE 2541700 A DE2541700 A DE 2541700A DE 2541700 A DE2541700 A DE 2541700A DE 2541700 C3 DE2541700 C3 DE 2541700C3
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thyristors
inverter
resonant circuit
commutation device
bridge
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DE2541700A1 (de
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Lovro Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Vukasovic
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Siemens AG
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Schwingkreisumrichters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Ein solches Verfahren und ein Umrichter mit der beschriebenen Hilfskommutierungseinrichtung sind aus der DE-OS 20 56 847 bekannt, wobei zu den Gleichstromklemmen der Brückenschaltung der Hilfskommutierungseinrichtung ein mit einer Gleichspannungsquel
60 le nachladbarer Kondensator in Reihe geschaltet ist und die Wechselstromklemmen der Brückenschaltung der Hilfskommutierungseinrichtung über die Reihenschaltung des Kondensators und einer Drossel verbunden sind. Außerdem ist als Vorstromeinrichtung die Reihenschaltung eines Thyristors und eines Kondensators vorgesehen, dem ein Widerstand parallelgeschaitet ist und mit der die Eingangsklemmen des Wechselrichters ebenfalls überbrückt sis;d. Umrichter mit einem ParaJlel-Schwingkreis als Last sind im eingeschwungenen Zustand lastgeführt und die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters wird von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt Der Strom geht dabei in direkter Kommutierung von einem Brückenzweig des Wechselrichters auf den nachfolgend stromführenden über, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator des Parallel-Schwingkreises zur Verfügung gestellt wird. In dur Anfahrphase reicht die Ladung des Kondensators des Parallel-Schwingkreises zur direkten Kommutierung nicht aus und es muß daher während dieses Zeitraumes indirekt kommutiert werden. Zum Anfahren wird bei dem bekannten Umrichter der Thyristor der Vorstromeinrichtung gezündet, bis ein Strom vorgegebener Größe in der Glättungsdrossel fließt Während dieses Zeitraums fließt kein Strom über die Last. Ist der Strom vorgegebener Größe erreicht, so werden Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters gezündet und es fließt nun Strom über die Last, uer eine Schwingung anregt, und der Thyristor der Vorstromeinrichtung erlischt. Kurz vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung werden anschließend die vorher nichtleitenden Thyristoren des Wechselrichters und Thyristoren in zugehörigen diagonalen Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung gezündet. Die Spannung des nachladbaren Kondensators der Hilfskommutierungseinrichtung liegt nun als negative Sperrspannung an den Thyristoren des Wechselrichters und löscht die bisher stromführenden Thyristoren. Nun wächst die Spannung am Kondensator der Brückenschaltung der Hilfskommutierungseinrichtung an bis die gezündeten Thyristoren des Wechselrichters den Strom übernehmen können, worauf die stromführenden Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung erlöschen. Für diesen Spannungsanstieg am Kondensator der Brückenschaltung ist die Drossel erforderlich, die mit diesem Kondensator in Reihe geschaltet ist. Dieses Schaltspiel wiederholt sich kurz vor jedem nachfolgenden Nulldurchgang der Schwingkreisspannung. Dabei lädt sich der Kondensator der Brückenschaltung der Hilfskommutierungseinrichtung immer mehr auf und seine Spannung wirkt der Spannung des nachladbaren Kondensators entgegen, so daß die Hilfskommutierungseinrichtung nach einer gewissen Zeitspanne wirkungslos wird, womit die Anfahrphase beendet ist, da nun die Schwingkreisspannung des Umrichters zur direkten Kommutierung ausreicht und der Umrichter im Normalbetrieb arbeitet. Der bekannte Umrichter ist während der Anfahrphase nicht last-, sondern mit der Frequenz der Schwingkreisspannung selbstgeführt. Dieser Vorteil wird jedoch mit einem großen Aufwand erreicht. Insbesondere ist eine zusätzliche Stromversorgung zum Laden des Kondensators in der Hilfskommutierungseinrichtung erforderlich. Außerdem fließt bis zum Erreichen des vorgegebenen Stromes, wie bereits erwähnt, kein Strom über den Parallel-Schwingkreis. Der Kondensator des Parallel-Schwingkreises erhält daher während dieser Phase des Anfahrbetriebs keine Ladung, was ein relativ träges
Anfahren des Umrichters bedeutet.
