DE914516C - Anordnung zum Betrieb von Wechselrichtern, die ein Verbrauchernetz ohne taktgebende Spannung speisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betrieb von Wechselrichtern, die ein Verbrauchernetz ohne taktgebende Spannung speisen. Bei solchen Anordnungen ist es bekannt, die Spannungsbeziehung zwischen den beiden Netzen durch das abwechselnde Zünden von an verschiedenen Gleichstrompotentialen liegenden Ventilstrecken im Bedarfsfalle mittels erzwungener Kommutierung sprunghaft zu ändern. Da aber der Verbraucherstrom seinen Wert während der Kommutierung im allgemeinen nicht sprunghaft ändern kann, ist es dabei auch bekannt, den Strom auf eine andere Ventilstrecke mit gegenüber der Verbraucherseite gleicher Durchlaßrichtung wie die abgelöste zu überführen.

Eine wichtige Voraussetzung für die ungestörte Durchführung einer derartigen Kommutierung ist jedoch, daß der durch die Kommutierung bedingte, einmal in der Halbperiode stattfindende Leistungssprung das liefernde Gleichstromnetz nicht stört. Die meisten Wechselrichter haben wie Gleichrichter auf der Gleichstromseite Drosselspulen, die einen solchen Leistungssprung überhaupt verhindern würden. Auch ohne sie hat das Gleichstromnetz oft eine genügende Induktanz, um sich Leistungssprüngen entgegenzusetzen. Bei Änderungen der Energieströmung treten deshalb statt dessen Spannungsstöße auf, die die Spannungskurven auf der Wechselstromseite deformieren und also der Schaffung einer leicht glättbaren Wechselstromkurve entgegenwirken. Um diese Übelstände zu beheben, liegt gemäß vorliegender Erfindung zwischen den Gleichstrompolen des Wechselrichters ein Kondensator, der die beim Stromübergang

wechselnde Belastung des Gleichstromnetzes ausgleicht, so daß der Stromübergang die Spannungskurve¹ nicht stört.

Durch die Kommutierung kann die Gleichspan nung im Verhältnis zu den Ventilstrecken von vollem Plus- zu vollem Minuswert umgekehrt werden, aber auch alle zwischenliegenden Werte können zur Verwendung kommen, d. h. während gewisser Zeitabschnitte eine niedrigere Gleichspannung als die maximale und auch der W^Tert Null, was bedeutet, daß eine Ventilgruppe, die zeitweise den Strom führt, im Kurzschluß arbeitet. In dieser Weise kann auf der Wechselstromseite eine abgestufte Spannungskurve erhalten werden, welche *5 durch Glättungsmittel verhältnismäßig kleiner Kapazität annähernd zur Sinusform ausgeglichen werden kann. Vorzugsweise werden die Zeiträume für die verschiedenen Anschlüsse an die Gleichstromseite bzw. an die speisende Netzseite so abao gepaßt, daß eine Spannungskurve ohne die dritte oder höhere Oberwellen erhalten wird.

Die verschiedenen Ventilstrecken können entweder in der sogenannten Einwegschaltung mit an individuelle Transformatorwicklungen angeschlossenen Ventilstrecken geschaltet werden, wobei sie jedoch auf der Anoden- oder Kathodenseite miteinander verbunden und gegebenenfalls an dieselben Transformatorwicklungen angeschlossen sein können, oder in der sogenannten Zweiwegschaltung, gegebenenfalls mit direkter Verbindung der beiden Netze über Ventilstrecken.

Vier verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in Abb. ι bis 4 der Zeichnung schematisch dargestellt, während Abb. 5 ein für die Schaltungen der Abb. 1 bis 3 gültiges Strom- und Spannungsdiagramm zeigt.

In Abb. i, die die eben erwähnte einfachste Form der Erfindung zeigt, ist 1 das die Leistung abgebende Gleichstromnetz und 2 das die Leistung empfangende Wechselstromnetz, das in diesem Falle ein Einphasennetz ist. Zwischen die beiden Netze ist ein Wechselrichter eingeschaltet, der aus zwei an je eine Wicklung desselben Transformators 3 angeschlossenen Ventilgefäßen 4, 5 besteht. Das Ventilgefäß 4 ist mit der Kathode 40 an den negativen Gleichstrompol angeschlossen, während seine Anoden 41,42 an die Endpunkte der einen Wicklung 34 des Transformators 3 angeschlossen sind; der Nullpunkt dieser Wicklung ist an den positiven Gleichstrompol angeschlossen. Dieses l'entilgefäß ist in der bei Wechselrichtern normalen Weise ausgeführt und eingeschaltet. Seine Steuerorgane sind nur schematisch angedeutet.

Das andere Ventilgefäß 5 ist mit seinen Hauptanöden 51, 52 an die Endpunkte einer ähnlichen Wicklung auf dem Transformator 3 angeschlossen, welche Wicklung 35 der Einfachheit halber vorzugsweise dieselbe Windungszahl wie die Wicklung 34 hat. Der Nullpunkt dieser Wicklung ist an die Kathode 50 des Ventilgefäßes unmittelbar angeschlossen, so daß dieses Ventilgefäß im Kurzschluß mit der Gleichspannung = ο arbeitet. Eines dieser Gefäße kann außer den jetzt genannten Hauptanoden eine Anzahl der Kommutierung dienender Hilfsanoden enthalten. Die Sekundärwicklung 32 des Transformators 3 ist an das Wechselstromnetz 2 über einen Resonanzkreis 8 angeschlossen, während parallel mit dem Netz ein Kondensator 9 liegt. Zwischen den Polen des Gleichstromnetzes liegt ein Kondensator 7 zum Ausgleich der Belastung der Stromquelle, welche beispielsweise ein Gleichrichter sein. kann.

Die jetzt beschriebene Anordnung wirkt in der folgenden, in Abb. 5 in ihren Hauptzügen dargestellten \¥eise. Während eines gewissen Teils der Periode fließt der ganze Gleichstrom über die Anode 41, und zwischen den Enden der Sekundärwicklung 32 des Transformators 3 herrseht dann, falls sie der Einfachheit halber dieselbe Windungszahl wie die Hälfte der Wicklung 34 hat und die Spannungsabfälle vernachlässigt werden, die ganze Gleichspannung E. Dieser Periodenteil entspricht im dargestellten Beispiel einem elektrischen Winkel von i2O°, wenn die ganze Periode = 360⁰ gesetzt wird, wodurch die dritte Oberwelle in der Spannung eliminiert wird. Unter der Voraussetzung eines sinusförmigen Stromes und reiner Wirkbelastung des Einphasennetzes folgt sowohl der Wechselstrom wie der Gleichstrom während dieser Zeit der Kurve I₀.

Während der jetzt genannten Zeitperiode hat die Anode 41 negative Spannung gegenüber ihrem Wicklungsnullpunkt, und in Analogie hiermit hat die Anode 51 negative Spannung gegenüber ihrem Wicklungsnullpunkt, d. h. gegenüber der Kathode 50. Sie kann deshalb nicht zünden, und die beiden übrigen Anoden 42 und 52 werden durch ihre Gitter gesperrt gehalten. Am Ende der genannten Zeitperiode zündet man zuerst eine Übergangsanode im Gefäß 4 oder 5 und danach die Hauptanode 51, wonach die Anode 41 gesperrt wird, alles innerhalb eines Zeitraumes, der im Vergleich mit dem in dem Diagramm dargestellten als kurz betrachtet werden kann und der deshalb nicht eingezeichnet worden ist, um das Diagramm nicht unnötig zu kornplizieren. Die eine Hälfte der Transformatorwicklung 35 wird nun kurzgeschlossen, und die Spannung zwischen den Klemmen der Wicklung 32 sinkt bis auf Null, wie Abb. 5 zeigt. Der Strom auf der Wechselstromseite wird vorläufig durch die no Induktanz im Netz aufrechterhalten, und ein Strom fließt deshalb in dem kurzgeschlossenen Gleichstromkreis zwischen der Kathode 50 und dem Nullpunkt der Wicklung 35, dagegen fließt kein Strom zwischen den Klemmen des Kondensators 7 und dem Ventilgefäß 4, weshalb die Stromkurve I₀ gleich wie die im folgenden erörterten Stromkurven I₁ und I₂ in Abb. 5 während der nächstfolgenden Zeitperiode gestrichelt gezeichnet wurden.