Aus der FR-PS 14 35 367 ist ein selbstgeführter Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis und einem Wechselrichter mit Thyristoren in Drehstrombrückenschaltung bekannt Dieser Umrichter besitzt eine Kommutierungseinrichtung, bestehend aus Löschthyristoren in Drehstrombrückenschaltung, die der Wechselrichterbrücke antiparallel geschähet ist und vier Hilfsthyristoren in Brückenschaltung, deren Gleichstromanschlüsse mit den Eingangsklemmen des Wechselrichters verbunden und deren Wechselstromanschlüsse mit einem Kommutierungskondensator überbrückt sind. Bei diesem Umrichter wird der Kommutierungskondensator zu Betriebsbeginn durch Zünden von Hilfsthyristoren diagonaler Brückenzweige aufgeladen. Zur anschließenden Kommutierung von Thyristoren des Wechselrichters wird ein geeigneter Löschthyristor und die entsprechenden Hilfsthyristoren diagonaler Brükkenzweige gezündet Anfahrprobleme, wie sie bei einem Schwingkreisumrichter auftreten, sind bei diesem selbstgeführten Umrichter nicht gegeben.
Es besteht die Aufgabe, das Betriebsverfahren für einen Schwingkreisumrichter der eingangs genannten Art in der Anfahrphase zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem ersten Verfahrensschritt die Thyristoren diagonaler Brückenzweige gezündet und bleiben für eine Zeitspanne stromführend, deren Länge durch eine vorgegebene Spannung am Kondensator der Hilfskommutierungseinrichtung gegeben ist. Mit diesem Vtrfahrensschritt wird eine einfache, sehr schnelle Aufladung des Kondensators der Hilfskommutierungseinrichtung erreicht. Beim zweiten Verfahrensschritt werden Thyristoren in zwei diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters für eine Zeitspanne gezündet, deren Länge von einem vorgegebenen Strom im Wechselrichter bestimmt ist, der anschließend während der gesamten Anfahrperiode konstant gehalten wird. Während dieses zweiten Verfahrensschritts wird einerseits bereits der Kondensator des Parallel-Schwingkreises aufgeladen, was das Anfahren beschleunigt, andererseits arbeitet der Umrichter wegen der Einstellung des konstanten Vorstromes stromabhängig und kann mit unterschiedlicher Last anfahren. In einem dritten Verfahrensschritt werden schließlich Thyristoren einander zugeordneter Brückenzweige der Hilfskommutierungseinrichtupg und Thyristoren der Brückenzweige des Wechselrichters gezündet, wobei die Zündung der Thyristoren der Brückenzweige des Wechselrichters um eine konstante Zeitspanne verzögert gegenüber den Thyristoren der zugeordneten Brückenzweige der Hilfskommutierungseinrichtung erfolgt Mit dieser konstanten Zeitspanne, in der eine negative Vorspannung an den Thyristoren des Wechselrichters liegt, wird die Schonzeit der Thyristoren des Wechselrichters berücksichtigt, womit Kommutierungskurzschlüsse im Wechselrichter und damit Betriebsstörungen und Betriebsausfälle ausgeschlossen sind. Zu erwähnen ist schließlich noch, daß während des Anfahrens keine zusätzliche Istwerterfassung nötig is;, ::nndern daß die zur Steuerung benötigten MeugrötSen mit den zur Steuerung im Normalbetrieb nötigen Meßfühlern erhalten werden.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
F i g. 1 zeigt ein Schaltbeispiel eines Parallelschwingkreisumrichters. Ein Wechselrichter 1 ist aus Thyristoren 2, 3, 4 und 5 in Einphasenbrückenschaltung aufgebaut Ober die Ausgangsklemmen bzw. Wechselstromanschlüsse 6 des Wechselrichters 1 wird ein Parallel-Schwingkreis 7 als Last gespeist, der aus der Parallelschaltung einer Drossel Ta und eines Kondensators Tb besteht Die Eingangsklemmen 8 des Wechsel-