Nach 30⁰ der eben genannten Zeitperiode geht der Wechselstrom durch Null, und eine Kommutierung erfolgt dann von selbst von der Anode 51 zu der Anode 52, indem die Sperrung dieser beiden Anoden früher etwa gleichzeitig aufgehoben wurde. Nach weiteren 30⁰ wird die Anode 42 freigegeben. und eine Kommutierung erfolgt dann von selbst zu

dieser Anode, die das Potential des positiven Gleichstrompols hat. Zwischen den Klemmen der Transformatorwicklung 32 wird dann die ganze Gleichspannung in entgegengesetzter Richtung gegen vorher herrschen, und der ganze beschriebene Verlauf wird während der nächsten Halbperiode in entgegengesetzter Richtung wiederholt. Die resultierende Spannung der Wicklung 32 wird deshalb eine abgestufte Wechselspannung, die den Höchstwert während 2 X 120⁰ und den Wert Null während 2 X 6o° einer Periode hat. Sie kann zu einer sinusförmigen Spannung E_g durch Überlagerung gewisser Oberwellen, insbesondere der fünften, mittels des Resonanzkreises 8 und durch den Kondensator 9 geglättet werden. Auf der Gleichstromseite fließt in den Wechselrichter der Strom I₀, von welchem im großen und ganzen der Mittelwert I_m von dem Netz ι zugeführt wird, während der Hauptteil der Pulsationen dem Kondensator 7 entnommen wird. Bei induktiv phasenverschobenem Strom, entsprechend etwa cos φ = 0,87, erhält man die Stromkurve I₁ in Abb. 5. Diese Kurve geht wie die Kurve I₀ durch Null während der Kurzschlußperiode, und die Stromkommutierung erfolgt deshalb auch in diesem Falle von selbst zwischen den Anoden 51 und 52 in dem kurzgeschlossenen Wechselrichter 5. Falls die Phasenverschiebung bei induktiver Last 30⁰, entsprechend cos φ — 0,87, übersteigt, so daß der Strom beispielsweise der Kurve I₂ in Abb. 5 folgt, und falls man immer den kurzgeschlossenen Wechselrichter während 6o° in jeder Halbperiode arbeiten lassen will, soll man mit der in Abb. 1 gezeigten Anordnung einen Gleichrichter kombinieren. Man erhält dann die in Abb. 2 dargestellte Schaltung. Das Wechselrichtergefäß 4 und das kurzgeschlossene Ventilgefäß 5 in dieser Schaltung entsprechen den gleichbezeichneten Gefäßen in Abb. 1, und ihre Einzelheiten sind in entsprechender Weise bezeichnet. Das Gleichrichtergefäß ist mit 6, seine Kathode mit 60, die Anoden sind mit 61 und 62 und die Transformatorwicklung mit 36 bezeichnet.

Eine erzwungene Kommutierung wird in diesem Falle von der Anode 41 zu 51 wie in Abb. 1 und weiter von der Anode 51 zu der Anode 61 erforderlich, wenn die Kurzschlußperiode aufhören soll, weil dann auch die Transformatorwicklung 36 als kurzgeschlossen betrachtet werden muß und die Anode 61 deshalb das Potential des Nullpunktes, d. h. des Minuspols, hat, während die Kathode 60 dasjenige des Pluspols hat. Nachdem letztgenannte Kommutierung beendigt ist, hat die Spannung des Wechselstromnetzes ihr Vorzeichen geändert, aber der Strom I₂ fließt infolge der Induktanz des Netzes vorläufig in derselben Richtung wie vorher (Abb. 5). Das Gleichstromnetz i, d.h. in erster Linie der Kondensator 7, wird nun gezwungen, diesen Strom über die Anode 61 aufzunehmen, widersetzt sich demselben jedoch und erniedrigt deshalb den Strom allmählich bis auf Null. Wenn der Strom danach in entgegengesetzter Richtung zu fließen anfängt, d. h. in der von der Spannung des Gleichstromnetzes bestimmten Richtung, geht er auf die Anode 42 über, und diese Kommutierung erfolgt von selbst, weil die Anode 42 das Potential der Kathode 40 bereits besitzt und ihr Potential weiter erhöht wird, sobald der Strom über die Anode 61 erlischt. Während der nächsten Halbperiode erfolgen die Kommutierungen in entgegengesetzter Richtung, so daß bei der angegebenen Belastungsart zwei erzwungene und eine spontane Kommutierung während der Halbperiode vorkommen. Die übrigen Bezeichnungen der Abb. 2 entsprechen denen der Abb. i.

Die in Abb. 3 dargestellte Schaltung hat wie in Abb. ι nur eine Wechselrichtergruppe und eine kurzgeschlossene Ventilgruppe für jedes Einphasennetz und ist deshalb bestimmt, nur mit einer Stufe und mit cos φ wenigstens = 0,87 zu arbeiten. Sie unterscheidet sich von Abb. 1 teils darin, daß die Ventilgruppen in der sogenannten Zweiwegschaltung ohne Transformator direkt mit den Netzen verbunden sind, teils darin, daß zwei verschiedene Einphasennetze vorhanden sind, welche beispielsweise mit gegeneinander 90⁰ phasenverschobenen Spannungen gespeist werden können, um einen gewissen Ausgleich der auf das Gleichstromnetz einwirkenden Leistungspulsationen zu bewirken. Die Hauptventilstrecken sind in gemeinsamen Gefäßen angeordnet in dem Maße, wie sie auf der Kathodenseite direkt verbunden sein können. Man erhält auf diese Weise für jedes Einphasennetz zwei Ventilgefäße, nämlich für das Einphasennetz 10 die Ventilgefäße 11 und 12 und für das Einphasennetz 20 die Ventilgefäße 21 und 22, und außerdem ein für beide Einphasennetze gemeinsames Ventilgefäß 15. In dem Folgenden wird nur die eine Einphasengruppe in Einzelheiten beschrieben, weil die andere in damit vollständig analoger Weise angeordnet und bezeichnet ist und auch gleichartig arbeitet.

In jedem Ventilgefäß 11 und 12 kommen zwei Hauptanoden 111 und 112 bzw.'i2i und 122 und eine Übergangsanode 113 bzw. 123 (gegebenenfalls mehrere, um Belastungsschwankungen Rechnung zu tragen) vor. Die Anoden in und 122 sind an den positiven. Gleichstrompol, die Anoden 112 und 121 dagegen an die Kathode 120 bzw. 110 des anderen Gefäßes angeschlossen. Die Übergangsanoden 113 und 123 sind untereinander verbunden und teils über einen Kondensator 130, teils über eine Induktanz 131 in Reihe mit einer Ventilstrecke 132 und gegebenenfalls über eine Gleichstromquelle 133 in Reihe mit einer zweiten Ventilstrecke 134 mit einem geeigneten Punkt, beispielsweise dem positiven Gleichstrompol, verbunden. Das Ventilgefäß 15 hat zwei Anoden für jedes Einphasennetz, von denen die dem Netz 10 angehörigen 151 und 152 an je eine der Kathoden 110 und 120 angeschlossen sind. Diese Kathoden bilden gleich- iao zeitig die beiden Pole des Einphasennetzes 10. Die Kathode 150 des Ventilgefäßes ist schließlich an den negativen Gleichstrompol angeschlossen. Die Glättungsmittel auf der Gleichstrom- und auf der Wechselstromseite sind die gleichen wie in Abb. 1 und in entsprechender Weise bezeichnet.

Claims (3)

1. Während des ersten in Abb. S dargestellten Periodenteils fließt der Strom vom Pluspol über die Anode in, die Kathode no, das Einphasennetz, die Anode 152 und die Kathode 150 zum Minuspol. Nach etwa 120⁰ erfolgt mittels der Übergangsanode 113 erzwungene Kommutierung zu der Anode 112, so daß das Einphasennetz über das Ventilgefäß 11 kurzgeschlossen wird. Gegebenenfalls kann man gleichzeitig alle übrigen Hauptanöden sperren, so daß das Potential des Einphasennetzes freischwebend wird. Die Stromkommutierung zur Anode 122 und die folgende Spannungskommutierung zur Anode 112 erfolgen von selbst wie in Abb. 1. Das andere Einphasennetz arbeitet in derselben Weise, nur mit 90⁰ Phasenverschiebung gegen das jetzt beschriebene, wobei die Elektroden 210, 211, 212, 220, 221, 222 denjenigen mit um Hundert niedrigeren Bezugsziffern ganz entsprechen. In Abb. 4 ist eine Schaltung dargestellt, in weleher eine niedrigere Gleichstromspannung, die jedoch nicht Null ist, abwechselnd mit der höchsten Spannung dem Wechselstromtransformator aufgedrückt wird, so daß man in dieser Weise eine Zwischenstufe in der Spannungskurve erhält. Das Gleichstromnetz mit der höheren Spannung ist mit 1 und das Gleichstromnetz mit der niedrigeren Spannung mit 16 bezeichnet. Der Pluspol ist als beiden Netzen gemeinsam dargestellt und an den Nullpunkt der Wechselrichterwicklung 34 des Transformators 3 angeschlossen, und die Endpunkte dieser Wicklung sind in diesem Falle an Anoden in zwei getrennten Ventilgefäßen 17, 18 angeschlossen, eines für jede Gleichspannung. Gegebenenfalls kann man statt dessen den Minuspol gemeinsam machen, in welchem Falle getrennte Wechselrichterwicklungen auf dem Transformator erforderlich sind, aber ein gemeinsames Wechselrichtergefäß verwendet werden kann. In dieser Schaltung wird, sobald eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung eintritt, wenigstens ein besonderes Gleichrichtergefäß 19 immer erforderlich, aber so lange die Phasenverschiebung sich innerhalb gewisser Grenzen hält, entsprechend der Zeit für die niedrigere Spannungsstufe, genügt ein solches Gleichrichtergefäß, das an die niedrigere Gleichspannung angeschlossen ist, wie die Abbildung zeigt. Als Glättungsmittel sind in dieser Abbildung nur Kondensatoren 7 auf den beiden Gleichstromnetzen dargestellt; aber übrigens können die gleichen go Glättungsmittel wie in Abb. 1 bis 3 verwendet werden. Die Kommutierung muß bei der beschriebenen Belastungsart immer dann erzwungen werden, wenn der Strom von einer Anode höherer, auf eine Anode niedrigerer Spannung, d. h. vom Gefäß 17 auf das Gefäß 18, übergeht oder sobald die Spannung bei beibehaltener Stromrichtung ihr Vorzeichen wechselt, d. h. sobald der Strom vom Gefäß 18 auf das Gefäß 19 übergeht. Dagegen geht die Kommutierung spontan vom Gefäß 19 auf das Gefäß 18 vor sich, wenn der Strom sein Vorzeichen wechselt, und vom Gefäß 18 auf das Gefäß 17, wenn die Spannung· durch Freigabe der betreffenden Anode in dem letzteren erhöht wird.