K) richters 1 sind über einen Gleichstromzwischenkreis 9 mit einer Glättungsdrossel 10 und einem Gleichrichter 11 mit einem Drehstromnetz verbunden, das an den Klemmen 12 liegt Der Gleichrichter 11 ist aus den Thyristoren Ha bis 11/in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut Die Eingangsklemmen 8 des Wechselrichters 1 sind von einer Hilfskommutierungseinrichtung 13 überbrückt die nur aus Thyristoren 14 bis 17 in Brückenschaltung aufgebaut ist Dabei liegen die Gleichstromklemmen 18 der Brückenschaltung an den Eingangs- bzw. Gleichstromklemmen 8 des Wechselrichters 1 und die Wechselstromanschlüsse 19 der Brückenschaltung sind direkt mit einem Kondensator 20 verbunden. Für die Thyristoren 2 bis 5,11 a bis 11 /und 14 bis 17 des Wechselrichters 1, des steuerbaren Gleichrichters 11 und der Hilfskommutierungseinrichtung 13 sind Steuereinrichtungen vorzusehen, die in der Figur nicht dargestellt sind. Solche Steuersätze für einen Gleichrichter sind beispielsweise in dem Buch von G. Möltgen »Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren«,
in Berlin und München, 1970, Seite 275 oder 280 und für einen Wechselrichter beispielsweise aus dem Buch von D. Ernst und D. Ströle »Industrieelektronik«, Berlin, Heidelberg, New York, 1973, S. 54 und 55 beschrieben, wobei der letztgenannte Steuersatz auch zur Zündung
jö der Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung benutzt werden kann. Als Istwertgeber für die Steuerung sind außerdem noch Stromwandler in der Speiseleitung des Gleichrichters 11 und eine Spannungserfassung am Parallel-Schwingkreis 7 vorzusehen.
w Diese Istwertgeber, die auch für den Normalbetrieb des Umrichters erforderlich sind, sind in die Figur nicht eingezeichnet. Sie sind beispielsweise aus der obengenannten DE-OS 20 56 847 bekannt.
Im normalen Betriebszustand werden wechselweise
4ί die Thyristoren 2 und 5 oder 3 und 4 der diagonalen Brückenzweige des Wechselrichters 1 mit der Frequenz der Schwingkreisspannung des Parallel-Schwingkreises 7 gezündet. Die Zündung erfolgt unter Berücksichtigung der Schonzeit der Thyristoren kurz vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung. Dabei wird von einem Stromrichterzweig auf den nachfolgend stromführenden Stromrichterzweig direkt kommutiert, wobei die Kommutierungsblindleistung vom Kondensator Tb des Parallel-Schwingkreises 7 zur Verfügung
>5 gestellt wird. In der Anfahrphase reicht die Ladung des Kondensators Tb zur direkten Kommutierung nicht aus. Es muß daher in diesem Betriebszustand indirekt kommutiert werden, wobei gleichzeitig dafür gesorgt werden muß, daß der Schwingkreis-Kondensator Tb
w) möglichst schnell eine Ladung erhält, die zur direkten Kommutierung ausreicht, um im Normalbetrieb arbeiten zu können. Der Betrieb des Umrichters gemäß F i g. 1 in der Anfahrphase wird anhand der F i g. 2 näher erläutert, in der der Strom ld in der Glättungsdrossel, die
t>5 Zv'ischenkreisspannung U2 an den Eingangs- bzw. Gleichstromklemmen 8 und die Schwingkreisspannung Us am Kondensator Tb des Parallel-Schwingkreises 7 über der Zeit t aufgetragen sind. Bei Betriebsbeginn