   Die in Abb. 4 gezeigte Schaltung kann selbstverständlich durch das Einführen eines besonderen kurzgeschlossenen Stromrichtergefäßes mit zugehöriger Wicklung entsprechend dem Gefäß 5 mit der Wicklung 35 in Abb. 1 oder 2 ergänzt werden. In diesem Falle erhält man drei Spannungsstufen auf der Gleichstromseite, die über die entsprechenden Ventilgefäße oder Transfofmatorwicklungen angeschlossen sind. Je nach der Phasenverschiebung muß man für eine größere oder kleinere Anzahl dieser Spannungsstufen besondere Gleichrichtergefäße entsprechend dem Gefäß 19 einführen.

   Bei der Anwendung der Erfindung für die Speisung von mehrphasigen Netzen kommt nur eine angemessene Anzahl Ventilstrecken und Wicklungsphasen in dem gegebenenfalls vorkommenden Ventiltransformator hinzu. Die erzwungene Kommutierung bedeutet in diesem Falle die Überführung des Stromes an eine Ventilstrecke, die an eine andere Phase des Wechselstromnetzes angeschlossen ist, und an eine andere, niedrigere oder entgegengesetzte Gleichspannung.

   Bei direkter Umrichtung werden die beschriebenen verschiedenen Gleichstromnetze von an gleichrichtende Ventilstrecken angeschlossenen Ventilwicklungen mit verschiedener Spannung ersetzt.

   go PATENTANSPRÜCHE:

   i. Anordnung zum Betrieb von Wechselrichtern, die ein Verbrauchernetz ohne taktgebende Spannung speisen, und bei der während der Kommutierung der Verbraucherstrom seinen Wert nicht sprunghaft ändert, indem er auf eine andere Ventilstrecke mit gegenüber der Verbraucherseite gleicher Durchlaßrichtung wie die abgelöste übergeführt wird, wogegen die Spannungsbeziehung zwischen den beiden Netzen durch das abwechselnde Zünden von an verschiedenen Gleiehstrompotentialen liegenden Ventilstrecken im Bedarfsfalle mittels erzwungener Kommutierung sprunghaft geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gleichstrompolen ein Kondensator liegt, der die beim Stromübergang wechselnde Belastung des Gleichstromnetzes ausgleicht, so daß der Stromübergang die Spannungskurve nicht stört.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilstrecken an Gleichstromnetze mit verschiedenen Spannungen angeschlossen sind.
3. 3. Anordnung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiträume für die Wirksamkeit der verschiedenartig angeschlossenen Ventilstrecken so abgepaßt sind, daß eine abgestufte Kurvenform, bei der die dritte oder höhere Oberwellen im wesentlichen unterdrückt sind, auf der empfangenden Netzseite erhalten wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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