werden die Thyristoren 14 und 17 oder 15 und 16 in zwei diagonalen Brückenzweigen der Hilfskomniutierungseinrichtung 13 gezündet. Für das folgende sei angenommen, daß die Thyristoren 15 und 16 gezündet wurden. Die Thyristoren bleiben für eine Zeitspanne At\ stromführend bis eine Spannung Um der in der Figur angegebenen Polarität am Kondensator 20 erreicht ist. Am Ende der Zeitspanne Δ ti, d.h. bei Erreichen der Spannung Um, werden Thyristoren 2 und 5 oder 3 und 4 in zwei diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters 1 gezündet. Für das folgende sei angenommen, daß die Thyristoren 2 und 5 gezündet werden. Diese Thyristoren 2 und 5 bleiben für eine Zeitspanne Δ (2 stromführend, in der sich ein Vorstrom /</,, vorgegebener Größe einstellt. Dieser Vorstrom /<*, wird beispielsweise mit den nicht dargestellten Stromwandlern in der Speiseleitung des Gleichrichters 11 erfaßt und während der gesamten Anfahrphase durch die Steuerung der Thyristoren 11a bis 11/des Gleichrichters 11 konstant gehalten. Hat der Strom die vorgegebene Größe Ido erreicht, so werden die Thyristoren 14 und 17 in nachfolgend stromführenden Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung 13 gezündet. Die Spannung des Kondensators 20 liegt nun als negative Sperrspannung an den Thyristoren des Wechselrichters 1 und die stromführenden Thyristoren 2 und 5 werden gesperrt. In einer konstanten Zeitspanne At1, wird der Kondensator 20 von — d/«,nach + Um umgeladen. Diese Zeitspanne ist durch die Kapazität C20 des Kondensators 20 und durch die Spannung Ucn und den Strom Id,, gemäß der Beziehung
_ 2 Un -C20
ι ο
gegeben.
Nach der Umladung, d. h. nach Ablauf der konstanten Zeitspanne Atn werden die Thyristoren 3 und 4 der nachfolgend stromführenden Brückenzweige des Wechselrichters 1 gezündet, übernehmen den Strom und die stromführender: Thyristoren 15 und 16 erlöschen. Nun fließt Strom über die Last 7, der den Kondensator Tb lädt und eine Schwingung im Parallelschwingkreis anregt. Nach Ablauf einer von der Schwingungsfrequenz abhängigen Zeitspanne A t3 werden kurz vor oder im ersten Nulldurchgang der Schwingkreisspannung U, die Thyristoren 15 und 16 der nachfolgenden Brückenzweige der Hilfskommutierungseinrichtung 13 und nach Ablauf der konstanten Zündverzögerung die Thyristoren 2 und 4 des Wechselrichters 1 gezündet, wobei der genaue Zeitpunkt von der Schonzeiterfassung für die Thyristoren des Wechselrichters 1 abhängt. Die so ausgelöste indirekte Kommutierung erfolgt in der oben beschriebenen Weise. Nach Ablauf der Zeitspanne Ah, d.h. vor dem nächsten Nulldurchgang der Schwingkreisspannung Us wiederholt sich dieses Schaltspiel und wird fortgeführt, wobei die Schwingkreisspannung U1 immer größer wird, wie F i g. 2 zeigt, bis sie einen Wert vorgegebener Größe Uso erreicht hat, der zur direkten Kommutierung ausreicht. Dann bleiben die Thyristoren 14 bis 17 der Hilfskommutierungseinrichtung 13 ungezündet, der Normalbetrieb beginnt und auch der Strom Id wird nicht mehr konstant gehalten, sondern wächst an. Es ist hier anzuführen, daß in F i g. 2 nur einige Schaltspiele dargestellt sind. In Wirklichkeit wird die indirekte Kommutierung in der Anlaufphase wesentlich öfter wiederholt. Anzumerken ist noch, daß das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem Kommutierungskondensatoren während einer konstanten Zeitspanne umgeladen werden, die von einem konstanten Vorstrom und der Anfangsladung der Kommutierungskondensatoren abhängt, auch bei Umrichtern mit abgewandelter Hilfskommutierungseinrichtung eingesetzt werden kann.
F i g. 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zur Hilfskommutierungseinrichtung 13 ein Thyristor 21 in Serie geschaltet Dieser Thyristor 21 wird bei jeder Zündung von Thyristoren 14 bis 17 mitgezündet. Seine Aufgabe ist es, nach der Anfahrphase im Normalbetrieb die volle Schwingkreisspannung zu übernehmen. Die Thyristoren 14 bis 17 können dementsprechend für eine wesentlich geringere Spannungsbelastung ausgelegt werden, was die Anlage weiter verbilligt. Außerdem ist im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 der Hilfskommutierungseinrichtung 13 ein Schalter 22 parallel geschaliet. Dieser Schalter 22 wirkt als Überspannungsschutz und wird geschlossen, wenn die Schwingkreisspannung einen bestimmten Wert überschreitet, wobei der Thyristor 21 zum Kurzschließen der Thyristoren 2 bis 5 des Wechselrichters 1 benutzt wird.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Umrichter das Anfahren wesentlich vereinfacht und verbessert ist, wobei nochmals zu betonen ist, daß das Anfahren sehr sanft erfolgt. Dabei ist für die indirekte Kommutierung während der Anfahrphase eine zusätzliche Stromversorgung nicht erforderlich und es werden zur Zündung und Steuerung nur die Größen benötigt, die auch für den Normalbetrieb erfaßt werden müssen, so daß keine zusätzlichen Meßfühler für das Anfahren erforderlich sind, was den Aufbau und die Steuerung wesentlich vereinfacht. Außerdem kann die Hilfskommutierungseinrichtung für einen Bruchteil der Schwingkreisleistung ausgelegt werden, d. h. die Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung brauchen nur eine geringe Belastbarkeit zu besitzen und der Kommutierungskondensator kann klein, beispielsweise in der Größe von 5 μ F, gewählt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Betrieb eines Schwingkreisumrichters mit Gleichstromzwischenkreis und Glättungsdrossel, bestehend aus einem steuerbaren Gleichrichter und einem Wechselrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung, dessen Eingangsklemmen von einer Hilfskommutierungseinrichtung überbrückt sind, die Thyristoren in Brückenschaltung enthält, zwischen deren Wechselstromausgängen ein Kondensator liegt, wobei während der Anfahrphase Thyristoren einander zugeordneter diagonaler Brükkenzweige des Wechselrichters und der Hilfskommutierungseinrichtung vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung gezündet werden, und bei dem nach der Anfahrphase nur Thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters gszündet werden und die Thyristoren der Hilfskommutierungseinrichtung ungezündet bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Anfahrphase Thyristoren (14, 17; 15, 16) in diagonalen Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung (13) gezündet werden und stromführend bleiben, bis der Kondensator (20) der Hilfskommutierungseinrichtung (13) einen ausreichenden Spannungswert (Um) erreicht hat, daß bei Erreichen dieses Spannungswertes Thyristoren (2,5; 3, 4) in zwei diagonalen Brückenzweigen des Wechselrichters (1) gezündet werden und stromfüh- m rend bleiben, bis in der Glättungsdrossel (10) ein ausreichender Vorstrom (ldo) fließt, der während der weiteren Anfahrphase durch Steuerung des Gleichrichters (11) konstant gehalten wird, daß nach Erreichen dieses Vorstrome? die Thyristoren (14,17; r> 15,16) nachfolgend stromführender Brückenzweige der Hilfskommutierungseinrichtung(13) und um eine konstante Zeitspanne (At0) verzögert Thyristoren (2, 5; 3,4) nachfolgend stromführender Brückenzweige des Wechselrichters gezündet werden, wobei die für das Umladen des Kondensators (20) der Hilfskommutierungseinrichtung (13) vom positiven Spannungswert (+ Uco) auf den negativen Spannungswert (— Um) ausreichend bemessene Zeitspanne (Δίο) von dem Spannungswert (Uco) und dem konstanten v-, Vorstrom (Id0) abhängig ist und daß anschließend vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung (U1) Thyristoren (14, 17; 15, 16) von Brückenzweigen der Hilfskommutierungseinrichtung (13) und um die Zeitspanne (Δίο) verzögert die zugeordneten Thyristoren (2, 5; 3, 4) des Wechselrichters gezündet werden und daß dieses Schaltspiel fortgeführt wird, bis bei Beendigung der Anfahrphase der Schwingkreis (7) die Schwingkreisspannung (Uso) erreicht hat, die zur direkten Kommutierung ausreicht.
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